外源eBL對鎘脅迫下綠豆幼苗葉片礦質元素吸收及鎘積累的影響

宋雅娟，陳 斌，冷 艷，李師翁

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，蘭州 730070)

當今土壤和水環境中的重金屬污染問題已經成為了全世界面臨的重大環境問題[1].鎘(Cd)是環境威脅最大的重金屬之一，因其具有較高的水溶性及毒性，即使在較低的濃度下也會對植物細胞產生毒性[2].Cd2+作為一種游離水合離子，可與有機或無機配體結合，并與植物所需的礦質元素競爭吸收位點，易被植物根系吸收，并經木質部運輸至莖和葉，在植物體內蓄積[3].過量的Cd會引發植物體內必需營養素和水分吸收的失衡，抗氧化系統的損傷，以及細胞結構的破壞等不良反應，進而擾亂植物正常的生長發育及代謝過程，造成植物死亡[4].因此，降低植物對Cd的吸收，緩解Cd對植物造成的不良脅迫成為環境科學領域的一個研究熱點.

24-表油菜素內酯(24-epibrassionlide，eBL)是一類重要的具有生物活性的油菜素甾體化合物[5].大量研究表明，外源eBL的應用可提高植物對重金屬脅迫的抗性及耐受性[6-8].礦質營養元素(Mg、K、Ca、Cu、Zn、Fe等)在植物生長發育過程中至關重要，但重金屬脅迫往往會抑制植物對營養元素的吸收.外源eBL的施加可以提高重金屬脅迫下植物對礦質元素的攝入量，減輕重金屬對植物造成的不利影響.有研究表明，Cd脅迫下，外源eBL的施加可以促進豇豆(VignaunguiculataL.)幼苗對礦質元素(Ca、Mg、Mn、Fe、Cu、Zn)的攝入，并降低Cd在植物中的吸收與轉運，緩解Cd對豇豆造成的毒害[9].

綠豆(VignaradiataL.)是一種廣泛種植的重要豆科作物，是人類普遍食用的一種健康營養的豆類食品.本人前期研究[10]發現，外源eBL的應用可有效維持Cd脅迫下綠豆幼苗細胞的氧化還原穩態，并通過調控抗氧化系統活性來減輕由Cd引起的植物細胞膜脂過氧化，從而緩解Cd對綠豆幼苗造成的毒害.但是，外源eBL提高植物對Cd的耐受性是否能調控植物對礦質元素吸收，需要開展研究.因此，本研究以綠豆幼苗為材料，探究外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片礦質元素K、Ca、Mg、Cu和Zn吸收及Cd積累的影響，揭示外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗礦質元素及Cd吸收的調控作用.

1 材料與方法

1.1 供試材料

植物材料為綠豆[Vignaradiata(L.) R Wilczek]種子.Hoagland營養液配方[11]，eBL 和Cd處理濃度分別為0.05 μmol/L和100 μmol/L，由前期試驗確定[10].100 μmol/L Cd處理液由Hoagland營養液稀釋CdCl2·2H2O原液配制而成，0.05 μmol/L eBL處理液由蒸餾水稀釋1 mmol/L原液配制而成.試驗中使用的所有化學試劑均為分析純.

1.2 植物材料培養及處理

用自來水將綠豆種子沖洗3～5次后，加入75%乙醇溶液將清洗后的種子進行消毒.15 min后，再用蒸餾水將種子沖洗3次.在種子中加入2倍體積的蒸餾水，置于25±1 ℃保溫箱中吸水膨脹.12 h后再次將綠豆種子進行蒸餾水清洗，放入鋪有濕紗布的塑料盒中在25±1 ℃條件下萌發24 h.將發芽的綠豆均勻的播種于經清洗并滅菌育苗盤中，上覆適量珍珠巖.將育苗盤置于25±1 ℃，光照周期為14 h (PAR值為100 μmol/L·m-2·s-1)的生長箱中培養.培育5天后將生長均勻一致的綠豆幼苗用于后續試驗處理.

將生長了5天的綠豆幼苗進行以下處理：1) Hoagland 營養液培養(對照)；2) 含Hoagland營養液培養和0.05 μmol/L eBL預處理，以Hoagland+eBL表示；3) 含100 μmol/L Cd的Hoagland營養液培養，以Cd表示；4) 含100 μmol/L Cd的Hoagland營養液培養和0.05 μmol/L eBL預處理，以Cd+eBL表示.eBL預處理即在葉片上均勻噴施eBL溶液，直至葉片完全濕潤且有液滴滴落.2 h后，將CdCl2以Hoagland營養液的形式加入至育苗盤中.對照組在葉片上噴灑等體積的蒸餾水，2 h后，在育苗盤中加入等體積的不含Cd的Hoagland營養液.每個處理設3個生物學重復.分別在培養0、1、3、5、7、9天后將葉片收集，在75 ℃下烘干至恒重，研磨后過60目篩，用于礦質元素及Cd質量分數的測定.

