全 文 ：收稿日期:2009-05-04
基金项目:贵州省科技厅成果推广计划(200880);贵州省农业厅动植物育种专项项目(2007003);贵州省自然科学基金(20072058)
作者简介:何俊瑜(1975-),男 ,山西河曲人 ,副教授 ,博士 ,主要从事环境生理生态方面的研究。
镉对小麦种子萌发 、幼苗生长及抗氧化酶活性的影响
何俊瑜 ,任艳芳 ,任明见 ,王阳阳
(贵州大学 农学院,贵州 贵阳　550025)
　　摘要:为了防止重金属毒害的发生和在环境监测中对重金属的评价 , 以小麦为试验对象 , 采用室内培养方法 , 研
究了不同浓度镉胁迫对小麦种子萌发和幼苗生长 、丙二醛及抗氧化酶系统的影响 , 结果表明 ,较低浓度镉胁迫对种子
发芽率 、发芽势 、芽生长的抑制效应较小。随着镉胁迫浓度的提高 ,发芽指数 、活力指数及根生长明显受抑制 , 且镉胁
迫浓度越大 ,抑制作用越大。随着镉浓度的增加 , 幼苗根 、芽中的 MDA含量 、G-POD明显增加 , SOD活性呈现先增加后
降低的趋势 ,其中根的 SOD活性在 1 000 μmol/L Cd 胁迫下略低于对照 , 而 CAT、APX活性总体呈下降趋势 ,且浓度越
高下降幅度越大 ,表明遭受了氧化胁迫和膜脂过氧化损伤 ,这可能是镉胁迫下小麦幼苗根生长受阻的重要原因。
关键词:镉;小麦;萌发;幼苗生长;抗氧化酶
中图分类号:S143.7　　文献标识码:A　　文章编号:1000-7091(2009)05-0135-05
Effect of Cadmium Stress on Seed Germination ,Seedling Growth
and the Activities of Antioxidant Enzymes of Wheat
HE Jun-yu ,REN Yan-fang ,REN Ming-jian ,WANG Yang-yang
(College of Agronomy ,Guizhou University ,Guiyang　550025 ,China)
Abstract:Cadmium(Cd)was a highly toxic and persistent environmental poison , its increasing level in soil environ-
ment exerted a wild range of adverse effects on plants and even the healthy of human beings by food chains.In the study ,
the effects of Cd at different concentrations on wheat seeds germination , seedlings growth and the activities of antioxidant
enzymes were studied.The results showed the germination percentage , germination potential and shoot growth were not sig-
nificantly inhibited by cadmium , especially at low Cd concentrations.However , germination index , vigor index , root growth
were restrained evidently with the increase of Cd stress.The content of MDA and activities of G-POD in root and shoot in-
creased significantly with the increasing of Cd concentration.The activities of SOD first increased and then decreased as
the Cd concentration increased and it was slight lower than that of control in root under 1 000μmol/L Cd stress.Howev-
er , the activities of CAT and APX were decreased with concentration-dependent manner , ie , the higher concentration of
cadmium , the greater changes the enzyme activities , suggesting oxidative damage and membrane lipid peroxidation oc-
curred in seedlings , and it might be the important reason for the growth inhibition of roots subjected to cadmium stress.
