鎘對薄皮甜瓜幼苗生長和生理生化特性的影響

王志偉，李 涵，梁少華，楚 簫，孫小武

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省蔬菜研究所，湖南 長沙 410125；3.湖南省作物研究所，湖南 長沙 410125)

近年來，由于工礦三廢的排放、無機化肥的過量使用，導致有毒重金屬在土壤中過量積累，嚴重污染環(huán)境，對人類健康造成巨大威脅[1]。鎘(Cadmium，Cd)作為有一種有害重金屬，易被植物吸收，具有很強的生物毒性和化學活性，可以通過多種途徑對植物產(chǎn)生毒害[2]。

據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織 FAOSTAT 數(shù)據(jù)庫(2016年8月更新數(shù)據(jù))統(tǒng)計2015年中國甜瓜的生產(chǎn)面積和產(chǎn)量均居世界第一位。薄皮甜瓜的生育期80～90 d，具有果實成熟期早，產(chǎn)值高等優(yōu)勢，可有效增加農(nóng)民收入，同時可以填補夏初水果淡季市場供應的空白。湖南省的甜瓜生產(chǎn)和消費以薄皮甜瓜為主，產(chǎn)區(qū)主要集中在常德、益陽、邵陽、岳陽、長沙、衡陽、永州等地區(qū)[3]。Cd2+在植物體內(nèi)過量積累會破壞細胞內(nèi)的氧化還原平衡，誘導細胞中活性氧物質的大量產(chǎn)生與積累，進而致使植物受到氧化損傷[4]。近年來國內(nèi)外有關鎘對水稻、小麥等大田作物和黃瓜等蔬菜作物種子萌發(fā)、生理生化的影響已有不少報道[2，5]。

2014年隨著湖南省開展重金屬超標地區(qū)種植結構的調整，在長株潭部分輕度和中度鎘超標地區(qū)正在進行甜瓜的試種。本研究根據(jù)前期鎘在薄皮甜瓜植株中的分布及低累積品種篩選的結果[6]，選用X-T-G(相對高積累品種)和IVF-28(相對低積累品種)，研究不同濃度的Cd脅迫對薄皮甜瓜植株生長和生理生化特性的影響，揭示X-T-G和IVF-28薄皮甜瓜品種響應Cd脅迫的生理機制，為深入研究薄皮甜瓜Cd脅迫制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

2017年4月，在湖南農(nóng)業(yè)大學蔬菜瓜類研究所進行。供試薄皮甜瓜品種為X-T-G和IVF-28，X-T-G由湖南雪峰種業(yè)有限公司提供，IVF-28由中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所甜瓜課題王懷松老師提供。挑選籽粒飽滿的X-T-G和IVF-28種子，用0.5‰的次氯酸鈉溶液浸泡消毒30 min，然后用滅菌的蒸餾水反復將種子表面的次氯酸鈉沖洗干凈，用濕紗布包裹，置于發(fā)芽箱中30 ℃催芽24 h，挑選芽長一致的甜瓜種子播于口徑52 mm的育苗杯中，每品種播150杯，置于人工氣候室內(nèi)，光照16 h，溫度25 ℃，黑暗8 h，溫度18 ℃，每天用 Hoagland營養(yǎng)液補充到恒質量(維持含水量在75%)。當甜瓜幼苗第2片真葉長出時，進行不同濃度CdCl2脅迫，試驗共設4個處理，營養(yǎng)液中Cd離子濃度(按CdCl2中Cd計)依次為0(對照，CK)，30，60，100 mg/L，3次重復，每3 d更換1次營養(yǎng)液，7 d后當甜瓜幼苗第3片真葉顯現(xiàn)時進行取樣分析。

1.2 試驗方法

1.2.1 測定指標和方法 株高和莖粗的測定：當甜瓜幼苗第3片真葉顯現(xiàn)時，隨機選取各處理3株甜瓜幼苗，用直尺測定甜瓜幼苗的株高、用數(shù)顯游標卡尺測量甜瓜幼苗的下胚軸粗度。

每個處理選取5株長勢基本一致的甜瓜幼苗，將植株從營養(yǎng)杯中取出，先用自來水沖洗植株根部表面的雜質，然后再用去離子水漂洗根部，用吸水紙吸干根系表面水分，并將根部和地上部于莖基切斷分開，將根系放在掃描儀的托盤中，將盛有清水的托盤置于掃描儀上，然后用毛刷和鑷子等工具使根系完全展開，最后利用根系分析系統(tǒng)(WinRHIZO，Regent Instruments Inc Cancand)對其進行掃描和分析。

抗氧化酶活性和抗氧化物質含量的測定：超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(Catalase，CAT)、過氧化物酶(Peroxidase，POD)、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)、脯氨酸(Proline，PRO)、谷胱甘肽(Glutathione，GSH)、過氧化氫(Hydrogen peroxide，H2O2)的測定試劑盒均由南京建成生物工程研究所提供。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析，Microsoft Excel 2013作圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度CdCl2對薄皮甜瓜植株生長的影響

