辣椒幼苗对镉胁迫的生理生化响应
探究辣椒幼苗的生长、光合作用、氧化应激等生理生化指标对镉胁迫的响应。
采用水培试验，设置6种不同浓度(0、2.5、5.0、10.0、20.0、50.0 μmol/L)镉胁迫处理，分析不同浓度镉胁迫下辣椒幼苗生长指标、镉和矿质元素(钙、镁、铁、锌、钾)吸收、光合生理以及抗氧化酶活性的响应。
镉胁迫浓度较低时，辣椒幼苗的生长指标和矿质元素含量明显增加，但随着胁迫浓度增加(≥10.0 μmol/L)，辣椒生长受到显著抑制。在镉胁迫下，过氧化氢和超氧阴离子在根尖组织中积累，对根尖造成氧化损伤；净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度呈波动下降趋势，并在50.0 μmol/L镉胁迫下达到最低值，较对照分别下降了17.62%、52.60%、50.00%和20.38%；叶绿素含量逐渐降低，较对照降低了5.14%~39.62%。10.0 μmol/L镉胁迫下，过氧化氢酶(catalase，CAT)活性较对照显著提高了72.21%；20.0和50.0 μmol/L镉胁迫下，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和过氧化物酶(peroxidase，POD)活性显著升高，CAT活性显著降低；随着镉胁迫浓度的增加(2.5 μmol/L除外)，可溶性蛋白含量逐渐降低，降幅为8.16%~44.18%。随着镉胁迫浓度的增加，辣椒幼苗根、茎、叶中全镉含量逐渐增加，且主要富集在根中，但富集系数逐渐降低。
镉胁迫对辣椒幼苗的生长发育和矿质元素吸收具有低促高抑的剂量效应。辣椒幼苗通过调节抗氧化酶和渗透调节物质应对镉胁迫，并将大部分镉元素固存于根部，使其对镉胁迫具有一定的调节和解毒能力。
Physiological and Biochemical Responses of Capsicum annuum L. Seedlings to Cadmium Stress
To explore the indexes of physiological and biochemical responses to cadmium (Cd) stress on the growth, photosynthesis and oxidative stress of capsicum (Capsicum annuum L.) seedlings.
A hydroponic experiment was conducted with six Cd stress treatments (0, 2.5, 5.0, 10.0, 20.0, 50.0 μmol/L), and the growth indexes, cadmium and mineral element (calcium, magnesium, iron, zinc, potassium) uptake, photosynthetic physiology, and antioxidant enzyme activity responses of capsicum seedlings under different concentrations of Cd stress were analyzed.
When Cd stress concentration was low, the growth indexes and mineral content of capsicum seedlings increased obviously; but with the increase of Cd stress concentration (≥10.0 μmol/L), the growth of capsicum was significantly inhibited. Under Cd stress, hydrogen peroxide and superoxide anion accumulated in the root tip tissues, causing oxidative damage to the root tip; the net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance, and intercellular CO2 concentration showed a fluctuating downward trend, and reached the lowest value under 50.0 μmol/L Cd stress concentration, which decreased by 17.62%, 52.60%, 50.00% and 20.38% compared with the control; the chlorophyll content gradually decreased by 5.14%-39.62% compared with the control. Under 10.0 μmol/L Cd stress, the catalase (CAT) activity was significantly increased by 72.21% compared with the control; under 20.0 and 50.0 μmol/L Cd stress, superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) activities were significantly increased, while CAT activity was significantly decreased. With the increase of Cd stress concentration (except 2.5 μmol/L), the soluble protein content gradually decreased, with a decrease of 8.16%-44.18%. With the increase of Cd stress concentration, the contents of Cd in roots, stems and leaves increased gradually and were mainly enriched in roots, but the concentration factor decreased gradually.
Cd stress has a dose effect on the growth, development and mineral element uptake of capsicum seedlings overall performance of “promote under low stress, inhibit under high stress”. Capsicum seedlings respond to Cd stress by regulating antioxidant enzymes and osmoregulatory substances and sequester most of the Cd in the roots, providing them with some regulatory and detoxification capacity in response to Cd stress.
