三个苜蓿品种对镉污染的生理生态反应及抗性比较.doc

吴旭红：三个苜蓿品种对镉污染的生理生态反应及抗性比较 661
三个苜蓿品种对镉污染的生理生态反应及抗性比较
吴旭红
齐齐哈尔大学生命科学与工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006

摘要：研究了镉对苜蓿（3个品种）发芽势、发芽率、根长、芽长、根鲜重等形态指标和SOD活性等生理指标的影响，以及镉污染期细胞膜透性的变化情况。探讨了镉胁迫下3个苜蓿品种抗性的差异，结果表明：30mg·L-1 Cd处理，严重抑制胚根、胚芽的增长，且鲜重急剧下降，随Cd处理质量浓度加大，3个品种SOD活性都呈上升趋势，其中多叶苜蓿升幅最大。高Cd处理（50 mg·L-1），3个品种SOD活性均有所下降。重度胁迫下，3个品种相对电导率和地上部Cd含量都增大，且品种间差异显著，相对电导率以多叶苜蓿最小，准格尔苜蓿最大，Cd含量的顺序为准格尔苜蓿＞肇东苜蓿＞多叶苜蓿。综合评价多叶苜蓿抗性较强，肇东苜蓿次之，准格尔苜蓿抗性较弱。
关键词：镉；苜蓿；抗性；生理生态
中图分类号：X171.5；Q945.78 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）05-0658-04
现代工农业生产的发展，工业“三废”、化肥、固体废弃物的不断增加及不合理管理，使土壤Cd含量急剧升高，土壤-植物-食品系统中Cd污染问题日益严峻。Cd作为一种危险的环境污染物质。较低质量浓度就能对植物产生毒害[1]。在人和动物体内，Cd是一种累积性的剧毒元素，其积累可引起人和动物的一些严重性疾病，甚至致死[2]。Cd对人类最大的危害途径是通过过量Cd所污染的食物链，而食品的生产又与土壤有着密不可分的关系。随着人们生活方式的改变和生活水平的提高，动物性食物摄取逐渐增多，对食品安全性的要求愈来愈高。在前人研究的基础上，对优质饲草——苜蓿的3个品种进行了镉污染下生理生态反应和抗性指标的分析研究，旨在为重金属污染区抗性苜蓿的选育提供依据。
1 材料和方法
1.1 材料
供试材料为黑龙江省畜牧研究所提供的肇东苜蓿（Medicago sativa L.cv.Zhaodong）、内蒙古准格尔苜蓿（M. sativa L.）、多叶型苜蓿8925（M. sativa L.）。
1.2 处理方法
1.2.1 镉污染液的配制
重金属试剂Cd·2.5H2O（分析纯）用Hongland全营养液配成0、5、10、20、30、40和50 mg·L-1质量浓度的含Cd营养液。
1.2.2 材料处理
选择饱满均匀的苜蓿种子用w=0.05% HgCl2溶液消毒2 min，用TB：BP做芽床，在洗净烘干的培养皿中放入三层滤纸，100粒种子/皿，分别用7 mL不同质量浓度的镉营养液润湿滤纸，于20 ℃恒温箱中光照8 h，黑暗16 h，湿度70%下发芽。每处理设三次重复。
各品种的种子另于培养皿中发芽，在胚根长至1 cm时移植于盛5 kg风干大田表土的花盆内，每盆200株，每3 d等量浇透水。一个月后每个品种改用0、5、10、20、30、40和50 mg·L-1质量浓度的含Cd营养液处理，每2 d浇灌一次，10 d后测SOD活性、细胞膜透性和植株地上部Cd含量。
1.3 测定指标及方法
1.3.1 测发芽率（SPT）、发芽势（GP）、胚根长（RL）、胚芽长（EL）和全株重（WHW）
将镉营养液中发芽的种子分别在第2 d、4 d、6 d、8 d、10 d、统计发芽数，第4 d测发芽势，第10 d测胚根长、胚芽长和全株重。胚根和胚芽长随机取20株完整芽测量，全株重随机取10株吸去水分后马上称重。
1.3.2 SOD酶活性测定参照Giannoplitis和Rise的方法[3]
1.3.3 细胞膜相对透性及Cd含量的测定
取幼苗地上部分0.2 g洗净后，蒸馏水洗涤3次，置玻璃管中加10 mL重蒸馏水充分振荡后静止3 h，用DDB-303A型电导率仪测其电导率初值，沸水浴煮10 min冷却后测电导率终值，计算相对电导率，重复3次。镉元素含量用岛津A-6300（SHIMAZU）原子吸收光谱仪测定。
2 结果与分析
2.1 镉污染对3个苜蓿品种种子发芽率、胚根、胚芽长度及株重的影响

