鎘脅迫對大豆幼苗生理特性的影響

燕 輝，王雪芹，代智光

（河南科技大學農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003）

近年來，隨著礦山開采、金屬冶煉與城市交通的迅速發展及農藥化肥的大量施用，重金屬污染物隨著工業三廢與農藥化肥被不斷地釋放到外界環境，最終導致了重金屬元素在土壤中的大量積累［1-2］。鎘是一種對動植物毒害極大的重金屬元素［3］，它進入土壤后主要累積在土壤表層，極少向下遷移［4-5］，從而導致土壤質量不斷降低；同時，鎘元素具有較高的生物有效性［6］，它極易被植物根系吸收，進而在植物體內不斷積累，影響植物正常的生長發育。若鎘離子經過食物鏈進入人體，則會對人體健康造成極大威脅。目前，土壤鎘污染已經成為限制農業可持續發展和危害人類生命健康的重要環境問題［7-8］。

大豆（Glycine maxMerr）富含植物蛋白、不飽和脂肪酸和膳食纖維，是我國重要的油料作物、糧食作物和飼料作物［3］，在穩定糧食產量和保障糧食安全方面發揮著極其重要的作用。近年來，隨著土壤中鎘元素的不斷積累，鎘污染對大豆生產的負面影響也在持續增加。為提高大豆的抗鎘性，廣大學者開展了大量基礎性研究工作［3，9-10］。但受當前大豆響應鎘脅迫生理機制的研究不夠全面的影響，提高大豆抗鎘性的研究成果收效甚微。因此，要穩定我國大豆產量、保障我國糧食安全，首先就必須探明大豆響應鎘脅迫的生理機制。為此，本研究對鎘脅迫下大豆葉片鎘離子含量、內源激素、光合碳同化及生長參數的變化進行了分析，進而為提高大豆抗鎘性研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料培養

將大豆種子播于已經裝滿基質的穴盤，并于種子發芽后選取生長勢均勻且發育良好的幼苗，移植到已裝相同質量基質的試驗盆內。在整個試驗期間保證充足的水分供應，以維持大豆幼苗正常的生長發育。幼苗生長2周后，分別使用100 mL添加0與200 μmol·L-1CdSO4的溶液對大豆幼苗進行脅迫處理。在處理1、3、6與9 d后，分別各選取4株幼苗，測定葉片鎘含量、光合參數、內源激素與生長參數等指標。

1.2 觀測項目與方法

1.2.1 光合參數測定

鎘脅迫1、3、6與9 d后，采用配置了紅藍光源（Li-6400-02B）的Licor-6400光 合 儀（LiCor Inc. Lincoln，Nebraska，USA）對 大 豆 葉 片 的 光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度等光合參數進行測定。測定時紅藍光源設置為1000 μmol·m-2·s-1，樣 品 室CO2濃 度 設 置 為400 μmol·mol-1。

1.2.2 生長參數測定

鎘脅迫1、3、6與9 d后，分別使用刻度尺測定大豆幼苗的株高，隨后迅速將幼苗從基質中挖出，將根系剪掉并置于溫度為105℃的烘箱中，烘干后稱重。同時，迅速將大豆葉片從枝條摘掉并拍照。使用AutoCAD計算葉面積。

1.2.3 葉片鎘含量測定

用液氮將葉片研磨成粉末。將天平稱重后的一定量葉片粉末、硝酸（10 mL）與高氯酸（1 mL）先后倒入三角瓶，靜置一夜后，將三角瓶置于約100℃的電熱板，消煮至瓶中溶液約0.5 mL。用25 mL容量瓶定容消煮液，并用原子吸收光譜儀測定葉片中鎘離子含量。

1.2.4 葉片內源激素含量測定

稱取一定量大豆葉片粉末，采用酶聯免疫法測定其中脫落酸（ABA）與玉米素核苷（ZR，細胞分裂素的一種）的含量。

2 結果與分析

2.1 鎘離子含量變化

鎘處理條件下，大量的鎘離子被大豆根系通過主動運輸或被動運輸的方式吸收。根系吸收的鎘離子會進一步通過木質部蒸騰流運輸至冠層，導致鎘離子在大豆冠層大量積累。對鎘脅迫下大豆葉片鎘離子含量變化進行分析發現：鎘脅迫1 d后，大豆葉片鎘離子含量即較對照顯著升高；伴隨著脅迫的加劇，葉片鎘離子含量呈逐步升高趨勢；200μmol·L-1鎘離子脅迫9 d后，大豆葉片鎘離子含量達到最大值（圖1）。

