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摘要：通过土培试验，以鲁花14为材料，采用盆栽方法，设置010 （CK）、324、735、838、1880 mg/kg 5种土壤镉浓度，研究了鲁花14各器官对土壤镉的富集效应及其镉在各器官亚细胞的分布。结果表明：随着镉浓度的增加，花生根、茎、叶的镉含量也持续增加，不同镉处理间差异显著。土壤镉浓度小于（包含）838 mg/kg时，镉含量大小顺序为叶>根>茎；土壤镉浓度为1880 mg/kg时，镉含量大小为根>叶>茎。镉在根、茎、叶中亚细胞组分中的含量及其分布比例在不同镉处理间不同。土壤镉浓度小于（包含）838 mg/kg时，镉在根、茎、叶中亚细胞组分的镉含量为细胞壁>细胞器>可溶部分，镉积累在细胞壁是花生忍耐镉的主要机制。但在1880 mg/kg时，亚细胞组分的镉含量为细胞器>细胞壁>可溶部分，说明在高镉浓度下，花生受到镉的毒害很严重。
关键词：鲁花14；镉；亚细胞分布
中图分类号：S5652；X132 文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）01-0086-05
近年来，随着工农业生产的发展，工业三废排放量增加，固体废弃物处理不善，农业自身污染加剧，农田土壤中有毒重金属含量急剧增加[1]。这些有毒重金属可能会通过植物吸收经生物链进入人体，严重威胁人类健康[2]。其中镉（Cd）由于其高移动性和高毒害性尤为人们所关注，已被公认为是对人类最具威胁的主要有毒重金属之一。
Cd胁迫条件下植物常会表现出水分和养分的吸收受抑制，光合强度和呼吸强度下降，碳水化合物代谢失调，及其它一系列生理代谢紊乱，最终表现出植物生长量、产量的下降和品质的降低[3～5]。花生是我国重要的油料作物和出口创汇作物，在我国油料作物生产中占有举足轻重的地位。近年来，有关花生籽粒中Cd含量超标的问题日益突出，致使我国花生出口创汇能力受到了严重影响[6，7]。研究Cd在花生体内富集和分配规律，减少Cd在花生籽粒中的积累，需要了解花生各器官、亚细胞结构中Cd积累模式及在Cd胁迫下的生长反应。本试验主要研究在不同Cd浓度胁迫下花生根、茎、叶及亚细胞结构中Cd含量的变化，旨在探明Cd在花生中的分布特征与累积规律，以期为绿色和无公害花生生产提供理论依据。
1材料与方法
11供试材料
供试花生品种为鲁花14，由山东省花生研究所提供。盆栽所用肥料为中东高浓度复合肥料（常州中东化肥有限公司），其N+P2O5+K2O≥45%，未检测出Cd。盆栽土壤选用山东省农业科学院试验地耕层土壤（表层0～20 cm），先将土壤过1 cm孔筛备用，供试土壤理化性状见表1。
12试验设计
盆栽试验在山东省农业科学院试验场进行。Cd以CdCl2·25H2O的形式加入，分别设010（原始土壤为对照）、324、735、838、1880 mg/kg 5个镉浓度处理，每处理重复4次。试验采用泥陶盆（内径38 cm×高28 cm），每盆装土15 kg，将氯化镉配制成一定浓度的溶液，均匀喷施在过1 cm筛的土中，每盆施入复合肥5 g，充分混匀，然后装盆，平衡半个月备用。挑选大小一致的花生种子，每盆“品”字形播种3粒。泥陶盆编号并随机排列，置于网室（上覆阳光板）中，花生整个生育期适时浇水。
13样品的分析测定
