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凤季
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1 第３４卷第２期环境科学学报ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ２０１４年２月Ｖｏｌ３４Ｎｏ２Ｆｅｂ２０１４郭锋樊文华冯两蕊等２０１４硒对镉胁迫下菠菜生理特性元素含量及镉吸收转运的影响Ｊ环境科学学报３４２５２４５３１ＧｕｏＦＦａｎＷＨＦｅｎｇＬＲｅｔａｌ２０１４ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｓｅｌｅｎｉｕｍＳｅｏｎｔｈｅｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｌｅｍｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔｓｕｐｔａｋｅａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｏｆＣｄｉｎｓｐｉｎａｃｈｕｎｄｅｒＣｄｓｔｒｅｓｓＪＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ３４２５２４５３１硒对镉胁迫下菠菜生理特性元素含量及镉吸收转运的影响郭锋樊文华冯两蕊许剑敏山西农业大学资源环境学院太谷０３０８０１收稿日期２０１３０６０５修回日期２０１３０７１０录用日期２０１３０７１０摘要为了探讨硒Ｓｅ对菠菜中的镉Ｃｄ胁迫造成毒害的缓解作用采用盆栽试验研究了不同浓度Ｓｅ００５２０４０ｍｇＬ１对不同浓度Ｃｄ０５和２０ｍｇｋｇ１胁迫下菠菜生理特性元素含量及Ｃｄ吸收转运的影响结果表明不同浓度的Ｓｅ可使丙二醛ＭＤＡ积累量显著降低最佳作用下分别为两种浓度Ｃｄ单一胁迫下的５３９３和４１７９不同浓度的Ｓｅ可以缓解Ｃｄ胁迫对菠菜地上部和根部的抑制作用最佳缓解条件下菠菜地上部和根部的鲜重分别为两种浓度Ｃｄ单一胁迫时的１１３倍１２９倍和１３１倍１３７倍干重分别为１７８倍２０９倍和３０３倍４３６倍叶绿素含量显著提高在最佳缓解浓度下分别是两种浓度Ｃｄ单一胁迫时的１５１倍和１３５倍与两种浓度Ｃｄ单一胁迫相比最佳缓解浓度下超氧化物歧化酶ＳＯＤ活性分别提高了３６０和４２８外源Ｓｅ可以使地上部和根部的ＫＮａＣａ和Ｍｇ等元素的含量不同程度的增加施Ｓｅ可以有效的抑制菠菜根部对Ｃｄ的吸收富集和向地上部的转运使菠菜地上部和根部Ｃｄ含量显著降低分别为两种浓度Ｃｄ单一胁迫下的６５７７７５９２和４６１１７００１表明外源Ｓｅ能有效的减轻Ｃｄ胁迫对菠菜的毒害作用对本研究所用的两种浓度Ｃｄ来说最佳的缓解浓度为２０ｍｇＬ１和４０ｍｇＬ１关键词硒镉菠菜生理特性吸收文章编号０２５３２４６８２０１４０２５２４０８中图分类号Ｘ１７１５文献标识码ＡＥｆｆｅｃｔｓｏｆｓｅｌｅｎｉｕｍＳｅｏｎｔｈｅｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｌｅｍｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔｓｕｐｔａｋｅａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｏｆＣｄｉｎｓｐｉｎａｃｈｕｎｄｅｒＣｄｓｔｒｅｓｓＧＵＯＦｅｎｇＦＡＮＷｅｎｈｕａＦＥＮＧＬｉａｎｇｒｕｉＸＵＪｉａｎｍｉｎＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅＳｈａｎｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＴａｉｇｕｉ０３０８０１Ｒｅｃｅｉｖｅｄ５Ｊｕｎｅ２０１３ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１０Ｊｕｌｙ２０１３ａｃｃｅｐｔｅｄ１０Ｊｕｌｙ２０１３ＡｂｓｔｒａｃｔＰｏｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｓｅｌｅｎｉｕｍＳｅｍｉｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＣａｄｍｉｕｍＣｄｔｏｘｉｃｉｔｙｉｎｓｐｉｎａｃｈＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｅｌｅｎｉｕｍＳｅ００５２０ａｎｄ４０ｍｇＬ１ｏｎｔｈｅｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｌｅｍｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔｓａｎｄｕｐｔａｋｅａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｏｆＣｄｉｎｓｐｉｎａｃｈｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＣｄ０５ａｎｄ２０ｍｇｋｇ１ｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＳｅｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙｄｅｐｒｅｓｓｅｄｍａｌｏｎｄｉａｌｄｅｈｙｄｅＭＤＡａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎＷｉｔｈｔｈｅｏｐｔｉｍａｌＳｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＭＤＡｗｅｒｅ５３９３ａｎｄ４１７９ｏｆｔｈｏｓｅｕｎｄｅｒｓｉｎｇｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆＣｄｉｎｔｗｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓＤｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＳｅａｌｌｅｖｉａｔｅｄｔｈｅｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｅｆｆｅｃｔｓｏｆＣｄｏｎｔｈｅｓｈｏｏｔｓａｎｄｒｏｏｔｓｏｆｓｐｉｎａｃｈａｎｄｔｈｅｆｒｅｓｈｗｅｉｇｈｔａｎｄｄｒｙｍａｓｓｏｆｈｏｏｔｓａｎｄｒｏｏｔｓｗｅｒｅ１１３１２９１３１１３７ａｎｄ１７８２０９３０３４３６ｔｉｍｅｓｔｈｏｓｅｕｎｄｅｒｓｉｎｇｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆＣｄｉｎｔｗｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｗｉｔｈｔｈｅｏｐｔｉｍａｌＳｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓＥｘｏｇｅｎｏｕｓＳｅｍａｒｋｅｄｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌｃｏｎｔｅｎｔｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌｗａｓ１５１ａｎｄ１３５ｔｉｍｅｓｔｈａｔｕｎｄｅｒｓｉｎｇｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆＣｄｉｎｔｗｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｗｈｅｎｔｈｅｅｘｏｇｅｎｏｕｓＳｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗｅｒｅｏｐｔｉｍａｌＴｈｅｓｕｐｅｒｏｘｉｄｅｄｉｓｍｕｔａｓｅＳＯＤａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｂｏｕｔ３６０ａｎｄ４２８ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｉｎｇｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆＣｄｉｎｔｗｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓＥｘｏｇｅｎｏｕｓＳｅｉｎｃｒｅａｓｅｄＫＮａＣａａｎｄＭｇｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｈｏｏｔｓａｎｄｒｏｏｔｓｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｇｒｅｅｓＵｎｄｅｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｅｔｈｅｕｐｔａｋｅｂｉｏａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＣｄｗｅｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｎｈｉｂｉｔｅｄａｎｄｔｈｅＣｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｓｈｏｏｔｓａｎｄｒｏｏｔｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｏ６５７７７５９２ａｎｄ４６１１７００１ｏｆｔｈｏｓｅｕｎｄｅｒｓｉｎｇｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆＣｄｉｎｔｗｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓＲｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔＳｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｌｌｅｖｉａｔｅＣｄｉｎｄｕｃｅｄｔｏｘｉｃｉｔｙｉｎｓｐｉｎａｃｈＴｈｅｏｐｔｉｍａｌＳｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓ２０ｍｇＬ１ａｎｄ４０ｍｇＬ１Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｅｌｅｎｉｕｍｃａｄｍｉｕｍｓｐｉｎａｃｈｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｕｐｔａｋｅ基金项目山西省基础研究计划项目Ｎｏ２０１００２１０２８４山西省自然科学基金项目Ｎｏ２００６０１１０７９ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＳｈａｎｘｉＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｓＮｏ２０１００２１０２８４ａｎｄＳｈａｎｘｉＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＮｏ２００６０１１０７９作者简介郭锋１９７７女Ｅｍａｉｌｓｈｆｇｆ１２６ｃｏｍ通讯作者责任作者ＢｉｏｇｒａｐｈｙＧＵＯＦｅｎｇ１９７７ｆｅｍａｌｅＥｍａｉｌｓｈｆｇｆ１２６ｃｏｍＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ

