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摘要[目的] 为了研究不同浓度的Cd2+胁迫对油菜种子的发芽、生长、叶绿素含量以及超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量等生理生化特性的影响。[方法]以3个油菜品种四月慢、100金牌华冠、日本花冠为供试材料，采用砂培法。[结果] Cd2+胁迫对油菜的发芽情况、株高、鲜重、SOD活性、POD活性、MDA含量的影响均为极显著（P<0.01）；低浓度的Cd2+胁迫对油菜的生长有刺激作用，可以提高发芽率和发芽势、株高、鲜重，高浓度的Cd2+胁迫对油菜的生长有抑制作用；当Cd2+浓度为0002/L水平时，油菜种子发芽率、植株的株高、鲜重、叶绿素含量达到最高值，差异达到极显著（P<0.01）；且在3个品种中，100金牌华冠的相应值最高，显著高于另外2个品种（P<0.05）；低浓度的Cd2+胁迫对油菜有刺激作用，可以促进SOD活性、POD活性、MDA含量的提高，高浓度的Cd2+胁迫对油菜的生长有抑制作用；当Cd2+浓度为0.01 mg/L时，油菜SOD活性、POD活性达到最高值，当Cd2+浓度为0.02 mg/L时，Cd2+对植物的伤害已超出保护性酶对植物调节和保护作用的能力；在3个品种中100金牌华冠的对应值最高，也与四月慢和日本花冠2个品种呈显著差异（P<0.05）；当Cd2+浓度为0.005 mg/L水平时，油菜MDA含量达到最高值，呈极显著差异（P<001），表明加重了植物体脂质过氧化的程度和细胞损伤的程度。[结论] 该研究可以为我国煤矿集中地区农田土壤镉污染的治理以及农产品的安全保障提供科学依据。
关键词油菜；镉胁迫；生理生化特性
中图分类号S634.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）09-02544-04
基金项目山西省科技攻关项目（20110311009）。
作者简介苑丽霞（1979-），女，山西武乡人，讲师，从事植物生理生化与基因工程方面的研究。*通讯作者，研究员，博士，从事植物生化与基因工程方面的研究。
镉（Cd）是对人体和植物有毒害作用的重金属元素之一。在自然界中，镉多以化合态存在，常与锌、铅等共生。自20世纪初以来，镉的产量逐年增加。随着采矿业的发展，相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，农田土壤Cd污染日趋严重[1]。Cd污染问题已成为威胁土壤生态安全和制约农业可持续发展的重要因素。植物体内富集镉，通过食物链进入人体，引起慢性中毒。不同植物种对镉吸收和积累存在差异。不同植物种对镉具有不同的生理生化反应[2-3]。油菜作为一种主要的蔬菜被广泛种植。近来有关对水稻[4-5]、小麦[6]、 大豆[7]、玉米[8-9]、拟南芥[10]、小白菜[11]、烟草[12]等在镉胁迫下的生理生化反应已有了文献报道，但对于镉胁迫下油菜生长发育中生理生化特性的系统研究还很少。笔者采用室外盆栽试验，对镉胁迫下油菜整个生长发育中生理生化变化过程进行初步研究，旨在筛选油菜镉污染胁迫的诊断指标，并且进一步探讨油菜受镉污染的预警机制，以期为我国煤矿集中地区农田土壤镉污染的治理以及农产品的安全保障提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验材料选用3个油菜品种，分别为四月慢、100金牌华冠和日本花冠小油菜，由山西农业科学院提供。
1.2试验方法选取籽粒饱满、大小一致、无病虫害的油菜种子，用浓度0.1% KMnO4消毒15 min，并且用蒸馏水洗净，晾干后摆放到平铺3 层滤纸的培养皿中（所用培养皿、滤纸要提前高压蒸气灭菌），每皿50粒。各皿分别加入浓度为 0（CK）、0.001、0.002、0.005、0.010、0.020 mg/L 的Cd2+溶液10 ml，以种子湿润为宜，在（25±1）℃、普通光照条件下培养，以蒸馏水作对照，设3次重复。每天定时观察，种子的胚芽出现则认为萌发，连续6 d观察、记录其发芽情况，直至蒸馏水对照的发芽率不再变化为止。
