韓 暢,蔣 琪,覃 成,呂朝燕,高智席

1.遵義師范學(xué)院,貴州 遵義 563006

2.遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 遵義 563006

鎘廣泛分布于土壤中，屬于植物生長發(fā)育的非必須元素，是一種嚴(yán)重危害植物正常生長的重金屬。鎘元素易在植物果實(shí)中富集，由此通過食物鏈傳遞到動物和人體內(nèi)，積累到一定量時可導(dǎo)致相關(guān)疾病發(fā)生，進(jìn)而危害人類健康[1]。鎘元素可破壞植物細(xì)胞內(nèi)部平衡，進(jìn)而限制光合作用等植物的基本生命活動，妨礙植物正常生長，最終導(dǎo)致植物非正常死亡。不同作物抗Cd 脅迫能力存在顯著差異[2]，甚至同一作物不同品種間也存在明顯不同[3,4]。鎘污染治理需花費(fèi)大量人力物力，而在污染土地上種植低富集鎘的作物種類和品種是迄今為止最經(jīng)濟(jì)可行的方法，可有效降低作物整體或其主要食用部位的鎘含量，降低農(nóng)產(chǎn)品的安全風(fēng)險(xiǎn)。

辣椒（Capsicum annuumL.）自明朝末年由東南沿海傳入我國以來一直深受廣大人民群眾的喜愛，是重要的調(diào)味品且具有消炎鎮(zhèn)痛藥效，因此具有較高的經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值。目前全國辣椒種植面積居蔬菜作物第2 位，且具有較高的經(jīng)濟(jì)附加值，在助農(nóng)增收方面發(fā)揮巨大作用。但是辣椒屬于鎘易富集植物[5]，鎘含量超標(biāo)不僅影響口感、降低營養(yǎng)價(jià)值和品質(zhì)，最終會通過食物鏈傳遞嚴(yán)重威脅人體健康。因此在鎘污染土壤中種植低吸收、低積累鎘的辣椒品種可有效降低辣椒果實(shí)中的鎘含量，是培育食用安全的合格辣椒產(chǎn)品的最有效、最經(jīng)濟(jì)的途徑。但目前對不同辣椒基因型中鎘低富集生理和分子機(jī)制的研究較少。本試驗(yàn)在前期進(jìn)行不同辣椒品種鎘富集能力評估的基礎(chǔ)上，在不同鎘濃度處理下對鎘富集值差異顯著的辣椒品種的生物量、生理特性等指標(biāo)進(jìn)行比較，試圖從不同角度探討辣椒品種鎘富集能力差異的原因，為選育鎘低富集型辣椒品種提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)資料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)選用YJ425（Cd 低積累型品種）和ZL-1（Cd 高積累型品種）作為試驗(yàn)材料，上述材料均由遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)藝系辣椒分子育種課題組提供。

1.2 試驗(yàn)方法

供試?yán)苯贩N子經(jīng)1%（w/v）的次氯酸鈉表面消毒后，用自來水充分沖洗，在25 ℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行萌發(fā)。選擇萌發(fā)程度一致的辣椒種子種入珍珠巖中，采用Hoagland 營養(yǎng)液澆施培養(yǎng)。待辣椒長至四葉一心時，將辣椒苗移至裝有不含Cd 的Hoagland 營養(yǎng)液的實(shí)驗(yàn)室自制水培系統(tǒng)（由10 L 塑料周轉(zhuǎn)箱、80 孔泡沫板和通氣泵組成）中進(jìn)行水培試驗(yàn)預(yù)培養(yǎng)。1 周后，將試驗(yàn)材料移至含有不同Cd 濃度（0，20，40 mg/L，以CdCl2的形式加入）的Hoagland 營養(yǎng)液中進(jìn)行為期1 周的試驗(yàn)。試驗(yàn)均重復(fù)5 次，隨機(jī)排列。

利用直尺和萬分之一天平測量辣椒根、苗的長度和重量，采用硫代巴比妥酸法、氯化三苯基四氮唑法、高錳酸鉀滴定法、愈創(chuàng)木酚法和氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法的等方法分別測定丙二醛（MDA）含量、根系活力、過氧化氫酶（CAT）活性、過氧化物酶（POD）活性和超過氧化物歧化酶（SOD）活性的等生理指標(biāo)[6]，利用葉綠素儀(SPAD-502PLUS，Konica Minolta，Japan）測定不同處理中辣椒葉的葉綠素含量。每種測定重復(fù)進(jìn)行3 次，利用SPSS19.0 軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同鎘濃度對辣椒幼苗生長的影響

