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豆瓣菜对Cd的生理反应及其Cd积累的研究



全 文 :中国蔬菜 2013(24):16-21
CHINA VEGETABLES
收稿日期:2013-09-22;接受日期:2013-10-25
基金项目:江苏省农业三项工程项目〔sx(2011)290〕
作者简介:韩承华,男,博士研究生,专业方向:农产品安全与环境,E-mail:360885829@163.com
* 通讯作者(Corresponding author):江解增,教授,博士生导师,专业方向:水生蔬菜栽培,E-mail:jzjiang@yzu.
edu.cn
豆瓣菜对 Cd 的生理反应及其 Cd 积累的
研究
韩承华 周增辉 张 娜 江解增 *
(扬州大学水生蔬菜研究室,江苏扬州 225009)
摘 要:为了解 Cd 对豆瓣菜生长的影响,以英国大叶豆瓣菜为试验材料,在营养液栽培条件下,研
究了不同浓度 Cd 处理下,豆瓣菜农艺性状、产量、根系活力、净光合速率(Pn)、抗氧化酶活性、丙二
醛(MDA)含量、植物络合素(PCs)含量,以及豆瓣菜不同部位 Cd 含量的变化。结果表明:较低浓度
的 Cd 处理就会影响豆瓣菜的生长,表现为 MDA 含量升高,高浓度 Cd 处理还会导致根系活力和 Pn 的降低。
SOD、POD、CAT 和 PCs 在缓解 Cd 毒害中具有协同作用,但低浓度 Cd 胁迫下以 PCs 的螯合作用为主,
随 Cd 浓度的增加变为以 SOD、POD、CAT 的抗氧化作用为主。豆瓣菜易积累 Cd,当营养液中 Cd 达到 0.20
mg·L-1 时,豆瓣菜 Cd 含量即已超标。认为豆瓣菜是一种 Cd 敏感型蔬菜,生产中应特别注意 Cd 的污染。
关键词:豆瓣菜;生长;Cd 积累;生理反应
中图分类号:S63  文献标识码:A  文章编号:1000-6346(2013)24-0016-06
Studies on Physiological Response of Watercress to Cd Stress and Its Cd Ac-
cumulation
HAN Cheng-hua,ZHOU Zeng-hui,ZHANG Na,JIANG Jie-zeng*
(Institute of Aquatic Vegetable Research,Yangzhou University,Yangzhou 225009,Jiangsu,China)
Abstract:A hydroponic experiment was carried out to study the effects of Cd on the growth of wa-
tercress(Nasturtium officinale R. Br.).The indexes under treatments of different Cd concentration,
such as agronomic characters,yield,root activity,net photosynthetic rate (Pn),antioxidant enzyme
activity and the concentration of malondialdehyde (MDA),phytochelatins (PCs) and Cd contents
changes at different parts of watercress were studied. The results showed that low Cd concentration would
influence watercress growth,i.e. the accumulation of MDA would rise,while high Cd concentration
would lead to the decline of root activity and Pn.Antioxidases and PCs played a cooperative role in al-
leviating Cd toxicity. But the alleviation was dominated by PCs chelation under the condition of low Cd
concentration,while it would be dominated by the antioxygenation of SOD,POD,CAT along with the
increase of Cd concentration. Cd is easily accumulated in watercress.The Cd concentration in edible
parts of watercress had exceeded the limit value of national standards,when the concentration of Cd in
the nutrient solution reached 0.20 mg·L-1.In conclusion,watercress is a vegetable of Cd-sensitive
type,more attentions should be paid on Cd pollution during its production.