Key words:Cd stress;Wheat;Germination;Seedling growth;Antioxidant enzymes
　　重金属污染是当今污染面积最广 、危害最大的
环境问题之一 ,我国受重金属污染的耕地面积近
2 000万 hm2 ,约占总耕地面积的1/5。由于重金属污
染毒理机制和生物效应的复杂性 ,重金属污染问题
一直是国内外的研究热点[ 1] 。其中镉(Cd)由于其
高移动性和高毒害性尤为人们所关注[ 2] ,已被公认
为是对人类最具威胁的主要有毒重金属之一 。据不
完全统计 ,我国受Cd污染的农田面积达到 2.8×105
hm2。每年生产 Cd 含量超标农产品 1.46×1010 kg ,
严重危害着农业生态环境和人民的生活质量[ 1-4] 。
土壤一旦遭受重金属镉污染 ,就会不断积累 ,不易治
理恢复。然而矿产资源大量开发利用 、污泥农用 、污
灌等工农业生产及城市的迅猛发展 ,使得越来越多
的Cd进入农作物生产系统[ 1] 。当 Cd在环境中含
量达到或超过伤害阈值时 ,可引起植物生理生化代
谢紊乱 ,表现出生长迟缓 、植株矮小 、褪绿等中毒症
华北农学报·2009 , 24(5):135-139
状 ,严重影响产量和质量[ 5 ,6] ,而且通过食物链富集
危害人体健康 ,对人类健康构成严重威胁。
镉作为一种有害重金属元素 ,前人对其在植物
体内迁移途径 、分布规律 、毒害机理等方面已进行了
大量的研究[ 5-7] ,形成了较为清晰的Cd生态生理效
应 ,但对Cd在植物生活周期中不同生育阶段效应
的研究尚不多见 。种子萌发既是植物生活周期的起
点 ,也是植物感知外界环境的最初生命阶段 ,因而 ,
研究种子在萌发阶段受重金属污染的影响具有重要
的现实意义。已有研究表明 ,Cd对植物的伤害首先
会表现在种子的萌发和幼苗生长的变化上[ 8-10] 。
植物种子发芽毒性试验较其他毒性试验方法有两大
优点:一是方法简单 ,持续时间短;二是这种方法对
毒物毒性比较敏感。国际上一些组织如美国 EPA 、
FDA以及OECD等建议使用种子萌发进行生理毒性
试验[ 10] 。小麦是我国主要粮食作物之一 ,小麦种子
萌发时期生长状况直接影响作物以后的生长和产
量 ,因此 ,在当前重金属污染日益严重的情况下研究
种子在萌发阶段受重金属污染的影响显得尤为重
要。本研究采用模拟 Cd 污染的试验方法 ,以小麦
作为研究材料 ,探讨 Cd胁迫对小麦种子萌发及部
分生理特性的影响 ,为农业生产早期预报重金属对
小麦的毒害效应 ,防止重金属毒害的发生和在环境
监测中对重金属污染的评价 ,提供一定的理论依据 。
1　材料和方法
1.1　材料
供试小麦品种为丰优 2号(Triticum aestivum L.
cv.Fengyou No.2)。
1.2　试验设计与处理
选取健康饱满的种子用5%NaClO消毒10min ,
去离子水反复冲洗干净 ,蒸馏水浸种 24 h 后 ,均匀
播于铺有 2层滤纸的培养皿中 ,每皿 50粒种子 。分
别用 1 ,5 ,10 ,25 , 75 , 200 ,500 ,1 000 μmol/L CdCl2(以
Cd2+浓度计)溶液来浸润种子 ,以去离子水处理为
对照。于 25℃培养箱中培养 ,培养箱内保持相对湿
度85%～ 90%,各处理均重复 3次 ,每隔 1 d更换相
应培养液。培养 7 d 后测定萌发指标 ,并取样保存
于低温冰箱中用于生理指标的测定 。
1.3　测定指标与方法
1.3.1　萌发指标测定　种子萌发期间 ,每日观察萌
发种子数。第 3 天统计发芽势 。培养 7 d 后 ,测定
芽长 、根长 、芽鲜质量 、根鲜质量 ,并统计发芽率 、发
芽指数和活力指数。
发芽率(GR)=∑Gt/T×100%
发芽势(GP)=Gt/T×100%
发芽指数=΢Gt/Dt
活力指数=活力指数(VI)=S×GI
式中Gt为在 t日的发芽数(发芽率为7日 ,发芽