2 2 期郭锋等 : 硒对镉胁迫下菠菜生理特性元素含量及镉吸收转运的影响引言 (Introduction) 目前由于工农业的迅速发展, 含重金属农药的不合理施用和工业三废的排放等, 对土壤, 尤其是我国近郊菜地土壤的污染存在严重的隐患, 其中镉 (Cd) 污染问题尤其突出 ( 宋阿琳等,2011; 张媛媛, 2011). Cd 是生物毒性最强的重金属之一, 为非营养元素, 对植物具有明显毒害作用, 在生物圈中移动性大, 毒性强, 容易累积在可食部位并通过食物链危及人们的健康 ( 宋阿琳等,2011; 陈平等, 2006). 如何缓解或抑制植物 Cd 毒害已引起人们的广泛关注 ( 高芳等,2011a). e 对高等植物生长有重要作用, 有研究者认为 e 是植物生长必需的微量元素, 适当的浓度能够保护植物免受重金属造成的伤害 ( Feng et al.,2013). 已有研究表明 e 可以有效的缓解 Cd 胁迫对植物造成的毒害和减少对 Cd 的吸收, 目前该类研究主要集中于水稻玉米豌豆等其他植物上 ( 陈平等, 2006; Feng et al., 2013; 陈平等, 2002; Lin et al., 2012; 侯艳伟等,2008; 王立新等,2009), 菠菜是我国重要的蔬菜作物, 随着塑料大棚等农业技术的发展, 菠菜的种植面积和种植周期增幅很大, 另外, 菠菜对重金属有很强的吸收能力 ( Achakzai et al., 2006;Chunilall et al.,2004),e 缓解 Cd 胁迫对菠菜的影响还没见报道. 本研究通过盆栽试验模拟镉污染的土壤条件下种植菠菜, 通过加入不同浓度的外源硒, 研究 e 对 Cd 胁迫下菠菜生长生理特性及对 Cd 吸收转运的影响, 以探明 e 对 Cd 毒害缓解作用的机理和寻求最佳缓解浓度, 为外源 e 缓解 Cd 胁迫对植物造成毒害的机理研究提供理论依据. 2 材料与方法 (Materials and methods) 2. 1 试验设计盆栽试验于山西农业大学资源环境学院温室中进行, 采用完全随机试验设计, 试验共设 9 个处理 ( 见表 1), 各处理重复 3 次. 试验中 Cd 和 e 分别以分析纯 CdCl 2 5H 2 O 和 Na 2 eo 3 的水溶液均匀喷洒施入土壤, 与土壤完全混合均匀后装盆, 平衡 1 周, 将菠菜籽消毒育苗, 于 2011 年 3 月 17 日进行盆栽种植, 每盆种 10 粒, 出苗后, 及时疏苗, 每盆定苗 4 株. 试验期间用去离子水灌溉, 视天气情况调节土壤水分. 所有处理每隔 1 d 调 ph 值在 6. 5 ~ 6. 8 之间使其保持一致性年 5 月 6 日取样, 测定各项指标. 表 1 不同浓度 CdCl 2 与 Na 2 eo 3 处理设计 Table 1 Treatment of different concentrations of CdCl 2 and Na 2 eo 3 试验编号 CK Cd e0 Cd e0. 5 Cd e2. 0 Cd e4. 0 Cd e0 Cd e0. 5 Cd e2. 0 Cd e4. 0 注 : Cd 的浓度单位为 mg kg - 1,e 的浓度单位为 mg L 试验材料供试土壤为石灰性褐土, 采自山西农业大学试验基地, 以多点取样法采集耕层 (0 ~ 20 cm) 土壤. 其基本理化性状为 : ph = 7. 73, 阳离子交换量 (CEC) cmol kg - 1, 有机质 g kg - 1, 全氮 g kg - 1, 全硒 mg kg - 1, 全镉含量为 mg kg - 1. 供试菠菜品种为春秋大叶菠菜, 购自山西省晋中市太谷县中裕种苗中心. 将土壤自然风干, 粉碎后过 4 mm 筛, 装入聚乙烯塑料盆 (30 cm 20 cm) 中, 每盆装土 6 kg 测定方法鲜重和干重的测定 : 所采样品的根部先用自来水充分洗去粘附在根部的泥土和污物, 再用 mol L - 1 的 Na 2 EDTA 交换 15 min 去除吸附在根表面的 Cd 和 e, 最后用去离子水仔细冲洗干净, 用吸水纸完全擦去水分, 将样品分地上部与根部称量测定鲜重. 鲜样在 105 下杀青 30 min, 然后在 75 下烘干至恒重, 测定地上部和根部干重. 叶绿素的测定 : 选取菠菜新鲜叶片 0. 2 g 用 80% 丙酮提取 24 h 后, 用紫外分光光度计测定 ( 李合生,2000). 丙二醛 (MDA) 含量的测定 : 采用硫代巴比妥酸法 ( 李合生,2000). 超氧化物歧化酶 ( OD) 活性测定 : 采用氮蓝四唑法 ( 李合生,2000). K Na Ca Mg 元素的测定 : 将烘干研磨好的植物样品加入 60% 三氯乙酸浓硝酸浓硫酸 ( 体积比为 ) 混合而成的硝化液, 于 90 恒温水浴中提取 1 h, 冷却后定容于 50 ml 容量瓶中. 采用 Optimal 2100 DV 电感耦合等离子体发射光谱仪 (Perkin Elmer 公司 ) 进行测定. 植物样中 Cd 含量的测定 : 将烘干植物样品粉

3 526 环境科学学报 34 卷碎, 经 HNO 3 HClO 4 法消煮, 采用惠普上分 3511 石墨炉原子吸收分光光度法进行测定 ( 中华人民共和国国家标准,1997) 质量控制与数据处理检测过程的质量保证和质量控制严格按照山西农业大学环境监测中心制定的质量保证和质量控制程序 ( 文件编号 :CX / XNDHC ) 进行, 分析样品的重复数为 10% ~ 15%,Cd 回收率为 95% ~ 103%, 所得数据采用 DP 统计软件和 Microsoft Excel 2003 进行方差分析和作图, 并利用 Duncan 新复极差法对数据进行差异显著性检验. 3 结果与讨论 (esults and discussion) 3. 1 不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜丙二醛 (MDA) 含量的影响镉可诱导植物的自由基过氧化损伤, 加剧植物体内膜脂过氧化作用, 导致植物中的 MDA 的含量增加,MDA 积累越多表明植物的保护能力越弱 ( 孙约兵等,2009). 从图 1 可见, 当施入 Cd 的浓度分别为 0. 5 mg kg - 1 和 2. 0 mg kg - 1 时, 菠菜叶子中的 MDA 含量高于对照, 分别比对照升高 53. 3% 和 %, 与对照相比差异达显著水平, 表明重金属 Cd 对菠菜叶子的细胞膜产生了一定程度的伤害, 使细胞膜的透性增加, 加快了脂质过氧化作用. 图 1 Fig. 1 不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜丙二醛 ( MDA) 含量的影响 ( 不同小写字母代表水平下有显著性差异,p < 0 05, 下同 ) Effect of different concentrations of e on MDA content in spinach under stress of Cd 0. 