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环境中的镉(Cd)主要来源于土壤母质和岩石风化，并以硫化物、氧化物和碳酸盐等形式存在[1]。镉是一种高残留、难降解的元素[2]，具有生物蓄积性和生物利用性，通过食物链富集对人体产生不良影响。研究发现：镉的毒性剂量远低于大多数有毒金属，可破坏许多生物系统，如抑制植物生长、光合效率和养分吸收，并诱导染色体畸变、血浆和细胞质膜去极化等[3]。镉对植物的毒性取决于浓度、暴露时间、植物生长阶段等因素[4]。当植物遭受镉胁迫时，会造成植物体内积累大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)和生物自由基，导致植物细胞质膜过氧化水平升高[5]。植物细胞凋亡水平升高，引起染色体变异，细胞分裂受到抑制，RNA和DNA合成受阻[6-7]，如：镉浓度增加到一定阈值后，辣椒种子的萌发率受到抑制[8]，其幼苗根系长度和生物量受到抑制[9-10]，叶片叶绿素含量下降[10]、光合速率降低[11]。此时，植物会启动一系列生理代谢机制来保护自身免受镉的毒害，如激活抗氧化酶系统(如超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等)和非酶抗氧化剂(如可溶性蛋白、可溶性糖等)，以对抗镉胁迫[1, 12]。
中国是世界上最大的辣椒(Capsicum annuum L.)种植国和消费国，其种植面积居于蔬菜作物前列[13]，是农业生态系统的重要组成部分。植物对镉的富集和毒性阈值因植物种类、品种、生态型和对镉的耐受性而异[5]。辣椒是易富集镉元素的蔬菜，其富集系数可高达3.04[14]。据《全国土壤污染状况调查公报》显示：中国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%，其中镉污染点位超标率达7.0%，在无机污染物中居首位[15]。镉元素污染已成为制约辣椒清洁、安全种植的重要因素之一。目前关于辣椒响应镉胁迫的研究主要集中于其发芽率、生理指标以及对比不同品种的耐镉性等[8, 10, 16]，而辣椒幼苗对镉胁迫的毒性阈值和生理生化响应特征尚不清楚。研究镉胁迫对辣椒的毒害阈值，厘清辣椒对镉毒害的解毒机制，是防治辣椒镉污染工作中亟待解决的关键技术难题。因此，本研究探讨了不同浓度镉胁迫对辣椒幼苗根系发育、光合作用、生理生化响应和生物积累特征的影响，以期深入揭示辣椒对不同浓度镉胁迫的生理生化响应和镉耐受机制、不同浓度镉胁迫对辣椒幼苗生长和矿质元素吸收的耦合关系、辣椒幼苗对镉毒性的适应和调控机制，研究结果将为研究镉胁迫下辣椒镉积累和脱毒机制提供新思路和理论依据。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
供试辣椒品种为香辣四号线椒，由贵州省农业科学院园艺研究所提供。选择健康饱满的辣椒种子，经表面消毒、浸种后，在25~30 ℃下催芽，播种于装有蛭石和细陶粒(体积比1∶1)的育苗盘中，喷洒1/2营养液至湿润进行预培养，待幼苗长出2片真叶后改用营养液继续培养，直至辣椒幼苗长至四叶一心。将长势相对一致的幼苗移出，洗净根系后移栽入水培箱，每箱移栽4株，共18箱。箱内装有营养液2 L，先使用1/2营养液培养2 d，再换为营养液继续培养3 d，长势稳定后进行水培试验。所用营养液为改良的Hoagland营养液，配制试剂及质量浓度如表1所示。所用试剂均为分析纯，使用自来水配制。
表 1 营养液成分及质量浓度Table 1. Composition and mass concentration of nutrient solution成分
compositionρ/(mg·L−1) 营养液
nutrient solution1/2营养液
1/2 nutrient solutionCa(NO3)2·4H2O 472.50 236.25 KNO3 605.00 302.50 NH4H2PO4 230.16 115.08 MgSO4·7H2O 246.48 123.24 KCl 1.86 0.93 H2BO3 0.77 0.39 MnSO4 0.17 0.09 ZnSO4 0.29 0.15 CuSO4 0.07 0.04 H2MoO4 0.04 0.02 NaFe-EDTA 0.98 0.49 1.2 试验设计
本研究试验对象为辣椒幼苗，非水培环境下基质会吸附和固定一部分镉离子，为保持镉胁迫有效离子浓度且便于观察幼苗生长，采用苗期水培毒理学试验研究辣椒幼苗相关生理生化指标对镉胁迫的响应。将移栽的辣椒幼苗每3箱分为1组，设置不同镉胁迫处理。在配制好的营养液中，以CdCl2的形式加入不同浓度(0、2.5、5.0、10.0、20.0、50.0 μmol/L)的镉离子，用硝酸和氨水将水培溶液pH调至6.5。将各组水培箱内营养液更换为加入对应浓度镉离子的水培溶液2 L，处理编号分别为CK、S1、S2、S3、S4、S5。在塑料大棚(年平均温度19 ℃，年平均湿度60%，年平均光照时间
1148 h)自然光下生长30 d。每3 d更换1次水培溶液。1.3 试验方法
1.3.1 光合参数和叶绿素含量的测定
在镉胁迫处理第30天的9： 00—11： 00，于室温(25 ℃)下使用便携式光合作用系统(LI-6800，LI-COR)测定每组3株辣椒顶部第4个完全展开叶片的光合参数，读取并整合数据，得到净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)，并计算水分利用效率(water use efficiency，WUE)，公式为：WUE＝Pn/Tr。随机剪取每个处理展开叶片0.2 g，采用80%乙醇提取—紫外分光光度计法测定叶片叶绿素含量[17]，重复3次。
1.3.2 生长指标的测定
水培试验30 d后，从每个处理中选取长势一致的幼苗，用去离子水快速冲洗根系表面，剪取根尖部位，采用TTC法测定根系活性[17]，采用台盼蓝染色和显微观察根尖组织细胞结构，采用DAB染色法和NBT染色法对根尖ROS (H2O2和${\rm{O}}_{2}^{-} $)积累进行组织化学检测[18]。将样品根系用自来水冲洗后，放入10 mmol/L EDTA-2Na中浸泡5 min，以除去根系表面阳离子，然后用去离子水冲洗干净，吸干水分，用直尺、数显游标卡尺和台秤分别测量植株的株高、茎粗和鲜质量。之后，将一部分样品快速放入超低温冰箱保存，用于生理指标的测定；另一部分进行根、茎、叶的分离，经杀青、烘干和研磨后装入自封袋，用于镉及其他矿质元素含量的测定。