1.3测定方法待油菜幼苗第2片真叶全部展开7 d后（播种后第27天），每隔7 d取油菜植株顶端全部展开的第3叶片测定生理生化指标，直至油菜成熟。同时，测定油菜整株生物量（鲜重）和油菜植株茎基部至顶芽的高度表示植株高度。
超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）法[14]，用南京建成生物工程研究所的SOD试剂盒测定，利用紫外分光光度计在560 nm波长下测定吸光度，以每毫升反应液SOD抑制率达到50%时所对应的SOD量为一个SOD活力单位，单位用U/g表示； 过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚显色法[15]， 利用紫外分光光度计在470 nm波长下比色，酶活性以每分钟内吸光度A470变化0. 01为一个酶活性单位，单位用U/（min·g）表示；丙二醛（MDA）含量的测定采用TBA （硫代巴比妥酸）法[14]测定，利用紫外分光光度计在532、600、450 nm下测定吸光度值，单位为μmol/g；叶绿素含量测定用浓度95% 酒精浸提研磨叶片，分光光度计（SPECORDS600）比色测定，计算总叶绿素含量，单位为mg/g[7]。
将培养皿放在人工气候箱中，昼/夜温度为28℃/25℃，湿度60%，光照强度为134 μmol/（m2·s），以胚根长0.2 mm作为种子发芽标志，在第2～7天统计发芽种子数，第7天收获，并从每个培养皿中取有代表性的5株，测量其根长、芽苗长、芽苗鲜重、根鲜重，并且计算平均值。将收获的芽苗在液氮中速冻后保存在-80 ℃冰箱中备用。
1.4数据处理利用软件DPS进行统计分析。试验数据用平均值+标准差表示。区组间数据差异进行t检验。利用Excel进行数据处理与作图。
2结果与分析
2.1镉胁迫对油菜种子萌发的影响由表1可知，在Cd2+胁迫下，3个品种的油菜种子受到刺激作用，促进油菜种子的萌发。发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均随着Cd2+浓度的升高均呈上升趋势。与对照相比，当Cd2+浓度达到0002 mg/L时，发芽率达到最高值，并且与对照有005水平显著差异。而后随着Cd2+浓度的提高转而抑制发芽，方差分析表现为差异在001水平显著。同时，3个品种油菜种子的发芽情况对Cd2+胁迫的耐受能力相当，不存在差异。 MDA含量可反映机体脂质过氧化的程度，间接地反映细胞损伤程度。该研究表明，油菜叶片MDA含量随着Cd2+胁迫浓度的提高而急剧增加，外源Cd2+胁迫浓度为0005 mg/L水平时达到最大值，随后MDA含量随着外源Cd2+胁迫浓度的增加而下降。油菜MDA含量受到抑制的Cd2+浓度为0.01 mg/L，远低于SOD、POD活性开始受到抑制的浓度0.02 mg/L，说明油菜MDA含量对Cd2+的敏感性高于油菜SOD、POD活性对Cd2+的敏感性。由此可知，油菜MDA含量的抑制程度对土壤Cd2+污染程度具有一定的指示作用。
参考文献
[1] CHEN H M，ZHENG C R，WANG S Q，et al.Combined pollution and pollution index of heavy metals in red soil[J].Pedosphere，2000，10：117-124.
[2] SANITA D，TOPPI L，GABBRIELLI R.Response to cadmium in higher plants [J].Environmental and Experimental Botany，1999，41：105-130.
[3] 曹会聪，王金达，任慧敏，等.土壤镉暴露对玉米和大豆的生态毒性评估[J].环境科学学报，2007，27（2）：298-303.
[4] 张杰，黄永杰，刘雪云.镧对镉胁迫下水稻幼苗生长及生理特性的影响[J].生态环境，2007，16（3）：835-841.