花生成熟后，将花生植株分为根、茎、叶3部分，分别用自来水、蒸馏水、去离子水冲洗干净，并用干净纱布擦干。鲜样一部分用于亚细胞分离，其余在烘箱中105℃杀青30 min，再用60℃烘至恒重。参照Hans[8]方法进行花生各器官亚细胞组分的分离：分别取一定质量的新鲜植物材料，加入缓冲液（叶片、茎料液比为1∶2，根系料液比为1∶4；缓冲液组成： 250 mmol/L的蔗糖，pH 75的Tris-HCl，和1 mmol/L的二硫代苏糖醇），在4℃下快速研磨，匀浆液在300 g离心30 s，底层碎片为细胞壁组分；将上层悬浮液在20 000 g下离心45 min，底层碎片为细胞器组分，上层悬浮液为可溶部分（含细胞质和液泡内高分子和大分子有机物质及无机离子）。上清液、离心后的沉淀、过滤残渣及根、茎、叶的粉碎干样分别消煮，利用原子吸收光谱仪测定Cd含量。所有测定重复3次。
14数据处理
数据的处理统计分析用Microsoft Excel和SPSS130软件进行。
2结果与分析
21Cd对花生根、茎、叶中Cd含量的影响
从表2可以看出，随着土壤Cd浓度的增加，花生根、茎、叶中的Cd含量呈持续上升趋势，不同Cd浓度间差异显著（P<005）。在高Cd浓度（1880 mg/kg）时，根、茎、叶中的Cd含量分别比对照提高3774、3377、2231倍。Cd浓度≤838 mg/kg时，Cd在不同器官的含量大小是：叶>
22Cd在花生根中亚细胞组分的含量及其比例
由图1A可知，花生根中细胞壁和可溶性部分的Cd含量随着Cd浓度的增加而增加，而细胞器的Cd含量在735～838 mg/kg有所下降，其余随Cd浓度的增加而增加，除对照外各组分Cd含量在不同Cd浓度间差异极显著（P<001）。此外在不同Cd浓度处理间，各组分Cd含量均为细胞壁>细胞器>可溶部分。
不同浓度Cd处理下，Cd在花生根系亚细胞水平的分布比例见图1B。对照中的可溶部分未检出Cd，Cd主要分布在细胞壁和细胞器中。Cd处理后，Cd在细胞壁的分布比例为5751%～7257%，在整个细胞亚细胞组分中占绝对优势。细胞器的Cd含量随Cd处理浓度的升高先增加后下降，分布比例为2172%～3642%。高Cd浓度下，细胞器Cd含量的降低可能是细胞壁发挥作用，把Cd积累在细胞壁中。花生各器官在Cd胁迫下可溶部分中的比例较小，且随Cd胁迫的加强变化不大。 23Cd在花生茎中亚细胞组分的含量及其比例
由图2A可以看出，花生茎中亚细胞各组分的Cd含量均随Cd胁迫的加强亦逐渐升高，不同Cd浓度处理间差异极显著（P<001）。在Cd浓度为324～838 mg/kg下，各组分Cd含量为细胞壁>细胞器>可溶部分。而在Cd浓度为1880 mg/kg时，各组分Cd含量是细胞器>细胞壁>可溶部分，可见在高Cd浓度下，花生受到了严重伤害。
从图2B看出，与根亚细胞分布类似，花生茎中对照可溶部分未检出Cd，Cd主要分布在细胞壁和细胞器中。Cd处理后，细胞壁、细胞器、可溶部分的Cd分配比例分别为4408%～6720%、2440%～4753%、716%～1034%。随Cd处理浓度的提高，细胞壁中Cd的分布比例一直下降；细胞器中的分布比例持续上升；可溶部分的比例是先升后降，但均明显大于对照。
24Cd在花生叶中亚细胞组分的含量及其比例
由图3A可以看出，花生叶中细胞壁Cd含量随Cd处理浓度的增加逐渐升高，可溶部分Cd含量是先增加后降低，而细胞器为先增加后降低然后又持续增加，不同浓度Cd处理间差异极显著（P<001）。在Cd浓度为324～838 mg/kg之间，叶中各组分Cd含量大小与茎中一样，为细胞壁>细胞器>可溶部分。而在Cd浓度为1880 mg/kg时，各组分Cd含量是细胞器>细胞壁>可溶部分，可见在高Cd浓度下，花生细胞器受到了严重破坏。
不同浓度Cd处理下，Cd在花生叶中亚细胞水平的分布比例见图3B。在对照组中，只有细胞壁组分中检验出Cd。Cd处理后，细胞壁、细胞器、可溶部分的Cd分配比例分别为4038%～7503%、1724%～5498%、312%～973%。随Cd胁迫的加强，细胞壁中Cd的分布比例先升后降；细胞器中的分布比例先降后升；可溶部分的比例是先升后降，并且在Cd浓度为838 mg/kg最大。
