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皱叶留兰香对镉胁迫的生理响应



全 文 :皱叶留兰香对镉胁迫的生理响应
刘丽萍 1 ,韦美玉1 ,王玉林 2 ,陈世军 1 
(1.黔南民族师范学院生命科学系 ,贵州都匀 558000;2.黔南民族师范学院化学系 ,贵州都匀 558000)
摘要 [目的 ]研究镉胁迫对皱叶留兰香生理特性的影响。 [方法]以皱叶留兰香为试材 ,镉胁迫设 7种浓度(0、5、10、20、30、50和 100
mg/L),通过水培试验研究不同浓度的Cd2+对野生蔬菜皱叶留兰香生理生化特性的影响。 [结果] 当Cd2+浓度为 5mg/L时能促进皱叶
留兰香植株鲜重和主要食用部位的生长 ,当Cd2+浓度大于 10mg/L时则明显抑制其生长。当Cd2+浓度>5mg/L时 ,随着Cd2+浓度的
升高 ,皱叶留兰香叶绿素总量及叶绿素 a/b比值降低;根系活力呈先升后降的趋势;植株体内细胞膜透性和MDA含量逐渐增高;SOD活
性呈先升后降的趋势 ,在 10mg/L达到峰值;POD活性增加;CAT活性呈先升后降的趋势 ,表明SOD、POD和 CAT对镉引起的氧化胁迫
具有相应的适应和抵抗能力。 [结论]该研究为皱叶留兰香生产中金属镉的污染预报及消除其毒害提供理论依据。
关键词 皱叶留兰香;镉胁迫;生理生化特性
中图分类号 S647  文献标识码 A  文章编号 0517-6611(2010)16-08391-03
ThePhysiologicalResponseofMenthacdispataSchradtoCadmiumStress
LIULi-pingetal (DepartmentofLifeScience, QiannanNormalCollegeofNationalities, Duyun, Guizhou558000)
Abstract [ Objective] TheproposewastostudytheeffectofcadmiumstressonthephysiologicalcharacteristicsofMenthaCdispataSchrad.
[ Method] Inwatercultureexperiment, withM.Cdispataasthetestedmaterial, thecadmiumstresswassetupwith7kindsofconcn.ofCd2+
(0, 5, 10, 20, 30, 50and100mg/L)tostudytheeffectofCd2+withdiferentconcn.onthegrowthandphysiologicalandbiochemicalchar-
acteristicsofwildvegetableM.Cdispata.[ Result] Cd2concn.at5mg/Lcouldpromotethefreshweightandthegrowthofmainediblepartof
M.CdispataplantandCd2 concn.at10mg/LcouldobviouslyinhibitthegrowthofM.Cdispata.WhenCd2+concn.wasmorethan5 mg/L,
withincreasingofCd2+concn., thetotalchloropylandtheratioofchiorophya/binM.Cdispataweredecreased;therootactivityshowedthe
trendoffirstincreasingandthendecreasing;thecelmembranepermeabilityandMDAcontentinplantwasgradualyincreased;SODactivity
wasfirstincreasedandreachedthepeakvalueuntilCd2+ was10mg/L, andthenwasdecreased;PODactivitywasincreased;CATactivity
showedthetrendoffirstincreasingandthendecreasing, showingthatSOD, PODandCAThadthecorrespondingadaptabilityandresistance
totheoxidativestresscausedbyCd2+.[ Conclusion] ThisresearchprovidedthetheoreticalbasisforpredictingthepolutionofmetalCd2+and
eliminatingitsdamageintheproductionofM.Cdispata.