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，隨著CdCl2濃度的增加，X-T-G和IVF-28甜瓜品種幼苗的生長受到抑制，X-T-G和IVF-28的株高、莖粗呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，不同濃度處理間差異均達到了顯著水平。

從表2中可以看出，隨著CdCl2濃度的增加，2個甜瓜品種幼苗的總根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，30，60，100 mg/L Cd脅迫處理均與對照差異顯著。其中，30，60，100 mg/L Cd處理下的IVF-28的根長分別為對照的32.04%，20.84%，22.62%，在100 mg/L時比60 mg/L時有所提高但差異未達顯著水平，X-T-G的根長分別為對照的71.57%，35.85%，25.45%；30，60，100 mg/L Cd處理下IVF-28的根表面積分別為對照的54.31%，38.15%，41.15%，在100 mg/L時比60 mg/L時有所提高但差異未達顯著水平，X-T-G的根表面積分別為對照的76.60%，38.02%，33.32%；30，60，100 mg/L Cd處理下IVF-28的根體積分別為對照的43.10%，36.21%，37.93%，100 mg/L時比60 mg/L時有所提高但差異未達顯著水平，X-T-G的根體積分別為對照的49.21%，36.51%，33.33%；30，60，100 mg/L Cd處理下IVF-28的根尖數(shù)僅為對照的43.78%，26.97%，25.58%，X-T-G的根尖數(shù)僅為對照的69.50%，38.53%，31.99%。甜瓜根系分形維數(shù)亦隨著CdCl2濃度的增加而下降，但不同品種各濃度之間差異顯著性不同，IVF-28的分形維數(shù)在Cd處理與對照間差異均達到顯著水平，其中100 mg/L Cd處理分形維數(shù)僅為對照的79.77%；X-T-G的根系分形維數(shù)在60，100 mg/L時與對照差異達到顯著水平，100 mg/L的分形維數(shù)與其他Cd處理差異亦達顯著水平，僅為對照的78.41%。

表1 不同濃度CdCl2對薄皮甜瓜地上部分生長的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母代表差異顯著(P<0.05)。表2同。

Note： Different small letters indicates significant difference among treatments at 0.05 level．The same as Tab.2.

表2 不同濃度CdCl2對甜瓜根系生長的影響

2.2 不同濃度CdCl2處理對甜瓜葉片保護酶體系的影響

2.3 不同濃度CdCl2對甜瓜葉片H2O2、MDA、GSH和PRO含量的影響

如圖2所示，X-T-G和IVF-28葉片中的H2O2含量隨著CdCl2脅迫濃度的增加呈增加趨勢，不同濃度Cd處理間差異均達到了達到顯著水平，且X-T-G在各濃度處理下H2O2含量均高于IVF-28。X-T-G和IVF-28 2個甜瓜品種葉片內(nèi)MDA含量隨Cd濃度的增加而逐漸增加，其中X-T-G MDA含量在不同Cd濃度處理間差異達到顯著水平，IVF-28在100 mg/L CdCl2處理時MDA含量與對照及其他Cd脅迫處理差異顯著，而30，60 mg/L CdCl2處理時MDA含量與對照差異未達到顯著水平。隨著CdCl2濃度的增加，X-T-G和IVF-28葉片中的GSH含量先增加后降低，Cd脅迫處理均顯著高于對照，X-T-G各處理的GSH含量均高于IVF-28，在60 mg/L CdCl2處理下2個品種GSH的含量達到峰值。隨著CdCl2濃度的增加，X-T-G和IVF-28葉片中PRO含量呈先升高后降低的趨勢，二者均在30 mg/L CdCl2處理時達到最大值，X-T-G在Cd脅迫處理均顯著高于對照，而IVF-28僅在30 mg/L CdCl2顯著高于對照，其他Cd脅迫處理略低于對照但差異未達顯著水平。