2.2 鎘脅迫對光合作用的影響

分析反映光合表觀特性的氣體交換參數變化，對深入認識作物響應逆境脅迫的生理機制有重要的作用。本研究對鎘脅迫下氣體交換參數的變化進行分析發現，伴隨著鎘脅迫時間的延長，大豆幼苗葉片光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均呈現出逐漸降低的趨勢；且在鎘脅迫9 d后達到最低值（圖2A、B、C）。而葉片胞間CO2濃度的變化趨勢與以上光合參數不同。鎘脅迫初期，伴隨著鎘脅迫時間的延長，胞間CO2濃度呈現出降低趨勢；但鎘脅迫9 d后，胞間CO2濃度又呈現出升高趨勢（圖2D）。

2.3 鎘脅迫對內源激素含量的影響

植物內源激素是植物體內產生的微量卻能起到生理調節作用的化合物。其中，脫落酸（ABA）與細胞分裂素（CK）是2種重要的植物內源激素，在調節氣孔運動、光合碳同化及作物生長過程中發揮著重要作用。對鎘脅迫條件下大豆葉片ABA、玉米素核苷（ZR，細胞分裂素的一種）及兩者拮抗效應（ABA/ZR）進行分析證實，葉片ABA含量在鎘脅迫1 d后即呈升高趨勢，且在鎘脅迫3 d后顯著升高；鎘脅迫9 d后，葉片ABA含量升至最高（圖3A）。與ABA不同，葉片ZR含量在鎘脅迫1 d后即呈現降低趨勢，且在鎘脅迫3 d后較對照顯著降低；鎘脅迫9 d后，葉片ZR含量降至最低值（圖3B）。葉片ABA/ZR值的變化趨勢與葉片ABA含量相似，隨著鎘脅迫程度的加劇，葉片ABA/ZR值呈現出逐步升高的趨勢，且在鎘脅迫9 d后升至最大值（圖3C）。

2.4 鎘脅迫下內源激素調控氣孔運動與光合碳同化的生理機制

為了探明鎘脅迫下內源激素調控氣孔運動與光合碳同化的生理機制，本研究對內源激素ABA含量、ZR含量及ABA/ZR與鎘離子含量的關系進行了分析，并進一步探討了ABA、ZR及ABA/ZR與氣孔導度及光合速率的相關性。結果表明，葉片ABA含量、ABA/ZR與鎘離子含量呈正相關（圖4A，C），ZR含量則與鎘離子含量呈負相關（圖4B）。進一步分析ABA、ZR及ABA/ZR與氣孔導度及光合速率的相關性發現，ABA、ABA/ZR與氣孔導度及光合速率呈負相關（圖5A，B，E，F），而ZR與氣孔導度及光合速率呈正相關（圖5C，D）。這表明ABA主要起到誘導氣孔關閉的作用，而ZR則能夠促進氣孔開放。

2.5 鎘脅迫對生長參數的影響

光合作用是作物干物質形成的生物學基礎。鎘脅迫對大豆光合碳同化的限制最終導致其生長參數的變化，其中，中短期鎘脅迫對大豆幼苗株高的影響不顯著；長期鎘脅迫后，大豆幼苗株高較對照顯著降低（圖6A）。葉面積與根干重對鎘脅迫的生理響應與株高相似，在中短期鎘處理下呈現出降低趨勢，在長期鎘脅迫下較對照顯著降低（圖6B、C）。