5 mg kg - 1 Cd 与不同浓度 e 组合处理时菠菜中 MDA 含量随 e 浓度的升高呈现出先降低后升高的趋势, 但均显著低于单一 Cd 处理 ( 0 5 mg kg - 1 ) 的 MDA 含量, 其中 e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时 MDA 的含量最低, 但是随着 e 浓度的增加 MDA 含量反而升高, 说明虽然 e 对 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下的菠菜细胞膜有一定的保护作用, 但是过高的 e 含量能促进过氧化作用, 可是明显低于单一 Cd 胁迫下的 MDA 含量, 而 2. 0 mg kg - 1 Cd 与不同浓度 e 组合处理时菠菜 MDA 含量随 e 浓度的升高逐渐降低, 均显著低于单一 Cd 处理 (2. 0 mg kg - 1 ) 时的值, 且各复合处理间差异显著. 结果表明, 外源 e 的加入可以导致菠菜中 MDA 的积累量明显减少, 从而减轻了由膜脂过氧化作用带来的不利影响, 这可能与 e 的加入能有效提高 Cd 胁迫下抗氧化酶活性有关, 同时外源 e 的加入能够使受损的细胞膜得到恢复重建, 维持和提高细胞的完整性, 减少细胞膜的透性和脂质过氧化作用, 减少植物中电解液的渗漏, 使细胞的结构和功能得到恢复, 对细胞起到一定的保护作用 (Feng et al.,2013) 不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜地上部和根部鲜重和干重的影响不同浓度 e 对 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜地上部和根部鲜重和干重的影响见表 2. 由表 2 可知, 在 0. 5 mg kg - 1 Cd 单独处理情况下, 菠菜地上部及根部的鲜重分别比对照增加了 5. 19% 和 6. 71%, 干重分别比对照增加了 % 和 %, 说明低浓度的 Cd 能促进菠菜的生长, 但差异不明显, 这与孙约兵等 (2009) 所得到的结论相似. 随着外源 e 浓度的增加, 菠菜地上部的鲜重和干重呈现出先升高后降低的趋势, 但均大于 Cd 单独 (0. 5 mg kg - 1 ) 处理时的值, 尤其当加入 e 的浓度为 2. 0 mg L - 1 时, 菠菜地上部的鲜重和干重增加显著, 不同浓度外源 e 对 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜根部的鲜重和干重的影响与地上部趋势相同. 但是加入 e 的浓度为 4. 0 mg L - 1 时, 地上部和根部的干重和鲜重反而表 2 不同浓度 e 对 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜地上部和根部鲜重和干重的影响 Table 2 Effect of different concentrations of e on dry mass and fresh weight of shoots and roots in spinach under stress of 0 5 mg kg - 1 Cd 鲜重 / g 干重 / g CK ± b ± b ± b ± b Cd e ± ab ± b ± b ± b Cd e ± ab ± b ± b ± b Cd e ± a ± a ± a ± a Cd e ± ab ± b ± a ± a 注 : 代表地上部 ; 代表根部 ; 下同. 不同小写字母代表水平下的差异显著性 (p < 0. 05), 下同.

4 2 期郭锋等 : 硒对镉胁迫下菠菜生理特性元素含量及镉吸收转运的影响 527 降低, 有可能是较高浓度的 e 超过了对 Cd 的缓解作用, 对菠菜地上部和根部造成一定程度的伤害作用. 由上可知,0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下对菠菜幼苗施加外源 e 后,e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时促进了菠菜的生长, 对 Cd 的协同作用最佳. 不同浓度 e 对 2. 0 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜地上部及根部的鲜重干重的影响见表 3. 从表 3 可以看出, 单一 Cd(2. 0 mg kg - 1 ) 处理时, 菠菜地上部及根部的鲜重干重均低于相应的对照值, 说明 2. 0 mg kg - 1 Cd 对菠菜生长有一定的抑制作用, 但抑制作用不明显 ( p > 0. 05). 加入不同浓度外源 e 后, 随着 e 浓度的上升, 各复合处理情况下菠菜地上部和根部的鲜重和干重都比相应单一 Cd ( 2 0 mg kg - 1 ) 处理时的值和对照值高, 说明加入 e 后缓解了 2. 0 mg kg - 1 Cd 对菠菜生长的抑制作用, 且缓解作用随 e 浓度的上升而增强, 低浓度差异不显著, 当 e 浓度为 4. 0 mg L - 1 时, 菠菜地上部及根部的鲜重分别为对应单一 Cd 处理的 % 和 37 26%, 菠菜地上部及根部的干重分别比对应单一 Cd 处理增加了 g 和 g, 差异均达显著水平. 表 3 不同浓度 e 对 2. 0 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜地上部和根部鲜重和干重的影响 Table 3 Effect of different concentrations of e on dry mass and fresh weight of shoots and roots in spinach under stress of 2 0 mg kg - 1 Cd 鲜重 / g 干重 / g CK ± b ± b ± bc ± cd Cd e ± b ± b ± c ± d Cd e ± b ± b ± bc ± c Cd e ± b ± b ± b ± b Cd e ± a ± a ± a ± a 一些研究表明,Cd 对植物生长根的形态及其毒害的影响具有浓度剂量效应和因植物类型和品种而异, 多数呈现低促高抑现象 ( 高芳等,2011b; 刘金光等,2012), 从表 2 和表 3 可以看出, 在单一 Cd 胁迫情况下, 低浓度 Cd 对菠菜的生长有一定的促进作用, 但是随浓度的升高表现出一定的抑制作用. 