Keywords MenthaCdispataSchrad;Cd2+ stress;Physiologicalandbiochemicalcharacteristics
作者简介 刘丽萍(1969-),女 ,贵州平塘人 , 讲师 ,从事植物学 、花卉
学的教学和科研工作。
收稿日期  2010-03-15
  皱叶留兰香(MenthacdispateSchrad)为唇形科薄荷属多
年生宿根草本植物 ,茎 、叶含挥发油 ,有香气。作为一种特产
蔬菜 ,可直接用于凉拌或涮食 ,或蘸辣椒水食用 ,也可用作烹
调增香去腥调料 ,在我国西南地区已成为特色蔬菜 ,是贵州
省开发前景较好的一种野生蔬菜 [ 1] 。镉(Cd)是植物非必需
的重金属元素 ,因具有高毒性及在水体中较为稳定而被认为
是最重要的重金属污染物之一。近年来 ,工业生产 、开矿 、汽
车排放尾气等使水体 、土壤 、空气受到严重污染 ,大量镉进入
土壤 -植物生态系统 ,并通过食物链危及人类健康 [ 2] 。关于
镉对常见栽培蔬菜及大田栽培作物影响的研究较多 [ 3-9] ,但
对野生蔬菜皱叶留兰香影响的研究尚未见报道 。笔者以皱
叶留兰香为材料 ,研究不同浓度的 Cd2+对皱叶留兰香生长 、
生理生化特性的影响 ,为皱叶留兰香生产中金属镉的污染预
报及采取栽培措施消除其毒害提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 皱叶留兰香取材于贵州省都匀市近郊菜
地;镉为氯化镉(CdCl2· 2.5H2 O)。
1.2 试验方法 选择品质优良 、纯正 、健壮 、无病虫的皱叶
留兰香地上直立茎 ,剪成 6 ~ 7 cm的插条 ,插条留 2/3叶片 ,
剪后立即插入苗床中。插后浇透水 ,盖上塑料薄膜 ,每天喷
水 1 ~2次 ,保持湿度在 90%左右 , 14 d后生根 。生根后选择
长势一致的幼苗 ,移栽至装有 2L1/2 Hoagland培养液 、直径
25cm玻璃水槽中常温 、室外培养 ,每 2 d更换 1次培养液 。
5d后选择长势一致的高度为(8.0±0.5)cm、重量为(10.0
±0.5)g的植株 5株移栽到含有 0(CK)、5、10、20、30、50和
100mg/L重金属 Cd2+的 1/2新鲜 Hoagland培养液 100ml烧
杯中 ,每个处理重复 3次 ,培养 14d后开始采样测定各项指标。
1.3 测定指标及方法 用天平称量植株鲜重和 4叶 1心的
重量;质膜透性测定采用电导法 ,用 DDS-7600电导仪测定 ,
以相对电导率(%)表示 [ 10];叶绿素含量采用 96%乙醇浸提 ,
分光光度法测定 [ 11];丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸
法测定 [ 12] ;超氧化物歧化酶 (SOD)活性以抑制氮蓝四唑
(NBT)光氧化还原法测定 [ 12] ;过氧化物酶(POD)活性采用
愈创木酚法测定 [ 12] ;过氧化氢酶(CAT)采用高锰酸钾滴定
法测定 [ 10] 。各项指标至少测定 3次 ,取平均值。数据采用
Excel进行统计学方法处理 [ 13] 。
2 结果与分析
2.1 镉胁迫对皱叶留兰香生长的影响 由表 1可知 ,当
Cd2+浓度较低时(5 mg/L),对皱叶留兰香的生长有促进作
用。当 Cd2+浓度在 10、20、30、50、100 mg/L时 ,植株鲜重与
对照相比分别下降了 4.5%、16.4%、31.2%、44.1%、56.4%,
4叶 1心的重量分别下降了 9.7%、24.0%、30.1%、47.8%、
47.8%。说明随着 Cd2+浓度的提高 , Cd2+对皱叶留兰香的毒
害作用逐渐增强 , Cd2+对皱叶留兰香的的耐性指数逐渐
降低。
2.2 镉胁迫对皱叶留兰香叶绿素含量和根系活力的影响
2.2.1 叶绿素含量的变化。由表 2可知 ,随着 Cd2+浓度的
增加 ,叶绿素 a、叶绿素 b及叶绿素总量呈先上升后下降的变
化趋势 。当 Cd2+浓度为 5mg/L时 ,皱叶留兰香叶绿素 a、叶
安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2010, 38(16):8391-8393 责任编辑 李菲菲 责任校对 况玲玲
表 1 不同 Cd2+浓度处理对皱叶留兰香生长的影响
Table1 EffectsofdifferentconcentrationsofCd2+ ongrowthofMen-
thacdispateSchrad
浓度∥mg/L
Concentration
植株鲜重∥g/株
Freshweightofplants
4叶 1心鲜重∥g/株
Freshweightoffourleaves
aroundonecenter
0 13.54ab 1.13b
5 16.51a 1.22a
10 12.93b 1.02c
20 11.32bc 0.86d
30 9.32c 0.79d
50 7.57cd 0.59e
100 5.91d 0.59e
 注:LSD法进行方差显著性检验,同列不同字母表示在 0.05水平差异
显著。下同。
 Note:ThevariancesignificancewastestedbyusingLSDmethod;Diferent
letersinthesamecolumnmeansignificantdiferenceat0.05level.