势为 3日);Dt为相应的发芽天数;T 为种子总数;S
为胚根长 。
1.3.2　生理指标测定　丙二醛(MDA)含量和 SOD
活性测定参考张志良等[ 11]的方法;愈创木酚过氧化
物酶(G-POD)活性测定参考 Klapheck等[ 12] 的方法;
抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性测定参考 Nakano
和Asada[ 13]的方法;过氧化氢酶(CAT)活性测定参考
Aebi[ 14]的方法。以 A560 nm下抑制 NBT 还原的 50%
所需的酶量为 SOD的一个酶活单位;在一级反应范
围内 ,分别以每分钟内 A470 、A290和 A240变化 0.01为
G-POD 、APX和CAT(以鲜质量计)的一个酶活单位 ,
用 U/g表示。
1.4　数据分析
所有数据均取 3次重复平均值 ,采用 Microsoft
Excel 2003和 SPSS10.0统计分析软件进行数据分析
及差异显著性检验 。
2　结果与分析
2.1　不同浓度镉胁迫对小麦种子萌发的影响
图 1表明 ,1 ～ 500 μmol/L 的 Cd胁迫使小麦种
子的发芽率略微降低 ,当 Cd浓度达到 1 000 μmol/L
时 ,发芽率显著降低 ,为对照的 78%。比较各处理
的发芽势(图 1-B),1 μmol/L Cd胁迫对发芽势有轻
微的刺激作用;随着 Cd浓度的增加 ,发芽势逐渐降
低 ,当 Cd 浓度高于 200 μmol/L 时 , 发芽势明显
降低 。
发芽指数的变化趋势与发芽率基本相同(图 1-
A ,C),高于 75μmol/L的 Cd胁迫使得种子发芽指数
显著降低(P<0.05),且浓度越高抑制程度越大 ,表
明小麦种子的发芽速度随着 Cd胁迫程度的加剧而
减慢 。
活力指数的高低可以显示出种子萌发后的长势
质量 。图 1-D结果表明 ,1μmol/L 的Cd浓度对种子
的活力指数有轻微的促进作用 ,随着 Cd胁迫浓度
增加 ,活力指数逐渐降低 。在 10μmol/L Cd胁迫下
活力指数明显降低(P<0.05),当Cd浓度达到 1 000
μmol/L 时 ,活力指数降至对照的 4.1%。说明镉对
小麦种子萌发最主要的伤害是影响萌发后幼苗的活
力 ,而且随着镉浓度的增加 ,萌发后幼苗的活力降低
更为明显 。
136　 华　北　农　学　报 24卷
图 1　Cd胁迫对小麦种子发芽率(A)、发芽势(B)、
发芽指数(C)和活力指数(D)的影响
Fig.1　Effects of Cd on germination rate(A),
germination potential(B), germination index(C)
and vigour index(D)of wheat
图 2　Cd胁迫对小麦幼苗根 、芽生长的影响
Fig.2　Effects of Cd on root and shoot
growth of wheat seedlings
2.2　镉对小麦幼苗的根和芽生长的影响
不同浓度的 Cd胁迫对小麦幼苗根和芽的生长
存在着不同程度的影响 。图 2-A 结果表明:1
μmol/L Cd对根的生长有轻微的刺激作用 ,但差异不
显著。之后随着 Cd胁迫浓度的增加 , Cd 对根的生
长产生了抑制作用 ,根呈现变短变粗的趋势。在 10
μmol/L Cd 胁迫下 ,根的长度受到明显的抑制(P<
0.05), 与对照相比 ,在 10 , 25 , 75 , 200 , 500 和 1 000
μmol/L Cd胁迫下 ,根长分别下降了 17.0%,25.1%,
41.0%,57.2%, 75.8%和 93.2%。与根相比 ,低浓
度 Cd胁迫对芽生长无明显影响 , 75 μmol/L Cd胁迫
明显抑制芽的生长(P<0.05),当Cd浓度增至 1 000
μmol/L 时 ,芽长仅为对照的 35.1%。相比而言 ,根
的生长对 Cd胁迫的反应比芽更加敏感。