1.3 葉片中K、Ca、Mg、Cu、Zn及Cd含量的測定

稱取0.5 g經研磨過篩后的葉片干樣于三角瓶中，放數粒玻璃珠，加20 mL濃HNO3，蓋上漏斗.在80 ℃電熱板上加熱1.5 h，后升溫至140 ℃加熱3 h.待紅棕色煙霧消失后，在三角瓶中加入2 mL HClO4，之后在175 ℃下繼續加熱，直到消解液呈無色透明或略帶黃色.待冷卻后，將消解液過濾后定容至25 mL容量瓶.同時作試劑空白.利用220FS火焰原子吸收分光光度計測定Cu、Zn、Cd質量分數.將消解液稀釋20倍后測定K、Ca、Mg質量分數.各元素測定時儀器參考測定條件如表1所列[12-13].

表1 元素測定參考條件

1.4 數據處理

利用SPSS軟件對數據進行單因素方差分析，均值采用最小顯著性差異(LSD)比較，以p<0.05為顯著性差異.用Origin 2018繪圖.

2 結果與分析

2.1 外源eBL對綠豆幼苗葉片Cd的質量分數的影響

隨著Cd處理時間的延長，植物葉片中的Cd的質量分數顯著(p<0.05)增加，第9 d葉片Cd的質量分數比第1 d提高了9.4倍.與Cd處理相比，Cd+eBL處理使葉片中的Cd的質量分數顯著(p<0.05)降低78.6%(見圖1).說明外源eBL的施加可有效降低Cd在綠豆幼苗中的積累.

圖1 外源eBL對綠豆幼苗葉片Cd積累量的影響Fig.1 Effects of exogenous eBL on Cd content inleaves of mung bean seedlings

2.2 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片K的質量分數的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理使第5 d至9 d葉片中K的質量分數顯著(p<0.05)增加15%.與對照Hoagland相比，Cd處理使所有處理時間點K的質量分數顯著(p<0.05)降低10.0%.與Cd處理相比，eBL+Cd處理使第1 d至7 d葉片中K的質量分數輕微提高2.7%，第5 d顯著(p<0.05)提高10.2%.說明Cd脅迫會降低植物對K的攝入量，但外源eBL的應用可部分緩解Cd脅迫對K的吸收抑制(見圖2).

圖2 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片K含量的影響Fig.2 Effects of exogenous eBL on K content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.3 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Mg的質量分數的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理使葉片Mg質量分數顯著(p<0.05)降低3.4%.與對照Hoagland相比，Cd處理使Mg質量分數顯著(p<0.05)提高18.4%.與Cd處理相比，eBL+Cd處理使葉片Mg質量分數顯著(p<0.05)提高4.0%.隨著處理時間的延長，對照組及eBL處理中葉片Mg含量變化不大.Cd處理和eBL+Cd處理使Mg含量呈不斷上升的趨勢(圖3).說明Cd脅迫促進了綠豆對Mg 的吸收，外源eBL的應用進一步提高植物對Mg的吸收.

圖3 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片Mg質量分數 的影響Fig.3 Effects of exogenous eBL on Mg content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.4 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Ca的質量分數的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理使葉片Ca質量分數顯著(p<0.05)增加20.9%(第3 d除外).與對照Hoagland相比，Cd處理和eBL+Cd處理使所有處理時間點葉片Ca質量分數分別顯著(p<0.05)降低93.1%和93.0%.與Cd處理相比，eBL+Cd處理使葉片Ca的質量分數變化不大.隨著處理時間的延長，對照和eBL處理使Ca含量呈逐漸增加趨勢，eBL+Cd處理與Cd處理中Ca含量變化不大(見圖4).說明Cd2+會競爭Ca2+的吸收位點，導致植物對Ca的吸收量降低，外源eBL對葉片Ca含量影響較小.

圖4 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Ca質量 分數的影響Fig.4 Effects of exogenous eBL on Ca content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.5 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Zn的質量分數的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理使葉片中Zn的質量分數顯著(p<0.05)增加38.9%，但Cd處理使Zn質量分數顯著(p<0.05)降低26.8%.說明Cd脅迫降低了植物對Zn的攝入量.與Cd處理相比，eBL+Cd處理在第5 d和9 d顯著(p<0.05)提高葉片Zn含量(見圖5).說明外源eBL的應用可在處理后期促進植物對Zn的吸收.

