摘 要：镉是污染土壤最普遍的元素之一，具有很强的生物迁移性，镉污染已经潜在的威胁着生态系统和人体健康。本课题以玉米幼苗为供试材料，采用盆栽培养，研究重金属镉对植物生长发育过程中的生物量以及抗氧化性酶活性的影响。主要研究结果包括：随着镉含量增高，种子发芽率降低，幼苗生长受到抑制，生物量显著降低，主要表现为株高下降，根系和地上部的鲜重、干重也显著下降，说明随着镉浓度升高，对幼苗的伤害程度逐渐加深；在镉胁迫下，幼苗抗氧化酶系统（SOD、POD、CAT）的活性变化不相同，随着镉浓度的增高，过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性呈现先上升后下降的趋势，而过氧化物酶（POD）的活性却呈现出逐渐增高的趋势。 关键词：镉；玉米幼苗；萌发生长；抗氧化系统 中图分类号：S513 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.[1**********] 1 文献综述 镉（Cd）是人体非必需元素，在自然界中含量很少，在地壳中的分布也很低。正常环境状态下，不会影响人体健康。但自20世纪初，镉被人类发现以来，镉的产量逐年增长，随之有相当数量的镉被排入环境而对大自然造成污染[1-2]。 低浓度的镉可以使植物生长速度加快，刺激植物生长[3]，而在高浓度胁迫下，植物的生长受到抑制甚至会死亡[4]。玉米幼苗受镉胁迫，幼苗矮小、叶片发黄、卷曲，地上部生物量显著降低，而镉对根部的抑制作用最为明显，使根部发黑、卷曲，侧根数目减少，根长减短甚至使根部不再生长。镉胁迫伤害了植物的根系，导致植物无法进行正常的光合作用和蒸腾作用等，从而抑制了植物的生长发育[5]。 本研究以玉米幼苗为供试材料，采用盆栽培养，研究重金属镉在植物生长发育过程中对其各生长指标的影响，深入探究讨论污染物镉对玉米的危害，从而在玉米的农业生产以及与玉米有关的食物保健方面提供一定的理论依据。 2 材料与方法 2.1 实验材料与处理 2.1.1 供试材料 本实验所用玉米品种为农大108，选择颗粒饱满，大小均一的种子用于实验。供试土壤为黄土性褐土，是山西省主要农田土壤，采自山西大同大学校园中的表层（0～20cm）土壤，采集后自然干燥土壤，并把土壤中存在的植物根系挑取出来，筛除大于2mm的土块石子。实验在山西大同大学生命科学学院实验室进行。 2.1.2 实验试剂 氯化镉（纯度>98 %）、0.05 mo1/L磷酸缓冲液、130 mmo1/L甲硫氨酸溶液、0.75 mmo1/L氮蓝四唑溶液、0.1 mmo1/L EDTA-Na溶液、2 %双氧水溶液、0.05 mol/L愈创木酚溶液 2.1.3 实验仪器 锥形瓶、研钵、容量瓶、花盆、754紫外可见分光光度计（上海光谱仪器有限公司）、TGL-16M型台式高速冷冻离心机（湖南湘智）、SPX-150B-Z型光照恒温培养箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂） 2.2 试验方法与设计 2.2.1 玉米盆栽实验设计 实验开始前先将玉米种子浸泡12h，吸胀膨大后挑选个大且饱满的颗粒，在37℃烘箱烘干3d 后，用灭菌的蒸馏水去掉瘪粒，用3% 的双氧水浸泡20～30min ，再用灭菌蒸馏水冲洗3～5次，处理完毕后种子按每盆10粒播种（约2cm深）于实验土壤中进行培养。实验材料的镉浓度选用剂量5 mg/L、10 mg/L、30 mg/L、50 mg/L、100mg/L共5个剂量，并设CK为不添加镉的对照组。具体操作过程为先将适量氯化镉溶于200mL去离子水配成氯化镉水溶液，加入到2kg干燥土壤中，并将土壤充分混匀后装到同样规格的花盆中，室温下平衡1周后用于接下来的盆栽实验。 2.2.2 实验样品采集与处理 实验第5周，分别收集在不同浓度镉胁迫下玉米幼苗的叶和根系，将样品冲洗干净，用吸水纸擦干后放入塑料袋密封，再迅速放入冰柜中保存，用于接下来的植物幼苗各生物量的测定。 2.3 测定项目与方法 2.3.1 幼苗各生物量的测定 检查并记录已经采集并处理后的玉米幼苗的株高、地上部鲜重和干重以及根系的鲜重和干重等指标。