[5] 章秀福，王丹英，储开富.镉胁迫下水稻SOD活性和MDA含量的变化及其基因型差异[J].中国水稻科学，2006，20（2）：194-198.
[6] 张玲，李俊梅，王焕校.镉胁迫下小麦根系的生理生态变化[J].土壤通报，2002，33（1）：61-65.
[7] QIANG W Y，YANG H，CHEN T，et al.Effect of combination of cadmium and UV2B radiation on soybean growth[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2004，15（4）：697-700.
[8] 惠俊爱，党志，叶庆生.镉胁迫对玉米光合特性的影响[J].农业环境科学学报，2010，29（2）：205-210.
[9] 汪洪，赵士诚，夏文建，等.不同浓度镉胁迫对玉米幼苗光合作用、脂质过氧化和抗氧化酶活性的影响[J].植物营养与肥料学报，2008，14（1）：36-42.
[10] 孙秀梅，张纪秀，张海军.镉胁迫对拟南芥中氨基酸及其衍生物的影响[J].环境化学，2010，29（1）：25-28.
[11] 关昕昕，严重玲，刘景春.钙对镉胁迫下小白菜生理特性的影响[J].厦门大学学报：自然科学版，2011，50（1）：132-137.
[12] 赵秀兰，刘晓.不同品种烟草生长和镉及营养元素吸收对镉胁迫响应的差异[J].水土保持学报，2009，23（1）：117-121.
[13] 郑光华.种子活力的原理及其应用[C]∥植物生理生化进展.北京：科学出版社，1986：154.
[14] 邹琦.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业出版社，2000.
[15] 张立军，樊金娟.植物生理学实验指程[M].北京：中国农业大学出版社，2007.
[16] 王家利，刘冬成，郭小丽，等.生长素合成途径的研究进展[J].植物学报，2012，47（3）：292-301.
[17] 吕剑，喻景权.植物生长素的作用机制[J].植物生理学通讯，2004，40（5）：624-628.
[18] 陈翠芳，钟继洪，李淑仪.施硅对抑制植物吸收重金属镉的效应研究进展[J].生态学杂志，2007，26（4）：567-570.
[19] 蔡葛平，郭燕红，姚辉，等.矮壮素和赤霉素对黄芩生物量及根中黄酮类成分产量的影响[J].中国农学通报，2008，24（ 7）：213-215.
[20] SANITARIA TOPPI L，GABBRIELLI R.Response to cadmium in higher plants[J].Environment and Experimental Botany，1999，41（2）：105-130.
[21] ZHANG J B，HUANG W N.Advances on physiological and ecological effects of cadmium on plants[J].Acta Ecologic Sonica，2000，20（3）：514-523.
[22] LIANG P，ARTHUR B P.Differential display of eukaryoticm essenger RNA bymeans of the polymerase chain reaction [J].Science，1992，25：967-971.
