镉胁迫对甘蓝型油菜苗期生长及镉积累的影响_贺晓岚.pdf

黑龙江农业科学 （）：贺晓岚，王建伟，李文旭，等 镉胁迫对甘蓝型油菜苗期生长及镉积累的影响 黑龙江农业科学，（）：镉胁迫对甘蓝型油菜苗期生长及镉积累的影响贺晓岚，王建伟，李文旭，吴春花，龙焕萍（凯里学院 大健康学院，贵州 凯里 ；凯里学院 理学院，贵州 凯里 ；河南省农业科学院 小麦研究所，河南 郑州 ）摘要：镉（）是生物毒性强的重金属元素，易在土壤动植物人体间富集转移，最终危害人体健康。为了筛选富集耐镉性强的油菜品种，以个油菜品种为材料，通过研究镉胁迫对幼苗生长、镉积累、谷胱甘肽（）含量等的影响，明确不同品种镉富集能力的差异。结果表明，镉胁迫对不同油菜品种幼苗叶干重均有抑制作用，对美油 的抑制作用最大，对南油 的抑制作用最小。镉胁迫下不同油菜品种幼苗根干重存在差异，南油 最大。镉胁迫对早熟 天、丰油号幼苗根干重抑制作用最大，而对美油 抑制作用最小。镉胁迫对不同品种幼苗根冠比均有所提高，其中美油 提高幅度最大，而南油 提高幅度最小。不同品种幼苗生物量存在差异，在正常及镉胁迫条件下，南油 的生物量均显著高于其余品种。镉胁迫对美油 幼苗生物量抑制作用最大，对南油 抑制作用最小。不同品种，镉含量存在显著差异，南油 具有高富集特性，美油 具有低富集特性。外源镉显著增加了不同油菜品种幼苗叶片谷胱甘肽含量，美油 的增幅最大，其次为南油 。最终，筛选出镉富集量最小的油菜品种美油，镉富集量最大的油菜品种南油 ，可进一步培育低镉油菜，或进行镉污染耕地修复研究。关键词：镉胁迫；油菜；谷胱甘肽；生理生化特征收稿日期：基金项目：贵州省教育厅科技拔尖人才支持计划项目（黔教合 字 ）；贵州省基础研究计划项目（黔科合基础 ）；贵 州 省 科 技 支 撑 计 划 项 目（黔 科 合 支 撑 ）；凯里学院博士专项（）。第一作者：贺晓岚（），女，博士，副教授，从事基因克隆及转基因研究。：。通信作者：王建伟（），男，博士，教授，从事植物营养与调控研究。：。随着工农业和城市化进程的发展，以及农药化肥的过量使用，全球范围内生态环境遭到严重破坏，农田土壤重金属污染持续恶化。统计表明，我国东、中、西部耕地的土壤重金属污染率分别为 、和 ，其中镉污染居于首位。我国土壤中镉的点位超标率达，镉污染耕地面积达 万，涉及 个省 个地市。在所有植物非必需重金属元素中，镉（）是生物毒性最强的元素之一，由于其水溶性好并且在生物圈中移动性强，更容易在土壤动植物人体间富集转移，最终危害人体健康。目前已在小麦、玉米、水稻、谷子、糜子、辣椒和黑麦草 等多种作物上开展了耐镉品种筛选，根据综合效应将小麦、水稻、玉米等植物的耐镉等级划分为耐受型、中间型和敏感型种。苗期生长性状是评价植物重金属耐性的重要指标。镉对植物生长的影响表现为“低促高抑”现象。研究指出镉浓度低于 对油菜株高和生物量都有一定促进作用；但大于 时，阻碍油菜生长，除对油菜株高和生物量有一定抑制作用之外，还使其叶片失绿，随着镉浓度的增加抑制作用增强 。同时，镉对植物生长毒害的临界浓度因土壤类型及植物种类不同而改变。镉对植物生长产生的不利影响可通过植物的形态特征及生理生化指标反映出来。在遭受重金属镉胁迫时，可能导致植株表型异常，如植株矮小、茎叶失绿、鲜干重减少等 ，体内会产生一系列生理生化代谢紊乱，导致植物抗逆性降低，严重时造成植株死亡；研究表明，谷胱甘肽在螯合重金属、解毒外来污染物的过程中起防御作用 。在重金属胁迫下，谷胱甘肽（）能结合重金属离子形成复合物，被运输到植物叶片的液泡中，从而保护植物细胞免受损伤。生物合成物质的增加对增强植物镉耐性具有重要作用，可促进镉在植物地上部 的 积 累，从 而 达 到 修 复 耕 地 的 目 的。等 以拟南芥为试材进行试验发现，含量与植物耐重金属有较强的关系，但并非 含量越高，对重金属的耐性越强。十字花科植物是一种对重金属耐受性强，已被证明可用于修复重金属污染土壤的理想物种。