1.3.3 生理指标的测定
将冷冻植物从超低温冰箱中取出，置于液氮中保存，按照以下方法测定相应指标[17, 19]：采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量；采用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白(soluble protein，SP)含量；使用超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)试剂盒测定SOD活性(WST-1法，南京建成生物工程研究所A001-3)；采用紫外吸收法测定过氧化氢酶(catalase，CAT)活性；采用愈创木酚法测定过氧化物酶(peroxidase，POD)活性。
1.3.4 元素含量的测定及富集系数和转移系数的计算
采用湿法消解—电感耦合等离子体发射光谱法测定Cd和Ca、Mg、Fe、Zn、K元素全量含量，并按照以下公式计算辣椒各组织对Cd的富集系数(concentration factor，CF)和转移系数(transfer factor，TF)[20]：
$$ {\text{CF}}_{}\text=\frac{{{C}}_{\text{i}}}{{{C}}_{\text{water}}} \text{；} $$ $$ {\text{TF}}_{}\text=\frac{{{C}}_{\text{s}}}{{{C}}_{\text{root}}} 。 $$ 式中：Ci表示辣椒幼苗根、茎、叶中的Cd含量；Cwater表示水培溶液中的Cd含量；Cs表示辣椒幼苗茎、叶中的Cd含量；Croot表示辣椒幼苗根中的Cd含量。
1.4 数据处理与统计分析
使用Excel 2016整理和计算数据，数据以“平均值±标准差”表示(n=3)；使用SPSS 21.0进行单因素方差分析(LSD法)，P<0.05为差异显著；使用Origin Correlation Plot进行皮尔森相关性分析；使用OriginPro 2021和Photoshop CS6制图。
2. 结果与分析
2.1 镉胁迫对辣椒幼苗生长的影响
由图1可知：与CK处理相比，随着镉离子浓度的增加，辣椒幼苗的鲜质量、茎粗和株高均呈低浓度(S1处理)时增加的趋势；当镉离子浓度继续增加(S2~S5处理)时，辣椒幼苗的生长受到抑制，表现为叶片发黄、根系伸长受到抑制、植株矮小，鲜质量、茎粗和株高随之降低。此外，镉胁迫显著抑制了根系活力，较CK组处理降低了86.2%~96.4%。
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图 1 镉胁迫对辣椒幼苗生长发育的影响注：CK、S1、S2、S3、S4和S5分别表示Cd2+浓度为0、2.5、5.0、10.0、20.0和50.0 μmol/L；不同小写字母表示不同处理间存在显著差异(P<0.05)；下同。Figure 1. Effects of cadmium stress on the growth and development of capsicum seedlingsNote: CK, S1, S2, S3, S4 and S5 respectively for Cd2+ concentrations of 0, 2.5, 5, 10.0, 20.0 and 50.0 μmol/L; different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05); the same as below.由图2可知：CK处理的根尖排列紧实，低浓度镉胁迫(S1处理)对根尖组织形态的影响较小，但随着镉离子浓度的增加，根尖细胞间隙增大，排列散乱，细胞木质化逐渐加深，表皮细胞壁纤维素化，甚至破损。可见，镉胁迫抑制了根系活力，但在不同浓度镉胁迫下的表现有所差异，较低浓度(S1处理)镉胁迫对辣椒幼苗有一定的促进生长作用，随着镉胁迫浓度的增加，根系正常生长受损，从而影响了辣椒根系对养分的吸收，导致辣椒生长变缓，其生长受到抑制。
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图 2 镉胁迫下的辣椒幼苗根尖组织切片注：红色圆圈为切片显示间隙增大、排列散乱部分。Figure 2. Root tip tissue slices of capsicum seedlings under cadmium stressNote: The red circles indicate the enlarged gap and the scattered part of the arrangement.2.2 镉胁迫对辣椒幼苗根系活性氧积累的影响
由图3a可知：随着镉胁迫浓度的增加(0~50.0 μmol/L)，辣椒幼苗根尖棕红色程度逐渐加深，说明镉胁迫增加了辣椒幼苗根系的质膜过氧化程度，特别是镉离子浓度≥5.0 μmol/L (S2处理)后，根尖处积累了大量的H2O2，造成质膜氧化损伤。由图3b可知：随着镉胁迫浓度增加，根尖组织中${\rm{O}}_{2}^{-} $积累增加，细胞氧化损伤逐渐加重，特别是镉浓度为50.0 μmol/L (S5处理)时，根尖大量的超氧阴离子积累导致细胞质膜过氧化水平增加，造成氧化损伤，破坏细胞质膜的完整性。
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图 3 镉胁迫对根尖细胞H2O2 (a)和O2 − (b)积累的影响Figure 3. Effects of cadmium stress on the accumulations of H2O2 (a) and O2 − (b) in root tip cells2.3 镉胁迫对辣椒幼苗光合作用的影响