本研究表明，随着土壤Cd浓度的提高，花生根、茎和叶中的Cd含量也持续升高，不同浓度Cd处理间差异显著。但花生不同器官Cd含量的大小却与土壤Cd处理浓度有关。土壤Cd浓度≤838 mg/kg时，Cd在鲁花14不同器官的含量大小是：叶>根>茎，这与Cd含量在油菜[9]各器官的分布规律相似，而与拟南芥[10]和小麦[11]中各器官Cd含量分布规律不同，说明不同作物不同器官中Cd的吸收积累是不同的。Cd浓度为1880 mg/kg时，Cd含量大小为：根>叶>茎。由于Cd污染土壤花生叶和茎的Cd含量较大，不宜再用于饲料或者沤肥，可以用作造纸及编织工艺品等，避免其重新进入食物链中。
Cd对植物的危害程度与其在亚细胞中的分布密切相关[12]，细胞的区室化作用对减轻Cd毒害或增强植物对Cd御性有着重要的意义[13]。一些学者认为Cd主要积累在细胞壁中[14～16]，另外一些研究者却认为，Cd在植物细胞内除由细胞壁部分吸附外，大部分的Cd积累于液泡，使植物细胞免除毒害[17、18]。在烟草[19]、小麦[20]、大豆和玉米[21]等植物中，细胞中的Cd大部分分布于细胞质（可溶部分），仅有少量Cd分布于细胞壁和细胞器等不溶组分。研究结果的不一致可能是不同植物有不同的解毒机制。
本试验结果表明，Cd胁迫下，花生各器官Cd主要分布在细胞壁中，细胞器和可溶部分相对较少。细胞壁积累Cd最多可能是因为其含有丰富的亲重金属物质，如纤维素、半纤维素、木质素，还含有与重金属关联的阳离子交换位点，能对经过的重金属离子产生吸收、固定作用，通过细胞壁对Cd的吸收、固定，减少了重金属离子的跨膜运输，从而减少进入细胞内的Cd离子的量[22]。虽然可溶部分并不是亚细胞Cd分布中的主要部分，但是茎叶可溶部分Cd含量所占的比例随着Cd浓度的增大，是有规律变化的，呈先升高后降低的趋势，当Cd处理浓度为735 mg/kg时，茎叶可溶部分的含Cd量所占的比例达到最大值。液泡中含有机酸，可以与Cd结合，钝化Cd离子，从而降低Cd的生物毒性[23，24]。随着Cd胁迫的加强，叶片液泡有着积累和固定一定Cd离子的作用，但如果超过了植物的自身忍耐范围，就会向细胞器中转移，阻止和破坏细胞的生理生化过程，造成细胞的伤害。
参考文献：
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关键词：鲁花14；镉；亚细胞分布
中图分类号：S5652；X132 文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）01-0086-05
近年来，随着工农业生产的发展，工业三废排放量增加，固体废弃物处理不善，农业自身污染加剧，农田土壤中有毒重金属含量急剧增加[1]。这些有毒重金属可能会通过植物吸收经生物链进入人体，严重威胁人类健康[2]。其中镉（Cd）由于其高移动性和高毒害性尤为人们所关注，已被公认为是对人类最具威胁的主要有毒重金属之一。
Cd胁迫条件下植物常会表现出水分和养分的吸收受抑制，光合强度和呼吸强度下降，碳水化合物代谢失调，及其它一系列生理代谢紊乱，最终表现出植物生长量、产量的下降和品质的降低[3～5]。花生是我国重要的油料作物和出口创汇作物，在我国油料作物生产中占有举足轻重的地位。近年来，有关花生籽粒中Cd含量超标的问题日益突出，致使我国花生出口创汇能力受到了严重影响[6，7]。研究Cd在花生体内富集和分配规律，减少Cd在花生籽粒中的积累，需要了解花生各器官、亚细胞结构中Cd积累模式及在Cd胁迫下的生长反应。本试验主要研究在不同Cd浓度胁迫下花生根、茎、叶及亚细胞结构中Cd含量的变化，旨在探明Cd在花生中的分布特征与累积规律，以期为绿色和无公害花生生产提供理论依据。