如图1所示，镉胁迫下，其发芽势均有降低的趋势，三种苜蓿在Cd质量浓度低于20 mg·L-1时下降陡度较小，达到30 mg·L-1时，发芽势呈急剧下降。从图2也可看出Cd质量浓度低于10 mg·L-1，种子发芽率没有受到明显影响，20 mg·L-1时出现抑制效应，30 mg·L-1时发芽率降低明显，40 mg·L-1发芽率急剧下降。由此可见：30～40 mg·L-1是影响三种苜蓿种子发芽率和发芽势的临界点和耐受范围，在此范围内耐受力大小的顺序为多叶苜蓿＞肇东苜蓿＞准格尔苜蓿。
表1 不同质量浓度镉处理3个苜蓿品种胚根长度（cm）、胚芽长度（cm）和株质量（g）的影响
Table 1 Influences of different concentrations of Cd on RL、EL and WHW of three Medicago sativa L. cv
品种
测定项目
处理质量浓度ρ/(mg·L-1)
0
5
10
20
30
40
50
肇东苜蓿
RL
4.51±1.43a
4.25±0.95a
4.09±1.21a
3.95±0.86ab
2.98±1.32b
2.78±1.12b
2.01±0.93c

EL
2.46±0.93a
2.48±1.09a
2.21±0.79a
2.10±0.86a
1.74±0.72b
1.62±0.77b
1.43±0.86b

WHW
0.74
0.70
0.71
0.61
0.57
0.49
0.45
多叶苜蓿
RL
3.76±1.57a
3.93±1.27a
3.97±0.98a
3.62±1.01a
2.76±0.77b
2.05±0.68c
1.89±0.72c

EL
2.89±1.07a
2.81±1.10a
2.64±0.88a
2.38±0.95ab
2.00±0.79b
1.82±0.57b
1.56±0.63b

WHW
0.80
0.79
0.73
0.67
0.67
0.66
0.61
准格尔苜蓿
RL
3.99±1.37a
4.17±0.99a
3.95±0.71a
3.51±1.02ab
2.46±0.50b
1.85±0.73bc
1.42±0.58c