由图4可知：随着镉胁迫浓度的增加(0~50.0 μmol/L)，辣椒幼苗的Pn、Tr、Ci和Gs呈波动下降趋势，且变化规律相似。与CK处理相比，S1和S3处理的Pn、Tr、Ci和Gs均升高，S2的处理Tr和Gs均降低，S4和S5处理的Pn、Tr和Gs均降低，S2、S4和S5处理的Ci显著降低。叶绿素含量则随着镉浓度的增加而降低，降幅为5.14%~39.62%，且除S1处理外，其余各处理的叶绿素含量均显著低于CK处理。当镉胁迫浓度增加到20.0和50.0 μmol/L (S4和S5处理)时，WUE显著高于CK处理。
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图 4 镉胁迫对辣椒幼苗光合特征参数的影响注：Pn. 净光合速率；Tr. 蒸腾速率；Ci. 胞间CO2浓度；Gs. 气孔导度；WUE. 水分利用效率。Figure 4. Effects of cadmium stress on the photosynthetic characteristics of capsicum seedlingsNote: Pn. net photosynthetic rate; Tr. transpiration rate; Ci. intercellular CO2 concentration; Gs. stomatal conductance; WUE. water use efficiency.2.4 镉胁迫对辣椒幼苗丙二醛(MDA)含量的影响
由图5可知：与CK处理相比，低浓度镉胁迫(S1处理)对MDA含量的影响较小，而其他处理的MDA含量均显著升高，并在S4处理(20.0 μmol/L)达到最大值。相较于CK处理，S2、S3、S4和S5处理下，辣椒幼苗中的MDA含量分别增加32.95%、63.17%、65.77%和63.91%，表明在镉胁迫下，辣椒幼苗细胞膜过氧化程度加深，细胞膜受损伤程度增加。
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图 5 镉胁迫对辣椒幼苗丙二醛(MDA)含量的影响Figure 5. Effects of cadmium stress on the malondialdehyde (MDA) content of capsicum seedlings2.5 镉胁迫对辣椒幼苗酶活性和可溶性蛋白(SP)含量的影响
由图6可知：不同浓度镉胁迫处理的辣椒幼苗酶活性差异明显。随着镉胁迫浓度的增加，SOD和POD活性均呈先降低后升高的趋势，与CK处理相比，S1、S2和S3处理的SOD活性分别显著下降了16.61%、15.88%和11.48%，而S4和S5处理分别显著上升了12.42%和12.87%；S1、S2和S3处理的POD活性分别显著下降了66.82%、49.75%和62.72%，而S4和S5处理分别显著上升了43.62%和138.97%，说明辣椒幼苗在镉胁迫下激活了抗氧化应激系统，高浓度镉胁迫(S4和S5处理)诱导辣椒幼苗体内SOD和POD活性上升。与之相反，CAT活性随着镉胁迫浓度的增加呈先升高后降低的趋势。S1和S2处理的CAT活性分别增加了7.89%和7.55%，但与CK处理的差异不显著；当镉胁迫浓度增加到10.0 μmol/L (S3处理)时，CAT活性显著增加了72.21%，并达到最高值；但当胁迫浓度继续增加时，S4和S5处理的CAT活性显著降低了46.83%和24.07%，说明在一定的浓度范围内，镉胁迫诱导了CAT活性，但超出范围后镉胁迫浓度的增加会迅速降低CAT活性。此外，与CK处理相比，仅S1处理的SP含量有所增加，S2~S5处理的SP含量分别降低了8.16%、35.54%、43.64%和44.18%。
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图 6 镉胁迫对辣椒幼苗酶活性和可溶性蛋白(SP)含量的影响注：SOD. 超氧化物歧化酶；CAT. 过氧化氢酶；POD. 过氧化物酶。Figure 6. Effects of cadmium stress on the enzyme activity and soluble protein (SP) content of capsicum seedlingsNote: SOD. superoxide dismutase; CAT. catalase; POD. peroxidase.2.6 镉胁迫下辣椒幼苗镉的生物积累特性
辣椒幼苗根、茎、叶中的镉含量随着镉胁迫浓度的增加而逐渐升高(表2)，不同组织之间镉含量关系为根>茎≈叶，根部的镉含量是茎的3.18~70.49倍、是叶的3.89~40.97倍，表明根系吸收重金属镉以后，大部分被截留在根部，少部分向茎叶等其他部位转移。随着镉胁迫浓度的增加，辣椒根、茎、叶的富集系数均逐渐降低，镉胁迫浓度为2.5 μmol/L (S1处理)时，辣椒幼苗的镉富集能力最强，这可能是低镉胁迫刺激了植物的生长，旺盛的生长和较大的根系吸收能力也加速了对镉的富集；但随着镉浓度不断增加，辣椒幼苗受到的毒害逐渐加重，影响了辣椒幼苗正常的生长和代谢，从而影响了对镉的耐受性和根系的截留能力。
表 2 镉胁迫下辣椒幼苗中生物富集特征Table 2. Characteristics of bioenrichment in capsicum seedlings under cadmium stress组织
tissues处理
treatments全量镉/(mg·kg−1)
total cadmium content富集系数
concentration factor转移系数
transfer factor根
rootCK — / / S1 497.54±54.23 d 995.08 / S2 702.39±38.94 c 702.39 / S3 1038.69 ±109.11 b519.35 / S4 1072.24 ±102.01 b268.06 / S5 1432.06 ±355.31 a143.21 / 茎
stemCK — / / S1 14.60±1.40 c 29.20 0.03 S2 13.73±2.90 c 13.73 0.02 S3 14.73±2.51 c 7.37 0.01 S4 29.35±6.91 b 7.34 0.03 S5 58.72±6.54 a 5.87 0.04 叶
