王昱卜，汪天宇，韓瑩琰，郝敬虹，劉超杰，范雙喜

(農(nóng)業(yè)應用新技術(shù)北京市重點實驗室，植物生產(chǎn)國家級實驗教學示范中心，北京農(nóng)學院，北京 102206)

隨著國內(nèi)外工農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟迅猛發(fā)展，材料化工等領(lǐng)域廢水和廢物中含有大量的重金屬，如鎘(Cd)[1]，Cd在環(huán)境中大多以化合物的形式存在[2]，植物更容易將其吸收入體內(nèi)，對植物造成嚴重危害，鎘是重金屬中生物毒性最強的之一[3]。重金屬脅迫會使植物的根、莖生長緩慢，葉片泛黃、產(chǎn)量和質(zhì)量大幅度下降[4]。吸收重金屬后，植物體內(nèi)葉綠素的合成受到抑制，影響光合作用。植物細胞若長時間暴露于重金屬環(huán)境，還會導致膜變性和脂質(zhì)過氧化，最終會導致細胞死亡[5]。植物受鎘的毒害程度，因鎘的濃度、植物的種類、植物發(fā)育階段等的不同而異[6]。

芹菜，屬傘形科植物，是中國栽培面積最大的葉類蔬菜，其生長周期較長，容易富集重金屬[7]。前人對重金屬脅迫芹菜的研究多從外源添加劑緩解金屬脅迫的影響[8]，或是兩個以上重金屬復合脅迫芹菜生長[9]等方面入手，但Cd脅迫下芹菜的生長、Cd的積累特征、以及膜磷脂過氧化程度等的變化情況尚待進一步明確。本試驗選用芹菜幼苗，研究在水培條件下，不同濃度Cd對芹菜幼苗生長的影響和鎘的積累和富集情況。以期為芹菜對Cd的適應性提供信息，也為芹菜的重金屬污染防治和農(nóng)田土壤Cd污染區(qū)域的綜合應用提供理論參考，對芹菜的安全優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和環(huán)境保護具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試芹菜品種為北京農(nóng)學院與中國農(nóng)業(yè)大學共同培育的‘芹雜145’。試驗于2017年10月至2018年5月在北京農(nóng)學院實驗樓進行。

總共用芹菜幼苗45株，設(shè)置4個Cd濃度梯度(5、10、15和20 mg/L)，并以不添加鎘為對照CK，每個處理3個重復， 每個重復選擇3株植株。每天12 h的光照(15 W日光燈)，全天培養(yǎng)溫度為23 ℃。

當芹菜幼苗長到5葉1心，選擇出其中長勢優(yōu)良、株高和質(zhì)量相近、根系健壯的芹菜幼苗，以備試驗所用。將芹菜幼苗轉(zhuǎn)移到塑料水培盒緩苗一星期后，采用Hogland營養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)，Cd2+由CdCl2提供，每周更換1次。處理10 d后測定Cd2+對芹菜幼苗生長狀態(tài)和生理特性的影響。

1.2 測定方法

芹菜幼苗的株高、最長葉柄長、最寬葉柄寬、根長使用直尺測定；莖粗采用游標卡尺測定；鮮質(zhì)量生物量使用電子天平測定；干重生物量先105 ℃下殺青10 min，再在80 ℃下烘干24 h至恒重，使用電子天平測量；鮮葉葉綠素含量采用乙醇丙酮浸提法[10]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[11]測試盒測定，由南京建成科技有限公司生產(chǎn)；芹菜Cd元素含量采用等離子體質(zhì)譜法測定[12]；轉(zhuǎn)運系數(shù)是指植株地上部鎘含量與地下部鎘含量的比值；富集系數(shù)是指地上部鎘含量與溶液中鎘含量的比值[13]。

所有試驗數(shù)據(jù)均采用3次重復實驗的平均值，并且使用IBM SPSS Statistics 20軟件進行了單因素方差分析，分析有效的數(shù)據(jù)使用Duncan`s新復極差法進行多重比較(P<0. 05)。采用 Excel 2016繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鎘對芹菜幼苗生長的影響

由表1可知，施加鎘后芹菜幼苗的生長受到一定影響。與不添加Cd的CK相比，營養(yǎng)液中添加Cd質(zhì)量濃度為5 mg/L時株高、莖粗、葉柄寬等指標略有下降但差異不顯著；而當添加Cd質(zhì)量濃度≥10 mg/L時，隨著Cd濃度的增加，株高、根長顯著抑制；與CK相比，當添加Cd質(zhì)量濃度為10、15和20 mg/L時，株高依次下降26.22%、29.69%、30.94%；根長減少28.90%、31.39%、34.72%，且根尖伴有褐化或黑化現(xiàn)象。

表1 不同濃度鎘對芹菜幼苗形態(tài)指標的影響Tab.1 Effect of different concentrations of Cd on the growth of celery seedlings

注:同列中字母不同表示差異顯著(P<0.05)，表2、表3、表4、圖1同。

Note: Different letters in the same column mean significant difference(P<0.05), the same as below.