对幼苗的株高进行测量时，首先在每盆中随机选取3棵完整的、生长良好的玉米植株，用尺子测量植株从根尖到最高叶面的距离，每株测量3次，并计算3株的平均值。玉米地上部干重和根干重的测量方法是，先将幼苗鲜样在90℃ 烘箱中烘烤30min，降温至60℃ 下烘焙48h，得到植株恒重，然后称其重量。每项测试重复3次。 2.3.2 超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定 采用硝基四唑蓝（NBT）光还原法[6]。 2.3.3 过氧化物酶（POD）活性的测定 采用愈创木酚法测定[6] 2.3.4 过氧化氢酶（CAT）活性的测定 采用紫外分光光度法测定[7]。 2.4 数据处理与分析 采用软件Excel 2003对实验数据进行计算并处理、统计后绘制图表，绘制后图表中的数据均为3次测量后取的平均值。用DSP统计分析软件做F检验，差异显著性分析均采用极差法进行多重比较，P0.05为差异不显著。 3 结果与分析 3.1 镉对玉米幼苗生长的影响 3.1.1 镉污染对玉米种子萌发的影响 由图1可知，添加镉会抑制种子的萌发，并且随着镉浓度的增大，玉米种子的发芽率逐渐降低。不过在本实验所测定的镉污染浓度范围内，即使在最大胁迫下也未产生统计显著差异。证明玉米种子发芽率不是镉污染土壤敏感指标。 3.1.2 镉污染对玉米幼根生长的影响 由图2、图3可知，土壤中添加镉会使幼苗根系数量减少，主要表现为根系鲜重、干重降低。由于镉胁迫，玉米根系鲜重由对照的8.46g降到5.11g，干重也由2.25g降到了1.33g。如图2所示，随着镉胁迫的加深，根系鲜重逐渐减小，在5mg/L镉胁迫下变化不明显，从10 mg/L开始就呈现出显著变化，在100mg/L最强胁迫条件下鲜重只有对照组的1/3，说明镉对玉米根系生长影响严重。 由图3可知，镉会阻碍玉米种子幼根的生长。镉浓度为10、30、50、100 mg/L时，随着镉浓度的增大，与对照组CK相比较，玉米幼根的重量逐渐降低，并且差异均显著，分别下降了32.49 %、53.26 %、68.53 %、89.12 %，说明镉对玉米幼根的生长有明显的抑制作用。 3.1.3 镉污染对玉米幼苗地上部生物量的影响 实验观测发现，高浓度镉污染土壤中幼苗的生长受到明显的抑制，出现植株矮化，植物叶片失绿、卷叶、烧尖或斑点型病变等症状，但没有出现幼苗死亡的现象。当添加镉胁迫浓度超过10 mg/L时，玉米叶片出现不同程度的失绿，生物量也较对照组显著降低。观测结果由图4可知，低浓度时株高没有显著差异，但随着镉浓度的增加表现为株高下降。由图5、图6 可知，地上部鲜、干重随着镉浓度的增加而逐渐减少，表明高浓度镉胁迫对玉米幼苗的生长和发育有明显的毒害作用。 3.2 镉对抗氧化酶活性的影响 3.2.1 镉对超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响 在本实验中，镉的浓度为5、10、30 mg/kg时，与CK相比，SOD的活性分别升高了12.01 %、18.73 %、40.68 %；而当镉浓度为50、100 mg/kg时，与对照组相比，SOD的活性分别升高了25.43 %、15.26 %。即镉胁迫下，SOD活性先升高后降低，但与对照组相比，仍高于对照，且差异显著。在镉胁迫浓度是30 mg/kg时，SOD的活性达到最大值。 3.2.2 镉对过氧化物酶（POD）活性的影响 在本实验中，在不同梯度浓度的镉胁迫下，POD的活性呈现明显上升的趋势，如图8所示，当镉胁迫浓度为5、10、30、50、100 mg/kg时，与对照组相比，POD活性分别升高了13.85 %、33.24 %、80.63 %、126.37 %、175.26 %。 3.2.3 镉对过氧化氢酶（CAT）活性的影响 在本实验中，在不同梯度浓度的镉胁迫下，与对照组相比，CAT的活性分别升高了8.42 %、22.29 %、48.42 %、36.68 %、12.17 %。即镉处理下，当镉胁迫浓度为5、10、30 mg/kg时，CAT活性逐渐升高；当镉胁迫浓度为50、100 mg/kg时，CAT活性逐渐降低，但仍高于CK，且镉浓度为30 mg/kg，CAT活性达到最大值。 