leafCK — / / S1 12.24±1.29 c 24.48 0.02 S2 17.14±1.54 c 17.14 0.02 S3 31.73±2.87 b 15.86 0.03 S4 54.10±3.67 a 13.53 0.05 S5 59.09±8.40 a 5.91 0.04 注：CK、S1、S2、S3、S4和S5分别表示Cd2+浓度为0、2.5、5.0、10.0、20.0和50.0 μmol/L；不同小写字母表示不同处理间存在显著差异(P<0.05)；“—”表示未检出或低于仪器检出限，故无对应的富集系数和转移系数 (用“/”表示)。
Note: CK, S1, S2, S3, S4 and S5 respectively for Cd2+ concentrations of 0, 2.5, 5, 10.0, 20.0 and 50.0 μmol/L; different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05); “—” indicates the device is not detected or below the device detection limit, therefore, there are no corresponding concentration factors and transfer factors (indicated by “/”).由表2还可知：不同处理的辣椒幼苗对镉的转移能力有所差异。当镉胁迫浓度低于10.0 μmol/L (S1和S2处理)时，根中的镉主要向茎转移；而镉胁迫浓度≥10.0 μmol/L (S3~S5处理)时，根中的镉主要向叶转移。除CK处理外，不同处理下，辣椒幼苗根中的镉向茎转移的能力为S5>S4=S1>S2>S3，向叶转移的能力为S4>S5>S3>S2=S1。可见，高浓度镉胁迫下，植物根系积累了大量的镉，植物为了减少其对根系的损伤而向其他部位转移，而根系细胞受损，增加了细胞的透性，减弱了根系细胞对镉的固持作用，更容易向地上部转移。
2.7 镉胁迫下辣椒幼苗的矿质元素含量特征及相关性
辣椒幼苗对矿质元素的吸收受到镉胁迫浓度的影响(图7)。随着镉胁迫浓度的增加，根中的Ca、Fe、Zn含量整体上呈先增加后降低的趋势，低浓度镉胁迫(S1处理)促进了辣椒幼苗根系对矿质元素的吸收。叶中的Ca、Mg含量随着镉胁迫浓度的增加而增加，且与根、茎、叶中的Cd含量呈显著正相关性(图8)。此外，Ca、Mg主要在叶中富集，说明Ca2+、Mg2+与Cd2+向叶的运输过程中存在一定的协同相应，Cd2+可能利用Ca2+、Mg2+运输通道或转运蛋白向上运输。根中的Fe、Zn含量呈低浓度下增加，之后随镉胁迫浓度增加而逐渐降低，而茎、叶中的Fe、Zn含量呈下降趋势，根、茎、叶中的Fe和Zn含量均与根、茎、叶中的Cd含量呈负相关关系，其中在茎、叶中达到显著水平，Fe、Zn主要在根中富集，说明Fe、Zn在辣椒不同组织间的运输过程受到Cd的显著影响。K在根、茎、叶中的含量整体呈波动下降趋势，与根、茎、叶中的Cd含量呈负相关，其中在叶中达到显著水平。
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图 7 镉胁迫下辣椒幼苗矿质元素含量变化Figure 7. Change of mineral element content in capsicum seedlings under cadmium stress![]()
图 8 辣椒幼苗不同组织中镉与矿质元素间的相关性注：root. 根；stem. 茎；leaf. 叶；“*”表示在0.05水平上显著相关。Figure 8. Correlation between cadmium and mineral elements in different tissues of capsicum seedlingsNote: “*” indicates significant correlation at 0.05 level.3. 讨论
3.1 镉胁迫对辣椒幼苗生长发育的影响表现为低促高抑的特点
镉胁迫能导致植物生长发育受阻，表现为植物形态、生理生化及结构的改变，从而影响植物对营养元素的吸收[5]。在本研究中，高浓度镉胁迫对辣椒生物量、根系活力等产生不利影响，但在一定浓度范围内，辣椒幼苗对镉胁迫有一定的耐受性，在低浓度(2.5 μmol/L)胁迫下，能促进辣椒幼苗的生长。这可能是由于低浓度镉有利于激活细胞分裂素代谢过程的某些酶，促进了植物的生长[21]，暴露于低浓度的一些微量元素(包括镉)会引起生长刺激[22]。此外，低浓度的重金属处理还可以增强对其他元素的吸收，从而促进植物的生长。在一些研究中，金属预处理可以刺激防御机制，诱导对其他胁迫因素的耐受性，如渗透胁迫、盐度、干旱、低温和病原体攻击[23]。但是，随着镉胁迫浓度的升高(≥10.0 μmol/L)，植物的生理活动受到不利影响，这在许多研究中也得到了证实[3, 10]。镉在植物叶片中积累会破坏叶片的光合器官，抑制卡尔文循环酶，影响植物光合作用和碳代谢[5]，从而阻碍植株生长。在本研究中，低浓度镉(2.5 μmol/L)有利于促进辣椒幼苗的光合作用，但随着镉胁迫浓度的增加，叶片光合系统受到破坏，光合作用减弱。贺章咪[24]对不同辣椒品种镉吸收差异的研究也得出相同结论。这证实了镉对辣椒幼苗的影响呈低促高抑的特点。
3.2 辣椒幼苗对不同浓度镉胁迫的生理生化响应机制存在差异
植物活性氧清除系统活性和抗氧化能力下降是重金属胁迫下ROS积累的主要原因。镉对植物的毒性是由氧化胁迫介导的，植物遭受镉胁迫时产生大量具有强氧化性的ROS物质，自由基的不断积累会加剧组织细胞膜质过氧化，损伤细胞组织，干扰正常的细胞代谢[5]。植物根系作为直接暴露于不利环境的主要部分，首先受到镉胁迫的毒害。这在本研究中也得到证实，不同浓度镉胁迫下，辣椒根尖组织均存在不同程度的O2 −和H2O2积累，对辣椒幼苗根系产生不利影响。此外，作为膜质过氧化的产物，大量MDA能与膜上的蛋白质结合，导致蛋白质分子间和分子内的交联，是质膜损伤的重要指标[3, 25]。本研究中，镉胁迫浓度≥5.0 μmol/L时导致辣椒幼苗中大量MDA积累，受到了不同程度的毒害作用。