由表2可知，營養(yǎng)液中添加Cd質(zhì)量濃度為5 mg/L時，芹菜幼苗鮮重與CK相比幾乎沒有差異；當添加Cd質(zhì)量濃度≥10 mg/L時，鮮重顯著下降，依次減少7.20%、34.23%、44.14%，其15 mg/L和20 mg/L時受害最為嚴重，出現(xiàn)明顯萎蔫、干枯等現(xiàn)象。在Cd質(zhì)量濃度為5～10 mg/L時，干重與CK相比無顯著差異；當濃度達到15 mg/L時，干質(zhì)量有所下降。與CK相比，當添加Cd質(zhì)量濃度≥10 mg/L時，根冠比開始有所下降，抑制根的生長。

表2 不同濃度鎘對芹菜幼苗生長量的影響Tab.2 Effect of different concentrations of Cd on the biomass of celery seedlings

2.2 不同濃度鎘對芹菜幼苗鎘分布特征的影響

由表3可知，芹菜幼苗中各部分的Cd含量均隨添加的Cd 處理濃度的增加而上升，Cd分布特征為根系大于地上部。在全株植物中，根部對鎘的富集所占比重較大，其中當Cd質(zhì)量濃度為20 mg/L時，地上部和地下部Cd含量達到最大值，分別為37.77 mg/kg和78.43 mg/kg；當Cd質(zhì)量濃度為10 mg/L時，富集系數(shù)達到最大，當鎘濃度繼續(xù)增加時，富集系數(shù)呈遞減趨勢。在營養(yǎng)液中Cd質(zhì)量濃度在0～20 mg/L范圍時，轉(zhuǎn)運系數(shù)呈增長趨勢。

表3 不同濃度鎘對芹菜幼苗鎘分布特征的影響Tab.3 Effects of different concentrations of Cd on Cd distribution in celery seedlings

2.3 不同濃度鎘對芹菜幼苗葉綠素含量的影響

從表4可以看出，與CK相比，當營養(yǎng)液中添加Cd處理后，隨著Cd 濃度增大，葉綠素a和總?cè)~綠素的含量下降，葉綠素b和類胡蘿卜素含量的變化不明顯。葉綠素a/葉綠素b隨著Cd濃度的變化與葉綠素a變化一致?？傮w上，芹菜幼苗中葉綠素a/b和類胡蘿卜素含量均與營養(yǎng)液中添加的鎘濃度呈線性負相關(guān)。與CK相比，當添加的Cd濃度在10～15 mg/L時，芹菜幼苗葉片均有黃化現(xiàn)象，而達到20 mg/L時大部分芹菜幼苗葉片還伴有卷曲、萎蔫和斑點出現(xiàn)，接近枯死狀。

表4 不同濃度鎘對芹菜幼苗葉綠素含量的影響Tab.4 Effects of different concentrations of Cd on chlorophyll content in celery seedlings

2.4 不同濃度鎘對芹菜幼苗中丙二醛含量的影響

由圖1可知，Cd脅迫對芹菜幼苗丙二醛含量有影響，在添加Cd質(zhì)量濃度5～20 mg/L區(qū)間上，隨著添加Cd的濃度增加，芹菜幼苗的丙二醛含量逐漸上升，說明膜質(zhì)過氧化對芹菜葉片的損傷逐漸增大。與CK相比，當Cd質(zhì)量濃度為5、10、15和20 mg/L時，丙二醛含量分別增加了1.10倍、2.55倍、3.32倍、3.45倍。15 mg/L和20 mg/L鎘處理下，與CK相比，MDA含量上升幅度最大，但兩處理間差異不顯著，說明 Cd質(zhì)量濃度達到一定高度(≥15 mg/L)后，對芹菜幼苗的傷害達到一定上限。

圖1 不同濃度鎘對芹菜幼苗丙二醛含量的影響Fig.1 Effects of different concentrations of cadmium on the content of MDA in celery seedlings