关键词油菜；镉胁迫；生理生化特性
中图分类号S634.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）09-02544-04
基金项目山西省科技攻关项目（20110311009）。
作者简介苑丽霞（1979-），女，山西武乡人，讲师，从事植物生理生化与基因工程方面的研究。*通讯作者，研究员，博士，从事植物生化与基因工程方面的研究。
镉（Cd）是对人体和植物有毒害作用的重金属元素之一。在自然界中，镉多以化合态存在，常与锌、铅等共生。自20世纪初以来，镉的产量逐年增加。随着采矿业的发展，相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，农田土壤Cd污染日趋严重[1]。Cd污染问题已成为威胁土壤生态安全和制约农业可持续发展的重要因素。植物体内富集镉，通过食物链进入人体，引起慢性中毒。不同植物种对镉吸收和积累存在差异。不同植物种对镉具有不同的生理生化反应[2-3]。油菜作为一种主要的蔬菜被广泛种植。近来有关对水稻[4-5]、小麦[6]、 大豆[7]、玉米[8-9]、拟南芥[10]、小白菜[11]、烟草[12]等在镉胁迫下的生理生化反应已有了文献报道，但对于镉胁迫下油菜生长发育中生理生化特性的系统研究还很少。笔者采用室外盆栽试验，对镉胁迫下油菜整个生长发育中生理生化变化过程进行初步研究，旨在筛选油菜镉污染胁迫的诊断指标，并且进一步探讨油菜受镉污染的预警机制，以期为我国煤矿集中地区农田土壤镉污染的治理以及农产品的安全保障提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验材料选用3个油菜品种，分别为四月慢、100金牌华冠和日本花冠小油菜，由山西农业科学院提供。
1.2试验方法选取籽粒饱满、大小一致、无病虫害的油菜种子，用浓度0.1% KMnO4消毒15 min，并且用蒸馏水洗净，晾干后摆放到平铺3 层滤纸的培养皿中（所用培养皿、滤纸要提前高压蒸气灭菌），每皿50粒。各皿分别加入浓度为 0（CK）、0.001、0.002、0.005、0.010、0.020 mg/L 的Cd2+溶液10 ml，以种子湿润为宜，在（25±1）℃、普通光照条件下培养，以蒸馏水作对照，设3次重复。每天定时观察，种子的胚芽出现则认为萌发，连续6 d观察、记录其发芽情况，直至蒸馏水对照的发芽率不再变化为止。
1.3测定方法待油菜幼苗第2片真叶全部展开7 d后（播种后第27天），每隔7 d取油菜植株顶端全部展开的第3叶片测定生理生化指标，直至油菜成熟。同时，测定油菜整株生物量（鲜重）和油菜植株茎基部至顶芽的高度表示植株高度。
超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）法[14]，用南京建成生物工程研究所的SOD试剂盒测定，利用紫外分光光度计在560 nm波长下测定吸光度，以每毫升反应液SOD抑制率达到50%时所对应的SOD量为一个SOD活力单位，单位用U/g表示； 过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚显色法[15]， 利用紫外分光光度计在470 nm波长下比色，酶活性以每分钟内吸光度A470变化0. 01为一个酶活性单位，单位用U/（min·g）表示；丙二醛（MDA）含量的测定采用TBA （硫代巴比妥酸）法[14]测定，利用紫外分光光度计在532、600、450 nm下测定吸光度值，单位为μmol/g；叶绿素含量测定用浓度95% 酒精浸提研磨叶片，分光光度计（SPECORDS600）比色测定，计算总叶绿素含量，单位为mg/g[7]。
将培养皿放在人工气候箱中，昼/夜温度为28℃/25℃，湿度60%，光照强度为134 μmol/（m2·s），以胚根长0.2 mm作为种子发芽标志，在第2～7天统计发芽种子数，第7天收获，并从每个培养皿中取有代表性的5株，测量其根长、芽苗长、芽苗鲜重、根鲜重，并且计算平均值。将收获的芽苗在液氮中速冻后保存在-80 ℃冰箱中备用。
1.4数据处理利用软件DPS进行统计分析。试验数据用平均值+标准差表示。区组间数据差异进行t检验。利用Excel进行数据处理与作图。
2结果与分析
2.1镉胁迫对油菜种子萌发的影响由表1可知，在Cd2+胁迫下，3个品种的油菜种子受到刺激作用，促进油菜种子的萌发。发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均随着Cd2+浓度的升高均呈上升趋势。与对照相比，当Cd2+浓度达到0002 mg/L时，发芽率达到最高值，并且与对照有005水平显著差异。而后随着Cd2+浓度的提高转而抑制发芽，方差分析表现为差异在001水平显著。同时，3个品种油菜种子的发芽情况对Cd2+胁迫的耐受能力相当，不存在差异。 MDA含量可反映机体脂质过氧化的程度，间接地反映细胞损伤程度。该研究表明，油菜叶片MDA含量随着Cd2+胁迫浓度的提高而急剧增加，外源Cd2+胁迫浓度为0005 mg/L水平时达到最大值，随后MDA含量随着外源Cd2+胁迫浓度的增加而下降。油菜MDA含量受到抑制的Cd2+浓度为0.01 mg/L，远低于SOD、POD活性开始受到抑制的浓度0.02 mg/L，说明油菜MDA含量对Cd2+的敏感性高于油菜SOD、POD活性对Cd2+的敏感性。由此可知，油菜MDA含量的抑制程度对土壤Cd2+污染程度具有一定的指示作用。
参考文献
[1] CHEN H M，ZHENG C R，WANG S Q，et al.Combined pollution and pollution index of heavy metals in red soil[J].Pedosphere，2000，10：117-124.
