咖啡幼苗對鎘脅迫的生理響應

王婭玲，李維峰，王永林，蘇志龍

(1.云南農業大學熱帶作物學院，云南普洱665000;2.普洱學院，云南普洱665000)

鎘是一種高生物毒性重金屬元素，是我國農田重金屬污染的主要元素之一［1］。有研究表明，低濃度的鎘能夠刺激植物生長發育，但是會給植物帶來更多的是毒害效應［2-4］。近年來，有關鎘對植物的毒害作用國內外進行了較多的研究。諸多研究表明，鎘能夠誘導植物體內活性氧的大量增加，引起細胞膜質過氧化［5-7］，從而影響植物生長發育，嚴重時甚至導致植物死亡。此外，鎘還能夠通過食物鏈進入人體，對人類健康產生極大危害［8］。因此，研究鎘對植物生理特征的影響對于指導農業生產及保護農業生態環境具有重要的意義。目前，已有很多關于鎘對植物生理影響的研究［9-13］，但是對于鎘對咖啡幼苗生理特征的影響還未見到報道。筆者采用盆栽法，研究在不同濃度梯度鎘脅迫下咖啡幼苗葉片葉綠素和抗氧化酶的變化情況，探討重金屬鎘脅迫對咖啡幼苗超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)以及葉綠素含量的影響，為揭示咖啡受到鎘脅迫后響應機制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗所用咖啡幼苗來自云南熱帶作物職業學院溫室育苗大棚，品種為卡蒂姆P3。咖啡種子在沙床上育苗，待幼苗生長42 d后，選擇長勢均勻、具三對葉的幼苗進行試驗。洗凈幼苗根部泥沙，用濃度0.1%高錳酸鉀浸泡根部，消毒10 min，將消毒好的咖啡幼苗用去離子水沖洗干凈。培養液母液為Hoagland-Arnon營養液。鎘脅迫溶液則用氯化鎘配制，先將氯化鎘與去離子水配制成1 g/L的溶液，然后按照不同比例加入Hoagland-Arnon營養液中，配制成0、10、20、40、60、80 mg/L 6個梯度濃度的鎘脅迫溶液。用濃度0.1%高錳酸鉀浸泡消毒60～80目分析純石英砂，蒸餾水洗凈、烘干后用作栽培基質。

1.2 試驗設計 試驗于2013年7～9月在云南熱帶作物職業學院智能溫室中進行。用口徑18 cm、高13 cm的花盆，塑料盆消毒洗凈后裝入適量石英砂，每盆植入4株咖啡幼苗。將栽好的試驗盆放置于溫室大棚內培養，先用Hoagland-Arnon營養液澆灌，待咖啡幼苗恢復正常生長7 d后再將配好的鎘脅迫營養液分別加入不同花盆內進行脅迫試驗。每盆每日澆灌20 ml不同脅迫濃度的鎘溶液，使得盆內砂基濕度維持在75%左右。每個脅迫濃度設3次重復。脅迫處理2個月后取樣，測定各項生理指標。

1.3 測定項目與方法 SOD活性采用氮藍四唑(NBT)比色法［14］測定;POD 活性采用愈創木酚法［15］測定;CAT活性采用紫外吸收法［16］測定;MDA含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法［17］測定;葉綠素含量采用分光光度法［15］測定。

1.4 數據分析 試驗數據用Excel2003進行基本處理。結果用SPSS進行方差分析、顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對咖啡幼苗葉綠素含量的影響 葉綠素是植物利用光能的主要色素。葉綠素含量是植物光合能力、營養脅迫和發育情況的重要指標。從表1可以看出，與空白對照相比，鎘脅迫下葉綠素a、b及葉綠素總量均顯著降低(P＜0.05);在鎘濃度達80 mg/L時，葉綠素a、葉綠素b含量分別下降了24.13%和20.76%，葉綠素總量下降了24.45%。

