玉豆(Phaseolus vulgarisL.),又名菜豆、四季豆,系豆科菜豆属栽培种,一年生缠绕或近直立草本植物,原产美洲的墨西哥和阿根廷,我国在16世纪末开始引种栽培.玉豆营养丰富,蛋白质含量高,既是蔬菜又是粮食,还可作糕点和豆馅,是我国最重要的蔬菜种类之一,也是南菜北运最佳蔬菜之一,华南地区春秋两季均可播种.

镉(Cadmium,Cd)是生物非必需的毒性最强的重金属元素之一,具有稳定、积累和不易清除等特性,进入土壤环境中易被植物吸收,并可通过食物链进入人体,在人体内不断积累,具有潜在的致癌作用,严重威胁人体健康及生命安全^{[1, 2, 3]}.随着我国工业化的快速发展,有色金属开采、冶炼过程和使用含镉原料的工矿企业每年都有大量镉通过 “三废” 排到环境中.据研究,排到环境中的镉有82%~94%进入土壤,其中相当部分为农业土壤^[4].在我国,因镉含量超标被迫弃耕的耕地约为 1.3×10⁴hm^2[5].

镉对农业环境的污染状况及其对农作物生长发育、生理特性的影响已引起人们广泛的关注^{[1, 6, 7, 8, 9, 10]},大量研究表明,豆科植物如花生^{[11, 12]}、大豆^{[13, 14]}等对重金属镉有较强的耐性和富集能力,而且不同基因型(品种)间的耐性和富集能力差异明显;关于镉对玉豆的影响也有部分研究^{[15, 16, 17, 18]},但对于镉胁迫下玉豆品种之间差异特征的研究鲜有报道.因此,本实验选用两个玉豆品种幼苗,采用水培实验,研究镉胁迫下两种玉豆生长和叶片中抗氧化酶的变化,比较它们耐镉的差异性,为探究耐镉毒害机理提供理论依据. 1 材料与方法 1.1 材料

供试材料为优选双亲16号玉豆(优选玉豆)和泽盈特选12号玉豆(特选玉豆),由广州世贸农业科技有限公司和香港泽盈农业有限公司生产. 1.2 处理方法

选择籽粒饱满的种子,用10%双氧水消毒10 min,经自来水和蒸馏水漂洗干净后,播于装有经高压灭菌的蔬菜育苗基质(由广州市园林基质厂生产)的盆钵中,待幼苗生长一周后,选择长势一致的幼苗,用海绵包茎固定幼苗,移栽到装有清水的塑料盆里(容积为1 L),加漏盖,盆外套上黑色袋子便于根系生长,每盆3株,第二天把塑料盆里的清水换成 Hoagland 全营养液,缓苗1周后,将两种玉豆分别置于镉浓度为0、2、5、8、15 mg·L^-1的Hoagland营养液中培养,镉 以CdCl₂·2.5H₂O水溶液的形式加入营养液中.每个处理设3个重复.每隔1 d更换一次含镉营养液,1周后收获.实验于2014年3月下旬至4月中旬在广州华南农业大学一玻璃温室内自然光照条件下进行,通过空调控制其昼温为25 ℃、夜温为18 ℃. 1.3 测定方法

株高采用直接测量;植株生物量测定采用称重法,先用自来水反复冲洗干净,吸水纸吸干表面水分,称取鲜重,105 ℃下杀青30 min,于80 ℃烘干至恒重,称取干重;根形态测定使用STD-4800 根系扫描仪(Regent Instruments,Canada)进行,经WinRHIZO Reg(2009年版)根系分析软件获取根系扫描图像,并获得根系总长度、总表面积、平均直径和总体积等根构型参数.丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性和过氧化氢酶(CAT)活性均参照邹琦^[19] 的方法. 1.4 数据分析

数据处理采用Microsoft Excel 2003、SPSS 17.0统计软件,采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD多重比较各处理间的差异显着性.作图分析采用SigmaPlot 12.0软件. 2 结果与分析 2.1 镉对两种玉豆生长特性的影响 2.1.1 玉豆株高和植株生物量

表 1显示两种玉豆的株高随着镉处理浓度的升高而显着降低.与对照相比,在2、5、8 mg·L^-1和15 mg·L^-1镉处理下,特选玉豆的株高分别下降了23.21%、40.05%、43.02%和56.06%,优选玉豆株高分别下降了12.32%、35.22%、37.41%和44.87%,说明相同浓度镉处理下优选玉豆的株高下降幅度小于特选玉豆.