3.3 分析与讨论 本研究采用盆栽培养，研究了不同浓度镉胁迫下，种子发芽率、幼苗株高、各生物量以及抗氧化酶等指标的变化情况。在本实验所测定的镉污染浓度范围内，即使在最大胁迫下种子发芽率也未产生统计显著的差异，证明玉米种子发芽率不是镉污染土壤毒性效应的敏感指标。 实验结果也表明，镉胁迫对玉米幼苗有毒害作用，从不同镉浓度下玉米幼苗呈现的不同形态以及株高和生物量的差异可以直观地反映出其所受的胁迫程度[8]。研究结果也表明，低浓度镉胁迫下玉米幼苗的株高和生物量与对照组相比，没有表现出显著差异，但随着镉胁迫的不断加深，幼苗的形态、株高和生物量与对照组相比变化显著，反映出玉米幼苗的伤害程度明显增大。同时还发现地上部生物量的变化显著于根部生物量的变化，表明镉胁迫对玉米幼苗地上部的影响作用大于根系。此外，从经济效益和生态相关性的角度，玉米地上部茎、叶生长性状及生物量可能是影响其未来产量的直接相关因素[9]，因此在选择植物幼苗进行污染物生态效应评估时，地上部（茎和叶）生物量应该是一个较为理想的测试终点。在抗氧化酶系统对胁迫环境的反应过程中，POD 被激活的程度最大[10]，所以推测POD可能在此系统中起着举足轻重的作用。 参考文献 [1] 蒋汉明， 李书启，韩希凤 等. 镉对植物生长的影响及植物耐镉机理的研究进展[J].广东微量元素科学， 2012， 19（5）：1-6. [2] 国家环境保护总局. 中东部地区生态环境现状调查报告[J]. 环境保护， 2003， 26（8）： 3-8. [3] 张显龙，于涛，冯婧微. 大豆对镉的累积特性及形态研究[J]. 安徽农业科学， 2010， 38（2）：672-673. [4] 康浩， 石贵玉， 潘文平等. 镉对植物毒害的研究进展[J]. 安徽农业科学， 2008， 36（26）： 11200-11201. [5] Wang C.R， Shi C.E， Liu L， et al. Lanthanum element inducedimbalance of mineral nutrients， HSP 70 production and DNA-protein crosslink， leading to hormeticresponse of cell cycle progression in root tips of Vicia faba L. Seedlings[J]. Dose-Response， 2012（10）：96. [6] 李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 高等教育出版社， 2000： 164-169. [7] 李忠光， 李江鸿， 杜朝昆， 等. 在单一提取系统中同时测定五种植物抗氧化酶[J]. 云南师范大学学报， 2002， 22（6）： 44-48. [8] Belimov A.A， Safronova V.I， Tsyganov V.E. Genetic variability in tolerance to cadmium and accumulation of heavy metals in pea （Pisum sativum L.）[J] . Euphytica， 2003. 131（1）： 25-35. [9] Ghassemi-Golezani K， Tajbakhsh Z. Relationship of plant biomass and grain filling with grain yield of maize cultivars[J]. International Journal of Agriculture and Crop Sciences， 2012， 4（20）： 1536-1539. [10] 田国忠， 李怀方. 植物过氧化物酶研究进展[J]. 武汉植物学研究， 2001， 19（4）： 332-344. 作者简介：刘丽珍（1979-），女，山西右玉人，硕士，助理实验师，研究方向：生理学及分子生物学。