2013 年(24) 17
Key words:Watercress;Growth;Cd accumulation;Physiological responses
造成蔬菜污染的因素主要有农药污染、硝酸盐污染、增塑剂污染、生物性污染及重金属污
染等(李淑梅,2000)。其中,重金属污染具有隐蔽性、不易降解、难以恢复的特点(范拴喜 等,
2010),其潜在危害更大。镉(Cd)是毒性最强的重金属之一。过量的 Cd 会影响作物生长,最
终通过食物链进入人体,危害人类健康(邹日 等,2011)。我国是世界第一大化肥消费国,化肥
投入占全部农业生产性支出的 50% 左右(张北赢 等,2010)。磷肥和有机肥的长期施用都会导
致土壤 Cd 含量增加(陈芳 等,2005;徐明岗 等,2010),原本清洁的土壤可能会因肥料的长期
施用而导致 Cd 污染。叶菜较其他种类蔬菜对重金属反应更加敏感,更易受重金属的污染和毒害。
土壤 Cd 未超标时,叶菜产品中也可能会有 Cd 超标现象(江解增 等,2006)。近年来我国水资
源重金属污染事件频发,工业“三废”的不合理排放加剧了水体重金属污染程度(孙维锋和肖迪,
2012),水生蔬菜常规生产中需要大量灌溉用水,因此受重金属污染的可能性比一般旱生蔬菜大。
豆瓣菜(Nasturtium officinale R. Br.),以较嫩的茎叶供食用,是一种效益高的水生叶菜(赵有
为,1999)。目前关于 Cd 对豆瓣菜安全生产影响的研究尚无相关报道。本试验从豆瓣菜生长特性、
生理特性以及食品安全等方面,较为系统地研究了 Cd 对豆瓣菜生长的影响,以期为豆瓣菜的安
全生产提供一定的科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试豆瓣菜品种为英国大叶豆瓣菜,种子来源于扬州大学水生蔬菜研究室。
1.2 试验方法
试验于 2012 年在扬州大学水生蔬菜试验田大棚内进行。营养液为华南农业大学叶菜 A配方和
通用微量元素配方(刘士哲,2001)。Cd2+ 来源为 CdCl2·2.5H2O(分析纯)。设 6 个 Cd
2+ 浓度:0
(CK)、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg·L-1,每处理设 3 次重复。将 Cd2+ 配成 100 mg·L-1 的
母液,试验时按试验设计浓度加入到各周转箱(长×宽×高=40 cm×30 cm×15 cm)中。3 月
18 日播种育苗。4 月 7 日,选长势相近、株高为 10 cm 左右的豆瓣菜幼苗,用自来水洗净后,
按株距 5 cm,行距 6 cm 定植到含有 8 L 营养液的周转箱中,每箱 30 株。缓苗 2 d 后添加 Cd2+。
每 7 d 添加 1 次营养液,试验中保持水位一致。
1.3 样品采收和指标测定
4 月 26 日,用 LI-6400 便携式光合仪(美国 LI-COR 公司)测定净光合速率(Pn)。4 月 27
日,测定农艺性状相关指标,茎长为营养液液面以上植株高度,茎粗为营养液液面以上 3 cm 左
右的茎粗,叶片长度、宽度为从上往下数第 4 片完全展开的羽状复叶顶小叶的长度、宽度。4 月
28 日采收后立刻带回实验室测定其质量记为产量。根鲜样一部分用于测定根系活力,另一部分
烘干用于测定 Cd 含量。取新鲜叶片,用纱布包好,液氮处理 20 min 后,于 -40℃保存备用。剩
余样品分别测定茎、叶片和地上部质量,105 ℃杀青 30 min 后,75 ℃烘至恒重,测其干质量,
用粉碎机粉碎成粉末,保存备用。根系活力、MDA 含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、可溶
性糖含量、SOD 活性、CAT 活性测定参考邹琦(2000)的方法。POD 活性测定参考张志良等
(2009)的方法。谷胱甘肽(GSH)含量测定参考赵旭东等(2000)的方法。非蛋白巯基(NPT)
