蚕豆幼苗期根系和叶片生理指标对UV－B辐射、铅镉胁迫和复合胁迫的响应

赵锦慧

（周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口466001）

近年来，由于环境污染，臭氧层遭到破坏，导致到达地球表面UV－B辐射增加，过量的紫外线进入生物圈势必对动植物产生严重的影响，UV－B辐射增强对动植物生理、生化和生长发育影响的研究已有大量报道[1－4]，这为科学评价 UV－B环境生物学效应奠定了基础.另外，随着工业、城市及农业污染的加剧，土壤重金属污染日益严重，造成对农作物及人类的危害，这已成为全球关注的环境污染问题[5－7].中国每年都有因镉污染而引起的农作物减产或污染事件[8].据研究[9]，重金属铅镉等是一类主要的环境毒性因子，对植物有明显的毒害与诱变作用，不同浓度铅、镉对小麦幼苗生长代谢及小麦植株中过氧化氢酶和淀粉酶活性的影响不同.目前，有关重金属单一及复合污染对植物影响的研究，多集中在一些大田作物、蔬菜和牧草上[9]，而有关重金属对杂粮的影响研究[10－11]较少，特别是蚕豆对UV－B辐射和铅镉复合胁迫的响应研究更是鲜有报道.笔者以蚕豆为材料，研究UV－B辐射胁迫、铅镉胁迫及UV－B辐射和铅镉复合胁迫处理下，蚕豆幼苗期根系和叶片生理指标的变化，旨在探明UV－B辐射和铅镉重金属胁迫对蚕豆的影响，为开展UV－B辐射和重金属污染蚕豆的生物监测及优质栽培等提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

普通蚕豆，购于周口市农贸市场.

1.2 实验方法

1.2.1 铅镉胁迫液的制备

⑴ 称取硝酸铅（优级纯）803.50mg，加1.0 mol/L的硝酸10mL，全部溶解后移入1 000mL容量瓶中，加水至刻度，此溶液铅浓度为500mg/L.

⑵ 称取氯化镉（优级纯）40.62mg于300mL烧杯中，加水溶解，全部溶解后移入1 000mL容量瓶中，加水至刻度，此溶液镉浓度为20mg/L.

1.2.2 种子处理[12]

选取大小一致的蚕豆种子，氯化汞消毒15～20min后，用无菌水清洗4～5次，清洗结束后再用无菌水浸泡24h后等分为4组备用.

1.2.3 实验处理设计

⑴ 种子处理:实验设置4个组，第1组设为对照组，将蚕豆种子放入盛有适量蒸馏水的培养皿中，每天换水；第2组等分为3份，同样将蚕豆种子放入盛有适量蒸馏水的培养皿中，但分别进行UV－B辐射1d、3d、5d，每天辐射时间为2h；第3组等分为3份，分别将蚕豆种子放入铅镉溶液中浸泡1d、3d、5d，每天浸泡时间为12h，浸泡结束后转移至蒸馏水中恢复培养；第4组同样等分为3份，分别在UV－B辐射和铅镉溶液复合胁迫下处理1d、3d、5d，UV－B辐射胁迫方法同第2组，铅镉胁迫方法同第3组.5d后，将4个组的蚕豆种子全部转移到蒸馏水中培养，并记录转移时间，以此时间为起始点，分别于1d、3d、5d后进行根长及根系活力的测定.

⑵ 幼苗处理:分别选出能正常发芽的种子，水培，待幼苗长出4～6片真叶时，用上述4个组的处理方法处理蚕豆幼苗，处理结束后使幼苗恢复生长2d，然后进行幼苗期各个生理指标的测定.主要测定的生理指标有:可溶性蛋白含量、叶绿素含量、丙二醛含量、过氧化物酶活性.

1.2.4 测定项目

⑴ 发芽率的测定:种子经过处理后，进行萌发实验，每天观察1次发芽情况，统计各个处理萌发1d、3d、5d后的发芽率.

⑵ 根长的测定:用软尺测量根长，每个处理调查10颗蚕豆，根长取其平均值.

⑶ 根系活力的测定[13]:采用TTC法进行根系活力的测定.

⑷ 可溶性蛋白含量的测定[14]:采用考马斯亮蓝G－250比色法测定.

⑸ 叶绿素含量的测定:采用苏正淑[15]等的方法进行测定.

⑹ 丙二醛含量的测定[16]:采用硫代巴比妥酸（TBA）法测定.

⑺ 过氧化物酶活性的测定[17]:采用愈创木酚比色法测定.