Thesameasbelow.
绿素 b、叶绿素总量与对照相比差异显著;当 Cd2+浓度﹥ 5
mg/L时 ,叶绿素 a、叶绿素 b和叶绿素 a/叶绿素 b随 Cd2+处
理浓度升高而下降 ,其中在 100 mg/L时 ,下降程度最大 ,叶
绿素 a、叶绿素 b及叶绿素 a/叶绿素 b比值分别比对照下降
52.0%、34.9%、48.3%,说明低 Cd2+浓度能促进皱叶留兰香
叶绿素 a、叶绿素 b含量提高;随 Cd2+浓度升高 ,会显著降低
叶绿素 a、叶绿素 b含量 ,抑制皱叶留兰香光合作用 ,其中叶
绿素 a受到的影响比叶绿素 b大 [ 14] 。
2.2.2 根系活力的变化。在液体培养条件下 , Cd2+浓度为 5
mg/L时 ,皱叶留兰香的根系活力有所提高 ,但是与对照相比
差异不显著。当 Cd2+浓度﹥ 5 mg/L时 ,根系活力随 Cd2+浓
度的升高而显著下降。表明 Cd2+浓度在 5 mg/L时 ,对皱叶
留兰香根系活力有一定促进作用 ,随 Cd2+浓度提高会显著
抑制皱叶留兰香的根系活力 。
表 2 不同 Cd2+浓度处理对皱叶留兰香叶绿素含量和根系活力的影响
Table2 EffectsofdiferentconcentrationsofCd2+ onchlorophylcontentandrootactivityinMenthacdispateSchrad
浓度∥mg/L
Concentration
叶绿素a∥mg/g
Chlorophyla
叶绿素 b∥mg/g
Chlorophylb
叶绿素 a/b
Chlorophyla/b
叶绿素总量∥mg/g
Totalchlorophyllamount
根系活力∥μg/g
Rootactivity
0 1.076b 0.341b 3.155a 1.417b 83.46a
5 1.226a 0.403a 3.042a 1.629a 85.21a
10 0.945bc 0.314bc 3.010a 1.259bc 51.64b
20 0.907c 0.307c 2.955a 1.214c 39.63c
30 0.716d 0.302c 2.371b 1.018cd 35.34d
50 0.516e 0.289c 1.785c 0.805d 31.65e
100 0.362f 0.222d 1.631c 0.584e 26.79f
2.3 镉对皱叶留兰香叶片细胞膜透性和 MDA含量的影响 镉
胁迫能使许多植物生长和代谢受到干扰 ,刺激体内活性氧
(ROS)产生 ,引起氧化胁迫 ,导致膜渗透性改变 [ 15] 。细胞膜
透性影响细胞内部分电解质 、有机物外渗 ,外渗电导率增大 。
由表 3可知 ,在 Cd2+处理浓度为 5 mg/L时 ,皱叶留兰香细胞
膜透性与对照相近 ,说明此浓度 Cd2+对细胞膜无影响。随
Cd2+处理浓度的升高膜透性上升 , Cd2+浓度为 10、20、30、50、
100 mg/L时 ,细胞膜透性分别比对照增加 36.4%、36.7%、
47.1%、55.0%、56.7%,说明膜透性增大 ,质膜受损的程度加大。
MDA是衡量植物经逆境胁迫后膜脂过氧化程度的指
标 [ 16] ,其在机体内的积累会对细胞产生毒害作用。由表 3可
知 ,随着 Cd2+浓度升高 ,皱叶留兰香 MDA含量呈递增趋势 。
在 Cd2+浓度为 5 ~ 10 mg/L时 , MDA含量增加 ,但不显著;当
Cd2+浓度为 50和 100 mg/L时 , MDA含量分别为对照的
197.7%和 231.7%。说明皱叶留兰香对低浓度的 Cd2+具有
一定的耐受能力 ,而高浓度的 Cd2+对皱叶留兰香具有明显