摘 要：镉是污染土壤最普遍的元素之一，具有很强的生物迁移性，镉污染已经潜在的威胁着生态系统和人体健康。本课题以玉米幼苗为供试材料，采用盆栽培养，研究重金属镉对植物生长发育过程中的生物量以及抗氧化性酶活性的影响。主要研究结果包括：随着镉含量增高，种子发芽率降低，幼苗生长受到抑制，生物量显著降低，主要表现为株高下降，根系和地上部的鲜重、干重也显著下降，说明随着镉浓度升高，对幼苗的伤害程度逐渐加深；在镉胁迫下，幼苗抗氧化酶系统（SOD、POD、CAT）的活性变化不相同，随着镉浓度的增高，过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性呈现先上升后下降的趋势，而过氧化物酶（POD）的活性却呈现出逐渐增高的趋势。 关键词：镉；玉米幼苗；萌发生长；抗氧化系统 中图分类号：S513 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.[1**********] 1 文献综述 镉（Cd）是人体非必需元素，在自然界中含量很少，在地壳中的分布也很低。正常环境状态下，不会影响人体健康。但自20世纪初，镉被人类发现以来，镉的产量逐年增长，随之有相当数量的镉被排入环境而对大自然造成污染[1-2]。 低浓度的镉可以使植物生长速度加快，刺激植物生长[3]，而在高浓度胁迫下，植物的生长受到抑制甚至会死亡[4]。玉米幼苗受镉胁迫，幼苗矮小、叶片发黄、卷曲，地上部生物量显著降低，而镉对根部的抑制作用最为明显，使根部发黑、卷曲，侧根数目减少，根长减短甚至使根部不再生长。镉胁迫伤害了植物的根系，导致植物无法进行正常的光合作用和蒸腾作用等，从而抑制了植物的生长发育[5]。 本研究以玉米幼苗为供试材料，采用盆栽培养，研究重金属镉在植物生长发育过程中对其各生长指标的影响，深入探究讨论污染物镉对玉米的危害，从而在玉米的农业生产以及与玉米有关的食物保健方面提供一定的理论依据。 2 材料与方法 2.1 实验材料与处理 2.1.1 供试材料 本实验所用玉米品种为农大108，选择颗粒饱满，大小均一的种子用于实验。供试土壤为黄土性褐土，是山西省主要农田土壤，采自山西大同大学校园中的表层（0～20cm）土壤，采集后自然干燥土壤，并把土壤中存在的植物根系挑取出来，筛除大于2mm的土块石子。实验在山西大同大学生命科学学院实验室进行。 2.1.2 实验试剂 氯化镉（纯度>98 %）、0.05 mo1/L磷酸缓冲液、130 mmo1/L甲硫氨酸溶液、0.75 mmo1/L氮蓝四唑溶液、0.1 mmo1/L EDTA-Na溶液、2 %双氧水溶液、0.05 mol/L愈创木酚溶液 2.1.3 实验仪器 锥形瓶、研钵、容量瓶、花盆、754紫外可见分光光度计（上海光谱仪器有限公司）、TGL-16M型台式高速冷冻离心机（湖南湘智）、SPX-150B-Z型光照恒温培养箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂） 2.2 试验方法与设计 2.2.1 玉米盆栽实验设计 实验开始前先将玉米种子浸泡12h，吸胀膨大后挑选个大且饱满的颗粒，在37℃烘箱烘干3d 后，用灭菌的蒸馏水去掉瘪粒，用3% 的双氧水浸泡20～30min ，再用灭菌蒸馏水冲洗3～5次，处理完毕后种子按每盆10粒播种（约2cm深）于实验土壤中进行培养。实验材料的镉浓度选用剂量5 mg/L、10 mg/L、30 mg/L、50 mg/L、100mg/L共5个剂量，并设CK为不添加镉的对照组。具体操作过程为先将适量氯化镉溶于200mL去离子水配成氯化镉水溶液，加入到2kg干燥土壤中，并将土壤充分混匀后装到同样规格的花盆中，室温下平衡1周后用于接下来的盆栽实验。 2.2.2 实验样品采集与处理 实验第5周，分别收集在不同浓度镉胁迫下玉米幼苗的叶和根系，将样品冲洗干净，用吸水纸擦干后放入塑料袋密封，再迅速放入冰柜中保存，用于接下来的植物幼苗各生物量的测定。 2.3 测定项目与方法 2.3.1 幼苗各生物量的测定 检查并记录已经采集并处理后的玉米幼苗的株高、地上部鲜重和干重以及根系的鲜重和干重等指标。