含量测定参考 Rama 和 Prassd(1998) 的方法。植物络合素(PCs)含量计算参考 Keltjens 和 van
Beusichem(1998)的方法。Cd 含量用全谱直读等离子体发射光谱仪(ICP,美国 Thermo Sci-
entific 公司)测定。
韩承华等:豆瓣菜对 Cd 的生理反应及其 Cd 积累的研究
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1.4 统计分析
用 Excel 2003 和 DPS 7.05 软件进行数据整理与分析。
2 结果与分析
2.1 Cd 对豆瓣菜农艺性状和产量的影响
由表 1 可知,0.15 mg·L-1 的 Cd 能显著增加豆瓣菜茎长。随 Cd 浓度的继续升高,茎长、茎粗、
叶长、产量均出现不同程度的下降。当 Cd 添加量为 0.30 mg·L-1 时,豆瓣菜茎长、茎粗、叶长、
叶宽和产量均较对照显著下降,分别较对照降低 14.73%、23.76%、8.62%、13.51% 和 17.63%。
说明 Cd 导致的豆瓣菜产量显著降低是茎长、茎粗、叶长、叶宽等指标共同下降的结果,其中茎
粗和茎长的下降是导致豆瓣菜减产的主要原因。
表 1 Cd 对豆瓣菜农艺性状和产量的影响
Cd2+/mg·L-1 茎长/cm 茎粗/mm 叶长/cm 叶宽/cm 产量/g
0(CK) 34.14±1.59 b 5.85±0.51 a 4.29±0.22 a 3.70±0.22 a 378.8±14.0 ab
0.10 36.69±2.73 ab 5.51±0.37 ab 4.33±0.27 a 3.70±0.21 a 389.3±8.2 a
0.15 38.83±2.81 a 5.01±0.52 bc 4.27±0.24 a 3.57±0.34 a 377.5±17.2 ab
0.20 35.78±4.06 ab 4.78±0.70 cd 4.18±0.30 a 3.68±0.17 a 346.5±17.3 abc
0.25 34.56±3.75 b 4.55±0.39 cd 4.09±0.40 a 3.45±0.30 ab 337.5±15.5 bc
0.30 29.11±5.11 c 4.46±0.63 d 3.92±0.39 b 3.20±0.22 b 312.0±12.4 c
  注:表中同列数据后不同小写字母表示差异显著(α=0.05),下表同。
2.2 Cd 对豆瓣菜生理指标的影响
由 表 2 可 知, 随 着 Cd 浓 度 的 升 高,MDA 和 脯 氨 酸 含 量 不 断 增 加。 当 Cd 浓 度 达 到 0.10
mg·L-1 时,脯氨酸含量比对照显著升高,而其他指标与对照相比无显著差异,说明脯氨酸代谢
生理对 Cd 的敏感度相对较高;Cd 浓度为 0.25 mg·L-1 时,MDA 含量比对照显著升高。
随着 Cd 浓度的升高,根系活力、可溶性蛋白含量和 Pn 均呈先升高后降低的趋势。Cd 浓
度为 0.20 mg·L-1 时,可溶性蛋白含量和 Pn 比对照显著升高并达最大值。当 Cd 浓度为 0.30
mg·L-1 时,根系活力和 Pn较对照有所降低,但差异未达到显著水平;可溶性蛋白含量仍高于对照,
但差异不显著。
各生理指标变化幅度大小顺序为: MDA(101.10%)>脯氨酸(91.39%)>Pn(31.68%)>
可溶性蛋白(28.26%) > 根系活力(26.11%) > 可溶性糖(22.85%)。说明豆瓣菜不同生理指
标对 Cd 的敏感度不同,其中 MDA 含量变化幅度最大,对 Cd 最为敏感。
表 2 Cd 对豆瓣菜生理指标的影响
Cd2+ 根系活力 MDA 可溶性糖 可溶性蛋白 脯氨酸 Pn
mg·L-1 μg·g-1·h-1 μmol·kg-1 mg·g-1(FW) mg·g-1(FW) μg·g-1(FW) μmol·m-2·s-1