的毒害作用。
表 3 不同 Cd2+浓度对皱叶留兰香MDA含量的影响
Table3 EfectsofdifferentconcentrationsofCd2+ onMDAcontentin
MenthacdispateSchrad
浓度∥mg/L
Concentration
相对电导率∥%
Relativeelectricconductivity
MDA含量∥μmol/g
ContentofMDA
0 12.363e 0.444f
5 14.201d 0.569e
10 16.872c 0.653de
20 16.903c 0.687d
30 18.193b 0.801c
50 19.167a 0.870b
100 19.378a 1.029a
2.4 镉对皱叶留兰香 SOD、POD和 CAT活性的影响  SOD、
POD、CAT3种酶是重要的抗氧化酶 ,其活性高低反映植物清
除活性氧能力的大小 [ 17] 。SOD主要清除超氧化物阴离子自
由基 , POD和 CAT主要清除 H2O2 ,三者相互协调有效清除活
性氧 ,防止膜脂过氧化。但是高浓度 Cd2+则会明显抑制抗
氧化酶活性(POD、CAT),加剧活性氧的释放 ,导致植物生长
严重受抑制 [ 18-19] 。由表 4可知 ,皱叶留兰香叶中 SOD活性
随着 Cd2+浓度的升高 ,表现为先升后降的趋势 ,即在低浓度
Cd2+胁迫下 , SOD活性明显增强;在 Cd2+浓度为 10mg/L时 ,
达到峰值 ,此后 SOD活性随 Cd2+处理浓度升高而显著降低 ,
在 100mg/LCd2+处理时 , SOD活性为对照的 70.0%,抑制率
为 30%;这与王琎等的研究相符 [ 20] 。有研究表明 , Cd2+处理
对植物幼苗体的 CAT活性具有低浓度促进和较高浓度抑制
的效应 [ 14 , 21-23] 。在该试验中 ,皱叶留兰香叶片 CAT活性也
是呈先升高后降低的趋势 , Cd2+浓度为 5 mg/L时 ,叶片 CAT
活性达到最高 ,为对照的 219.0%,此后 CAT活性随 Cd2+处
理浓度升高而逐渐下降 , Cd2+浓度为 10、20、30、50、100mg/L
时 ,皱叶留兰香叶片 CAT活性分别为对照的 81.2%、68.
7%、59.4%、50.0%、9.4%。 POD是一种含铁的金属蛋白
质 ,它能催化有毒物质的分解 ,其活性高低能反映植物受害
的程度 。从表 4可知 ,皱叶留兰香叶片 POD活性 ,随 Cd2+处
理浓度升高而显著升高。
3 讨论
试验结果表明 ,在 Cd2+处理浓度为 5 mg/L时 ,能促进皱
叶留兰香植株鲜重和主要食用部位的生长;当 Cd2+处理浓
度大于 10 mg/L时 ,对皱叶留兰香的生长具有明显的抑制作
8392           安徽农业科学                         2010年
表 4 不同Cd2+浓度对皱叶留兰香根系 SOD、POD和CAT活性的影响
Table4 EffectsofdifferentconcentrationsofCd2+ onSOD, PODand
CATactivityintherootsofMenthacdispateSchrad
浓度∥mg/L
Concentration
SOD活性
U/g(FW)
SODactivity
POD活性
U/(g· min)(FW)
PODactivity
CAT活性
mg/min(FW)
CATactivity
0 1.164b 2.85e 3.627b
5 1.230ab 5.55d 8.047a
10 1.280a 6.87d 2.947c
20 1.001c 7.06d 2.493d