Cd对小麦幼苗根质量 、芽质量的影响 ,总的趋
势是分别与根长 、芽长呈现相似的规律(图 2-B)。
2.3　Cd对小麦幼苗中MDA含量的影响
MDA是植物器官在逆境下发生膜脂过氧化作
用的产物之一 ,通常将 MDA作为膜脂过氧化指标 ,
用于表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反
应的强弱 。由图 3可知 ,随着 Cd胁迫浓度的增加 ,
根中 MDA 含量逐渐增加 , 当镉处理浓度大于 5
μmol/L时 ,MDA含量明显增加 ,表明随 Cd浓度的增
大 ,根膜脂过氧化水平的提高 ,膜系统的稳定性下
降 ,膜受伤害加剧。与根中一致 ,芽中 MDA 含量也
是随着Cd胁迫浓度的增加而呈增加的趋势 ,但增
加幅度较小 ,与 CK相比 ,只在大于 10 μmol/L Cd胁
迫下才达到明显差异。
图 3　Cd胁迫对小麦幼苗根 、芽中 MDA 含量的影响
Fig.3　Effects of Cd on the content of MDA
in root and shoot of wheat seedlings
2.4　镉对小麦幼苗中抗氧化酶的影响
SOD广泛分布于细胞各组成部分 ,催化 O2 或
HO2·歧化为 H2O2 ,一定程度上控制着 ROS 的含量 ,
但其活性又受 ROS 的影响。图 4表明 ,随着 Cd 胁
迫浓度的增高 ,SOD活性(以鲜质量计)呈先上升后
下降的趋势。在 10μmol/L Cd胁迫下 ,根中SOD活
性显著高于对照 ,当 Cd浓度达到 75 μmol/L 时 ,根
中SOD活性达到最大值 ,比 CK增加了 77.4%;此
后 ,继续提高 Cd浓度 , SOD活性有所降低 ,在 1 000
μmol/L 时 ,根中 SOD 活性略低于对照 。对于芽来
说 ,当 Cd 浓度高于 25 μmol/L 时 , SOD 活性显著高
于对照 ,在500 μmol/L Cd胁迫下达到最大 。说明在
镉处理下 ,小麦幼苗产生了大量的氧自由基 ,SOD是
氧自由基的清除剂 ,可清除耗氧生物活细胞的 O2 ,
防止生物膜脂质过氧化 ,对生物膜起保护作用。黄
5期 何俊瑜等:镉对小麦种子萌发 、 幼苗生长及抗氧化酶活性的影响 137　
玉山等[ 15]认为 SOD活性的提高是相当于增加氧气
的急性解毒措施 ,即小麦受 Cd 污染后 ,SOD可迅速
清除氧自由基 。
图 4　Cd胁迫对小麦幼苗根 、芽中 SOD、G-POD、APX 和 CAT活性的影响
Fig.4　Effects of Cd on SOD , G-POD ,APX and CAT enzyme activities in root and shoot of wheat seedlings
　　过氧化物酶和过氧化氢酶具有清除植物体内活
性氧自由基 、维持细胞膜稳定性的功能。图 4 结果
表明 ,随着 Cd胁迫浓度的增加 ,根中的G-POD活性
(以鲜质量计)基本上呈现出逐渐增加的趋势 。与对
照相比 ,除 1 μmol/L 的Cd胁迫下 ,根中G-POD活性
没有明显增加外 , 5 , 10 , 25 , 75 , 200 , 500 和 1 000
μmol/L的 Cd胁迫下 ,G-POD活性分别比对照增加
了 22.5%, 54.4%, 94.4%, 117.7%, 154.0%,
188.3%和 159.6%,显著高于对照。而根中的 CAT
活性和 APX活性的变化趋势正好与G-POD活性变
化趋势相反 ,即随着 Cd 胁迫浓度的增加 , CAT 和
APX活性总体呈现出逐渐降低的趋势。但是在 1
μmol/L的 Cd处理下 ,根中 CAT 的活性比对照略有
增加 ,在 10μmol/L Cd胁迫下明显低于对照 。
随着 Cd 胁迫浓度的增加 ,芽中 G-POD 、APX 、
CAT活性的变化趋势与根中基本相似 ,除 SOD外 ,
只有在75 μmol/L Cd胁迫下才达到明显差异。
3　讨论