已有研究表明：在非生物胁迫下，植物抗氧化防御酶的活性增加，如CAT、POD和SOD等，这些酶在防御氧化损伤中起着重要作用[26]—SOD催化积累的ROS转化为过氧化氢和分子氧，CAT和POD将过氧化氢转化为水和分子氧，去除ROS[27]。镉胁迫下植物体内的SOD、CAT和POD活性增强，是植物激活抗氧化应激系统对抗镉胁迫的一种调节反应。在本研究中，辣椒幼苗的SOD、POD和CAT活性随着镉胁迫浓度的增加而有不同程度的变化，其活性存在一定的镉离子浓度阈值差异，浓度较低时，SOD和POD活性变化不大，CAT活性显著升高；随着镉胁迫浓度的持续升高，SOD和POD活性显著升高，CAT活性降低，说明辣椒在镉胁迫下激活了抗氧化应激系统，但不同抗氧化酶对镉胁迫的响应和解毒机制有所差异。这可能与CAT、SOD和POD活性对镉胁迫响应的阈值差异有关，也可能与植物对镉胁迫的响应和解毒机制的差异有关[19, 28]。HU等[29]指出：维持较高的POD和CAT活性可能通过削弱SOD系统来抑制应激产生的H2O2，从而提供进一步的氧化保护。当镉胁迫浓度超过阈值后，ROS的不断积累导致过氧化损伤程度增加，植物内ROS产生与清除的动态平衡遭到破坏。CHENG等[30]研究也发现：低剂量镉刺激了淡水藻类寻常小球藻中CAT和SOD的活性。SOD、POD和CAT活性变化的差异说明了不同的抗氧化酶对镉胁迫产生不同程度的生理响应，也说明了辣椒对不同程度镉胁迫具有其固有的内在调节能力，表现为不同抗氧化酶活性的变化，以缓解镉胁迫的伤害。
此外，植物体内的渗透调节物质也会产生变化以适应植物受到的重金属毒害，如可溶性蛋白(SP)与细胞内的多种代谢过程有关，重金属胁迫可诱导相关应激蛋白基因的表达，这是植物对环境应激的防御机制[12]。在本研究中，2.5 μmol/L 镉胁迫能促进辣椒幼苗SP含量的增加，但镉胁迫浓度大于2.5 μmol/L时会导致SP含量降低。CHENG等[30]研究发现：淡水藻类寻常小球藻的SP含量随着Cd (II)剂量的增加而增加，在Cd (II)质量浓度为1 mg/L时达到最大值，当Cd (II)质量浓度超过3 mg/L后又降低。肖雪等[31]研究发现：随着Cd2+胁迫浓度的增加，双腺藤幼苗叶片的SP含量先上升后下降。徐佳佳等[32]研究也发现：高质量分数镉胁迫下，间作体系中玉米和续断菊叶片中的SP含量均增加。本研究中，镉胁迫浓度为2.5 μmol/L时，SP含量最高，超过10.0 μmol/L后SP含量显著降低，这可能是不同植物对镉胁迫响应机制的差异所致。SP含量的不同变化表明不同浓度镉胁迫下植物的解毒机制和耐受性不同。
3.3 镉胁迫下辣椒幼苗镉富集特性及对矿质元素吸收的影响
植物对重金属的吸收转运途径一般为根系通过主动吸收(如转运蛋白跨膜运输)和被动吸收(如阳离子交换和离子扩散)进入植物体内，在茎中进行转运到植物其他部位。植物必需元素(K、Ca、Fe、Zn等)的跨膜运输载体也成为镉元素进入植物的通道，且这些细胞膜上的金属转运蛋白和离子通道也可能参与了Cd2+在植物根系细胞木质部的装载过程[33]。本研究发现：虽然随着镉胁迫浓度的增加，辣椒幼苗中的镉全量也逐渐增加，但其富集系数却逐渐下降，这与前人研究[34]一致。低浓度镉胁迫促进了Ca、Mg、Fe、Zn等矿质元素的吸收，元素间存在协同作用，在促进辣椒幼苗生长的同时，也增加了镉在辣椒中的富集；而随镉胁迫浓度继续增加，镉元素与其他矿质元素之间存在拮抗作用，这也是影响镉富集能力的原因之一。镉胁迫抑制了其他与矿质营养元素吸收相关的转运蛋白表达，如NRAMP、P型ATP酶、ABC转运家族、ZIP (ZRT/IRT-like蛋白)等[35]。这些转运体对维持植物组织细胞中重金属离子的稳态具有重要作用，从而影响Cd的生物富集能力。大部分镉在植物根部被固存，只有小部分转移到地上部。将镉固定在根细胞壁上是抑制植物对镉吸收的一种方式，这也是本研究中辣椒幼苗根系全量镉远高于茎、叶全量镉的原因。
4. 结论
辣椒幼苗生长有一定的镉耐受性，低浓度(2.5 μmol/L)下能促进辣椒幼苗的生长和光合作用；但随着浓度升高(≥10.0 μmol/L)，光合作用参数Pn、Tr、Ci和Gs呈波动下降趋势，叶绿素含量降低，生长受到抑制。镉胁迫会抑制辣椒幼苗根系活力，增加根系质膜过氧化程度，产生大量H2O2、${\rm{O}}_{2}^{-} $和MDA积累；同时辣椒幼苗通过改变抗氧化酶(CAT、POD、SOD)活性及渗透调节物质(SP)的含量等生理生化响应来提供保护，缓解镉对植物细胞的伤害。随着镉胁迫浓度的增加，辣椒幼苗富集系数逐渐减小，镉与其他营养元素之间存在拮抗作用，且大部分镉在根部被固存，减少了辣椒对镉的吸收。辣椒幼苗对镉胁迫具有一定的调节和解毒能力。
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图 1 镉胁迫对辣椒幼苗生长发育的影响
注：CK、S1、S2、S3、S4和S5分别表示Cd2+浓度为0、2.5、5.0、10.0、20.0和50.0 μmol/L；不同小写字母表示不同处理间存在显著差异(P<0.05)；下同。
Figure 1. Effects of cadmium stress on the growth and development of capsicum seedlings
Note: CK, S1, S2, S3, S4 and S5 respectively for Cd2+ concentrations of 0, 2.5, 5, 10.0, 20.0 and 50.0 μmol/L; different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05); the same as below.
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图 2 镉胁迫下的辣椒幼苗根尖组织切片
注：红色圆圈为切片显示间隙增大、排列散乱部分。
Figure 2. Root tip tissue slices of capsicum seedlings under cadmium stress
Note: The red circles indicate the enlarged gap and the scattered part of the arrangement.