不同字母代表差異顯著(P<0.05)。圖2同。

圖2 不同濃度CdCl2對甜瓜葉片H2O2、MDA、GSH和PRO含量的影響

3 討論

3.1 不同濃度Cd對甜瓜幼苗生長的影響

生長量是逆境脅迫對植物影響的綜合體現(xiàn)及其對脅迫的綜合適應。Cd是一種植物生長的非必需金屬元素，在植物體內(nèi)的積累量達到或超過一定數(shù)量時會對植物生長發(fā)育造成毒害甚至減產(chǎn)[6]。不同種屬的植物或同一植物不同基因型的品種對Cd的解毒機制也不相同，通常情況下，植物受到重金屬脅迫后會出現(xiàn)生理代謝紊亂，生長發(fā)育速度變緩的現(xiàn)象，容易增加農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收的風險[7]。張永平等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cd處理對甜瓜生長影響不大，隨著Cd濃度的增加，抑制作用增強，說明Cd對甜瓜生長的影響存在劑量效應，同時也表明不同品種的甜瓜對Cd的耐性存在差異。周建等[9]通過對Cd脅迫下刺槐幼苗生長的研究發(fā)現(xiàn)刺槐幼苗的株高、地徑粗度、干質量受到的抑制程度隨著土壤中Cd含量的增加而增加。何梨香等[10]研究發(fā)現(xiàn)圓葉決明在4 mg/kg Cd處理時，顯著降低了植株生長量，地下部、地上部生物產(chǎn)量僅為對照的59.69%，63.77%，且隨Cd濃度的升高，對圓葉決明生長的抑制作用加強。本研究表明，Cd對甜瓜幼苗生長有影響，甜瓜幼苗的株高和下胚軸的粗度隨著CdCl2濃度的增加呈逐漸下降的趨勢，不同濃度CdCl2處理與對照差異顯著。植物主要依靠根系從土壤或培養(yǎng)介質中吸收礦質營養(yǎng)和水分，從而供給植物生長發(fā)育、新陳代謝等生理活動所必需的養(yǎng)分。因此，根系的生長情況直接影響到整個植株的生長發(fā)育，更易對土壤環(huán)境做出反應。當植物遭受鹽脅迫時，植物根系感應并迅速發(fā)出信號，于是整個植株對脅迫做出反應，同時根系通過調整形態(tài)特征和生物量的分配來影響植物地上部的生長發(fā)育以適應鹽脅迫環(huán)境。不同的植物有不同的生物量分配策略來適應鹽脅迫，如海濱錦葵(Kosteletzkyavirginica)[11]、圓柏(Juniperuschinensis)[12]等通過減少根系的生物量分配比例以降低鹽分的吸收和向地上部的運輸，而沙棗(Elaeagnusangustifolia)[13]、麻櫟(Quercusacutissima)和弗吉尼亞櫟(Quercusvirginiana)[14]等則通過增加根系的生物量，改善根系對水分和養(yǎng)分的吸收，從而加快植物的生長，稀釋進入體內(nèi)的鹽分。本研究中，隨著CdCl2濃度的增加，2個甜瓜品種的株高逐漸降低，總根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)和分形維數(shù)都呈下降趨勢，與前人研究結果一致。

3.2 不同濃度Cd對甜瓜葉片生理生化的影響

PRO可以調節(jié)植物細胞膜和細胞的膨壓，保護細胞內(nèi)的水分，防止水分的過度散失，為細胞內(nèi)的各種代謝活動的正常進行提供水分。PRO還對植物細胞具有冰凍保護和清除細胞內(nèi)產(chǎn)生的活性氧的作用。在植物遭受到逆境脅迫時，細胞內(nèi)的游離PRO可以利用CAT、POD和SOD等保護酶系統(tǒng)來維持細胞進行生理代謝所需的自由水和生理活性物質，從而起到對細胞的保護作用。唐雪東等[28]研究了Cd脅迫下杏樹、李樹和梨樹體內(nèi)Pro含量隨Cd濃度的增加呈逐漸增加趨勢，在200×10-6Cd脅迫時3種果樹體內(nèi)的Pro含量達到最大，隨后略有下降。吳桂容[29]對Cd脅迫下桐花樹幼苗葉中游離Pro含量進行了測定，研究結果發(fā)現(xiàn)，30 mg/kg以下的Cd脅迫中桐花樹幼苗葉中游離Pro含量隨Cd濃度的增大而增加，Cd濃度超過30 mg/kg之后桐花樹幼苗葉中游離Pro含量下降，但仍高于對照。本研究中X-T-G和IVF-28在不同濃度Cd脅迫下葉片PRO的含量變化與上述研究結果基本一致。

大量的相關分子生物學的研究已經(jīng)證明，Cd脅迫可以增加植物體內(nèi)編碼GSH合成酶基因的表達量。棉花幼苗在鎘脅迫下根中GSH含量表現(xiàn)為先增后減，莖中則表現(xiàn)為先減后增，均為11-20品種GSH含量高于單16[30]。但有學者的研究結果表明，在重金屬脅迫下，有些植物誘導消耗了大量的GSH合成大量植物螯合素(PCs)，因此，GSH在某些植物體內(nèi)會出現(xiàn)暫時的下降。谷胱甘肽還原系統(tǒng)是植物體內(nèi)抵御重金屬脅迫有效防止體內(nèi)發(fā)生過氧化的重要組成部分之一。GSH基因在不同植物中表達的強弱也不盡相同，一般情況是Cd敏感植物中GSH含量比耐Cd植物中低[31]。本試驗中，Cd脅迫處理的X-T-G和IVF-28葉片中的GSH含量顯著高于對照，隨著CdCl2濃度的增加，GSH含量先增加后降低，X-T-G各處理的GSH含量均高于IVF-28，兩者GSH的含量在60 mg/L CdCl2處理時達到峰值，隨后降低。通過對測定指標的分析，甜瓜幼苗能夠抵抗低濃度Cd脅迫造成的損害，高濃度的Cd脅迫超過了甜瓜幼苗的抗性范圍，造成幼苗損害程度加大，不同品種的甜瓜幼苗對Cd毒性的響應存在差異。