不同濃度Cd對(duì)蛇泡草生理生化特性的影響

蔣翠文，李娟娟，蔡 卓*

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測(cè)技術(shù)研究所，廣西 南寧 530007；2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004)

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不同濃度Cd對(duì)蛇泡草生理生化特性的影響

蔣翠文1，李娟娟2，蔡 卓2*

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測(cè)技術(shù)研究所，廣西 南寧 530007；2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004)

【目的】研究Cd污染對(duì)蛇泡草生理生化特性指標(biāo)的影響，為重金屬對(duì)中草藥的毒害作用研究提供參考?！痉椒ā坎捎门柙阅M試驗(yàn)，待蛇泡草幼苗待生長(zhǎng)穩(wěn)定后，以50 mL/d的量澆灌不同濃度(11、22、45、90和134 mg/kg)的Cd2+溶液，記錄蛇泡草5、30和45 d的生長(zhǎng)情況，同時(shí)測(cè)定其的可溶性總糖含量、總黃酮含量、及抗氧化酶活性?！窘Y(jié)果】隨Cd溶液濃度的增加，蛇泡草體內(nèi)Cd含量不斷增大，同時(shí)蛇泡草葉片、莖部和根部的可溶性總糖、總黃酮、及抗氧化酶活性均呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)?！窘Y(jié)論】Cd 較易在蛇泡草體內(nèi)積累，并會(huì)破壞植物的新成代謝和正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致各項(xiàng)生理生化特性指標(biāo)下降，表現(xiàn)出明顯的毒害作用。

蛇泡草；重金屬；鎘；生理生化特性

【研究意義】蛇泡草[Duchesneaindica(Andr.)Focke]是薔薇科蛇莓屬植物，含酚類(lèi)物質(zhì)、糖甙類(lèi)等多種化學(xué)成分[1-3]，藥用價(jià)值高，用途較廣[4-5]。廣西是我國(guó)蛇泡草分布區(qū)域之一，具有較強(qiáng)的區(qū)域種植潛力。目前，因工業(yè)交通廢氣等造成環(huán)境中重金屬污染加劇，蛇泡草的種植同樣面臨重金屬污染的威脅，重金屬在蛇泡草體內(nèi)的積累會(huì)使其生長(zhǎng)發(fā)育受到影響，品質(zhì)降低，甚至危害其食用及藥用的安全性[6]，因此，開(kāi)展Cd在蛇泡草體內(nèi)積累及其影響對(duì)探明重金屬污染對(duì)藥用性植物造成的危害具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】有關(guān)重金屬對(duì)植物理化特性影響的研究已有報(bào)道，劉華[7]在研究Cd脅迫下水花生生理生化特性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，可溶性蛋白含量隨Cd污染程度的升高而下降，其原因是Cd對(duì)合成蛋白的酶系有毒害和鈍化作用，抑制了新蛋白的合成。曾俊[8]等采用盆栽模擬試驗(yàn)方法研究了重金屬Cd、Pb單一脅迫對(duì)月季游離脯氨酸含量的影響，結(jié)果表明月季葉片內(nèi)游離脯氨酸的含量與重金屬脅迫程度呈正相關(guān)性。晉松[9]等通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)研究了Cd 脅迫對(duì)白茅幼苗生理生化及抗氧化酶系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明Cd 能夠破壞植物細(xì)胞抗氧化酶系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，引起膜系統(tǒng)的過(guò)氧化損傷，并使SOD活性受到抑制?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，有關(guān)Cd對(duì)蛇泡草生理生化特性影響的相關(guān)研究報(bào)道較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以Cd溶液澆淋盆栽蛇泡草，測(cè)定不同程度Cd污染下蛇泡草體內(nèi)各部位的可溶性總糖含量、總黃酮含量及抗氧化酶活性的變化情況，考察Cd對(duì)蛇泡草植物生理生化特性的影響，為進(jìn)一步研究Cd污染對(duì)藥用性植物造成的危害提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑材料

供試土壤取自廣西大學(xué)植物種植基地，采樣深度為0～20 cm。稱(chēng)取自然風(fēng)干的土壤1000 g于Ф160×150 mm花盆中，制成培養(yǎng)基。經(jīng)測(cè)定，該土壤水分為0.93 %，pH值為6.87，有機(jī)質(zhì)的含量為1.93 %，全氮含量為0.10 %，全磷含量為0.08 %。蛇泡草購(gòu)于廣西灌陽(yáng)中草藥材市場(chǎng)，選取生長(zhǎng)良好、長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定的蛇泡草作為供試植物。