对幼苗的株高进行测量时，首先在每盆中随机选取3棵完整的、生长良好的玉米植株，用尺子测量植株从根尖到最高叶面的距离，每株测量3次，并计算3株的平均值。玉米地上部干重和根干重的测量方法是，先将幼苗鲜样在90℃ 烘箱中烘烤30min，降温至60℃ 下烘焙48h，得到植株恒重，然后称其重量。每项测试重复3次。 2.3.2 超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定 采用硝基四唑蓝（NBT）光还原法[6]。 2.3.3 过氧化物酶（POD）活性的测定 采用愈创木酚法测定[6] 2.3.4 过氧化氢酶（CAT）活性的测定 采用紫外分光光度法测定[7]。 2.4 数据处理与分析 采用软件Excel 2003对实验数据进行计算并处理、统计后绘制图表，绘制后图表中的数据均为3次测量后取的平均值。用DSP统计分析软件做F检验，差异显著性分析均采用极差法进行多重比较，P0.05为差异不显著。 3 结果与分析 3.1 镉对玉米幼苗生长的影响 3.1.1 镉污染对玉米种子萌发的影响 由图1可知，添加镉会抑制种子的萌发，并且随着镉浓度的增大，玉米种子的发芽率逐渐降低。不过在本实验所测定的镉污染浓度范围内，即使在最大胁迫下也未产生统计显著差异。证明玉米种子发芽率不是镉污染土壤敏感指标。 3.1.2 镉污染对玉米幼根生长的影响 由图2、图3可知，土壤中添加镉会使幼苗根系数量减少，主要表现为根系鲜重、干重降低。由于镉胁迫，玉米根系鲜重由对照的8.46g降到5.11g，干重也由2.25g降到了1.33g。如图2所示，随着镉胁迫的加深，根系鲜重逐渐减小，在5mg/L镉胁迫下变化不明显，从10 mg/L开始就呈现出显著变化，在100mg/L最强胁迫条件下鲜重只有对照组的1/3，说明镉对玉米根系生长影响严重。 由图3可知，镉会阻碍玉米种子幼根的生长。镉浓度为10、30、50、100 mg/L时，随着镉浓度的增大，与对照组CK相比较，玉米幼根的重量逐渐降低，并且差异均显著，分别下降了32.49 %、53.26 %、68.53 %、89.12 %，说明镉对玉米幼根的生长有明显的抑制作用。 3.1.3 镉污染对玉米幼苗地上部生物量的影响 实验观测发现，高浓度镉污染土壤中幼苗的生长受到明显的抑制，出现植株矮化，植物叶片失绿、卷叶、烧尖或斑点型病变等症状，但没有出现幼苗死亡的现象。当添加镉胁迫浓度超过10 mg/L时，玉米叶片出现不同程度的失绿，生物量也较对照组显著降低。观测结果由图4可知，低浓度时株高没有显著差异，但随着镉浓度的增加表现为株高下降。由图5、图6 可知，地上部鲜、干重随着镉浓度的增加而逐渐减少，表明高浓度镉胁迫对玉米幼苗的生长和发育有明显的毒害作用。 3.2 镉对抗氧化酶活性的影响 3.2.1 镉对超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响 在本实验中，镉的浓度为5、10、30 mg/kg时，与CK相比，SOD的活性分别升高了12.01 %、18.73 %、40.68 %；而当镉浓度为50、100 mg/kg时，与对照组相比，SOD的活性分别升高了25.43 %、15.26 %。即镉胁迫下，SOD活性先升高后降低，但与对照组相比，仍高于对照，且差异显著。在镉胁迫浓度是30 mg/kg时，SOD的活性达到最大值。 3.2.2 镉对过氧化物酶（POD）活性的影响 在本实验中，在不同梯度浓度的镉胁迫下，POD的活性呈现明显上升的趋势，如图8所示，当镉胁迫浓度为5、10、30、50、100 mg/kg时，与对照组相比，POD活性分别升高了13.85 %、33.24 %、80.63 %、126.37 %、175.26 %。 3.2.3 镉对过氧化氢酶（CAT）活性的影响 在本实验中，在不同梯度浓度的镉胁迫下，与对照组相比，CAT的活性分别升高了8.42 %、22.29 %、48.42 %、36.68 %、12.17 %。即镉处理下，当镉胁迫浓度为5、10、30 mg/kg时，CAT活性逐渐升高；当镉胁迫浓度为50、100 mg/kg时，CAT活性逐渐降低，但仍高于CK，且镉浓度为30 mg/kg，CAT活性达到最大值。 