1材料与方法
11供试材料
供试花生品种为鲁花14，由山东省花生研究所提供。盆栽所用肥料为中东高浓度复合肥料（常州中东化肥有限公司），其N+P2O5+K2O≥45%，未检测出Cd。盆栽土壤选用山东省农业科学院试验地耕层土壤（表层0～20 cm），先将土壤过1 cm孔筛备用，供试土壤理化性状见表1。
12试验设计
盆栽试验在山东省农业科学院试验场进行。Cd以CdCl2·25H2O的形式加入，分别设010（原始土壤为对照）、324、735、838、1880 mg/kg 5个镉浓度处理，每处理重复4次。试验采用泥陶盆（内径38 cm×高28 cm），每盆装土15 kg，将氯化镉配制成一定浓度的溶液，均匀喷施在过1 cm筛的土中，每盆施入复合肥5 g，充分混匀，然后装盆，平衡半个月备用。挑选大小一致的花生种子，每盆“品”字形播种3粒。泥陶盆编号并随机排列，置于网室（上覆阳光板）中，花生整个生育期适时浇水。
13样品的分析测定
花生成熟后，将花生植株分为根、茎、叶3部分，分别用自来水、蒸馏水、去离子水冲洗干净，并用干净纱布擦干。鲜样一部分用于亚细胞分离，其余在烘箱中105℃杀青30 min，再用60℃烘至恒重。参照Hans[8]方法进行花生各器官亚细胞组分的分离：分别取一定质量的新鲜植物材料，加入缓冲液（叶片、茎料液比为1∶2，根系料液比为1∶4；缓冲液组成： 250 mmol/L的蔗糖，pH 75的Tris-HCl，和1 mmol/L的二硫代苏糖醇），在4℃下快速研磨，匀浆液在300 g离心30 s，底层碎片为细胞壁组分；将上层悬浮液在20 000 g下离心45 min，底层碎片为细胞器组分，上层悬浮液为可溶部分（含细胞质和液泡内高分子和大分子有机物质及无机离子）。上清液、离心后的沉淀、过滤残渣及根、茎、叶的粉碎干样分别消煮，利用原子吸收光谱仪测定Cd含量。所有测定重复3次。
14数据处理
数据的处理统计分析用Microsoft Excel和SPSS130软件进行。
2结果与分析
21Cd对花生根、茎、叶中Cd含量的影响
从表2可以看出，随着土壤Cd浓度的增加，花生根、茎、叶中的Cd含量呈持续上升趋势，不同Cd浓度间差异显著（P<005）。在高Cd浓度（1880 mg/kg）时，根、茎、叶中的Cd含量分别比对照提高3774、3377、2231倍。Cd浓度≤838 mg/kg时，Cd在不同器官的含量大小是：叶>
22Cd在花生根中亚细胞组分的含量及其比例
由图1A可知，花生根中细胞壁和可溶性部分的Cd含量随着Cd浓度的增加而增加，而细胞器的Cd含量在735～838 mg/kg有所下降，其余随Cd浓度的增加而增加，除对照外各组分Cd含量在不同Cd浓度间差异极显著（P<001）。此外在不同Cd浓度处理间，各组分Cd含量均为细胞壁>细胞器>可溶部分。
不同浓度Cd处理下，Cd在花生根系亚细胞水平的分布比例见图1B。对照中的可溶部分未检出Cd，Cd主要分布在细胞壁和细胞器中。Cd处理后，Cd在细胞壁的分布比例为5751%～7257%，在整个细胞亚细胞组分中占绝对优势。细胞器的Cd含量随Cd处理浓度的升高先增加后下降，分布比例为2172%～3642%。高Cd浓度下，细胞器Cd含量的降低可能是细胞壁发挥作用，把Cd积累在细胞壁中。花生各器官在Cd胁迫下可溶部分中的比例较小，且随Cd胁迫的加强变化不大。 23Cd在花生茎中亚细胞组分的含量及其比例
由图2A可以看出，花生茎中亚细胞各组分的Cd含量均随Cd胁迫的加强亦逐渐升高，不同Cd浓度处理间差异极显著（P<001）。在Cd浓度为324～838 mg/kg下，各组分Cd含量为细胞壁>细胞器>可溶部分。而在Cd浓度为1880 mg/kg时，各组分Cd含量是细胞器>细胞壁>可溶部分，可见在高Cd浓度下，花生受到了严重伤害。