0(CK) 18.50±1.81 ab 4.53±0.32 c 19.87±1.53 a 4.53±0.39 b 90.60± 8.57 d 10.10±0.59 b
0.10 21.29±1.73 a 5.04±0.35 c 21.99±2.62 a 4.67±0.57 ab 126.58±12.61 c 10.41±1.61 ab
0.15 20.44±0.70 a 5.22±0.59 c 23.25±1.37 a 5.06±0.43 ab 130.37±11.30 c 11.37±0.98 ab
0.20 19.55±1.55 ab 6.53±0.51 bc 21.99±2.01 a 5.81±0.55 a 136.98±7.81 bc 12.62±0.71 a
0.25 18.71±1.15 ab 7.84±0.77 ab 23.01±1.81 a 5.77±0.51 a 156.31±16.70 ab 10.23±1.02 b
0.30 16.46±1.14 b 9.11±0.71 a 24.41±0.85 a 5.36±0.77 ab 173.40±16.56 a 9.42±0.0.42 b
2.3 Cd 对豆瓣菜抗氧化酶活性的影响
由表 3 可知,当 Cd 浓度为 0.15 mg·L-1 时,SOD 和 CAT 活性均比对照显著升高,POD 活
性则无显著变化。说明 SOD 和 CAT 对 Cd 的敏感度要高于 POD。随 Cd 浓度的继续增加,SOD、
POD 和 CAT 活性也逐渐升高。说明较低浓度 Cd 即可对豆瓣菜产生胁迫,导致 SOD、POD 和
CAT 活性升高。
2013 年(24) 19韩承华等:豆瓣菜对 Cd 的生理反应及其 Cd 积累的研究
2.4 Cd 对豆瓣菜 NPT、GSH 和 PCs 含量的影响
由 表 4 可 知,NPT、GSH 和 PCs 含 量 均
随 Cd 浓度的增加而增加。0.10 mg·L-1 的 Cd
会导致 NPT 含量比对照显著升高,而对 GSH
和 PCs 含 量 无 显 著 影 响, 说 明 NPT 对 Cd 的
敏感度要高于 GSH 和 PCs。当 Cd 浓度为 0.15
mg·L-1 时,三者含量都比对照显著升高。当
Cd 浓 度 在 0.15~0.30 mg·L-1 之 间 时,NPT
和 GSH 含量仍有显著升高,而 PCs 含量无显著变化,这可能是因为 PCs 合成酶(PCS)活性受
Cd 的抑制,导致 PCs 合成受阻。
2.5 Cd 在豆瓣菜不同部位的积累
由表 5 可知,豆瓣菜不同部位 Cd 含量均随 Cd 浓度的升高而升高。豆瓣菜不同部位 Cd 积累
量表现为根 > 茎 > 叶。当 Cd 浓度为 0.15 mg·L-1 时,豆瓣菜地上部 Cd 含量为 0.19 mg · kg-1,
接近 GB 2762— 2012 规定的 0.2 mg·kg-1 的上限。GB 18407.1— 2001、NY/T 391— 2000 和 HJ
332— 2006 中规定的 Cd 安全限值为 0.30 mg·kg-1。本试验发现,当 Cd 浓度为 0.20 mg·L-1 时,
地上部 Cd 含量为国标限值的 1.30 倍。说明环境中 Cd 含量未超标时,豆瓣菜地上可食部位也会
出现 Cd 超标的现象。
表 5 Cd 在豆瓣菜不同部位的积累
Cd2+/mg·L-1 根/mg·kg-1(FW) 茎/mg·kg-1(FW) 叶/mg·kg-1(FW) 地上部/mg·kg-1(FW)
0(CK) 0.01±0.00 e 0.01±0.00 f 0.04±0.00 e 0.02±0.00 f
0.10 0.78±0.05 d 0.13±0.01 e 0.11±0.01 d 0.12±0.01 e
0.15 1.18±0.08 d 0.19±0.01 d 0.18±0.01 c 0.19±0.01 d