30 0.890d 12.32c 2.153e
50 0.840d 15.36b 1.813f
100 0.820d 27.32a 0.340g
用 ,这可能是镉在植物体内积累到一定程度 ,会影响细胞分
裂和生长 ,干扰营养物质的吸收和分配 ,从而抑制皱叶留兰
香的生长。
随着 Cd2+浓度的增加 ,叶绿素 a、叶绿素 b及叶绿素总
量呈先上升后下降的变化趋势。可能是由于少量镉弥补了
植物体内质体蓝素所需 ,而质体蓝素又是组成光合作用电子
传递体的成分之一 [ 25] ,故低浓度 Cd2+刺激皱叶留兰香叶绿
素的合成 ,但随着 Cd2+浓度的增大 ,其毒害作用加剧 ,从而使
叶绿素分解加快 、含量下降 [ 23] 。
根系活力是反映植物根系吸收能力和合成代谢强弱的
一个生理指标 。在 Cd2+浓度为 5 mg/L时 ,皱叶留兰香根系
的吸收与合成代谢能力比对照略有提高 ,但随着浓度的不断
升高 ,根系受到严重的毒害 ,根系活力显著下降。
镉胁迫皱叶留兰香叶片的相对电导率 、MDA含量增加 。
原因可能是植物在 Cd2+胁迫下增强膜脂质过氧化作用的进
程 ,增加植物体内的活性氧 ,打破活性氧的代谢平衡 ,从而启
动膜脂质过氧化作用或膜脂脱脂作用 ,破坏膜的结构 ,影响
膜的功能。重金属是脂质过氧化的诱变剂 ,浓度越高 ,脂质
过氧化产物 MDA积累越多 ,两者密切相关 [ 25] 。
当植物受到污染后 , SOD、POD和 CAT发生相应的变
化 [ 26] 。该试验结果中的皱叶留兰香叶片 POD活性的增加是
由于镉进入植物体后 ,通过一系列生理生化反应产生了对自
身有害的过氧化物 ,随着这种物质的增加 , POD利用 H2O2来
催化这些对自身有害的过氧化物的氧化分解 [ 6] 。因此 ,随着
植物体内 POD酶底物浓度的增加 ,致使 POD活性逐渐增加。
在低浓度 Cd2+(0 ~ 10 mg/L)处理时 ,皱叶留兰香的 SOD、
CAT活性明显增加 ,说明皱叶留兰香对低浓度的 Cd2+具有
一定的耐性。随着 Cd2+处理浓度的升高 , SOD、CAT活性呈
先增后降趋势 , SOD活性下降是因为镉胁迫浓度过大 ,造成
胁迫程度过于严重 ,使其自身调节系统遭到破坏 ,从而导致
SOD活性有所下降 [ 20] 。在 Cd2+处理浓度为 5 mg/L时 , CAT
能够清除细胞内过多的 H2 O2 ,以维持细胞内 H2O2在一个正
常水平 ,从而保护膜结构;高浓度的 Cd2+胁迫下由于 CAT活
性的降低 ,过氧化作用加强 ,保护酶系统对活性氧的清除能
力大大削弱 ,已不能阻止自由基在细胞内的积累 ,细胞膜透
性及 MDA含量逐渐增大 ,导致膜功能受损 ,从而引起细胞的
衰老和死亡 ,对植物产生抑制效应甚至毒害 。
综上所述 ,野生蔬菜皱叶留兰香体内存在着抗氧化系统
解毒机制来减轻 Cd2+胁迫的伤害。低浓度 Cd2+诱导皱叶留
兰香 SOD、POD、CAT酶活性提高 ,增强了清除活性氧能力 ,
从而使皱叶留兰香在一定程度上忍耐 、减缓 Cd2+胁迫 ,促进
其生长及叶片叶绿素 a和叶绿素 b含量 、根系活力的提高。
较高浓度 Cd2+抑制 SOD、CAT酶活性 ,虽然 POD活性继续提
高 ,但 SOD、CAT、POD之间的活性比不平衡 ,导致皱叶留兰
香细胞积累 ROS, MDA含量增加 ,从而抑制了皱叶留兰香叶
片叶绿素 a和叶绿素 b含量 、根系活力提高及植株的生长 ,这
暗示皱叶留兰香抗氧化系统对于耐受Cd2+胁迫有重要作用。
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