钙对镉污染花生苗期生理特性及镉吸收的影响
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇钙对镉污染花生苗期生理特性及镉吸收的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：采用水培试验，对不同钙处理下镉污染花生幼苗的生理特性和镉吸收情况进行了研究。结果表明，花生幼苗的株高和鲜重均随钙浓度的增加而增加，而且较高浓度的钙提高了镉胁迫下花生幼苗叶绿素的含量，提高了叶片SOD、POD、CAT活性和根系活力，降低了MDA积累，说明一定范围内高浓度的钙可以缓解镉胁迫对花生生理特性的影响。此外，受镉胁迫的花生幼苗中镉的含量为根部>地上部，且随着钙浓度的增加，花生根部和地上部镉的含量均显著降低，说明在钙与镉进入花生体内时具有一定程度的拮抗作用。
中图分类号：X592文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）01-0091-05
花生是我国四大油料作物之一。目前，我国花生生产面临的主要挑战是黄曲霉毒素污染、农药残留（主要是丁酰肼污染）和籽粒镉含量偏高等问题。镉以其高毒性、高生物迁移性而备受关注[1～3]。有研究表明，与其它作物相比，花生籽粒对环境中的镉有较强的富集能力[4]。
钙是植物生长发育必需的营养元素，具有极其特殊的作用，它不仅作为细胞的结构物质，而且作为第二信使，调节植物对环境变化的响应过程[5]。此外，钙在植物抗逆境过程中具有重要作用，外源钙可增强植物对许多非生物逆境的适应性，减轻逆境对植物所造成的伤害[6，7]。有研究表明，钙能降低作物如小白菜[8]、玉米[9]、小麦[10]、油菜[11]等的镉吸收，因为钙与镉具有相似的化学性质，是土壤中镉吸附位点的主要竞争者，当吸附体系中钙、镉共存时，钙可降低土壤对镉的吸附，从而减少镉对植物的毒害作用[12]。
水培条件下有关钙降低花生苗期镉含量的研究鲜有报道。水溶态钙和镉是植物吸收的主要形态，所以本试验选择在水培条件下进行，旨在说明不同用量的钙对花生苗期生理特性和镉吸收的影响，为降低花生镉积累和钙肥的合理使用提供理论依据。
1材料与方法
11试验材料
试验于2011年11月在山东省农业科学院温室中进行，供试品种为花育31。精选的花生种先用1%次氯酸钠溶液处理20 min，再用蒸馏水冲洗3次，于黑暗处用蒸馏水催芽3天。选取发芽良好的花生种若干，在基质中播种并于20℃下培养，约10天后幼苗子叶展开、下胚轴长约4 cm、主茎高7～8 cm时改为水培。水培容器容积约为7 L，装入Hoagland营养液约65 L，每个容器有一个人工制作的泡沫盖，每个盖子上均匀地打上直径约1 cm的孔，每个小孔移入一株花生幼苗。移栽时，将萌发程度一致的上述花生幼苗用脱脂棉在根颈部绕两圈，安放在泡沫盖小孔中，使幼根伸入到培养液中2～3 cm。花生移栽后，用通气泵连续24小时通气，保证花生根系有足够的氧气供应，光周期为白天16 h、25 ℃/黑夜8 h、22 ℃。
12试验设计
以Hoagland营养液中规定的Ca2+浓度5 mmol/L为100%，分别设定Ca2+50%、75%、100%（对照）、125%、150%共5个处理，以NH4NO3补充各处理间氮元素的差异。
本试验设置5 μmol/L Cd为处理浓度（约相当于土壤Cd 1 mg/kg），以CdCl2配制。为使幼苗在移栽后有一个短的恢复期，镉在花生幼苗移栽7天后加入，并且把Hoagland营养液中的Fe-EDTA用FeSO4代替。镉加入后，所有处理每隔1天用NaOH或HCl调整1次，保持pH值在65～68之间。采用随机设计，重复3次。镉处理10天后收获植株并测定相关生理指标和镉含量。
13测定项目与方法
131 主茎高的测量主茎高用直尺直接测量，取平均值。
132叶绿素含量的测定叶绿素含量采用80%丙酮浸提法。
133SOD、POD、CAT活性和MDA含量测定将叶片鲜样去主脉，剪碎，称取05 g放入研钵中，加5 ml pH 78的磷酸缓冲液，冰浴研磨至匀浆，倒入离心管，20 000×g、冷冻离心20 min，取上清液（酶液）用于测定保护酶的活性。SOD活性的测定采用NBT光还原法[13]；POD活性的测定采用愈创木酚法[14]；参照Chance[15]的方法测定CAT活性；采用林植芳等[16]的方法测定MDA含量。
134根系活力的测定根系活力的测定采用TTC法[17]。
135地上部及根部镉含量测定测定参照GB/T500915-2003，将试样经硝酸、高氯酸消解后用石墨炉原子吸收光谱仪测定，分析结果的准确性采用国家标准物质小麦粉（GBW 08503b）进行质量控制。钙的测定参照GB/T500992-2003，将试样经硝酸、高氯酸消化后，用等离子光谱仪测定。
136数据处理采用DPS705软件对数据进行分析；采用Excel软件作图。
2结果与分析
21钙对镉污染花生苗期营养生长的影响
由表1可以看出，镉污染下花生植株的主茎高随钙的施加量增加而增加，其中施钙50%比对照株高降低了200%，施钙150%的株高比对照增加了194%，但施钙100%和125%之间并无显著性差异。地上部鲜重和地下部鲜重也随钙的施加量增加而增加，其中施钙50%比对照地上部和地下部鲜重分别降低了400%和232%，施钙150%比对照地上部和地下部鲜重分别增加了294%和167%，说明施钙量在一定程度上的增加可缓解镉对花生营养生长的抑制作用。