0.20 2.40±0.22 c 0.28±0.04 c 0.21±0.01 c 0.26±0.03 c
0.25 3.53±0.31 b 0.40±0.04 b 0.29±0.02 b 0.37±0.03 b
0.30 4.11±0.37 a 0.51±0.04 a 0.38±0.03 a 0.47±0.03 a
3 结论与讨论
3.1 Cd 对豆瓣菜生长的影响
Cd 会导致豆瓣菜 MDA 含量上升,高浓度 Cd 处理还会导致根系活力和 Pn 下降,与前人研
究结果(Choudhary et al.,2007;黄凯丰 等,2008)一致。重金属还会影响可溶性糖和可溶性
蛋白含量的变化(张永霞 等,2011),本试验也得到相似的结论。0.1 mg·L-1 Cd 可显著抑制菜
薹、芥菜、叶用莴苣、蕹菜、苋菜的生长(杜应琼 等,2003),1 mg·L-1 Cd 对普通白菜(小白菜)
的生长无显著影响(孙光闻 等,2004),本试验发现 0.30 mg·L-1 Cd 可显著影响豆瓣菜的生长。
相比可知,豆瓣菜对 Cd 的敏感度要高于普通白菜,但低于菜薹、芥菜、叶用莴苣、蕹菜、苋菜。
表 3 Cd 对豆瓣菜抗氧化酶活性的影响
Cd2+/mg · L-1 SOD 活性/U·g-1 ·min-1 POD 活性/U·g-1 ·min-1 CAT 活性/U·g-1 ·min-1
0(CK) 76.67±5.34 d 72.60±6.33 c 92.25±9.69 d
0.10 82.23±6.62 d 75.82±6.83 c 98.59±11.04 d
0.15 96.68±8.11 c 82.37±7.21 bc 113.95±11.15 c
0.20 105.57±8.87 bc 90.40±7.86 b 136.17±12.19 b
0.25 116.36±9.49 ab 104.16±9.17 a 148.16±13.41 ab
0.30 125.95±11.73 a 111.70±10.25 a 156.24±15.52 a
表 4 Cd 对豆瓣菜 NPT、GSH 和 PCs 含量的影响
Cd2+/mg·L-1 NPT/μg·g-1 GSH/μg·g-1 PCs/μg·g-1
0(CK) 81.50±8.01 e 20.94±2.05 e 60.56±4.05 c
0.10 94.74±9.08 d 24.65±2.68 e 70.09±3.95 bc
0.15 115.60±11.75 c 37.93±3.73 d 77.67±6.80 ab
0.20 122.55±12.16 bc 43.41±2.49 c 79.14±5.66 ab
0.25 136.17±12.88 ab 49.25±4.60 b 86.92±4.55 a
0.30 145.22±13.66 a 53.90±3.86 a 91.32±4.77 a
20 2013 年 12 月(下)中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES
随着 Cd 浓度的升高,SOD、POD 和 CAT 活性表现为先升后降的趋势(孙光闻 等,2004),脯氨
酸和 PCs 含量不断增加(Ashraf & Foolad,2007)。本试验发现,随着 Cd 浓度的升高,豆瓣菜
3 种抗氧化酶活性以及脯氨酸和 PCs 含量表现为上升的趋势。说明豆瓣菜可通过提高抗氧化酶活
性以及脯氨酸和 PCs 含量,来缓解 Cd 毒害。0.10 mg · L-1 Cd 处理下,SOD、POD 和 CAT 活性
分别比对照增加 7.25%、4.44% 和 6.87%,而 PCs 含量较对照增加 15.74%,变幅较大,可能此
时 PCs 对 Cd 的螯合在缓解 Cd 毒害方面起主要作用。当 Cd 浓度在 0.15~0.30 mg·L-1 之间时,