2 结果与分析

2.1 铅镉胁迫、UV－B辐射胁迫及铅镉和 UV－B辐射复合胁迫对蚕豆种子萌发的影响

铅镉胁迫、UV－B辐射单一胁迫及铅镉和UVB辐射复合胁迫对蚕豆种子萌发率的影响结果见表1.由表1可知，与对照相比，相同处理时间下，无论在铅镉胁迫、UV－B辐射单一胁迫下，还是在铅镉和UV－B辐射复合胁迫下，蚕豆种子的发芽率均降低，复合胁迫下降得最明显，其次是UV－B辐射胁迫下，最后是铅镉胁迫下.这说明蚕豆种子的萌发受复合胁迫的影响最严重.

表1 各种处理下蚕豆种子的萌发率（%）

2.2 铅镉胁迫、UV－B辐射胁迫及铅镉和 UV－B辐射复合胁迫对蚕豆根系的影响

铅镉胁迫、UV－B辐射单一胁迫及铅镉和UVB辐射复合胁迫对蚕豆根系的影响结果见表2、表3.从表2根系生长速度看，铅镉胁迫处理对蚕豆根系生长抑制作用较轻，UV－B辐射胁迫处理的根系生长抑制现象明显，而复合胁迫处理下的根系最短，约为对照的50%.这说明铅镉胁迫和UV－B辐射胁迫同时作用于蚕豆根系时，对蚕豆根系生长的抑制具有叠加效应.从表3根系活力强弱看，与对照相比，相同处理时间下，铅镉胁迫处理时，蚕豆幼苗根系活力先增强后减弱.说明在最初受到胁迫时，蚕豆调动了自身防御体系，通过增强根系活力来抵抗铅镉胁迫的毒害，表现出较强的生命力，但随着铅镉胁迫时间的延长，其防御体系受到损伤，导致根系活力降低；而在UV－B辐射胁迫及复合胁迫处理下，蚕豆幼苗根系活力一直呈现减弱趋势.这说明UV－B辐射胁迫及复合胁迫对蚕豆根系的影响更明显.

表2 各种处理下蚕豆幼苗根长（cm）

2.3 铅镉胁迫、UV－B辐射胁迫及铅镉和 UV－B辐射复合胁迫对蚕豆幼苗叶片中叶绿素含量的影响

铅镉胁迫、UV－B辐射单一胁迫及铅镉和UVB辐射复合胁迫对蚕豆幼苗叶片中叶绿素含量的影响结果见表4.从叶片的外观看，铅镉胁迫处理下，蚕豆幼苗叶片在开始处理时，并未发生明显变化，但处理结束恢复生长后表现出一定的变化，说明铅镉胁迫对蚕豆幼苗叶片的毒害还是潜在的，毒害积累到一定程度就会在外观上表现出来；UV－B辐射处理后，蚕豆幼苗叶片立即发生明显的变化，可看到叶片边缘变紫，处理时间越长，紫黑现象越严重；复合胁迫处理下，蚕豆幼苗叶片长势较差，而且随着处理时间的延长，少量叶片萎蔫、凋落.从叶片中叶绿素的含量看，蚕豆幼苗对3种胁迫处理的敏感程度为:复合胁迫﹥UV－B辐射胁迫﹥铅镉胁迫，复合胁迫处理1d后，蚕豆叶片中叶绿素含量就明显下降，随着复合胁迫天数的延长，叶绿素含量仍然呈下降趋势，复合胁迫处理5d后叶绿素含量降低为对照的44.13%，这说明复合胁迫能明显影响蚕豆幼苗叶片的光合作用.

表3 各种处理下蚕豆幼苗根系活力（mg·g－1·h－1）

表4 各种处理下蚕豆幼苗叶片中叶绿素含量（mg·g－1）

2.4 铅镉胁迫、UV－B辐射胁迫及铅镉和 UV－B辐射复合胁迫对蚕豆幼苗叶片中可溶性蛋白含量的影响

表5 各种处理下蚕豆幼苗叶片中可溶性蛋白含量（mg·g－1FW）

铅镉胁迫、UV－B辐射单一胁迫及铅镉和UVB辐射复合胁迫对蚕豆幼苗叶片中可溶性蛋白含量的影响结果见表5.由表5可知，与对照相比，3种胁迫处理下，蚕豆幼苗叶片中可溶性蛋白含量均呈下降趋势，3种胁迫处理对蚕豆幼苗叶片中可溶性蛋白含量的影响程度为:复合胁迫﹥UV－B辐射胁迫﹥铅镉胁迫.