22钙对镉污染花生苗期叶绿素含量的影响
叶绿素含量的高低可在一定程度上反映光合作用的水平，较高的光合作用是花生高产和品质改善的基础。从图1看出施加不同量的钙对花生苗期叶片叶绿素含量影响不同，其中施加125%和150%钙的花生叶片叶绿素含量最高，均为061 mg/kg，比施加50%钙提高了196%，施钙75%的叶片叶绿素含量比施钙100%高，但二者差异不显著。
23钙对镉污染花生苗期叶片SOD、POD、CAT和MDA的影响
由表2看出，SOD活性随施钙量的增加呈“M”型变化，其中125%钙处理SOD活性最高，清除过氧化物的能力最强，过高或过低的钙对花生SOD活性均有负面影响；POD活性基本随钙的增加而提高，而75%钙处理是例外，其原因可能是
24钙对镉污染花生苗期根系活力的影响
植物根系是活跃的吸收器官和合成器官，其活力大小与植物自身营养物质的积累和抗胁迫的能力有着紧密的关系。
本研究表明，钙对花生苗期根系活力的影响为先升高后降低，其中125%钙处理下花生根系活力显著提高，是对照的14415%，50%钙处理下根系活力最低，仅为对照的8833%（图2）。这与梁立等[18]的研究相似，他认为添加 4、8 mmol/L钙处理提高了低温下山定子根系呼吸速率，且高于常温，但添加12、16 mmol/L钙处理却降低了低温下根系呼吸速率。原因可能是钙离子作为渗透调节物质对根系起保护作用，而高浓度钙可能导致膜脂过氧化而引起氮代谢紊乱。
25钙对镉污染花生植株镉积累的影响
钙是植物生长必需的元素，而镉则是非必需元素。图3显示，花生植株受镉影响的程度为根部大于地上部。由于施钙量的不同，各处理植株镉含量不同。根部镉的含量随钙含量的增加逐渐降低，150%钙处理显著降低了根部镉积累，镉含量仅为50%该处理的249%，是100%钙处理的260%，而50%与75%钙处理之间差异不显著。地上部与根部情况大致相同，150%钙处理明显降低了其地上部镉含量，分别为50%和100%处理的294%和405%。以上结果说明钙在一定程度上的增加可以降低花生苗期根部和地上部镉的吸收量，二者之间在某种程度上存在拮抗关系。
3结论与讨论
镉的生物迁移性很强，极易被植物吸收和积累，严重影响作物的产量和品质，而且镉通过土壤-植物-（动物）-人类的食物链进入人体，可以引发人体的一系列疾病[19]。与其它作物相比，花生对镉的积累较强，虽有约11%左右的镉通过荚果直接吸收，但绝大部分镉是通过根系直接吸收的[20]，所以降低根系镉吸收可以从根本上降低花生籽粒镉含量。
钙参与植物从种子萌发、生长分化、形态建成到开花结果的全过程，是构成细胞壁的重要元素和果胶酸钙的组成部分，能与蛋白质分子相结合，是组成质膜的成分，且有降低细胞壁渗透性、限制细胞液外渗的作用。另外，钙对碳水化合物转化和氮素代谢有良好作用，且对多种离子有解毒作用[21]。
镉的存在对花生苗期植株的生理特性产生了不利影响，降低了植物生物量，严重影响花生叶绿素含量[22]。本研究中花生植株鲜重与叶片叶绿素含量基本随施钙的增加而增加。
植物受到逆境胁迫时，体内防御系统受到影响而无法消除这种危害，会产生大量活性氧，导致膜脂过氧化作用和膜脂脱脂作用，从而破坏膜结构[23]。本研究中随着钙的增加，SOD变化呈“M”型，125%和150%的高钙处理能明显提高SOD含量，POD含量基本随施钙量增加而增加，但CAT的含量却随钙的增加先升高后降低。MDA是生物膜脂过氧化的产物之一，其浓度的高低可以表示膜脂过氧化程度和膜系统损伤程度，整个试验中，MDA随施钙量的增加而降低，说明在一定程度上施钙可以缓解镉对花生叶片造成的伤害。
作物最先感受逆境胁迫的器官是根系，已有研究表明，镉可通过抑制细胞分裂、养分吸收等对根系生长表现出抑制作用[24]，降低根系活力。本研究显示，根系活力随钙的增加呈现先增加后降低的规律，可能与高浓度钙导致膜脂过氧化而引起氮代谢紊乱有关。
花生苗期体内镉的积累全部来源于根部吸收，进而通过迁移作用往地上部转移积累，一般而言，花生植株镉含量为根部>茎叶>荚果>籽粒[25～27]，本试验也表明苗期花生植株镉含量为根部>地上部。由于Ca2+与Cd2+的离子半径接近且电荷相同，二者进入花生根细胞时可能发生拮抗作用，高钙的存在可能导致镉离子吸收受抑，在一定范围内花生植株体内镉积累量随施钙量的增加而降低，并且根部镉含量的降低是导致地上部镉含量降低的直接原因。参考文献：
[1]Prince W SPM， Kumar P S， Doberschutz K D， et al Cadmium toxicity in mulberry plants with special reference to the nutritional quality of leaves[J] Journal of Plant Nutrition， 2002， 25： 689-700
[2]刘侯俊，胡向白，张俊伶，等 水稻根表铁膜吸附镉及植株吸收镉的动态[J] 应用生态学报，2007， 18（2）：425-430