主要試劑：1.0 mg/mL蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液，1000 μg/mL Cd2+標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，2 %蒽酮乙酸乙酯。所用試劑均為分析純或用分析純?cè)噭┡渲?，水為去離子水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 蛇泡草的種植與污染處理 選取10株全高25 cm的蛇泡草幼苗，植入花盆中，深度6 cm，在生長(zhǎng)期以去離子水澆灌。待生長(zhǎng)穩(wěn)定，以50 mL/d的量澆灌不同濃度(11、22、45、90和134 mg/kg)的Cd2+溶液。處理期間，保持植株的光照、濕度等外部條件一致。記錄其15、30和45 d的生長(zhǎng)情況，并進(jìn)行空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 樣品前處理 分別采集受Cd污染15、30、45 d后的土壤樣品和空白樣品，風(fēng)干后用瑪瑙研缽研細(xì)，先過(guò)2 mm篩子，再過(guò)0.149 mm篩子去除沙礫等異物，置于105 ℃烘3 h至恒重，冷卻備用。分別采集受Cd污染15、30、45 d后的蛇泡草鮮樣和空白樣品，在105 ℃下殺青3 h至恒重，冷卻，于密封袋中保存。

1.2.3 土壤和蛇泡草中Cd含量的測(cè)定 稱(chēng)取烘干土壤0.5000 g于100 mL聚四氟乙烯燒杯內(nèi)，加入HNO3-HClO4-HF(5∶2∶2)浸泡24 h，于電爐上加熱至聚四氟乙烯燒杯中產(chǎn)生大量白煙，冷卻，待用。稱(chēng)取烘干蛇泡草0.5000 g于100 mL燒杯內(nèi)，加入HNO3-HClO4(5∶1)浸泡過(guò)夜，于電爐上加熱至燒杯中產(chǎn)生大量白煙，冷卻，待用。用(1+2)氨水調(diào)節(jié)已消解的樣品溶液的pH為6.0，控制體積為50 mL，投入0.2 g處理過(guò)的巰基棉，超聲60 min。真空抽濾巰基棉2 min，分別以1.0 mol/L HAc 8.00 mL和0.2 mol/L H3PO44.00 mL超聲洗脫60 min和15 min。濾液加熱趕酸，冷卻后轉(zhuǎn)至25 mL容量瓶，加入10.0 mL極譜底液，定容。取10 mL于電解杯中，于-400至-1400 mV范圍，以500 mV/s掃速進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)掃描，讀取-880 mV處峰電流，按工作曲線法計(jì)算土壤及蛇泡草的Cd含量[10]。

1.2.4 蛇泡草可溶性總糖的測(cè)定 稱(chēng)取干凈蛇泡草鮮樣0.1500 g于20 mL試管中，加水10 mL，以保鮮膜封口，沸水提取30 min，提取2次。過(guò)濾，濾液轉(zhuǎn)入25 mL容量瓶中，定容。移取1.00 mL提取液，加水4.00 mL，搖勻。加入1.00 mL蒽酮乙酸乙酯和9.00 mL濃硫酸，振蕩后于沸水浴中保溫60 s，冷卻后在630 nm處測(cè)其吸光度，以蔗糖為基準(zhǔn)物，按工作曲線法計(jì)算含量[11]。

1.2.5 蛇泡草總黃酮的測(cè)定 稱(chēng)取干凈蛇泡草鮮樣0.1500 g，加入90 %乙醇6 mL，于60 ℃下超聲提取1 h。提取液轉(zhuǎn)入分液漏斗中，加入等體積石油醚萃取3次。萃取液于80 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中蒸發(fā)至近干，熱水溶解，定容于25 mL容量瓶。移取5.00 mL提取液于10 mL比色管中，加入0.72 mol/L NaNO2溶液0.4 mL，搖勻，放置6 min。加入0.47 mol/L Al(NO3)3溶液0.4 mL，搖勻，放置6 min。以1.5 mol/L NaOH溶液定容至10 mL。在510 nm處測(cè)定吸光度，以蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)物，按工作曲線法計(jì)算含量[12-14]。

1.2.6 蛇泡草抗氧化酶活性的測(cè)定 稱(chēng)取0.1500 g干凈蛇泡草鮮樣于研缽中，加入Na2HPO4-檸檬酸緩沖液(pH=7) 10.0 mL，冰浴下研磨至勻漿，轉(zhuǎn)移到10 mL離心管中，以2000 r/min離心10 min，上層清液即為抗氧化酶的提取液[15-16]。采用署紅Y-Fenton化學(xué)發(fā)光體系測(cè)定抗氧化酶提取液對(duì)羥自由基的清除率，按式(1)進(jìn)行計(jì)算[17]，其中I0和Is分別為空白液及抗氧化酶提取液的發(fā)光強(qiáng)度。