从图2B看出，与根亚细胞分布类似，花生茎中对照可溶部分未检出Cd，Cd主要分布在细胞壁和细胞器中。Cd处理后，细胞壁、细胞器、可溶部分的Cd分配比例分别为4408%～6720%、2440%～4753%、716%～1034%。随Cd处理浓度的提高，细胞壁中Cd的分布比例一直下降；细胞器中的分布比例持续上升；可溶部分的比例是先升后降，但均明显大于对照。
24Cd在花生叶中亚细胞组分的含量及其比例
由图3A可以看出，花生叶中细胞壁Cd含量随Cd处理浓度的增加逐渐升高，可溶部分Cd含量是先增加后降低，而细胞器为先增加后降低然后又持续增加，不同浓度Cd处理间差异极显著（P<001）。在Cd浓度为324～838 mg/kg之间，叶中各组分Cd含量大小与茎中一样，为细胞壁>细胞器>可溶部分。而在Cd浓度为1880 mg/kg时，各组分Cd含量是细胞器>细胞壁>可溶部分，可见在高Cd浓度下，花生细胞器受到了严重破坏。
不同浓度Cd处理下，Cd在花生叶中亚细胞水平的分布比例见图3B。在对照组中，只有细胞壁组分中检验出Cd。Cd处理后，细胞壁、细胞器、可溶部分的Cd分配比例分别为4038%～7503%、1724%～5498%、312%～973%。随Cd胁迫的加强，细胞壁中Cd的分布比例先升后降；细胞器中的分布比例先降后升；可溶部分的比例是先升后降，并且在Cd浓度为838 mg/kg最大。
本研究表明，随着土壤Cd浓度的提高，花生根、茎和叶中的Cd含量也持续升高，不同浓度Cd处理间差异显著。但花生不同器官Cd含量的大小却与土壤Cd处理浓度有关。土壤Cd浓度≤838 mg/kg时，Cd在鲁花14不同器官的含量大小是：叶>根>茎，这与Cd含量在油菜[9]各器官的分布规律相似，而与拟南芥[10]和小麦[11]中各器官Cd含量分布规律不同，说明不同作物不同器官中Cd的吸收积累是不同的。Cd浓度为1880 mg/kg时，Cd含量大小为：根>叶>茎。由于Cd污染土壤花生叶和茎的Cd含量较大，不宜再用于饲料或者沤肥，可以用作造纸及编织工艺品等，避免其重新进入食物链中。
Cd对植物的危害程度与其在亚细胞中的分布密切相关[12]，细胞的区室化作用对减轻Cd毒害或增强植物对Cd御性有着重要的意义[13]。一些学者认为Cd主要积累在细胞壁中[14～16]，另外一些研究者却认为，Cd在植物细胞内除由细胞壁部分吸附外，大部分的Cd积累于液泡，使植物细胞免除毒害[17、18]。在烟草[19]、小麦[20]、大豆和玉米[21]等植物中，细胞中的Cd大部分分布于细胞质（可溶部分），仅有少量Cd分布于细胞壁和细胞器等不溶组分。研究结果的不一致可能是不同植物有不同的解毒机制。
本试验结果表明，Cd胁迫下，花生各器官Cd主要分布在细胞壁中，细胞器和可溶部分相对较少。细胞壁积累Cd最多可能是因为其含有丰富的亲重金属物质，如纤维素、半纤维素、木质素，还含有与重金属关联的阳离子交换位点，能对经过的重金属离子产生吸收、固定作用，通过细胞壁对Cd的吸收、固定，减少了重金属离子的跨膜运输，从而减少进入细胞内的Cd离子的量[22]。虽然可溶部分并不是亚细胞Cd分布中的主要部分，但是茎叶可溶部分Cd含量所占的比例随着Cd浓度的增大，是有规律变化的，呈先升高后降低的趋势，当Cd处理浓度为735 mg/kg时，茎叶可溶部分的含Cd量所占的比例达到最大值。液泡中含有机酸，可以与Cd结合，钝化Cd离子，从而降低Cd的生物毒性[23，24]。随着Cd胁迫的加强，叶片液泡有着积累和固定一定Cd离子的作用，但如果超过了植物的自身忍耐范围，就会向细胞器中转移，阻止和破坏细胞的生理生化过程，造成细胞的伤害。
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