油菜在我国南北方均有广泛种植，因具有生长速黑龙江农业科学期度快、生物量大、对重金属、等有较强耐受性及吸收积累能力等特点，被认为是修复土壤重金属污染的优良作物之一。目前相关工作主要集中在甘蓝型油菜对 响应生理特征的描述，而在甘蓝型油菜对镉的吸收、转运和积累过程研究相对较少。因此，从高产、优质、多抗、分枝力强，综合性状优良的油菜品种中筛选低积累镉的油菜品种应用于生产实践或超积累品种用于镉污染土壤修复或培育高耐受性都具有重要意义。本研究以国内广泛种植的份高产、优质、多抗、分枝力强，综合性状优良的油菜品种为试验材料，研究镉胁迫对油菜幼苗生长和镉积累及耐受性的影响，通过评价参试材料的镉胁迫耐受性，筛选出富集耐镉性强的油菜种质，以期为镉污染农田土壤修复提供材料；筛选出镉低积累的油菜品种为生态环境保护及食品安全生产提供有效措施及理论依据。材料与方法 材料供试材料如表所列，均由河北省农林科学院 粮 油 作 物 研 究 所 提 供。试 验 试 剂 氯 化 镉（）为分析纯试剂。表参试品种油菜名称编号选育单位早熟 天 山东省济南市日出种业有限公司新都油 四川福乐种业有限责任公司南油 南充市农业科学院和成都市农林科学院美国油王 福建省永安市燕丰种业有限责任公司广源 华中农业大学丰油号 河南省农业科学院棉花油料作物研究所 方法 试验设计种子经消毒处理后，置于铺有润湿滤纸的培养皿中，黑暗催芽，种子露白后见光，待胚根长到 左右，选择生长一致的幼苗移栽于无重金属污染的基质土塑料盆。待幼苗长至三叶一心时，挑选生长一致的植株移栽至装有无重金属污染的基质土塑料盒中，每桶 株，缓苗后进行镉胁迫处理。试验组用 氯化镉溶液 ，对照组用等体积去离子水，每隔浇灌次，每处理重复次。在胁迫后第天，选择生长一致的幼苗测定还原型谷胱甘肽的含量；在胁迫后第 天，选择生长一致的幼苗测定镉含量。测定项目及方法本研究对油菜幼苗生物量、镉含量与还原性谷胱甘肽（）含量进行测定。镉胁迫处理后，取新鲜叶片，利用 试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）测定还原型谷光甘肽含量；胁迫 后，测定油菜株高，每个处理 株；胁迫 后，收获油菜整株，将地上和地下部分开，用自来水冲洗干净，再用去离子水清洗，烘干称重计算生物量，然后粉碎。称取 粉碎样品经浓硝酸消解后，用石墨炉原子吸收光谱仪（北京普析通用仪器有限责任公司，）测定镉含量。数据分析用 和 对测定数据进行统计分析。结果与分析 镉胁迫对油菜幼苗生长的影响 单株叶干重在正常及胁迫条件下，南油 的幼苗单株叶干重均显著高于其他个品种，但其他个品种之间差异不显著（图）。镉胁迫对美油 幼苗单株叶干重抑制作用最大，抑制率 为，其 次 为 早 熟 天（抑 制 率 为），对新都油 、广源、丰油号、幼苗单株叶干重抑制作用相差不大，左右；而对南油 幼苗单株叶干重抑制作用最小，抑制率为（表）。单株根干重不同油菜品种幼苗根干重存在差异，在正常条件下，南油 幼苗根干重显著高于丰油号和美油（图）。在胁迫条件下，南油 幼苗根干重显著高于丰油号。镉胁迫对早熟 天和丰油号幼苗根干重抑制作用最大，抑制率为；对广源 幼苗根干重抑制作用较小，抑制率为；而对美油 幼苗根干重抑制作用最小，抑制率为（表）。根冠比在正常条件下，新都油 、早熟 天、丰油号根冠比相差不大，在 左右；而广源、美油、南油 幼苗根冠比较低，在 左右；不同油菜品种幼苗根冠比差异不显著（图）。在胁迫条件下，新都油 、早熟 天、丰油号幼苗根冠比显著高于南油 。与正常条件相比，镉胁迫提高了幼苗根冠比，其中美油 幼苗根冠比较对照提高幅度最大，提高了，而南油 幼苗根冠比几乎未提高（表）。生物量不同油菜品种幼苗生物量存在期贺晓岚等：镉胁迫对甘蓝型油菜苗期生长及镉积累的影响差异，在正常及镉胁迫条件下，南油 的幼苗生物量显著高于其他个品种（图）。镉胁迫对美油 幼苗生物量抑制作用最大，抑制率为 ；对新都油 、广源 幼苗生物量抑制作用相差不大，抑制率为 ；而对南油 幼苗生物量抑制作用最小，抑制率为 （表）。