3.3 分析与讨论 本研究采用盆栽培养，研究了不同浓度镉胁迫下，种子发芽率、幼苗株高、各生物量以及抗氧化酶等指标的变化情况。在本实验所测定的镉污染浓度范围内，即使在最大胁迫下种子发芽率也未产生统计显著的差异，证明玉米种子发芽率不是镉污染土壤毒性效应的敏感指标。 实验结果也表明，镉胁迫对玉米幼苗有毒害作用，从不同镉浓度下玉米幼苗呈现的不同形态以及株高和生物量的差异可以直观地反映出其所受的胁迫程度[8]。研究结果也表明，低浓度镉胁迫下玉米幼苗的株高和生物量与对照组相比，没有表现出显著差异，但随着镉胁迫的不断加深，幼苗的形态、株高和生物量与对照组相比变化显著，反映出玉米幼苗的伤害程度明显增大。同时还发现地上部生物量的变化显著于根部生物量的变化，表明镉胁迫对玉米幼苗地上部的影响作用大于根系。此外，从经济效益和生态相关性的角度，玉米地上部茎、叶生长性状及生物量可能是影响其未来产量的直接相关因素[9]，因此在选择植物幼苗进行污染物生态效应评估时，地上部（茎和叶）生物量应该是一个较为理想的测试终点。在抗氧化酶系统对胁迫环境的反应过程中，POD 被激活的程度最大[10]，所以推测POD可能在此系统中起着举足轻重的作用。 参考文献 [1] 蒋汉明， 李书启，韩希凤 等. 镉对植物生长的影响及植物耐镉机理的研究进展[J].广东微量元素科学， 2012， 19（5）：1-6. [2] 国家环境保护总局. 中东部地区生态环境现状调查报告[J]. 环境保护， 2003， 26（8）： 3-8. [3] 张显龙，于涛，冯婧微. 大豆对镉的累积特性及形态研究[J]. 安徽农业科学， 2010， 38（2）：672-673. [4] 康浩， 石贵玉， 潘文平等. 镉对植物毒害的研究进展[J]. 安徽农业科学， 2008， 36（26）： 11200-11201. [5] Wang C.R， Shi C.E， Liu L， et al. Lanthanum element inducedimbalance of mineral nutrients， HSP 70 production and DNA-protein crosslink， leading to hormeticresponse of cell cycle progression in root tips of Vicia faba L. Seedlings[J]. Dose-Response， 2012（10）：96. [6] 李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 高等教育出版社， 2000： 164-169. [7] 李忠光， 李江鸿， 杜朝昆， 等. 在单一提取系统中同时测定五种植物抗氧化酶[J]. 云南师范大学学报， 2002， 22（6）： 44-48. [8] Belimov A.A， Safronova V.I， Tsyganov V.E. Genetic variability in tolerance to cadmium and accumulation of heavy metals in pea （Pisum sativum L.）[J] . Euphytica， 2003. 131（1）： 25-35. [9] Ghassemi-Golezani K， Tajbakhsh Z. Relationship of plant biomass and grain filling with grain yield of maize cultivars[J]. International Journal of Agriculture and Crop Sciences， 2012， 4（20）： 1536-1539. [10] 田国忠， 李怀方. 植物过氧化物酶研究进展[J]. 武汉植物学研究， 2001， 19（4）： 332-344. 作者简介：刘丽珍（1979-），女，山西右玉人，硕士，助理实验师，研究方向：生理学及分子生物学。