[3]Grant C A， Sheppard S C Fertilizer impacts on cadmium availability in agricultural soils and crops[J] Human and Ecological Risk Assessment， 2008， 14（2）：210-228
[4]王凯荣，张磊花生镉污染研究进展[J] 应用生态学报， 2008， 19（12）： 2757-2762
[5]蒋廷惠，占新华，徐阳春，等 钙对植物抗逆能力的影响及其生态学意义[J] 应用生态学报， 2005， 16（5）： 971-976
[6]李美茹，刘鸿先，王以柔，等 钙对水稻幼苗抗冷性的影响[J] 植物生理学报， 1996， 22（4）：379-384
[7]周青，黄晓华，王东燕，等 钙对酸雨伤害甜瓜幼苗的影响[J] 植物生态学报， 1999， 13 （2）：186-191
[8]关昕昕，严重玲，刘景春，等 钙对镉胁迫下小白菜生理特性的影响[J] 厦门大学学报， 2011， 50（1）：132-137
[9]汪洪，周卫，林葆钙对镉胁迫下玉米生长及生理特性的影响[J] 植物营养与肥料学报， 2001，7（1）：78-87
[10]詹绍军，喻华，冯文强，等 不同有机物料与石灰对小麦吸收镉的影响[J] 水土保持学报， 2011，25（2）：214-231
[11]刘丽莉，冯涛，向言词，等 外源钙对镉胁迫下芥菜型油菜幼苗生长和生理特性的影响[J] 农业环境科学学报， 2009，28（5）：978-983
[12]宋正国，徐明岗，丁永祯，等 共存阳离子（Ca、Zn、K）对土壤镉有效性的影响[J]农业环境科学学报， 2009， 28（3）：485-489
[13]Giannopplitis C N， Ries S K Supexoxide dimutaseⅡ Purification and quantitative relationship with water solution protein seedlings[J] Plant Physiology， 1977， 59： 2315-2318
[14]华东师范大学.植物生理学实验指导[M] 北京：人民出版社， 1980.
[15]Chance B Methods on Enzymology[M] New York： Academic Press， 1955，764-765
[16]林植芳，李双顺，林桂珠，等水稻叶片的衰老与超氧物歧化酶活性及脂质过氧化作用的关系[J] 植物学报， 1984， 26（6）： 605-615
[17]李合生 植物生理生化实验原理和技术[M] 北京： 高等教育出版社， 2000
[18]梁立，张宝贵，梁启伍，等 钙对低温下山定子根系活力及氮代谢的影响[J] 天津农林科技，2012，24（2）： 4-8
[19]McLaughlin M J， Parker D R， Clarke J M Metals and micronutrients-food safety issues[J] Field Crops Research， 1999， 60： 143-163
[20]Popelka J C， Schubert S， Schulz R， et al Cadmium uptake and translocation during reproductive development of peanut （Arachis hypogaea L）[J] AngewBot， 1996， 70： 140-143
[21]李新国，万书波 钙对花生生长发育调控的研究进展[J] 山东农业科学， 2011， 8：65-67，74
[22]刘文龙，王凯荣， 王铭伦 花生对镉胁迫的生理响应及品种间差异[J] 应用生态学报， 2009， 20（2）：451-459
[23]庞欣，王东红，彭安 镧对铅胁迫下小麦幼苗抗氧化酶活性的影响[J] 环境化学， 2002，21（4）：318-323
[24]Sanitadi T L， Gabbrielli R Response to cadmium in higher plants[J] Environmental and Experimental Botany，1999，41：105-130
[25]Codex Alimentarius Commission Report of the 35th session of the codex committee on food additives and contaminants[R]Rome， 2003
[26]Arthur E， Crews H， Morgan C Optimizing plant genetic strategies for minimizing environmental contamination in the food chain[J] International Journal of Phytoremediation， 2000， 2： 1-21
[27] 王姗姗，王颜红，张红 污染花生籽实中镉的分布特征及其对膳食健康的风险分析[J] 农业环境科学学报， 2007， 26（增刊）： 12-16