刘文英,张东旭，张永芳，张雁云

（1.山西大同大学生命科学学院,山西大同037009；2.高寒地区作物研究所,山西大同037009）

不同浓度镉胁迫对3种芥菜型油菜幼苗生理特性的影响

刘文英1，2,张东旭1，2，张永芳1，2，张雁云1，2

（1.山西大同大学生命科学学院,山西大同037009；2.高寒地区作物研究所,山西大同037009）

2012年全球镉产量已增至2.3万t，镉污染对人类的伤害日趋严重。在芥菜型油菜（Brassica juncea）晋油6号、川油A-6和内引I号中，筛选出一个对重金属镉有较强耐受力的品种。水培条件下，利用不同浓度的外源镉对油菜幼苗进行处理，研究镉胁迫对芥菜型油菜幼苗叶绿素和丙二醛（MDA）含量、可溶性蛋白质浓度以及过氧化氢酶（CAT）活性的影响。3个参试品种中，晋油6号对重金属镉的耐受力最强。随着镉处理浓度的增大，晋油6号叶绿素含量的降低最为缓和，丙二醛的增长量最低，且通过产生新的可溶性蛋白质和提高过氧化氢酶活性来抵御逆境的能力最强。晋油6号在作为镉污染修复的植物材料上具有应用价值。

镉;胁迫;芥菜型油菜;生理特性

随着工业的飞速发展，重金属污染已成为世界各国研究的重点问题之一。重金属对水和土壤的污染，关系着农业、环境、生态、食品安全以及人类健康等诸多实际的问题。作为重金属的一种，镉对环境与人类的伤害尤为严重。目前，相当数量的镉正通过废水、废气、废渣等形式排入环境，造成了许多地方土地和水源的不同程度污染。镉虽然不是植物生长的必需元素，但其毒性强，易被植物摄取、富集[1]，这不仅影响了农林生态的可持续性，也危害到了人类的生存。

十字花科植物芥菜型油菜耐旱、抗寒、生物量较大，可大量富集Pb，Cd，Ni，Zn和Cu等多种重金属[2-3]，对于这些重金属污染土壤的净化作用较显著，可作为镉污染矿区土壤修复的植物材料[4]。但是，不同油菜品种不同生长期对镉的吸收、迁移和累积特征不同[5]，因此，有必要对不同种类油菜的耐镉性进行研究。

目前，国内外对芥菜型油菜本身在镉污染条件下各生理指标的变化和各地方油菜响应镉污染的差异研究较少。本试验以3个地方的油菜品种（晋油6号、川油A-6和内引I号）为试验材料，研究了水培条件下，不同浓度Cd2+胁迫对芥菜型油菜幼苗生理特性的影响，探讨3个油菜品系对重金属镉胁迫的响应方式和耐镉胁迫能力的强弱，为进一步了解植物对重金属的抗性机理以及研究修复土壤镉污染的植物材料提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

芥菜型油菜晋油6号、川油A-6、内引Ι号种子，均由山西省高寒植物研究所提供。

1.2 实验方法

将供试油菜种子播种于3×4孔的播种盒中。以黏土垫底防止水分过度流失，在黏土上盖以砂土，用自来水润湿后将数好的10粒种子撒于其上，再洒上2 mm左右厚度的细砂，用自来水润湿，盖上塑料盖，等待发芽。共3个品系，各播种10盒。

在6支15 mL的塑料离心管中，分别加入配好的各浓度镉液15 μl，用即配的Hoagland营养液将每支离心管都定容到15 mL。（重复此步骤10次，得6个镉浓度的装液离心管各10支）。另设一组对照（一共10只15 mL的离心管），加入15 μL去离子水后，以即配营养液定容到15 mL后，将这些离心管放于试管架上。待播种的油菜长出2～5片真叶后，将长势一致的油菜幼苗从播种盒中拔出，用去离子水洗净根系，以干净纱布吸干水分，移栽到加好液的离心管中，在光照下培养（明暗12∕12 h）。每12 h在旋涡振荡器上振荡5 min，以防油菜根系缺氧。

处理48 h后，将油菜幼苗从离心管中取出，用去离子水漂洗2遍，确定其表面的Cd2+全部洗脱。将洗好的幼苗放于干净的纱布表面，待纱布将植物表面的水分吸干后，再用剪刀剪取幼苗叶片，每株幼苗的叶片（除子叶外）全部剪取。将剪下的叶片剪碎混匀后，用于测叶绿素和丙二醛含量及过氧化氢酶活性；剪取每株相同部位的茎，剪碎混匀，用于测幼苗可溶性蛋白质的浓度[6-7]。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对芥菜型油菜叶绿素含量的影响

图1为不同Cd2+浓度处理对3种芥菜型油菜叶片叶绿素含量（以鲜质量计）的影响。由图可知，镉处理后，各个品系芥菜型油菜叶绿素含量均低于的对照。对照间叶绿素含量也极为不同，其中,晋油6号＞内引I号＞川油A-6。