不同浓度 e 与低浓度的 Cd(0. 5 mg kg - 1 ) 表现出一定的协同作用促进了菠菜的生长 ; 但是不同浓度 e 与较高浓度的 Cd(2. 0 mg kg - 1 ) 则表现出一定程度的拮抗作用, 可以有效地缓解 Cd 对菠菜生长的抑制作用, 该结果与陈平等 (2002) 的研究结果相似不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜叶绿素含量的影响叶绿素是植物进行光合作用的功能物质, 是反映植物叶片光合能力的一个重要指标, 当环境条件变化时, 叶绿素的变化可以在一定程度上反映环境因子对植物的影响, 植物叶绿体是较易积累镉的细胞器之一, 镉能抑制叶绿素的生物合成 ( 高芳等, 2011b). 不同浓度外源 e 对 Cd 胁迫下菠菜叶绿素含量的影响见图 2. 由图 2 可知, 与对照相比, 在不同浓度的 Cd 单一处理下, 菠菜叶绿素含量呈现出不同程度的降低趋势, 0. 5 mg kg - 1 的 Cd 处理情况下比对照减少了 mg g - 1, 差异不显著, 但是 2 0 mg kg - 1 的 Cd 处理情况下则比对照减少了 0 10 mg g - 1, 差异达显著水平, 说明高浓度的 Cd 对菠菜叶绿素的形成有明显的抑制作用. Fig. 2 图 2 不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜叶绿素含量的影响 Effect of different concentrations of e on chlorophyll content in spinach under stress of Cd 当在 0. 5 和 2. 0 mg kg - 1 两种浓度 Cd 处理情况下加入不同浓度的 e 时, 随 e 浓度的增加, 菠菜叶绿素含量呈现出不同的变化规律. 当 Cd 浓度为 0. 5 mg kg - 1 时, 只有 e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时菠菜叶绿素含量最大, 是对照的倍, 单一 Cd(0. 5 mg kg - 1 ) 胁迫下的倍, 差异均达显著水平, 其他添加 e 水平之间没有差异. 当加入高浓度的 e (4. 0 mg L - 1 ) 后菠菜叶绿素反而降低, 有可能是低浓度 Cd 胁迫情况下, 较高浓度 e 对菠菜产生了一定的毒害效应. 当 Cd 浓度为 2. 0 mg kg - 1 时, 随着加入 e 浓度的增加, 菠菜叶绿素含量逐渐升高, 各复合处理情况下叶绿素含量均高于对照和单一 Cd

5 528 环境科学学报 34 卷 (2. 0 mg kg - 1 ) 胁迫下的值, 尤其是当外源 e 浓度为 4. 0 mg L - 1, 叶绿素的含量达最大值, 显著高于各处理情况下的值. 由上可见较高浓度的外源 e 能有效缓解 Cd 对菠菜叶绿素的伤害, 有利于植株的生长, 该结论与前人的研究结论相同 ( 高芳等, 2011; Feng et al., 2013; 陈平等, 2002; Lin et al., 2012; 侯艳伟等,2008; 王立新等,2009). 缓解的机理可能是在 Cd 胁迫情况下, 植物的叶绿体细胞膜遭到破坏, 从而导致叶绿素含量的降低, 但是添加适当浓度的外源 e 后能够减少叶绿体的伤害, 使受损叶绿体超微结构得到重建, 类囊体和叶绿体基质结构得到重组, 同时外源 e 能够使细胞膜的酶活性重新活化, 恢复了对叶绿体有重要作用的代谢物的运输, 最终导致叶绿素的含量增加 ( Feng et al., 2013), 这也可能是 e 对 Cd 解毒的一个机理. 叶绿素是植物进行光合作用的功能物质, 叶绿素含量的增加能够有效的提高植物的光合能力, 使植物生物量增加, 从本研究可以看出不同浓度的外源 e 对单一浓度 Cd 胁迫下菠菜叶绿素的影响与地上部和根部鲜重和干重的影响趋势相似不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜超氧化物歧化酶 (OD) 活性的影响不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜 OD 活性的影响见图 3. 由图 3 可知, 低浓度的 Cd(0. 5 mg kg - 1 ) 可以提高菠菜 OD 的活性, 但差异不明显 ; 而高浓度 Cd(2. 0 mg kg - 1 ) 处理下则使菠菜中 OD 活性明显降低, 仅为对照的 91. 9%. 结果表明, 低浓度的 Cd(0. 5 mg kg - 1 ) 可刺激菠菜叶片中 OD 活性增加, 提高其消除体内氧自由基的能力, 并可能通过对 OD 活性的调节来影响 Cd 对菠菜生长的抑制或图 3 不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜 OD 活性的影响 Fig. 3 Effect of different concentrations of e on OD activities in spinach under stress of Cd 毒害, 但是较高浓度则明显抑制菠菜中 OD 的活性, 可能与不同的植物对 Cd 胁迫响应的机制不同有关. 在 0. 5 和 2. 0 mg kg - 1 Cd 与不同浓度 e 组合处理情况下, 菠菜的 OD 活性随 e 浓度的升高均呈先升高后降低的趋势, 但是各组合处理情况下 OD 活性均明显高于对应的单一 Cd 处理下的值, 其中外源 e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时最高, 分别比对应单一 Cd 处理下的值提高了 36. 0% 和 42. 8%, 但是当 e 浓度为 4. 0 mg L - 1 时,OD 活性却明显低于 2. 0 mg L - 1 时的值 (p < 0. 