3 討論

3.1 鎘脅迫下的根源化學信號傳輸機制

土壤環境變化會首先影響作物根系生理特性。土壤鎘離子積累能夠對作物根系造成生理干旱，并進一步誘導根區內源激素的合成發生變化［11-12］。其中，生理干旱能夠誘導根源ABA的大量合成［13-14］，ABA通過木質部蒸騰流向上傳輸至冠層，并進一步誘導葉片氣孔收縮，進而降低作物光合碳同化速率［15］。生理干旱還會降低根系異戊烯酰基轉移酶活性，進而減少其催化合成根區ZR的量，通過蒸騰流傳輸至葉片的ZR量亦會同步降低［16］。ZR能夠拮抗ABA誘導的氣孔收縮，進而維持氣孔開度，提高作物光合碳同化速率［17］。因此，葉片氣孔的開放程度取決于ABA與ZR的綜合作用［18］。本研究對鎘脅迫下內源激素的復合作用（ABA/ZR）與葉片鎘離子含量、氣孔導度及光合速率的相關性進行了分析，伴隨著葉片鎘離子含量的升高，葉片ABA/ZR亦呈現出升高的趨勢，ABA/ZR的升高會誘導葉片氣孔收縮，進而降低葉片光合速率。

3.2 鎘脅迫下的光合氣孔與非氣孔限制

一般說來，降低作物光合碳同化的因素可分為氣孔與非氣孔兩類［19-20］。鎘脅迫初期，大豆幼苗能夠通過收縮氣孔降低葉片蒸騰，進而抑制根區積累的鎘離子向冠層運輸。同時，氣孔收縮亦會限制外界CO2進入葉肉細胞，導致細胞胞間CO2濃度降低。當細胞間隙CO2的量不能滿足光合碳同化需求時，即會對光合作用造成氣孔限制［21-23］。隨著鎘處理時間的延長，大量鎘離子通過主動運輸的方式進入根細胞，并通過木質部蒸騰流不斷運輸至葉肉細胞。鎘離子引起的逆境脅迫會增大葉肉細胞核膜、質膜與細胞器膜透性，嚴重時還會導致細胞核解體、細胞代謝紊亂、結構受損、功能衰退［24］，由此導致PS II反應中心受損，對光合碳同化造成非氣孔限制［25］。因此，作物光合碳同化在鎘脅迫條件下往往受到氣孔限制因素與非氣孔限制因素的共同作用［26］。至于哪一種因素在限制光合碳同化過程中起主導作用，目前主要是通過判斷氣孔導度、光合速率與胞間CO2濃度的變化方向來確定［27-28］。若氣孔導度、光合速率與胞間CO2濃度同步降低，表明氣孔因素在限制作物光合碳同化過程中起主導作用；反之，若氣孔導度與光合速率同步降低，而胞間CO2濃度升高，則表明非氣孔因素在限制作物光合過程中占主導［29］。本研究對鎘處理條件下光合碳同化的主要限制因素進行分析發現，鎘脅迫1～6 d時，土壤鎘環境形成的生理干旱會刺激化學信號（如內源激素ABA、ZR等）在根區積累；根源化學信號伴隨著木質部蒸騰流向上運輸至冠層，并誘導氣孔收縮。伴隨著氣孔導度的降低，光合速率與胞間CO2濃度亦呈現出降低的趨勢，表明鎘脅迫下的氣孔收縮是此時光合碳同化受限制的主要原因。隨著脅迫時間的延長，鎘脅迫9 d后，大量鎘離子進入大豆葉肉細胞，這將會對葉肉細胞造成離子毒害，進而降低葉片光合碳同化能力。當大豆葉片光合碳同化消耗的CO2量低于進入葉肉細胞的CO2量時，雖然大豆的氣孔導度與光合速率降低，但胞間CO2濃度呈現出升高的趨勢。這表明此時非氣孔因素是限制光合碳同化的主要原因。鎘處理對光合碳同化的限制最終導致長期鎘脅迫大豆的株高、葉面積與根干重較對照顯著降低。

4 結論

鎘脅迫造成了葉片ABA含量升高與ZR含量降低，ABA/ZR升高進一步誘導氣孔收縮，限制光合碳同化正常進行。

鎘脅迫初期，油菜葉片氣孔導度、光合速率與胞間CO2濃度均逐漸降低，氣孔收縮是此時光合受限的主要原因；鎘脅迫9 d后，伴隨著氣孔導度與光合速率的降低，胞間CO2濃度升高，非氣孔因素是此時光合受限的主要原因。

鎘脅迫對光合碳同化的限制最終導致了大豆株高、葉面積與根干重顯著降低。