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图 3 镉胁迫对根尖细胞H2O2 (a)和O2 − (b)积累的影响
Figure 3. Effects of cadmium stress on the accumulations of H2O2 (a) and O2 − (b) in root tip cells
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图 4 镉胁迫对辣椒幼苗光合特征参数的影响
注：Pn. 净光合速率；Tr. 蒸腾速率；Ci. 胞间CO2浓度；Gs. 气孔导度；WUE. 水分利用效率。
Figure 4. Effects of cadmium stress on the photosynthetic characteristics of capsicum seedlings
Note: Pn. net photosynthetic rate; Tr. transpiration rate; Ci. intercellular CO2 concentration; Gs. stomatal conductance; WUE. water use efficiency.
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图 5 镉胁迫对辣椒幼苗丙二醛(MDA)含量的影响
Figure 5. Effects of cadmium stress on the malondialdehyde (MDA) content of capsicum seedlings
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图 6 镉胁迫对辣椒幼苗酶活性和可溶性蛋白(SP)含量的影响
注：SOD. 超氧化物歧化酶；CAT. 过氧化氢酶；POD. 过氧化物酶。
Figure 6. Effects of cadmium stress on the enzyme activity and soluble protein (SP) content of capsicum seedlings
Note: SOD. superoxide dismutase; CAT. catalase; POD. peroxidase.
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图 7 镉胁迫下辣椒幼苗矿质元素含量变化
Figure 7. Change of mineral element content in capsicum seedlings under cadmium stress
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图 8 辣椒幼苗不同组织中镉与矿质元素间的相关性
注：root. 根；stem. 茎；leaf. 叶；“*”表示在0.05水平上显著相关。
Figure 8. Correlation between cadmium and mineral elements in different tissues of capsicum seedlings
Note: “*” indicates significant correlation at 0.05 level.
表 1 营养液成分及质量浓度
Table 1 Composition and mass concentration of nutrient solution
成分
compositionρ/(mg·L−1) 营养液
nutrient solution1/2营养液
1/2 nutrient solutionCa(NO3)2·4H2O 472.50 236.25 KNO3 605.00 302.50 NH4H2PO4 230.16 115.08 MgSO4·7H2O 246.48 123.24 KCl 1.86 0.93 H2BO3 0.77 0.39 MnSO4 0.17 0.09 ZnSO4 0.29 0.15 CuSO4 0.07 0.04 H2MoO4 0.04 0.02 NaFe-EDTA 0.98 0.49 
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表 2 镉胁迫下辣椒幼苗中生物富集特征
Table 2 Characteristics of bioenrichment in capsicum seedlings under cadmium stress
组织
tissues处理
treatments全量镉/(mg·kg−1)
total cadmium content富集系数
concentration factor转移系数
transfer factor根
rootCK — / / S1 497.54±54.23 d 995.08 / S2 702.39±38.94 c 702.39 / S3 1038.69 ±109.11 b519.35 / S4 1072.24 ±102.01 b268.06 / S5 1432.06 ±355.31 a143.21 / 茎
stemCK — / / S1 14.60±1.40 c 29.20 0.03 S2 13.73±2.90 c 13.73 0.02 S3 14.73±2.51 c 7.37 0.01 S4 29.35±6.91 b 7.34 0.03 S5 58.72±6.54 a 5.87 0.04 叶
leafCK — / / S1 12.24±1.29 c 24.48 0.02 S2 17.14±1.54 c 17.14 0.02 S3 31.73±2.87 b 15.86 0.03 S4 54.10±3.67 a 13.53 0.05 S5 59.09±8.40 a 5.91 0.04 注：CK、S1、S2、S3、S4和S5分别表示Cd2+浓度为0、2.5、5.0、10.0、20.0和50.0 μmol/L；不同小写字母表示不同处理间存在显著差异(P<0.05)；“—”表示未检出或低于仪器检出限，故无对应的富集系数和转移系数 (用“/”表示)。
Note: CK, S1, S2, S3, S4 and S5 respectively for Cd2+ concentrations of 0, 2.5, 5, 10.0, 20.0 and 50.0 μmol/L; different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05); “—” indicates the device is not detected or below the device detection limit, therefore, there are no corresponding concentration factors and transfer factors (indicated by “/”).
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[1] KANIKA K, SUKHMEEN K K, PUJA O, et al. Agroecotoxicological aspect of Cd in soil-plant system: uptake, translocation and amelioration strategies[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2022, 29(21): 30908. DOI: 10.1007/s11356-021-18232-5.
[2] 胡立志, 刘鸿雁, 刘青栋, 等. 贵州喀斯特地区辣椒镉的累积特性及土壤风险阈值研究[J]. 生态科学, 2021, 40(3): 194. DOI: 10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.023. [3] GALLEGO S M, PENA L B, BARCIA R A, et al. Unravelling cadmium toxicity and tolerance in plants: insight into regulatory mechanisms[J]. Environmental and Experimental Botany, 2012, 83(7): 38. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2012.04.006.
[4] HUANG L K, WANG Q, ZHOU Q Y, et al. Cadmium uptake from soil and transport by leafy vegetables: a meta-analysis[J]. Environmental Pollution, 2020, 264(5): 114677. DOI: 10.1016/j.envpol.2020.114677.
[5] TAOUFIK E R, ABDALLAH O, ABDELMAJID H, et al. Cadmium stress in plants: a critical review of the effects, mechanisms, and tolerance strategies[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2022, 52(5): 9. DOI: 10.1080/10643389.2020.1835435.
[6] 张腾, 卢倩云, 陈友明, 等. 3种镉超富集植物毛状根体系对镉胁迫响应的比较[J]. 生态毒理学报, 2017, 12(4): 371. DOI: 10.7524/AJE.1673-5897.20160818001. [7] LI H, LUO N, LI Y W, et al. Cadmium in rice: transport mechanisms, influencing factors, and minimizing measures[J]. Environmental Pollution, 2017, 224: 623. DOI: 10.1016/j.envpol.2017.01.087.