05), 说明高浓度的 e 对菠菜叶片产生一定的抑制作用, 但是却明显高于对照和单一 Cd 胁迫下的值, 可见施加不同浓度的外源 e 可有效的提高菠菜的 OD 活性, 减少 Cd 对菠菜造成的伤害. OD 作为一种重要的防御酶, 其活性的维持和提高是植物耐受 Cd 胁迫的物质基础之一. 研究结果表明, 菠菜通过增加 OD 活性来清除 Cd 胁迫产生的活性氧, 加入不同浓度外源 e 后, 其体内 OD 活性不断增加, 进一步减轻或缓解 Cd 胁迫产生的活性氧对菠菜生长的抑制或毒害, 一些研究者观察到植物在不同外界环境胁迫下, 外源 e 的加入能使 OD 活性升高 ( Feng et al.,2013; 陈平等,2002;Lin et al.,2012; 侯艳伟等,2008; 王立新等,2009), 硒可以通过酶促和非酶促系统两种机制产生抗氧化功能, 硒是谷胱甘肽过氧化物酶 ( GH Px) 的活性中心, 可以诱导 GH Px 活性, 也通过 GH Px 活性的变化而影响植株内整个保护酶系统 (Feng et al.,2013). 本研究结果表明,Cd 胁迫菠菜加入外源 e 后,OD 活性升高, 表明 e 能有效的保护由于 Cd 胁迫对菠菜造成的氧化损伤, 可以抑制 Cd 诱导自由基对菠菜植株的伤害, 亦是其缓解菠菜 Cd 毒害机制之一. 与 MDA 的变化趋势相比,OD 活性的变化呈现升高的趋势, 表明 e 的加入在有效保护细胞膜不受 Cd 胁迫伤害的同时又能提高抗氧化酶活性, 说明 e 对 Cd 胁迫下 MDA 的影响与对 OD 活性的影响有一定的相关性不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜中 K Na Ca 和 Mg 含量的影响植物中有的元素与一些有重要功能酶的关系密切, 如果这些元素缺乏, 有可能导致生物大分子构象改变和酶活性丧失, 干扰细胞的正常代谢过程. 表 4 为不同浓度 e 对 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜中 K Na Ca 和 Mg 含量的影响. 从表 4 可以看出,

6 2 期郭锋等 : 硒对镉胁迫下菠菜生理特性元素含量及镉吸收转运的影响 529 菠菜地上部 K Na Ca 和 Mg 含量分别高于根部,0. 5 mg kg - 1 Cd 单一胁迫下, 地上部 K Na Ca 和 Mg 含量均略低于其相应对照的值, 根部的 K Na Ca 和 Mg 含量均略高于其相应对照值, 但差异不明显, 此结论与李景梅 (2006) 的研究结论不尽相同, 可能是因为植株种类 Cd 处理时间和处理浓度不同而致. 从表 4 可以看出随着外源 e 浓度的增加, 地上部 4 种元素的含量大都呈增加趋势, 当 e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时,K Ca 和 Mg 3 种元素的含量达最大值, 与对照相比分别显著增加了 %,25. 92% 和 %, 比单一 Cd 胁迫下相应的值显著增加了 %,73. 68% 和 % ; 而 Na 在 e 浓度为 4. 0 mg L - 1 时为最高, 与对照和单一 Cd 胁迫下的值相比增加了 % 和 %, 但差异不显著. 随着 e 的加入,4 种元素的变化趋势不同 : 随着 e 浓度的增加根部 K 含量逐渐增加, 但是只有在 e 浓度为 4. 0 mg L - 1 时 K 含量才大于对照仍低于单一 Cd 胁迫下的值, 差异不明显 ; 不同浓度 e 的加入, 使根部 Na 含量低于单一 Cd 胁迫下的值, 略高于对照的值, 但是影响不明显 ; 随着 e 浓度的增加, 根部 Ca 含量呈现增加降低增加的趋势, 在 e 浓度为 4. 0 mg L - 1 时 Ca 含量最大, 显著高于对照值 ; 而 Mg 含量的变化则与 Ca 相反, 呈现降低增加降低的趋势, 在 e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时 Mg 含量最大, 显著高于对照值. 表 4 不同浓度 e 对 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜中 K Na Ca 和 Mg 含量的影响 Table 4 Effect of different concentrations of e on K, Na, Ca and Mg content in spinach under stress of 0. 5 mg kg - 1 Cd mg g - 1 K Na Ca Mg CK ± b ± a ± ab ± a ± ab ± b ± a ± 0 b Cd e ± b ± a ± ab ± a ± b ± ab ± a ± ab Cd e ± b ± a ± b ± a ± ab ± ab ± a ± ab Cd e ± a ± a ± ab ± a ± a ± ab ± a ± a Cd e ± ab ± a ± a ± a ± ab ± a ± a ± ab 表 5 不同浓度 e 对 2. 0 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜中 K Na Ca 和 Mg 含量的影响 Table 5 Effect of different concentrations of e on K, Na, Ca and Mg content in spinach under stress of 2. 0 mg kg - 1 Cd mg g - 1 K Na Ca Mg CK ± b ± cd ± a ± b ± ab ± a ± 0. 01a ± 0 a Cd e ± c ± bc ± a ± a ± abc ± a ± 0. 03a ± ab Cd e ± ab ± d ± a ± a ± c ± a ± 0. 01a ± ab Cd e ± a ± b ± a ± a ± a ± a ± 0. 04a ± a Cd e ± ab ± a ± a ± ab ± bc ± a ± 0. 04a ± ab 不同浓度 e 对 2. 0 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜 K Na Ca 和 Mg 含量的影响如表 5 所示. 