EL
2.64±0.98a
2.75±0.78a
2.39±0.71a
2.18±0.89a
1.76±0.49bc
0.99±0.62c
0.87±0.71c

WHW
0.79
0.72
0.66
0.50
0.44
0.39
0.37

由表1可见，在低镉处理下，肇东苜蓿芽长（5 mg·L-1）、多叶苜蓿根长（5 mg·L-1，10 mg·L-1）、准格尔苜蓿根长和芽长（5 mg·L-1）与对照相比都有所增加，但增幅不大，显示出低质量浓度处理对种子萌发的刺激效应[3]，但随镉处理质量浓度加大，各处理胚根、胚芽长度和株重都呈下降趋势。在30 mg·L-1、50 mg·L-1 处理及与对照之间，根长、芽长都达差异极显著水平（P <0.01）。高镉处理（40 mg·L-1、50 mg·L-1），多叶苜蓿和准格尔苜蓿与肇东苜蓿之间根长差异达到显著（P <0.01）水平，肇东苜蓿和多叶苜蓿与准格尔苜蓿之间芽长差异也达显著水平。
从对胚根的影响看，低质量浓度Cd对胚根、胚芽生长抑制作用较小，下降幅度均在12.4%，17.65%以下，达到30 mg·L-1，苜蓿胚根的长和胚芽的长均急剧下降，且对胚根的抑制作用大于胚芽，品种间比较<30 mg·L-1 Cd处理时，胚根生长多叶苜蓿受其影响最小，其次为准格尔苜蓿，再次为肇东苜蓿；质量浓度>30 mg·L-1时，下降幅度由小到大的顺序是多叶苜蓿<肇东苜蓿<准格尔苜蓿。对胚芽的抑制作用低Cd时，由小到大的顺序是准格尔苜蓿< 多叶苜蓿<肇东苜蓿；高质量浓度时，多叶苜蓿<肇东苜蓿<准格尔苜蓿。植株鲜重在低质量浓度处理时下降幅度不大，在30、40、50 mg·L-1处理时，下降幅度由小到大的顺序为多叶苜蓿<肇东苜蓿<准格尔苜蓿，故3个苜蓿品种萌发期抗镉污染的能力以多叶苜蓿较强，肇东苜蓿次之，准格尔较弱。
2.2 对SOD酶活性的影响
F检验结果显示，随着Cd质量浓度的提高，低质量浓度<30 mg·L-1和50 mg·L-1质量浓度间差异极显著（P<0.01），3个品种间的SOD活性在（30 mg·L-1、40 mg·L-1）镉处理下，差异也达极显著（P <0.01）水平。从图3中可见随Cd质量浓度升高，3个品种都显上升趋势，其中多叶苜蓿上升幅度大得多，准格尔苜蓿上升较慢，达20 mg·L-1时，又有所下降，达40 mg·L-1时，又升高，升高幅度比多叶苜蓿小，比准格尔苜蓿大。Cd质量浓度达50 mg·L-1时，3个品种均下降。

SOD作为氧自由基的清除剂，其活性提高是对于O2增加的急性解毒措施。研究表明，在一定Cd质量浓度范围内，苜蓿受Cd胁迫时，SOD活性都升高，超过这个范围，活性则下降，耐性强的品种下降幅度比耐性弱的品种小。由此可见，从保护酶活性变化来看，多叶苜蓿抗性较强，肇东苜蓿次之，准格尔较弱。
2.3 镉胁迫下细胞膜相对透性的变化
表2 各品种相对电导率（%）及地上部Cd含量（mg·kg-1）
Table 2 The relative conductivity and Cd content of three varieties of Medicago sativa L.cv
品种
处理质量浓度ρ/(mg·L-1)
0
5
10
20
30
40
50
多叶苜蓿
0.58a
0a
0.45a
0.11a
0.67a
0.63a
0.74b
0.85a
0.93b
1.16a
1.56b
3.09a
1.89b
4.38a
肇东苜蓿
0.61a
0a
0.54a
0.09a
0.71a
0.77a
1.32a
0.91a
1.29a
1.37a
2.61ab
4.23a
3.68abb
5.74ab
准格尔苜蓿
0.49a
0a
0.42a
0.13a
0.63a
0.59a
0.85b
0.94a
1.34a
2.72b
3.37ab
5.88b
5.94a
7.39b