2.5 铅镉胁迫、UV－B辐射胁迫及铅镉和 UV－B辐射复合胁迫对蚕豆幼苗叶片中丙二醛含量的影响

铅镉胁迫、UV－B辐射单一胁迫及铅镉和UVB辐射复合胁迫对蚕豆幼苗叶片中丙二醛含量的影响结果见表6.由表6可知，与对照相比，铅镉胁迫处理下，蚕豆幼苗叶片中的丙二醛含量变化不明显，可能因为实验设置的铅镉浓度对叶片细胞膜脂过氧化程度影响较小，UV－B辐射胁迫及复合胁迫下，蚕豆幼苗叶片中的丙二醛含量明显升高，这说明了叶片细胞膜脂过氧化程度明显增强，植物自身通过提高保护酶活性来防止膜脂过氧化加剧的方式已受到限制，从而不能阻止UV－B辐射胁迫对细胞的伤害，无法再对细胞膜起一定的保护作用.

表6 各种处理下蚕豆幼苗叶片中丙二醛含量（μmol·g－1）

2.6 铅镉胁迫、UV－B辐射胁迫及铅镉和 UV－B辐射复合胁迫对蚕豆幼苗叶片中过氧化物酶活性的影响

铅镉胁迫、UV－B辐射单一胁迫及铅镉和UVB辐射复合胁迫对蚕豆幼苗叶片中过氧化物酶活性的影响结果见表7.由表7可知，3种胁迫处理下，蚕豆幼苗叶片中过氧化物酶活性均比对照增强.复合胁迫处理下，过氧化物酶活性增强最明显，其次是UV－B辐射胁迫处理，最后是铅镉胁迫处理.铅镉胁迫处理蚕豆幼苗后，过氧化物酶含量增加不明显，说明此浓度下的铅镉胁迫对蚕豆幼苗毒害不严重.UV－B辐射及复合胁迫处理后，过氧化物酶含量明显增多，而且随着处理天数的延长，过氧化物酶含量一直呈上升趋势，说明这2种胁迫处理下蚕豆幼苗受到的毒害较严重.

表7 各种处理下蚕豆幼苗叶片中过氧化物酶活性（U·mg－1·h－1）

3 讨论

本研究结果表明，铅镉胁迫、UV－B辐射胁迫及铅镉和UV－B辐射复合胁迫对蚕豆种子萌发、蚕豆幼苗生长及蚕豆幼苗叶片内各种生理指标含量均有不同程度地影响.3种胁迫处理下，与对照相比，蚕豆种子的发芽率、蚕豆幼苗根系生长速度、根系活力、蚕豆幼苗叶片内叶绿素含量、可溶性蛋白含量均呈降低趋势；而蚕豆幼苗叶片内丙二醛含量呈升高趋势，过氧化物酶活性呈增强趋势.各项指标对3种胁迫的敏感程度为:复合胁迫﹥UV－B辐射胁迫﹥铅镉胁迫.

植物对铅镉的吸收是由根系完成的，根系受到毒害后会出现生长速度减慢、胚根数量减少、根系活力降低等现象.根部发育受到影响后，地上部幼苗的生长也会受到抑制，幼苗会表现出植株矮小、叶片色泽变化、叶片内各种生理活性物质发生变化等症状[18－20].本实验研究也出现了上述类似结果.

植物通过叶片吸收UV－B，UV－B辐射剂量较大的情况下，叶片外形上首先会出现叶色变化，然后会凋谢；叶片内部的生理生化过程也受到干扰，表现为叶绿素含量、可溶性蛋白含量降低，丙二醛含量和过氧化物酶含量升高[21－26].本实验与前人研究结果相似.叶绿素含量降低会影响植物的光合作用，使光合作用产物减少，不利于植物的生长.可溶性蛋白含量的变化间接反映了植物生长情况的变化，逆境条件可能使蚕豆幼苗叶片内蛋白质、碳水化合物等分解加快，致使叶片内可溶性蛋白合成量下降[23－26].丙二醛是膜脂过氧化的主要产物之一，它的积累是活性氧毒害作用的标志性表现，其含量可以表示脂质过氧化的程度，因此丙二醛含量越高，说明植物受到的伤害也越大[21－22].过氧化物酶是植物体内的保护酶，植物处于逆境时，其含量会升高，过氧化物酶活性增强有利于保护细胞，使细胞在逆境下也能正常生长[24－25].

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