从表 5 可以看出, 较高浓度的单一 Cd 胁迫下, 地上部 4 种元素的含量低于对照, 只有 K 含量显著低于对照, 其它 3 种元素与对照相比差异不明显 ; 而根部 4 种元素的含量均高于对照, 但差异不明显. 当加入不同浓度的 e 后, 菠菜地上部 K Na Ca 和 Mg 含量随着 e 浓度的升高呈现出先升高后降低的趋势, 其中 K Na 和 Mg 含量高于单一 Cd 胁迫下的值,Ca 含量只有在 e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时显著大于单一 Cd 胁迫下的值, 是其倍, 而且其余 3 种元素的含量也是在 e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时含量达最大值, 分别是对照的和倍, 单一 Cd 胁迫下的和倍. 菠菜根部 K 的含量随着 e 浓度的升高显著增加,Na Ca 和 Mg 的含量变化不明显. 研究结果表明, 不同浓度的 e 能有效的促进 Cd 胁迫下菠菜地上部及根部的 K Na Ca 和 Mg 积累. 一些研究表明,e 使较高浓度 Cd 胁迫下水稻幼苗叶片 Ca Mg Fe Mn 含量高于单一 Cd 处理,e 与 Cd 的互作效应影响叶片 Ca Mg 等元素含量, 在生理浓度范围内,e 总体上可促进植物对 P K Ca Mg Fe Mn Cu Zn 等元素的吸收 ( 陈平等,2006; 2002), 本研究结果也证明了这一结论不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜 Cd 含量的影响从图 4 可以看出, 菠菜地上部和根部对 Cd 的吸收均随外源 Cd 含量增大而显著升高, 尤其高浓度 Cd 胁迫下地上部和根部中 Cd 含量显著高于对

7 530 环境科学学报 34 卷照, 这与 Cd 胁迫下别的植物中 Cd 含量的影响相同 (Lin et al.,2012; 孙约兵等,2009) mg kg - 1 Cd 胁迫下, 菠菜地上部对 Cd 吸收量随外源 e 含量的增大先降低后升高, 但均低于单一胁迫下 Cd 的含量, 除 e 浓度为 2. 0 mg L - 1 时菠菜地上部对 Cd 吸收量与单一 Cd 胁迫下的值相比差异显著外, 其余 e 浓度处理下与单一 Cd 胁迫下的值相比差异不显著 ; 而根部对 Cd 的吸收量则随外源 e 含量增大而明显降低, 说明在低浓度 Cd 胁迫下, 较高浓度的外源 e 能有效抑制菠菜地上部对 Cd 的吸收, 对根部的影响不明显. 图 4 e 对 Cd 胁迫下菠菜地上部和根部 Cd 含量的影响 Fig. 4 Effect of different concentrations of e on Cd content in spinach under stress of Cd 2. 0 mg kg - 1 Cd 胁迫下, 菠菜地上部对 Cd 的吸收量随外源 e 含量的增大降低明显, 而根部 Cd 的吸收量则随外源 e 含量增大先升高而后显著下降, 不同浓度 e 与 2. 0 mg kg - 1 Cd 复合处理情况下菠菜地上部和根部对 Cd 的吸收量显著低于单一 Cd 处理下的值, 表明在较高浓度 Cd 胁迫下, 外源 e 能有效的抑制菠菜地上部和根部对 Cd 的吸收. 一些研究表明, 外源 e 能明显降低植物对 Cd 的吸收 (Feng et al.,2013;lin et al.,2012), 本研究的结论也证明了这一点,e 对 Cd 的解毒机理可能与抑制菠菜根部对 Cd 吸收和向地上部的转移或者与在 e 的作用下 Cd 转化成非毒物质有关不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜对 Cd 富集转运能力的影响为了更好地比较不同浓度 e 对 Cd 胁迫下菠菜对 Cd 的吸收转运和累积特性的影响, 本文引入富集系数和转移系数来表征 Cd 在菠菜体内的分布特征. 其中, 富集系数指菠菜体内 ( 地上部和根部 ) Cd 含量与外源 Cd 在土壤中的含量比值, 反映菠菜对 Cd 元素的吸收富集能力 ; 转移系数为菠菜地上部 Cd 含量与其根部含量的比值, 反映了菠菜根部吸收 Cd 后转运到地上部的能力 ( 段曼莉等,2011). 从表 6 可以看出, 在 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫情况下, 低浓度 e 的加入使菠菜地上部和根部的富集系数增加, 但是高浓度的 e 则使富集系数显著降低, 表明高浓度的 e 能有效抑制菠菜地上部和根部对 Cd 的吸收, 其中 e 的浓度为 2. 0 mg L - 1 时作用最显著. 但是不同浓度 e 对菠菜根部向地上部转移 Cd 的影响不同, 较低浓度能使转移系数降低, 但是高浓度的 e 则使菠菜的转移系数明显升高, 说明较低浓度能有效抑制 Cd 从菠菜根部向地上部的转移, 尤其是当 e 的浓度为 2. 0 mg L - 1 时转移系数最小, 表明 2. 0 mg L - 1 e 对 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜对 Cd 的吸收有较好的抑制作用. 在 2. 0 mg kg - 1 Cd 胁迫情况下 ( 表 7), 随着 e 浓度的增加, 菠菜富集系数和转移系数显著降低, 其中当 e 的浓度为 4. 0 mg L - 1 时富集系数和转移系数最小, 表明 4. 0 mg L - 1 e 能有效的抑制 2. 0 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜对 Cd 的吸收. 表 6 不同浓度 e 对 0. 5 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜地上及根部 Cd 富集系数和转移系数的影响 Table 6 Effect of different concentrations of e on bioaccumulation and translocation factor in spinach under stress of 0. 5 mg kg - 1 Cd 富集系数转移系数 Cd e ± a ± b ± b Cd e ± a ± a ± c Cd e ± c ± c ± d Cd e ± b ± c ± a 表 7 不同浓度 e 对 2. 0 mg kg - 1 Cd 胁迫下菠菜地上及根部 Cd 富集系数和转移系数的影响 Table 7 Effect of different concentrations of e on bioaccumulation and translocation factor in spinach under stress of 2. 0 mg kg - 1 Cd 富集系数转移系数 Cd e ± a ± 0 a ± a Cd e ± b ± b ± a Cd e ± 0 b ± b ± b Cd e ± c ± c ± c 4 结论 (Conclusions) 1)Cd 胁迫可以对菠菜产生一定程度的毒害作