图镉胁迫下不同油菜品种单株生物量比较注：不同小写字母表示不同品种间在 水平差异显著。下同。表镉胁迫对不同油菜品种幼苗生长抑制率比较器官抑制率 叶 根 根冠比 生物量 镉胁迫对油菜镉含量和累积量的影响 镉含量不同油菜品种幼苗叶片镉含量均较低并存在差异，在正常条件下，早熟 天、新都油 、丰油号幼苗叶片镉含量为 左右，显著高于其他个品种（图）。在镉胁迫条件下，南油 、早熟 天的幼苗叶片镉含量分别为 和 ，显著高于其他品种，美油、广源 幼苗叶片镉含量比较低，分别为 和 。与正常条件相比，外源镉明显增加了油菜幼苗叶片镉含量。不同油菜品种幼苗根镉含量均较低并存在差异，在正常条件下，新都油 和丰油号幼苗根镉含量只有 左右，显著低于其他品种（图）。在镉胁迫条件下，南油 和广源 幼苗根镉含量分别为 和 ，显著高于其他品种，美油 和早熟 天幼苗根镉含量比较低，分别为 和 。与正常条件相比，外源镉明显增加了油菜幼苗根镉含量。不同油菜品种幼苗镉转移系数存在差异。在正常条件下，丰油号镉转移系数最高（），其次为新都油 （），显著高于其他品种（图）。在镉胁迫 条 件下，早熟 天幼苗镉转移系数最高（），显 著 高 于 其 他个 品 种，新 都 油 、美油、丰 油 号 幼 苗 镉 转 移 系 数 显 著 高 于广源。镉胁迫增加了早熟 天幼苗镉转移系数，增加率为 ，降低了广源、新都油 、丰油号、南油 、美油 的镉转移系数，广源、新都油 、丰油号幼苗镉转移系数降低幅度高达 以上。黑龙江农业科学期在正常条件下，早熟 天幼苗镉含量最高（），显著高于美油（图）。在镉胁 迫 条 件 下，南 油 幼 苗 的 镉 含 量 最 高（），显著高于其他个品种；其次为 广 源 ，显 著 高 于 新 都 油 、丰 油 号、美油；早熟 天幼苗镉含量显著高于丰油号、美油，新都油 幼苗镉含量显著高于美油，美油 幼苗镉含量最低（）。图镉胁迫下不同油菜品种镉含量比较 镉累积量在正常条件下，油菜幼苗叶片镉累积量只有 株，不同油菜品种幼苗叶片镉累积量无显著差异（图）。在镉胁迫条件下，南油 幼苗叶片镉累积量最高（株），显著高于其他个品种；其次为早熟 天，显著高于广源 和美油，其中美油 的幼苗叶片镉累积量最低，仅有 株。与正常条件相比，外源镉明显增加了油菜幼苗叶片镉累积量。不同油菜品种幼苗根部镉累积量存在差异，在正常条件下，南油 幼苗根部镉累积量最高（株），显著高于美油、新都油 、丰油号（图）。在镉胁迫条件下，南油 幼苗根镉累积量最高（株），其次为广源 的（株），二 者 显 著 高 于 其 他 品 种，丰油号、早熟 天、美油 幼苗根镉累积量比较低，分别为 ，和 株。与正常条件相比，外源镉明显增加了油菜幼苗根部镉累积量。由图 可知，在正常条件下，新都油 、丰油号根、叶镉累积量比显著低于其他个品种。在镉胁迫条件下，广源 幼苗根、叶镉累积量比最高（），显著高于其他品种，早熟 天的幼苗根、叶镉累积量比最低，为 。镉胁迫提高了除早熟 天外的其余个品种的幼苗根、叶镉 累 积 量 比，广 源 增 加 幅 度 最 大，为 ，镉胁迫降低了早熟 天幼苗根、叶镉累积量比，降低了。在正常条件下，南油 幼苗镉累积量最高（株），显著高于美油（图）。在镉胁 迫 条 件 下，南 油 幼 苗 镉 累 积 量 最 高（株），显 著高于其 他品种；其次为广源，显著高于美油，美油 的幼苗镉累积量最低，为 株。期贺晓岚等：镉胁迫对甘蓝型油菜苗期生长及镉积累的影响图镉胁迫下不同油菜品种镉累积量比较 镉胁迫对不同油菜品种谷胱甘肽含量的影响由图可知，在正常条件下，丰油号幼苗叶片谷胱甘肽含量最高（），其次为广源（），二者显著高于其他品种。图 镉胁迫下不同油菜品种叶片谷胱甘肽含量比较在镉胁迫条件下，美油 幼苗叶片谷胱甘肽含量最高（），显著高于其他品种，其次为南油 的（）；新都油 的最低（），显著低于其他品种。与正常条件相比，外源镉明显增加了油菜幼苗叶片谷胱甘肽含量，美油 的增加幅度最大（），其次为南油 （），丰油号增加幅度最小，仅增加了（图）。讨论镉污染问题日趋严峻，污染