S( %) = [(I0-Is) /I0] ×100

(1)

抗氧化酶的活性按式(2)計(jì)算[18]，即以污染植物抗氧化酶的清除率SX，除以未受污染植物抗氧化酶的清除率S0。每個(gè)樣品平行測(cè)定3次。

表1 土壤和蛇泡草中Cd的分布情況(n=3)

A( %) = (SX/S0) × 100

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤及蛇泡草中的Cd含量

土壤及蛇泡草中的Cd含量的測(cè)定結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，土壤及蛇泡草體內(nèi)的Cd含量隨澆灌液Cd濃度的升高及污染時(shí)間的增加而增大。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，蛇泡草體內(nèi)各部位的Cd含量均與土壤中的Cd含量成正比，Cd的積累分布情況為根部>莖部>葉片。

2.2 Cd污染對(duì)可溶性總糖的影響

植物體內(nèi)可溶性總糖是合成其他有機(jī)物質(zhì)的碳架來(lái)源，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)無(wú)機(jī)離子濃度高時(shí)對(duì)酶起保護(hù)作用[19]?？疾觳煌瑵舛菴d污染0、15、30和45 d后蛇泡草可溶性總糖含量的變化情況，并與對(duì)照組比較，結(jié)果如圖1所示。葉片、莖部和根部的可溶性總糖含量隨Cd污染程度的增加而降低。以45 mg/kg溶液處理為例，污染15、30和45 d后葉片可溶性總糖含量較對(duì)照組分別下降了28.04 %、51.99 %、74.84 %，莖部下降了35.29 %、59.10 %、74.73 %，根部下降了27.34 %、44.90 %、67.67 %。結(jié)合表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，蛇泡草各部位Cd的含量越高，可溶性總糖下降越多。以葉片為例，污染45 d后，不同濃度Cd溶液處理下葉片Cd含量分別為4.32、9.97、18.8、37.4和54.7 mg/kg，相應(yīng)的可溶性總糖分別下降了13.03、17.59、19.10、20.25和21.78 mg/g。

圖1 Cd污染對(duì)蛇泡草葉片(A)、莖(B)、根(C)可溶性總糖的影響Fig.1 Effects of Cd pollution on soluble total sugar content in leaf(A), stem(B) and root(C) of Duchesnea indica (Andr.)Focke

圖2 Cd污染對(duì)蛇泡草葉片(A)、莖(B)、根(C)總黃酮的影響Fig.2 Effects of Cd pollution on total flavonoid content of leaf(A)，stem(B) and root(C) in Duchesnea indica (Andr.)Focke

圖3 Cd污染對(duì)蛇泡草葉片(A)、莖部(B)、根部(C)抗氧化活性的影響Fig.3 The effects of Cd pollution on the antioxidant activity of leaf(A)，stem(B) and root(C) in Duchesnea indica (Andr.)Focke

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是Cd的毒害作用破壞了植物的新陳代謝和光合作用，進(jìn)而抑制了可溶性總糖的合成。

2.3 Cd污染對(duì)總黃酮含量的影響

黃酮在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮著積極的作用，是中草藥的有效成分之一，具有增強(qiáng)植物抗逆性的功能[20]。圖2為用不同濃度Cd溶液處理0、15、30和45 d后，蛇泡草各部位總黃酮含量變化的情況。隨著Cd污染程度的增大和污染時(shí)間的增長(zhǎng)，蛇泡草各部位總黃酮含量都在逐漸降低。以45 mg/kg Cd溶液處理為例，污染15、30、45 d后葉片總黃酮較對(duì)照組分別下降了15.71 %、36.31 %、57.75 %，莖部下降了28.17 %、49.10 %、68.09 %，根部下降了17.04 %、40.45 %、66.09 %。結(jié)合表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，蛇泡草體內(nèi)Cd含量越高總黃酮降低越顯著。以葉片為例，污染45 d后，不同濃度Cd溶液處理下葉片Cd含量分別為4.32、9.97、18.8、37.4和54.7 mg/kg，相應(yīng)部位總黃酮含量下降了11.19、13.87、15.73、18.76和22.44 mg/g，表明Cd對(duì)蛇泡草總黃酮的合成有明顯的抑制作用。這種作用可能是由于Cd毒害對(duì)植物碳源、營(yíng)養(yǎng)元素、植物激素等黃酮合成因素有影響所致。