從表1 可以看出在水培條件下Cd2+濃度較低時（20 mg/L），辣椒的根長、苗長等指標(biāo)較對照有小幅增長，但在Cd2+濃度升高后（40 mg/L），兩個辣椒品種根、苗伸長長度和干重等指標(biāo)均下降，ZL-1 的4 項(xiàng)指標(biāo)明顯低于YJ425，各處理間差異顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明：低濃度Cd2+對辣椒根、苗生長效果有一定促進(jìn)作用；隨Cd2+濃度的提升，辣椒地上和地下部分的生長均受到明顯抑制，根部受到毒害尤其嚴(yán)重；低積累品種受到毒害較輕。

表1 Cd2+對辣椒根和苗生長的影響Table 1 Effects of Cd2+on root and seedling growth of pepper

2.2 鎘對辣椒幼苗生理生化指標(biāo)的影響

2.2.1 葉綠素含量的變化 鎘通過影響葉綠素的含量、破壞類囊體的超微結(jié)構(gòu)、抑制參與光合作用的部分酶的活性等方式破壞植物的光合作用[7]。由表2 可知，供試?yán)苯菲贩N葉片中的葉綠素含量均隨Cd 濃度的升高而下降，高積累品種ZL-1 比低積累品種YJ425 減少的幅度大。在高濃度Cd（40 mg/L）處理下，供試材料的葉綠素含量下降明顯，表明鎘離子對葉綠體產(chǎn)生嚴(yán)重毒害。

表2 Cd2+對辣椒葉綠素、根系活力和MDA（根和葉）含量的影響Table 2 Effects of Cd2+on chlorophyll,root activity and MDA content（root and leaf）in Pepper

2.2.2 根系活力的變化 從表2 可以看出在水培條件下Cd2+濃度較低時（20 mg/L），辣椒根系活力有小幅提高，但與對照相比不顯著；在Cd2+濃度較高時（40 mg/L），辣椒根系活力顯著下降，ZL-1較之YJ425，其根系活力下降程度較大。試驗(yàn)結(jié)果表明：在低Cd2+濃度下辣椒根部生長受到一定促進(jìn)，但是隨著Cd2+濃度升高，Cd2+會顯著抑制辣椒根系生長。

2.2.3 丙二醛（MDA）含量的變化MDA 含量是反映機(jī)體抗氧化潛在能力的重要參數(shù)，可以反映機(jī)體脂質(zhì)過氧化速率和強(qiáng)度，也能間接反映組織過氧化損傷程度[8,9]。不同Cd2+濃度下，ZL-1 和YJ425根系和葉片MDA 含量見表2。隨著Cd2+濃度升高，供試材料的根系和葉片的MDA 含量均顯著增加，在高濃度Cd2+處理（40 mg/L）中，YJ425 和ZL-1 的根系MDA 含量分別為對照的166.7%和180.9%，葉片MDA 含量分別為對照的184.1%和197.2%。說明Cd2+誘發(fā)產(chǎn)生的活性氧導(dǎo)致膜脂過氧化，對辣椒根系和葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)均造成較嚴(yán)重的損傷，Cd2+濃度越高，毒害越大，但同等情況下低積累品種受到的傷害相對較小。在相同Cd2+濃度下，根系的MDA 含量始終高于葉片，說明Cd2+對根部造成的毒害大于葉片部分。

2.2.4 抗氧化酶活性的變化 在鎘脅迫下，植物體內(nèi)一系列的抗氧化酶如過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶（CAT）的活性會受到顯著影響[10]。由表3 可知，隨著Cd2+濃度增加，ZL-1 和YJ425 各自的CAT 和POD 活性均表現(xiàn)為先降低，后增加；但SOD 活性表現(xiàn)為持續(xù)下降。其中，YJ425 體現(xiàn)出較高的CAT 和POD 活性，ZL-1 則體現(xiàn)出較高的SOD 活性。

表3 Cd2＋對辣椒幼苗SOD、POD、CAT 活性的影響Table 3 Effects of Cd2+on activities of SOD,POD and CAT in Pepper seedlings