3 种酶活性仍有显著升高,PCs 含量无显著变化,可能是 Cd 抑制了 PCs 合成,降低了其对 Cd2+
的螯合能力,游离 Cd2+ 不断积累诱导了 3 种酶活性大幅提高,但目前尚无类似报道,需要进一
步试验验证。脯氨酸含量不断升高,可能是为了维持细胞渗透压以增强细胞结构的稳定性(邹
日 等,2011)。
3.2 Cd 在豆瓣菜体内积累规律与食品安全
豆瓣菜地上部 Cd 含量随 Cd 处理浓度的增加而增加,不同部位 Cd 含量为根>茎>叶,与
潘静娴等(2006)的研究结果相同。当 Cd 浓度为 0.10 mg·L-1 时,菜薹、芥菜、叶用莴苣、蕹
菜和苋菜地上可食部位 Cd 含量分别为 0.74、0.29、0.59、0.39 mg·kg-1 和 1.11 mg·kg-1(杜应琼 等,
2003)。本试验中,Cd 浓度为 0.10 mg·L-1 时,豆瓣菜地上部 Cd 含量为 0.12 mg·kg-1。对比可
知,豆瓣菜对 Cd 的积累要低于菜薹、芥菜、叶用莴苣、蕹菜、苋菜。当 Cd 浓度为 0.20 mg · L-1
时,豆瓣菜地上部 Cd 含量超过国标限值。
综上所述,豆瓣菜是一种 Cd 敏感型蔬菜。较低浓度 Cd 就会抑制豆瓣菜的生长,环境中 Cd
未超标的情况下,豆瓣菜地上部仍可出现 Cd超标现象,以上结论仅为营养液栽培条件下试验所得。
土壤栽培条件下 Cd 对豆瓣菜生长的影响还应开展进一步的研究。为了给 Cd 敏感型蔬菜的安全
生产提供更加详细的科学依据,现提出以下研究建议:第一,叶菜对 Cd 的积累存在种类(杜应
琼 等,2003)和品种(陈瑛 等,2009)差异,因此可加强 Cd 对不同种类、品种叶菜生长影响
的相关研究,可选择 Cd 低积累和耐 Cd 的叶菜进行种植以提高叶菜的安全生产系数,也可为叶
菜产地环境 Cd 含量限值的修改提供一定的参考依据。第二,肥料的长期施用会导致土壤中 Cd
含量上升,相对于旱生蔬菜,水生蔬菜常规生产需大量灌溉用水,加大了其受重金属污染的可
能性。因此,在 Cd 敏感蔬菜种植前应加强对土壤和灌溉用水质量的检测,尽可能避免 Cd 污染。
第三,温度和光照的变化会影响植物对重金属的吸收(Fritioff et al.,2005;李秋华 等,2007)。
叶菜对 Cd 的吸收积累也可能存在季节性差异,因此应开展不同栽培时期 Cd 对叶菜生长影响的
研究,为不同栽培时期叶菜的安全生产提供参考依据。第四,加强缓解叶菜 Cd 污染栽培新技术
的研发,降低 Cd 向叶菜可食部位的迁移率,确保叶菜的安全生产。
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·信息·
“蔬菜根结线虫病”技术光盘简介
蔬菜根结线虫病为设施蔬菜毁灭性病害,极难防治,很多农民称它为蔬菜的“癌症”,严重影响蔬菜的正常
生产和产品的质量安全。北京市农委、北京市科委设立专题项目支持技术攻关,北京市植物保护站、北京市大兴
现代农业技术创新服务中心和北京瑞蕊农视文化传媒有限公司联合将相关技术成果拍摄成科普光盘,由学苑音像
出版社正式出版,隆重推荐给广大读者。
《蔬菜的“癌症”——根结线虫病发生、危害与传播》通过大量现场镜头、实物照片和动画演示等,系统展现
线虫的为害特点、微观特征、发生规律、传播途径等。富有趣味的现场介绍,生动形象的专家讲解,可以帮助大
家很好地认识蔬菜根结线虫病发生为害规律和控制原理,以及“预防为主,综合防治”的防治策略。邮购价:35 元。
《蔬菜的“癌症”——根结线虫病防治实用技术》系统地介绍了培育无病幼苗、棚室土壤消毒、抗线虫蔬菜品
种的应用、嫁接防病、药剂防治、种植诱集或者驱避植物等综合防治技术。通过大量田间操作镜头,结合技术人
员和植保专家的现场讲解,帮助大家直观地认识和掌握预防与控制蔬菜根结线虫病的多项技术措施。邮购价:35 元。
邮购地址:北京市海淀区中关村南大街 12 号 《中国蔬菜》编辑部 邮编:100081 电话:010-82109550