3个品种相对电导率在轻度胁迫阶段＜20 mg·L-1无变化或略有降低，差异不显著（表2），达
到20 mg·L-1时，肇东苜蓿最大，准格尔苜蓿居中，多叶苜蓿最小。重度胁迫时，相对电导率均增大，3个品种间差异显著。以多叶苜蓿最小，准格尔苜蓿最大。说明多叶苜蓿膜稳定性较强，而准格尔苜蓿细胞膜已遭受严重破坏。轻度胁迫3个品种地上部分Cd含量差异不显著，但达到30 mg·L-1时，准格尔苜蓿地上部分积累的Cd大幅度增加，与多叶苜蓿和肇东苜蓿比均达到显著水平。
3 讨论
（1）根与芽的生长状况是研究逆境下对种子萌发影响的重要指标。实验表明：Cd污染抑制根的生长，使植株鲜重下降。低质量浓度时主要抑制胚根，高质量浓度时对胚芽的影响和抑制的似乎更强，就供试的3个品种而言，其抑制作用的临界点为30 mg·L-1，对其它苜蓿品种更准确的抑制质量浓度临界点有待于深入研究。
（2）镉伤害的原因之一在于需氧生物在逆境下产生的自由基能连续诱发膜脂过氧化作用，使膜变性，导致细胞死亡。与此同时，SOD作为抗不良环境的逆境蛋白，具有清除自由基的能力。苜蓿能在Cd胁迫下维持较高的SOD活性，SOD活性的提高，意味着保护能力的增强。说明苜蓿具有一定的适应、抵抗镉伤害的能力。本实验表明：随着Cd质量浓度增加，幼苗生长发育受到抑制，SOD先升后
降证明植物体内对Cd胁迫的适应抵御能力是有限度的，这与我们所观察到的Cd胁迫时间越长，苜蓿幼苗生长抑制愈严重的现象是一致的。
（3）3个苜蓿品种在镉胁迫下电导率都呈上升趋势，说明镉胁迫下，苜蓿外渗液电解质含量增加，引起电导率加大。这可能是因为镉污染后，细胞膜受到损害，使膜透性增加所致。不同Cd质量浓度，电导率的变化趋势也不相同，其中多叶苜蓿电导率变化幅度最小，说明其细胞膜受损程度小；而准格尔苜蓿随Cd质量浓度增大，电导率变化幅度最大，说明膜受害程度最大。虽然较低质量浓度≤10 mg·L-1Cd对苜蓿生长并无显著影响，但在此质量浓度下，苜蓿地上部分Cd含量分别达到了0.59 mg·kg-1～0.77 mg·kg-1，足以对动物产生危害。且随Cd质量浓度加大，苜蓿地上部Cd的积累也呈显著增加的趋势。
4 结论
Cd污染影响了苜蓿的生长状况抑制胚根、胚芽的伸长，使发芽率、发芽势降低，导致鲜重下降，其中多叶苜蓿表现出了较强的抗性。Cd污染影响了SOD活性，多叶苜蓿升高幅度大，肇东苜蓿先降后升，升高幅度介于多叶苜蓿和准格尔苜蓿之间，从而推测多叶苜蓿耐性较强。结合对膜损伤程度的比较及地上部分对Cd的富集等指标综合评价，3个苜蓿品种抗Cd污染能力的强弱顺序为多叶苜蓿最强，其次为肇东苜蓿，准格尔苜蓿最弱。

参考文献：
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Comparison of the resistance of three varieties of alfalfa to cadmium stress

WU Xv-hong
Qiqihaer University Life Science and Engineering College, Qiqihar 161006, China

Abstract: The effects of cadmium on the seed germination rate, germination potential, embryo length, radicle length, the whole plant weight and the activities of SOD of three varieties of alfalfa are studied. The change of relative electrical conduction in the cadmium contamination are also studied. The paper probes the difference of resistance among three varieties of alfalfa（Medicago sativa L. cv. Zhaodong, M. sativa L. cv. neimenggu Zhungeer, and 8925 M. sativa L. cv. duoye）. The results show that, using 30 mg·L-1 Cd deal with the alfalfa, it will seriously restrict growing of radicle and plumule and whole plant weight will decrease sharply. With the increase in Cd concentration, activities of SOD will appear a trend of increase in the three varieties of alfalfa. Among them, 8925 M. sativa L. cv. duoye is the most. Using 50 mg·L-1 Cd to deal with the three varieties of alfalfa, activities of SOD will decrease together. Under the serious stress, the three plants’ relative conductivity and the contents of Cd in the parts of above-ground will increase. Moreover, the differences among the three plants are obvious, and 8925 M. sativa L.cv. duoye is the minimum, and M. sativa L.cv. neimenggu Zhungeer is the maximum. The order of contents of Cd in the plants is M. sativa L. cv. neimenggu Zhungeer®Zhaodong®duoye. The resistance of 8925 M. sativa L. cv. duoye to Cd stress is higher than the other two varieties of alfalfa.
Key word: cadmium; Medicago sativa L. cv; resistance; eco-physiological