表 1 镉对两品种玉豆株高和植株生物量的影响 Table 1 Effects of cadmium stress on plant height and biomass of two kidney bean cultivars

表选项

两种玉豆的植株生物量也随镉处理浓度的升高而明显下降,与对照相比,在2、5、8 mg·L^-1和15 mg·L^-1处理下,特选玉豆地上部鲜重分别下降了19.21%、34.52%、42.24%和48.87%,根系鲜重分别下降了38.3%、41.81%、48.83%和54.09%,地上部干重分别下降了18.87%、40.17%、52.78%和54.11%,根系干重下降了31.02%、35.87%、42.62%和44.17%;优选玉豆地上部鲜重分别下降了15.37%、28.96%、32.27%和45.38%,根系鲜重分别下降了15.34%、33.87%、36.74%和44.09%,地上部干重分别下降了20.26%、49.84%、51.89%和51.14%,根系干重分别下降了15.37%、35.39%、37.42%和42.67%. 2.1.2 玉豆根构型

表 2显示,经不同镉浓度处理后,两种玉豆的总根长,表面积、平均直径和总体积都显着低于对照组.在2、5、8、15 mg·L^-1镉处理下,特选玉豆的总根长与对照相比分别下降了35.18%、56.83%、58.85%和61.07%,优选玉豆分别下降了27.07%、35.11%、40.48%和51.21%;特选玉豆各处理组的根表面积与对照相比分别下降了29.07%、57.11%、57.26%和63.86%,优选玉豆分别下降了43.04%、45.79%、54.36%和61.77%;特选玉豆各处理组的根平均直径与对照相比分别下降了2.7%、4.05%、9.46%和10.81%,优选玉豆分别下降了5.59%、6.39%、7.39%和8.09%;特选玉豆各处理组的总根体积与对照相比分别下降了22.75%、48.5%、56.29%和61.67%,优选玉豆分别下降了40.3%、41.79%、54.23%和60.7%.其中特选玉豆的根系长度、根表面积和总体积在镉浓度为5、8、15 mg·L^-1的处理组之间差异不显着;优选玉豆的根表面积、平均直径和体积在各个镉处理组之间差异不显着,其根系长度在2、5、8 mg·L^-1处理组之间差异不显着.

表 2 镉对两品种玉豆根构型的影响 Table 2 Effect of cadmium stress on root architecture of two kidney bean cultivars

表选项

经不同浓度镉处理后,两种玉豆的MDA含量(图 1)随镉浓度的升高而显着增加,且在相同浓度下,特选玉豆体内的MDA含量明显高于优选玉豆.其中特选玉豆在镉浓度为15 mg·L^-1时达到了56.62 μmol·g^-1 FW,与对照相比增加了3.57倍;优选玉豆的MDA含量在15 mg·L^-1时为27.72 μmol·g^-1 FW,与对照相比增加了2.91倍.

图 1 镉处理对两品种玉豆MDA含量影响 Figure 1 Effect of cadmium stress on MDA contents of two kidney bean cultivars

图选项

两种玉豆的SOD活性(图 2)随镉浓度的升高呈现先增加后下降的趋势.其中特选玉豆的SOD活性在各浓度间差异显着,在5 mg·L^-1处理时达到最大值292.83 U·g^-1 FW,与对照相比增加了66.79%,但在15 mg·L^-1镉胁迫时与对照相比下降了30.95%,与5 mg·L^-1处理时相比下降了58.60%;优选玉豆SOD活性在2 mg·L^-1和5 mg·L^-1镉处理时差异不显着,在8 mg·L^-1处理时达到最大值238.78 U·g^-1 FW,比对照增加了81.15%,但在15 mg·L^-1镉胁迫时与对照相比增加了11.5%,与8 mg·L^-1处理时相比则下降了38.48%.

图 2 镉处理对两种玉豆SOD活性影响 Figure 2 Effect of cadmium stress on SOD activity of two kidney bean cultivars

图选项

在各浓度镉处理下,两种玉豆的POD活性(图 3)都显着高于其对照组,其中特选玉豆的POD活性增加的趋势比优选玉豆缓慢且幅度小,在15 mg·L^-1时达到最大值2 048.33 U·g^-1 FW·min^-1,比对照增加了29.1%;优选玉豆POD活性随镉浓度的升高而显着增加,在15 mg·L^-1时达到最大值2840 U·g^-1 FW·min^-1,比对照增加了1.38倍.

图 3 镉处理对两种玉豆POD活性影响 Figure 3 Effect of cadmium stress on POD activity of two kidney bean cultivars

图选项

经不同镉浓度胁迫后,特选玉豆CAT活性(图 4)随胁迫浓度升高呈先增后降的趋势,且各处理与对照相比差异显着,在8 mg·L^-1处理时为最高值1 366.67 U·g^-1 FW·min^-1,与对照相比增加了1.16倍;优选玉豆的CAT活性随胁迫浓度升高而升高,各浓度间差异显着,在15 mg·L^-1处理时为最高值1 036.67 U·g^-1 FW·min^-1,与对照相比增加了0.94倍.