镉处理后，油菜幼苗表现出子叶枯萎黄化，外围真叶的边缘也有干枯现象，以内引I号尤为严重。当镉浓度达100 mg／L时，晋油6号的叶绿素含量降低了46.4%，川油A-6的叶绿素含量降低了46.8%，内引I号的叶绿素含量降低了49.7%，内引I号＞川油A-6＞晋油6号。

当镉浓度小于50 mg／L时，内引I号的叶绿素含量降低幅度最大，而晋油6号在50～100 mg／L时叶绿素含量急剧降低，幅度大于川油A-6和内引I号，也许是由于镉浓度过高对晋油6号的影响较大的缘故。但总体上，晋油6号的叶绿素含量大于川油A-6和内引I号。

图1 Cd胁迫下3种芥菜型油菜叶绿素含量的变化规律

2.2 镉胁迫对芥菜型油菜丙二醛（MDA）含量的影响

图2为不同镉处理对芥菜型幼苗丙二醛含量变化的影响。镉浓度为10 mg／L时，只有晋油6号丙二醛含量低于对照，说明Cd2+浓度小于10 mg／L时，晋油6号耐镉性优于川油A-6和内引I号。

Cd2+浓度在100 mg／L时各品系芥菜型油菜与对照相比MDA的变化为晋油6号89.37%,；川油A-6 145.55%,内引I号120.68%。若以MDA为判断标准，则川油A-6受重金属镉伤害最为严重，与观察现象符合；晋油6号在高浓度下的MDA增加量远远低于川油A-6和内引I号，因而耐性最强。

重金属镉胁迫下，3种芥菜型油菜幼苗丙二醛含量均随Cd2+浓度的增大而先降低后升高。

图2 Cd胁迫下3种芥菜型油菜MDA含量的变化规律

2.3 镉胁迫对芥菜型油菜可溶性蛋白含量的影响

图3为不同浓度Cd2+胁迫下芥菜型油菜可溶性蛋白质浓度的变化。当Cd2+浓度较低时，可溶性蛋白质的浓度会有一定的减小，而随着处理Cd2+浓度的增大，可溶性蛋白质的浓度又会增大，而且会超出对照的蛋白质浓度。这说明，芥菜型油菜能通过诱导产生新的可溶性蛋白来抵御逆境。

不同品种芥菜型油菜的对照间可溶性蛋白质浓度不同。幼苗对镉胁迫的响应也有所不同，即便在两个相同镉处理浓度间，不同芥菜型油菜幼苗可溶性蛋白质浓度的变化方式和程度也不同。其中，晋油6号在Cd2+浓度100 mg／L时，可溶性蛋白比对照增加了25.9%,内引I号增加了24.95%,川油A-6增加了20.70%。如果仅以可溶性蛋白质浓度为判定这3种芥菜型油菜耐镉能力的标准，则从其总变化量和浓度间的变化幅度可以大致推断出，3种芥菜型油菜抵御镉胁迫的能力为：晋油6号＞内引I号＞川油A-6。

图3 Cd胁迫下3种芥菜型油菜可溶性蛋白质浓度的变化规律

2.4 镉胁迫对芥菜型油菜过氧化氢酶（CAT）活性的影响

图4为不同Cd2+浓度胁迫下3种芥菜型油菜过氧化氢酶活性的变化。随着镉浓度的增大，芥菜型油菜的过氧化氢酶活性呈现出先下降后上升再下降的趋势。这可能是因为镉处理浓度大小在中间阶段时，植物体内产生了抗逆机制，它通过提高过氧化氢酶活性或者产生更多的过氧化氢酶来抵御逆境。但不同芥菜型油菜对镉处理浓度大小的响应不同，这是因为不同品系油菜本身的生活力、抗逆性不同，因而对重金属镉的耐受力也不同。

本试验选用的3个品系中以晋油6号的过氧化氢酶活性变化度最为显著，最高达95.39u∕g⋅min，最低至46.75u∕g⋅min。而以川油A-6的变化最不明显，过氧化氢酶活性最高时只有69.57u∕g⋅min，最低时为50.27u∕g⋅min。如果单以过氧化氢酶活性变化度为指标，则晋油6号提高过氧化氢酶活性或产生新过氧化氢酶的调节性大于川油A-6和内引I号，因此它通过这种方式来抵抗重金属镉胁迫的能力也最强。

图4 Cd胁迫下3种芥菜型油菜过氧化氢酶活性的变化规律

川油A-6在镉浓度为100 mg／L时过氧化氢酶活性明显高于晋油6号和内引I号，这说明在高浓度下，川油A-6依然能保持较高的过氧化氢酶活性，但综合低浓度和中浓度时其过氧化氢酶活性的变化情况，则不能说川油A-6的耐镉性最强。图4可以直观的反映出3种芥菜型油菜在不同浓度镉胁迫下过氧化氢酶活性的变化规律。