2.4 Cd污染對(duì)抗氧化酶活性的影響

抗氧化酶可以有效清除植株體內(nèi)的自由基和活性氧，延緩植株的衰老[21]。圖3表明，隨著Cd澆灌液濃度的增加和污染時(shí)間的增長(zhǎng)，蛇泡草各部位抗氧化酶活性與對(duì)照組相比均有不同程度的下降，以45 mg/kg Cd溶液處理為例，污染15、30、45 d后，葉片抗氧化酶活性分別下降了15.60 %、24.23 %、29.55 %，莖部下降了9.98 %、22.19 %、34.69 %，根部下降了23.08 %、31.59 %、38.62 %。對(duì)比表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，Cd含量越高抗氧化酶活性降低越多，以葉片為例，污染45 d后，不同濃度Cd溶液處理下葉片Cd含量分別為4.32、9.97、18.8、37.4和54.7 mg/kg，相應(yīng)抗氧化酶活性分別下降了15.55 %、24.62 %、29.55 %、33.67 %和40.11 %。這表明，在Cd的毒害作用下，蛇泡草各部位的抗氧化酶體系受到了損害，對(duì)植株細(xì)胞中自由基的清除能力減弱，使植物生長(zhǎng)受到影響。

3 討 論

在Cd污染的土壤上種植蛇泡草，Cd會(huì)從土壤進(jìn)入蛇泡草體內(nèi)，在植物的各部位積累，其積累量隨著土壤污染程度的增加而增大。Cd在蛇泡草體內(nèi)積累分布的情況與文獻(xiàn)[22]報(bào)道的基本一致，即根部含量最高，其次是莖部，葉片最低，這也與Cd在植物體內(nèi)是按根到莖再到葉的遷移模式有關(guān)。在Cd污染的影響下，蛇泡草的可溶性總糖、總黃酮、抗氧化酶活性等生理生化指標(biāo)均不同程度地下降，下降的幅度與蛇泡草體內(nèi)相應(yīng)部位的Cd含量成正比。這一結(jié)果與張家洋[23]、何曉良[24]的研究結(jié)果一致。說(shuō)明在Cd毒害作用下，蛇泡草植物體內(nèi)可溶性總糖和總黃酮的合成受到抑制，抗氧化酶體系受到損害，植物的生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝受到直接的影響。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，蛇泡草的根部、莖部、葉片對(duì)Cd有都一定的吸收積累效應(yīng)，被吸收的Cd對(duì)蛇泡草的新成代謝和正常生長(zhǎng)有毒害作用，可導(dǎo)致蛇泡草植物的各項(xiàng)生理生化特性指標(biāo)下降，使其藥用價(jià)值受到影響。

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(責(zé)任編輯 陳 格)

Accumulation of Cd inDuchesneaindica(Andr.)Focke and Its Influence on Plant Physiological and Biochemical Characteristics

JIANG Cui-wen1, LI Juan-juan2, CAI Zhuo2*

(1.Institute for Agricultural Product Quality Safety and Testing Technology, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Guangxi Nanning 530007, China; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 530004, China )

【Objective】To provide scientific reference for the investigation of heavy metal toxicity on Chinese herbal medicine, the effects of Cd pollution on the variation of plant physiological and biochemical characteristics ofDuchesneaindica(Andr.) Focke were studied. 【Method】The simulated experiments of Cd contamination were carried out in pots which was used for plantingDuchesneaindica(Andr.) Focke. After a certain period of growth, the stable seedlings were irrigated by Cd2+solution of different concentration (11, 22, 45, 90 and 134 mg/kg) with 50 mL/d, and their growth status of 5,30,45 days were recorded. Meanwhile, the contents of total soluble sugar, total flavonoids, and antioxidant enzyme activity of the plant were determined.【Result】It showed that with increasing Cd pollution in the soil, Cd content inDuchesneaindica(Andr.) Focke was kept rising. In the meantime, the total soluble sugar, total flavonoids and the activity of antioxidant enzymes in leaf, stem and root showed a trend of decrease.【Conclusion】Cd could be easily accumulated inDuchesneaindica(Andr.) Focke and damaged the metabolism and normal growth of plant, leading to the decrease of physiological and biochemical characteristic indexes, showing a harmful effect on the plant.

Duchesneaindica(Andr.) Focke; Heavy metal; Cadmium; Physiological and biochemical characteristics

1001-4829(2017)6-1299-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.6.010

2017-02-25

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目“重金屬在幾種草本中藥中的積累及對(duì)相應(yīng)中藥植物生理生化特性影響的研究”(2015GXNSFAA139239)

蔣翠文(1988-)，女，廣西灌陽(yáng)人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品理化性質(zhì)檢驗(yàn)及分析工作,*為通訊作者：蔡卓，E-mail:zhuocai@gxu.edu.cn。

R284.2

A