圖5 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Zn的質量 分數的影響Fig.5 Effects of exogenous eBL on Zn content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.6 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Cu的質量分數的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理、Cd處理以及eBL+Cd處理使所有處理時間點葉片中Cu的質量分數分別顯著(p<0.05)降低47.7%、43.6%和41.1%.與Cd處理相比，eBL+Cd處理顯著(p<0.05)提高第7 d和9 d葉片中Cu含量(見圖6).說明Cd脅迫抑制植物對Cu的吸收，外源eBL的應用可在處理后期促進植物對Cu的吸收.

圖6 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Cu的質量 分數的影響Fig.6 Effects of exogenous eBL on Cu content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

3 討論

當植物暴露于Cd時，Cd極易被植物組織吸收并結合在細胞壁上，并通過植物韌皮部進行遷移，從而積累在植物的任何部分[14].過量的Cd不僅對植物造成不利影響，還會通過食物鏈威脅人及其他動物的健康.本研究表明，隨著Cd處理時間的延長，綠豆幼苗葉片中的Cd積累量顯著增加，但外源eBL的施加有效降低了Cd的積累量.外源eBL的應用同樣可以降低Cd在龍葵(SolanumnigrumL.)[15]和豌豆(PisumsativumL.)[16]葉片中的積累量.這些研究結果表明外源eBL的應用可以通過降低Cd在植物中的積累量，緩解Cd脅迫對植物產生的毒害，提高植物對Cd的耐受性.

礦質營養元素在植物正常生長發育過程中起著至關重要的作用.K是限制植物生長發育的重要營養元素，Cu和Zn廣泛參與植物多種代謝過程，是植物細胞多種氧化還原酶的重要輔助因子，參與植物呼吸代謝過程中的氧化還原反應[17-18].然而，當植物暴露于重金屬環境中，重金屬離子競爭性結合于K、Cu、Mg、Zn和Ca等離子通道，導致植物對礦質營養元素吸收量以及轉運能力降低，造成植物生理代謝過程紊亂[19]，這也是重金屬抑制植物生長，致使植物死亡的重要原因之一.本研究表明，Cd脅迫造成綠豆幼苗葉片中K、Ca、Cu和Zn含量降低，說明Cd降低了綠豆對這些礦質元素的吸收和轉運.文獻[20]中，Cd脅迫降低桉(EucalyptusurophyllaL.)葉片中Mg、 K、Ca、Cu、Zn和Fe等礦質營養元素的含量.與文獻[20]中研究結果不同的是，我們的研究發現 Cd脅迫提高了綠豆幼苗葉片中的Mg含量，表明Cd脅迫促進了綠豆對Mg的吸收，這與方言等[11]在水芹菜(OenanthejavanicaL.)葉片上的研究結果相同.外源eBL 的施加可提高植物對營養元素的吸收與轉運，緩解重金屬脅迫對植物造成的毒害[21].在本研究中，eBL提高了Cd脅迫下綠豆幼苗葉片K含量以及處理后期Cu和Zn含量，且提高了葉片中Mg含量.但eBL的應用對葉片中Ca含量影響較小.Sumira等[16]研究發現，外源eBL可提高Cd脅迫下豌豆地上部分組織中Mg、 K、Ca、Cu、Zn和Fe等營養元素的吸收量.有研究提出，外源eBL之所以能改善植物因Cd脅迫造成的對營養元素吸收的抑制，可能與其可以降低Cd積累量，提高可溶性蛋白和核酸水平，以及提高ATP酶活性有關[20].Cd脅迫往往會對植物細胞中的質子泵，尤其是對H+-ATP酶泵影響較大，H+-ATP酶在植物細胞內主要通過建立化學電位梯度起到維持離子平衡的作用.eBL通過調控H+-ATP酶活性，促進植物細胞對營養元素的吸收，維持植物細胞中的離子穩態[22].另外，重金屬與營養元素交互作用的相關研究提出，植物營養元素的缺失與重金屬累積有關，充足的營養元素又會降低植物對重金屬的吸收與累積[23-24].外源eBL可通過增強植物根系對K+、Ca2+和Mg2+的吸收，使礦質陽離子被優先輸送至幼葉，起到降低Cd遷移量的作用[25].因此，一方面，eBL促進Cd脅迫下綠豆幼苗礦質元素的吸收，從而間接降低了Cd的吸收和在葉片中的積累量.另一方面，eBL通過對植物其他生理生化過程的調控提升Cd脅迫下植物的生理生化活性，增加對礦質元素的吸收，進一步降低對Cd的吸收.

4 結論

Cd暴露時，導致植物葉中Cd積累量的增加，降低K、Ca、Cu和Zn含量.外源eBL可顯著促進K、Ca、Cu、Zn和Mg等離子的吸收和在葉片中的含量，從而顯著降低Cd的吸收和在葉片中的累積量.因此，顯著促進植物對其他元素的吸收是eBL顯著降低植物葉片中的Cd含量，提高植物Cd脅迫耐受性的機制之一.