8 2 期郭锋等 : 硒对镉胁迫下菠菜生理特性元素含量及镉吸收转运的影响 531 用, 浓度越高, 毒害作用越明显. 2) 不同浓度的 e 可以有效缓解 Cd 胁迫对菠菜造成的毒害, 与单一 Cd 胁迫相比, 外源 e 可以促进菠菜地上部和根部的生长, 增加菠菜叶绿素的含量, 减少膜脂过氧化作用, 提高菠菜中 OD 活性, 减少活性氧的伤害, 同时也降低了菠菜地上部和根部对 Cd 的吸收和转运. 3) 加入一定浓度的 e 后,Cd 对菠菜的毒性作用得到不同程度的缓解, 但是并不是 e 浓度越高缓解作用越好, 只有在适宜浓度范围内才能起到最佳的缓解效果. 责任作者简介 : 郭锋, 女, 硕士, 讲师, 主要从事土壤重金属污染评价及修复研究. 主持和参加省级科研项目 5 项, 发表论文十余篇. 参考文献 (eferences): Achakzai A K K, Bazai Z A Phytoaccumulation of heavy metals in spinach ( pinacea oleraceac L. ) irrigated with wastewater of Quetta City) [ J]. Journal of Chemical ociety, 28: 陈平, 吴秀峰, 张伟峰, 等硒对镉胁迫下水稻幼苗叶片元素含量的影响 [J]. 中国生态农业学报, 14(3): 陈平, 余土元, 陈惠阳, 等硒对镉胁迫下水稻幼苗生长及生理特性的影响 [J]. 广西植物, 22(3): Chunilall V, Kindness A, Jonnalagadda B Heavy metal uptake by spinach leaves grown on contaminated soils with lead, mercury, cadmium, and nickel [ J]. Journal of Environmental cience and Health Part B, 39: 段曼莉, 付冬冬, 王松, 等亚硒酸盐对四种蔬菜生长吸收及转运硒的影响 [J]. 环境科学学报, 31(3): 高芳, 张佳蕾, 杨传婷, 等. 2011a. 钙对镉胁迫下花生生理特性产量和品质的影响 [J]. 应用生态学报, 22(11): 高芳, 林英杰, 张佳蕾, 等. 2011b. 镉胁迫对花生生理特性产量和品质的影响 [J]. 作物学报, 37(12): 侯艳伟, 王琼, 周茂钟 Cd 单一及 Cd 和 e 复合污染对玉米幼苗生理特性的影响 [J]. 华侨大学学报 ( 自然科学版 ), 29(3): 李合生植物生理生化实验原理和技术 [ M]. 北京 : 高等教育出版社李景梅菠菜镉积累及毒害生理机制研究 [ D]. 长春 : 长春理工大学 Lin L, Zhou W H, Dai H X, et al elenium reduces cadmium uptake and mitigates cadmium toxicity in rice [ J ]. Journal of Hazardous Materials, ; 刘金光, 张玉秀, 史沛丽, 等镉对龙葵种子萌发及子叶抗氧化酶活性的影响 [J]. 农业环境科学学报, 31 (5): Feng W, Wei C Y, Tu X The roles of selenium in protecting plants against abiotic stresses[ J]. Environmental and Experimental Botany, 87:58 68 宋阿琳, 李萍, 李兆君, 等镉胁迫下两种不同小白菜的生长镉吸收及其亚细胞分布特征 [J]. 环境化学, 30(6): 孙约兵, 周启星, 王林, 等三叶鬼针草幼苗对镉污染的耐性及其吸收积累特征研究 [J]. 环境科学, 30(10): 王立新, 郁建锋, 张海芸, 等硒对镉胁迫下豌豆幼苗生长发育的影响 [J]. 安徽农业科学, 37(24): 张媛媛重金属镉对黄瓜幼苗生理特性的影响及嫁接缓解镉毒害的生理机制研究 [D]. 武汉 : 华中农业大学中国环境监测总站 GB / T17141 土壤质量铅镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法 []. 北京 : 国家环境保护局

< F63756D656E D2D796E2DB9A4D7F72D31C6DABFAF2D31D6D0D2BDD2A9CFD6B4FABBAF2D C4EA2DB5DA31C6DA2D30302DB7E2C3E6CDC6BDE9A3A D31A3A92E6D6469>

< F63756D656E D2D796E2DB9A4D7F72D31C6DABFAF2D31D6D0D2BDD2A9CFD6B4FABBAF2D C4EA2DB5DA31C6DA2D30302DB7E2C3E6CDC6BDE9A3A D31A3A92E6D6469> 绎阴元元 / 100102 MCAT MCAO 84~333 mg kg -1 167 333 mg kg -1 MCAT 84 167 mg kg -1 MCAT 27% 37% 84~333 mg kg -1 MCAT 21%~ 32% MCAO LDH 10%~ 12% MDA 28%~38% SOD 15%~36% GSH 14%~36% doi: 10.3969/j.issn.1674-3849.2013.01.016