3 討 論

鎘是植物生長發(fā)育過程中的非必需元素，但鎘元素在土壤中具有高度移動性的特征[14]，容易被植物所吸收，從而影響植物進行光合作用和其他正常的生理代謝過程[15]。植物受鎘的毒害最先反映在生物量的變化上[16]。本研究表明，當Cd質(zhì)量濃度為5 mg/L時，株高、莖粗、生物量等各項形態(tài)學指標與CK差異不顯著。當Cd質(zhì)量濃度≥10 mg/L時，株高、干鮮生物量顯著下降。高濃度Cd對根和地上部分抑制作用不一致[17]，造成了根冠比逐漸下降，抑制芹菜幼苗的根系的生長發(fā)育，影響芹菜產(chǎn)量與品質(zhì)。試驗表明，低濃度Cd(5 mg/L)處理時，芹菜幼苗生長狀態(tài)幾乎不受影響；高濃度Cd(≥10 mg/L)處理時，芹菜幼苗的生長受到脅迫，但還有一定的生長狀態(tài)，說明芹菜幼苗對鎘有一定的耐受性。

在自然環(huán)境中，植物體內(nèi)地上部的鎘含量呈現(xiàn)增加趨勢，既是由于生長環(huán)境中鎘污染程度增加所致，也是植物在鎘脅迫條件下生長自身進化的結(jié)果[18]。本研究表明，隨著Cd處理濃度的升高，外源重金屬物質(zhì)在蒸騰作用的驅(qū)動下遷移至地上部[19]，芹菜幼苗根系和地上部中鎘元素含量都升高，說明芹菜幼苗對Cd2+具有富集作用。隨著Cd濃度上升，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)也上升，在濃度為10 mg/L時達到最大，隨后下降。該結(jié)果表明Cd濃度越高芹菜幼苗的富集能力越高，芹菜幼苗對鎘有一定的適應性，但當濃度達到10 mg/L時，芹菜幼苗對鎘的富集能力達到飽和；而轉(zhuǎn)運系數(shù)始終小于1，因此芹菜不是Cd超積累植物[20]，轉(zhuǎn)運系數(shù)很小說明Cd由根系向地上部轉(zhuǎn)移的很少，所以根系最先受害，也最為嚴重。本研究表明，Cd 在芹菜幼苗體內(nèi)的分布特征為根系高于地上部，且根系中Cd含量遠高于地上部，說明根是芹菜幼苗積累 Cd的主要部位。Cd通過植物根系進入芹菜體內(nèi)后，會影響其他離子的轉(zhuǎn)運吸收，造成植物體內(nèi)新陳代謝紊亂[19]。植物響應重金屬離子的抗性機制不僅是排斥還有積累，芹菜將鎘元素積累于根系，會形成難溶性的化合物或者產(chǎn)生特定的有機化合物[21]。當高濃度Cd處理時，根系出現(xiàn)黑斑腐爛狀態(tài)。說明芹菜對鎘的富集能力和轉(zhuǎn)運能力不強，不適宜用于改善環(huán)境條件。

葉綠素是植物進行光合作用的重要色素，反映了光合作用的能力[22]。通過測定Cd對芹菜葉綠素含量的影響，能夠了解芹菜光合作用受鎘污染后的影響程度。本研究表明，添加Cd后，葉綠素a和總?cè)~綠素顯著下降，葉片顏色變淺發(fā)黃，品質(zhì)變差。Cd對葉綠素a影響比葉綠素b影響大，高濃度的Cd2+會導致葉綠素a含量減小。這可能是由于鎘被芹菜幼苗吸收后，會與葉綠體中蛋白質(zhì)的巰基結(jié)合，從而使葉綠體的結(jié)構(gòu)被破壞或者改變?nèi)~綠體酶活性，最終影響葉綠體的合成以及植物的光合作用[23]。

MDA是膜磷脂過氧化的產(chǎn)物，MDA含量的變化可以反映植物遭受抗性條件—重金屬污染的程度[24]。MDA含量可以了解膜磷脂過氧化程度，間接表示植物器官的受損程度[4]。ROS由Cd2+誘導所產(chǎn)生，當其積累到一定程度，便可促進Cd2+與含 N、S的基團或蛋白質(zhì)相結(jié)合，從而形成二硫鍵(-S-S-)，最終導致膜離子通道結(jié)構(gòu)被破壞[25]。本試驗結(jié)果表明，添加Cd處理后，低濃度Cd(5 mg/L)處理時，芹菜幼苗的MDA含量與對照CK差異不顯著；隨著Cd濃度的升高，MDA含量升高，高濃度Cd處理時，MDA含量大幅上升。

綜上所述，芹菜幼苗對Cd有一定的耐受性，低濃度(≤5 mg/L)時芹菜幼苗的株高、莖粗和根長與CK相比差異不顯著，故芹菜幼苗的生長及生理特性與對照無明顯差異；當營養(yǎng)液中鎘濃度≥10 mg/L時，芹菜幼苗的生長受到脅迫，植株外觀形態(tài)干枯萎蔫，葉綠素顯著下降，MDA含量上升；當營養(yǎng)液中鎘濃度達到20 mg/L時，芹菜幼苗會遭到嚴重脅迫逐步致死。