3 討論

研究表明，低濃度的鎘對植物生長有促進(jìn)作用[11]。本試驗(yàn)條件下，低濃度的鎘（20 mg/L）對鎘富集能力有差異的兩個辣椒品種根和苗部分的生長均有微小的促進(jìn)作用。但在高濃度的鎘（40 mg/L）環(huán)境中，供試材料的地上部分和地下部分的各項(xiàng)生理指標(biāo)均顯著降低。原因可能是Cd 作為重金屬元素，低濃度下觸發(fā)辣椒自我的防衛(wèi)機(jī)制，間接導(dǎo)致促進(jìn)生長的表象呈現(xiàn)，高濃度下辣椒的整體生長受到嚴(yán)重抑制，尤其對辣椒的根部損害更大，對根部的損害直接影響到營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和分配，從而抑制辣椒的生長。綜合供試材料的表現(xiàn)，YJ425 的各項(xiàng)生理指標(biāo)受到Cd 的影響相對較小，對Cd表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性。

供試?yán)苯分腥~綠素含量伴隨Cd2+濃度的增加而明顯降低，這一現(xiàn)象可能與Cd2+進(jìn)入葉綠體細(xì)胞后阻礙葉綠素前體合成或直接分解葉綠素，進(jìn)而使葉綠素含量降低有關(guān)[12]。供試?yán)苯菲贩N中，高鎘富集的辣椒品種ZL-1 的葉綠素含量下降幅度較YJ425 大，揭示在辣椒細(xì)胞內(nèi)高鎘富集會導(dǎo)致葉綠素本身及葉綠體的結(jié)構(gòu)受到Cd2+的嚴(yán)重破壞。

鎘脅迫會導(dǎo)致大量活性氧自由基出現(xiàn)在受鎘毒害的植物體內(nèi)，造成膜質(zhì)過氧化，MAD 含量顯著升高，而POD、SOD 和CAT 等抗氧化酶能夠及時消除氧自由基，解除細(xì)胞遭受氧化脅迫的危險(xiǎn)[13-15]。在本試驗(yàn)中，隨Cd2+濃度的增加，供試材料的CAT 和POD 活性均表現(xiàn)為先降低，而后略有增加，但MDA 含量和SOD 活性分別呈上升和下降趨勢。該結(jié)果與周紅衛(wèi)等[10]報(bào)道Cd2+脅迫下，水花生根中SOD 和CAT 的活性呈現(xiàn)先升后降，過氧化物酶（POD）活性持續(xù)下降的變化趨勢不相符，其原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）高Cd2+濃度水平（40 mg/L）能顯著抑制供試?yán)苯凡牧系纳L，且對根系生長抑制作用明顯。和對照相比較，ZL-1 根系干重和地上部干重減少量顯著大于YJ425 根系干重減少量。與ZL-1相比，YJ425 生長受到鎘的抑制作用較小，從相關(guān)生長指標(biāo)變化來看YJ425 應(yīng)對鎘脅迫能力較強(qiáng)；

（2）供試?yán)苯菲贩N在鎘毒害下葉綠素含量均表現(xiàn)為不斷降低的趨勢，葉綠素含量受Cd 抑制程度在品種間表現(xiàn)為ZL1>YJ425；根系活力數(shù)值隨Cd2+濃度的增加先增加后減少，且兩個品種間增長或減少的關(guān)系均體現(xiàn)為ZL1>YJ425。從葉綠素含量和根系活力數(shù)值等指標(biāo)變化趨勢來看，YJ425 應(yīng)對鎘脅迫能力較強(qiáng)；

（3）不同Cd2+濃度下，根部和葉片部SOD、POD 和CAT 活性變化在品種間均表現(xiàn)為YJ425優(yōu)于ZL-1。其中CAT 和POD 活性隨Cd 處理濃度的增加先小幅降低而后增加，SOD 活性則均表現(xiàn)為持續(xù)下降。辣椒根系和葉片MDA 含量隨Cd2+濃度的增加而增加，且相同Cd2+濃度下的增加量均表現(xiàn)為ZL-1>YJ425。從抗氧化酶活性和MDA 含量指標(biāo)來看，YJ425 應(yīng)對鎘脅迫能力也較強(qiáng)。