种子的萌发和幼苗的建成是作物生长的关键时
期 ,种子发芽质量好坏直接影响农作物生长和经济
效益 ,因此镉对种子萌发作用的影响受到许多学者
的关注 。Cd 是植物非必需元素 , Cd 进入植物体内
并积累到一定程度 ,就会表现出毒害症状 。已有研
究发现 ,根系往往是最直接 、最严重的受害器官之
一 ,用 Cd处理水稻 、青菜 、白菜 、紫花苜蓿种子 ,可
以显著抑制根系的伸长生长 ,且随 Cd 处理浓度增
大而加剧[ 8-10 , 16] 。本试验表明 ,不同浓度镉对小麦
种子的萌发状况有显著影响 。随着 Cd处理浓度的
增加 ,发芽势 、发芽率 、发芽指数 、活力指数 、根长 、芽
长 、根质量及芽质量均受到不同程度的抑制作用。
在萌发指标中 ,对活力指数的影响最大 ,此外 , Cd对
根生长的抑制程度大于芽。这与在水稻 、青菜 、紫花
苜蓿等植物上的研究结果相一致[ 8 ,9 ,16 , 17] ,这可能与
Cd的作用特点及种子结构有关 。Cd2+进入植物体
后 ,大多积累在根的生长部位 ,主要破坏细胞核内染
色体和核仁[ 17] 。随着植株体内 Cd含量的增加 ,对
染色体和核仁的破坏加重 ,降低了 RNA和 DAN 的
活性 ,引起核酸裂解 ,从而影响有丝分裂过程[ 18] ,这
可能是抑制根生长的主要原因之一。也有研究表明
根生长抑制与 Cd2+的加入会干扰植物Ca2+代谢 ,导
致Ca2+在细胞中的异常分布及 Ca2+稳态的破坏有
关[ 19] 。
本试验结果表明 ,一定浓度的镉抑制小麦种子
萌发 ,严重伤害根的生长 ,降低幼苗质量 。罗立新
等[ 20]的研究认为这可能与镉改变或破坏膜结构有
关 ,镉可能与膜蛋白的巯基结合(形成-S-Cd-S
-),也可能与膜脂中的磷酯酰乙醇胺和磷酯酰丝氨
酸反应。在镉的胁迫下 ,干扰了正常代谢 ,因而导致
伤害作用 。本试验结果表明 ,根和芽中 ,特别是根中
的MDA含量随着处理浓度的增加而逐渐增加 ,表明
膜受伤害程度加大 。这与 Cd对植株幼苗生长的影
响相一致 。
环境胁迫使植物细胞中积累大量的活性氧 ,从
138　 华　北　农　学　报 24卷
而导致蛋白质 、膜脂 、DNA及其他细胞组分的严重
损伤[ 6 ,7 ,20 , 21] 。在正常情况下 ,植物体内活性氧的产
生与清除处于平衡状态 ,不会导致植物细胞受到伤
害。SOD 、G-POD 、APX和 CAT 为植物体内的自由基
清除系统 ,它们能清除植物体内因各种原因胁迫而
导致自由基代谢失衡后所产生的大量自由基 ,减轻
自由基对生物膜系统所产生的伤害作用 ,保护生物
膜[ 20 ,21] 。本试验研究结果表明:G-POD活性随着镉
胁迫强度的增加而增强 ,SOD 活性呈现先增加后降
低的趋势 ,而CAT和 APX活性随着胁迫强度的增加
而降低 ,说明较高浓度的镉胁迫引起小麦幼苗体内
的保护酶系统发生了变化。与对照相比 ,胚根中的
4个酶活性变化较明显 ,幅度大 。这与在水稻 、苜蓿
等上的研究结果一致[ 21 ,22] 。SOD 是保卫植物细胞
免受自由基伤害的第一道防线 。SOD活性的增加是
细胞受到胁迫的应激反应 ,是酶蛋白的从头合成过
程[ 15 ,21] 。G-POD活性升高的原因可能是因为植物
体内 Cd达到一定浓度时 ,膜脂过氧化作用增强 ,而
使体内过氧化物浓度增加 ,即增加了 G-POD的底物
浓度 ,从而使 G-POD活性上升[ 23] 。APX和 CAT 活
性降低可能是由于 Cd2+胁迫下活性氧持续积累 ,一
方面加剧了膜脂的过氧化 ,另一方面过多的活性氧
反过来抵制了酶活性 ,影响酶的合成或酶亚单位组
装[ 21] 。也可能是 Cd2+和膜蛋白的巯基(-SH)交
联 ,或直接抑制膜中的一些关键酶 ,如 H+-ATP 酶的
活性等[ 6] ,但其确切的原因还有待于进一步研究。
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