图 4 处理对两种玉豆CAT活性影响 Figure 4 Effect of cadmium stress on CAT activity of two kidney bean cultivars

图选项

镉是一种有毒的非必需元素,易于被植物吸收、富集,过量的镉会影响植物的正常生长发育^[20].有研究^[21] 表明,镉胁迫下植物的株高、生物量等生长指标会受到一定的抑制作用.在本实验中,镉胁迫下两种玉豆的株高和植株质量与对照相比均明显下降,在2 mg·L^-1镉胁迫时两种玉豆就开始受到明显的抑制,其抑制程度随镉胁迫浓度的升高而不断增强,在最高浓度(15 mg·L^-1)时受到的抑制作用最为显着.就下降幅度而言,同样镉浓度下,特选玉豆下降的幅度大于优选玉豆,说明特选玉豆比优选玉豆更易受到重金属镉的伤害.

根系长度和表面积等指标是反应根型特征的基本参数,一般而言,植物受到外界刺激后根构型发生改变,进而影响地上部生长发育.有研究^[22] 表明,钨可通过影响根系伸长区的扩张来抑制根增长.苏格兰松幼苗根系经镉处理后,根的伸长明显受到抑制^[23],且镉胁迫对幼苗根尖细胞的抑制和毒害作用具有显着的积累效应^[24].本研究也显现类似的结果,经镉处理后,两种玉豆的总根长、表面积、平均直径、总体积等都受到不同程度的抑制,整体而言,特选玉豆在8、15 mg·L^-1处理时的降低幅度大于优选玉豆.

一般植物在重金属胁迫下体内活性氧(Reactive oxygen species,ROS)会大量增加,导致植物体内发生代谢紊乱,从而对植物的生长产生不利影响.许多研究表明镉可诱导脂质过氧化过程^{[25, 26]},MDA是膜脂过氧化的产物,其含量可反映机体内脂质过氧化的程度,也间接反映细胞损伤的程度,是衡量膜脂过氧化损伤的指标^[27].据此,通过测定植物体内MDA含量的变化,可以反映该植物抵抗不良环境能力的强弱.很多研究^{[28, 29]} 表明,在重金属胁迫下,MDA含量上升.在本试验中,随镉胁迫浓度的增加,两种玉豆的MDA含量呈上升趋势,其中特选玉豆的上升幅度大于优选玉豆,表明特选玉豆的膜脂过氧化程度高于优选,这在一定程度上说明镉胁迫对特选玉豆的伤害程度比优选玉豆大.

为了防止脂质过氧化损伤,植物通过提高SOD、POD、CAT等各种抗氧化酶的活性来维持植物体内ROS产生和清除的动态平衡^{[29, 30, 31, 32]}.SOD酶可清除污染物诱导以及正常代谢过程产生的超氧阴离子自由基,是植物抗氧化系统发挥功能的首要酶,而CAT酶和SOD酶主要是清除植物体内的H₂O₂,能将H₂O₂分解为O2和H₂O,是过氧化物酶体的主要酶类.在本实验中,两种玉豆SOD和特选玉豆CAT活性随着营养液中镉浓度的增加先上升后下降,上升的原因是植物应激产生的保护作用以降低膜脂过氧化程度,随着镉浓度的升高,镉引起的过氧化物不断积累、过氧化损伤不断增加,打破了植物体内ROS产生和清除的动态平衡,使其活性开始下降,说明两种玉豆SOD活性存在一个镉胁迫浓度的阈值.两种玉豆POD和优选玉豆CAT活性随着营养液中镉浓度的增加而持续上升,可能与两种玉豆在镉胁迫下的应激有关.从3种酶活性的变化幅度来分析,特选玉豆SOD和CAT活性的变幅大于优选玉豆,有研究表明当SOD活性降低时抗性强的品种下降幅度小^{[31, 32]},表明优选玉豆的抗性高于特选玉豆.而优选玉豆的POD活性增强幅度远大于特选玉豆,可能是由于优选玉豆体内清除H₂O₂的关键酶是POD,亦或许与植物体内产生的H₂O₂含量有关. 4 结论

(1)随着镉处理浓度的升高,两种玉豆的株高和生物量显着降低,且特选玉豆降低的幅度大于优选玉豆.

(2)经不同浓度镉处理后,两种玉豆的总根长、表面积、平均直径和总体积都显着降低,且特选玉豆在中高浓度处理下的降低幅度大于优选玉豆.

(3)两种玉豆的MDA含量随镉浓度的升高而升高,特选玉豆MDA含量的增幅大于优选玉豆,表明其脂质过氧化程度高于优选玉豆;特选玉豆SOD活性和CAT活性变幅都大于优选玉豆,但优选玉豆POD活性变幅大于特选玉豆.

综合两种玉豆上述生长和生理指标的变化可知,优选玉豆耐重金属镉的能力高于特选玉豆.