2.2 鎘脅迫對咖啡幼苗POD活性的影響 POD是植物體內清除活性氧酶系統的重要組成部分，在控制膜脂的過氧化、清除超氧自由基等方面起重要的作用。從表2可以看出，POD活性在低濃度鎘脅迫下上升，在鎘脅迫強度＞20 mg/L后POD活性下降至低于空白對照，在鎘脅迫濃度為80 mg/L時POD活性下降了20.96%。

表1 不同濃度鎘脅迫下咖啡幼苗葉片葉綠素含量

2.3 鎘脅迫對咖啡幼苗CAT活性的影響 CAT是植物細胞內清除活性氧的一種重要的抗氧化酶。它可以將過氧化氫分解為水和氧氣，從而維持細胞內過氧化氫的正常水平。從表2可以看出，在鎘濃度＜10 mg/L脅迫下，CAT活性呈上升趨勢;當鎘濃度＞20 mg/L時，CAT活性較空白對照明顯下降;在鎘脅迫濃度為80 mg/L時，與對照相比，CAT活性下降了32.35%。

2.4 鎘脅迫對咖啡幼苗SOD活性的影響 SOD能夠清除活性氧自由基，其活性與植物適應逆境能力密切相關。從表2可以看出，鎘脅迫對咖啡幼苗SOD活性影響顯著(P＜0.05)。在低濃度鎘脅迫下，咖啡幼苗SOD活性呈上升趨勢;在10 mg/L鎘脅迫下，SOD活性比空白對照上升了11.78%;但在鎘濃度＞20 mg/L時，SOD活性明顯受到抑制，在80 mg/L鎘脅迫時SOD活性僅為空白對照的70.9%。

表2 不同濃度鎘脅迫下咖啡幼苗抗氧化酶活性及MDA含量

2.5 鎘脅迫對咖啡幼苗MDA活性的影響 細胞膜的穩定是植物進行正常生理代謝的基礎。在逆境脅迫下，植物細胞內產生的活性氧會使細胞膜上的不飽和脂肪酸發生活性氧反應，其產物MDA含量是反映細胞膜受損程度的一個重要指標。從表2可以看出，在重金屬鎘脅迫下，咖啡幼苗葉片MDA含量隨鎘濃度的增加而顯著增加(P＜0.05)，80 mg/L鎘脅迫下脅迫咖啡幼苗MDA含量比對照增加了41.9%，說明細胞膜受到較嚴重的損害。

3 結論與討論

鎘是植物的生長的非必需元素。它被植物的吸收后會對植物生長發育造成危害。研究中，在0～80 mg/L濃度鎘脅迫下，咖啡幼苗體內葉綠素a、葉綠素b含量均隨著鎘濃度的增加而顯著降低(P＜0.05)，而且鎘濃度越高，葉綠素總量下降越多。這可能是由于鎘脅迫下咖啡幼苗體內活性氧增加，從而導致葉綠素降解。此外，鎘也會影響有關葉綠素合成相關酶的活性，導致葉綠素含量降低［18］。

在植物體內，POD、CAT和SOD等酶共同組成抗氧化酶體系，協同防御活性氧自由基對植物細胞產生傷害，維持植物體內代謝平衡，增強植物的抗逆境脅迫能力，延緩葉綠素、蛋白質等降解。研究表明，咖啡幼苗葉片POD、CAT及SOD活性在鎘濃度≤10 mg/L的脅迫下隨鎘濃度增加而升高，而后當鎘濃度＞20 mg/L時，酶活性隨鎘濃度的增加而降低。這可能是由于高濃度的鎘影響3種酶的空間結構或活性氧濃度過高導致酶合成受到抑制。

在正常生長情況下，植物體內活性氧自由基產生與清除處于動態平衡狀態，但是逆境脅迫會打破這種平衡，導致植物體內活性氧自由基的大量產生，而葉片中活性氧自由基會引起膜質過氧化作用，造成細胞膜損傷，影響植物正常生理代謝。MDA是膜脂過氧化的重要產物，其含量是判斷膜脂過氧化程度的一個重要指標［19］。研究中，MDA含量隨著鎘濃度的升高而顯著增加，說明在鎘脅迫下咖啡幼苗細胞膜發生較嚴重的過氧化，其生長代謝受到較大的影響。

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