3 结论与讨论

3.1 结论

镉影响植物的生长发育。本研究表明，镉胁迫对芥菜型油菜叶绿素、丙二醛、可溶性蛋白质含量和过氧化氢酶活性的变化都有一定的影响。且在不同油菜品系间的影响程度和方式不尽相同。笔者通过对4个指标的分析，认为在3个参试品种（晋油6号、川油A-6和内引I号）中，晋油6号对重金属镉的耐受性最强，具有作为土壤、水源镉污染修复植物材料的潜力。

3.2 讨论

近年来各地重金属污染日益严重，因而需要研究人员不断开发出高效、节约的修复材料和方法。张利强对2个水稻品种的研究发现，2个品种在不同生育期，其体内Cd的分配均表现为根＞茎＞叶＞籽粒[8]。油菜体内镉的分布也为根＞茎＞叶＞籽粒，芥菜型油菜主要用于收取籽粒榨油，因而如果可将籽粒中的镉控制在安全范围内，那么就可利用强富集镉品种在生产的同时修复环境中的镉污染。此外，油菜的秸秆还可用于生产沼气，作为清洁能源。这样就达到了可持续的要求，对人类的长久发展有极大的益处。

随着研究的深入，需要明确油菜或者其他超富集植物耐重金属的分子机制，确定植物中抗重金属的基因，对其进行克隆，并将其转入其它生物量大、易生产、繁殖快的生物种类中，为加快重金属污染区重金属的清除提供材料。在芦苇抗重金属的研究中发现，植物络合素(Phytochelatins,PCs)能鳌合重金属，是植物应对重金属胁迫最重要的机制，其合成限速酶基因主要有植物络合素合酶基因(PCS)和γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶基因(γ-ECS)[9]。目前已经发现，多数重金属超富集植物的合成限速酶基因都有γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶基因(γ-ECS)，由此可见，对该基因的分离、克隆和寻找合适的转基因客体都是当下迫切需要的，该方面的研究也有可能成为研究重金属污染修复材料的下一个机遇和挑战。

[1]陈会,任艳芳,陈秀兰,等.镉胁迫下不同耐性水稻植株幼苗生长和抗氧化酶的变化[J].江西农业大学学报,2012,34(6): 1099-1104.

[2]Liu D H,Kottke I.Subcellular localization of Cd in the root cells of Allium sativum by electron energy loss spectroscopy[J].Biore⁃source Technology,2004,94(2):153-158.

[3]王爱云,钟国锋,徐刚标,等.铬胁迫对芥菜型油菜生理特性和铬富集的影响[J].环境科学,2011,32(6):1717-1725.

[4]Jin Y H,Clark A B,Slebos R J C,et al.Cadmium is a mutagen that acts by inhibiting mismatch repair[J].Nature Genetics,2003, 34:326-329.

[5]宋瑜,金樑,曹宗英,等.植物对重金属镉的响应及其耐受机制[J].草业学报,2008,17(5):84-91.

[6]李志丹,韩瑞宏,廖桂兰,等.植物叶片中叶绿素提取方法的比较研究[J].广东第二师范学院学报,2011，31(3):80-83.

[7]高俊凤.植物生理学实验指导[M].北京:高等教育出版社,2006.

[8]张利强.水稻重金属镉的吸收、转运和积累特性研究[D].北京：中国农业科学院,2012.

[9]赵翠珠.芦苇抗重金属基因的克隆和功能鉴定[D].济南：山东大学,2011.

Effects of Cadmium Stress on Physiological Characteristics of Three Types of Brassica juncea Seedlings

LIU Wen-ying1,2,ZHANG Dong-xu1,2,ZHANG Yong-fang1,2,ZHANG Yan-yun1,2
(1.School of Life Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Crops Research Institute of Alpine Region,)

As the increasing of cadmium production reached to 23,000 tons in 2012,its harm to human healthy is more and more serious.This experiment selected the strongest tolerance variety to cadmium from Brassica juncea Jin 6,Sichuan A-6 and Inner Mongo⁃lia NO.I.Different concentrations of exogenous cadmium were used to treat Brassica juncea seedlings under hydroponics condition. This paper mainly studied the influence of cadmium stress on chlorophyll,MDA content,soluble protein concentration and catalase ac⁃tivity in B.junceas.Among the three tested varieties Brassica juncea Jin 6 has the strongest tolerance to cadmium.With the increasing of cadmium concentration,the decreasing of chlorophyll content was graduall,and the increasing of MDA content was slight.At the same time,Brassica juncea Jin 6’s ability of producing new soluble protein and improving CAT activity to resist adversity is the stron⁃gest one.Brassica juncea Jin 6 has practical value on plant material that could be used to repair cadmium pollution

cadmium;stress;brassica juncea;physiological characteristics

X833

A

1674-0874(2014)04-0045-04

2014-04-15

山西大同大学高寒作物研究所科研项目[2009-Y-14]

刘文英（1981-），女，山西大同人，博士，讲师，研究方向：植物基因克隆。

〔责任编辑 杨德兵〕