[2] SANITA D，TOPPI L，GABBRIELLI R.Response to cadmium in higher plants [J].Environmental and Experimental Botany，1999，41：105-130.
[3] 曹会聪，王金达，任慧敏，等.土壤镉暴露对玉米和大豆的生态毒性评估[J].环境科学学报，2007，27（2）：298-303.
[4] 张杰，黄永杰，刘雪云.镧对镉胁迫下水稻幼苗生长及生理特性的影响[J].生态环境，2007，16（3）：835-841.
[5] 章秀福，王丹英，储开富.镉胁迫下水稻SOD活性和MDA含量的变化及其基因型差异[J].中国水稻科学，2006，20（2）：194-198.
[6] 张玲，李俊梅，王焕校.镉胁迫下小麦根系的生理生态变化[J].土壤通报，2002，33（1）：61-65.
[7] QIANG W Y，YANG H，CHEN T，et al.Effect of combination of cadmium and UV2B radiation on soybean growth[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2004，15（4）：697-700.
[8] 惠俊爱，党志，叶庆生.镉胁迫对玉米光合特性的影响[J].农业环境科学学报，2010，29（2）：205-210.
[9] 汪洪，赵士诚，夏文建，等.不同浓度镉胁迫对玉米幼苗光合作用、脂质过氧化和抗氧化酶活性的影响[J].植物营养与肥料学报，2008，14（1）：36-42.
[10] 孙秀梅，张纪秀，张海军.镉胁迫对拟南芥中氨基酸及其衍生物的影响[J].环境化学，2010，29（1）：25-28.
[11] 关昕昕，严重玲，刘景春.钙对镉胁迫下小白菜生理特性的影响[J].厦门大学学报：自然科学版，2011，50（1）：132-137.
[12] 赵秀兰，刘晓.不同品种烟草生长和镉及营养元素吸收对镉胁迫响应的差异[J].水土保持学报，2009，23（1）：117-121.
[13] 郑光华.种子活力的原理及其应用[C]∥植物生理生化进展.北京：科学出版社，1986：154.
[14] 邹琦.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业出版社，2000.
[15] 张立军，樊金娟.植物生理学实验指程[M].北京：中国农业大学出版社，2007.
[16] 王家利，刘冬成，郭小丽，等.生长素合成途径的研究进展[J].植物学报，2012，47（3）：292-301.
[17] 吕剑，喻景权.植物生长素的作用机制[J].植物生理学通讯，2004，40（5）：624-628.
[18] 陈翠芳，钟继洪，李淑仪.施硅对抑制植物吸收重金属镉的效应研究进展[J].生态学杂志，2007，26（4）：567-570.
[19] 蔡葛平，郭燕红，姚辉，等.矮壮素和赤霉素对黄芩生物量及根中黄酮类成分产量的影响[J].中国农学通报，2008，24（ 7）：213-215.
[20] SANITARIA TOPPI L，GABBRIELLI R.Response to cadmium in higher plants[J].Environment and Experimental Botany，1999，41（2）：105-130.
[21] ZHANG J B，HUANG W N.Advances on physiological and ecological effects of cadmium on plants[J].Acta Ecologic Sonica，2000，20（3）：514-523.
[22] LIANG P，ARTHUR B P.Differential display of eukaryoticm essenger RNA bymeans of the polymerase chain reaction [J].Science，1992，25：967-971.