[8] 龙春丽, 宋拉拉, 胡明文, 等. 镉胁迫对不同品种辣椒种子萌发及苗期抗性生理的影响[J]. 种子, 2021, 40(5): 107. DOI: 10.16590/j.cnki.1001-4705.2021.05.105. [9] 郭继荣. 镉对辣椒幼苗生长及部分生理特性的影响[J]. 陕西农业科学, 2017, 63(11): 14. DOI: 10.3969/j.issn.0488-5368.2017.11.005. [10] 韩畅, 蒋琪, 覃成, 等. 镉胁迫对辣椒幼苗生长与生理特性的影响[J]. 山东农业大学学报(自然科学版), 2020, 51(5): 811. DOI: 10.3969/j.issn.1000-2324.2020.05.005. [11] 李维, 向芬, 童建华, 等. 脱落酸与镉处理对辣椒果实中辣椒素和维生素C含量的影响[J]. 激光生物学报, 2010, 19(1): 28. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7146.2010.01.006. [12] ZHANG W E, PAN X J, ZHAO Q, et al. Plant growth, antioxidative enzyme, and cadmium tolerance responses to cadmium stress in Canna orchioides[J]. Horticultural Plant Journal, 2021, 7(3): 264. DOI: 10.1016/j.hpj.2021.03.003.
[13] 张子峰. 我国辣椒产业发展现状、主要挑战与应对之策[J]. 北方园艺, 2023(14): 153. DOI: 10.11937/bfyy.20223771. [14] 邢丹, 张爱民, 王永平, 等. 贵州典型土壤—辣椒系统中镉的迁移富集特征[J]. 西南农业学报, 2016, 29(2): 335. DOI: 10.16213/j.cnki.scjas.2016.02.023. [15] 谢朝, 付天岭, 何腾兵, 等. Cd胁迫对马铃薯根际土壤细菌群落组成及多样性的影响[J]. 河南农业科学, 2020, 49(6): 49. DOI: 10.15933/j.cnki.1004-3268.2020.06.007. [16] 雷阳, 乔宁, 苗如意, 等. 谷胱甘肽和丁硫堇对镉胁迫下辣椒幼苗生理特性的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2022(4): 216. DOI: 10.11838/sfsc.1673-6257.20757. [17] 高俊凤. 植物生理学实验指导[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006. [18] ROMERO-PUERTAS M C, RODRÍGUEZ-SERRANO M, CORPAS F J, et al. Cadmium-induced subcellular accumulation of O2− and H2O2 in pea leaves[J]. Plant, Cell & Environment, 2004, 27(9): 1123. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2004.01217.x.
[19] YAN Q X, LI X Y, XIAO X F, et al. Arbuscular mycorrhizal fungi improve the growth and drought tolerance of Cinnamomum migao by enhancing physio-biochemical responses[J]. Ecology and Evolution, 2022, 12(7): 4. DOI: 10.1002/ece3.9091.
[20] YAN Q X, FANG H, WANG D P, et al. Transfer and transformation characteristics of Zn and Cd in soil-rotation plant (Brassica napus L. and Oryza sativa L.) system and its influencing factors[J]. Scientific Reports, 2023, 13(1): 7393: 4 DOI: 10.1038/s41598-023-34377-4.
[21] 邵晓庆, 贺章咪, 徐卫红. 辣椒果实高中低镉积型对镉的富集、转运特性及在亚细胞分布特点比较[J]. 环境科学, 2021, 42(2): 957. DOI: 10.13227/j.hjkx.202007003. [22] MUSZYŃSKA E, LABUDDA M. Dual role of metallic trace elements in stress biology-from negative to beneficial impact on plants[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2019, 20(13): 3. DOI: 10.3390/ijms20133117.
[23] HOLUBEK R, DECKERT J, ZINICOVSCAIA I, et al. The recovery of soybean plants after short-term cadmium stress[J]. Plants, 2020, 9(6): 782. DOI: 10.3390/plants9060782.
[24] 贺章咪. 不同辣椒品种镉吸收差异及其积累关键基因表达研究[D]. 重庆: 西南大学, 2021. [25] 李庆玺, 刘莉, 尹亚敏, 等. 外源褪黑素对铝胁迫下紫花苜蓿生长状况和质膜透性的影响[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2023, 38(6): 1061. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202301016. [26] 信龙飞, 娄闯, 冀保毅, 等. 干旱胁迫对桔梗光合作用和生理特性的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(8): 70. DOI: 10.15933/j.cnki.1004-3268.2023.08.008. [27] SOUSA N A, OLIVEIRA G A L, DE OLIVEIRA A P, et al. novel ocellatin peptides mitigate LPS-induced ROS formation and NF-κB activation in microglia and hippocampal neurons[J]. Scientific Reports, 2020, 10(1): 2696. DOI: 10.1038/s41598-020-59665-1.
[28] 王艳霞, 郑武扬, 侯磊, 等. 滇杨幼苗对镉、锌胁迫的生理响应与耐受性研究[J]. 西南林业大学学报(自然科学), 2024, 44(1): 31. DOI: 10.11929/j.swfu.202211070. [29] HU L X, ZHANG Z F, XIANG Z X, et al. Exogenous application of citric acid ameliorates the adverse effect of heat stress in tall fescue (Lolium arundinaceum)[J]. Frontiers in Plant Science, 2016, 7: 179. DOI: 10.3389/fpls.2016.00179.
[30] CHENG J F, QIU H C, CHANG Z Y, et al. The effect of cadmium on the growth and antioxidant response for freshwater algae Chlorella vulgaris[J]. SpringerPlus, 2016, 5(1): 1290. DOI: 10.1186/s40064-016-2963-1.
[31] 肖雪, 李宗艳, 马长乐, 等. 镉胁迫对双腺藤幼苗生长及生理特性的影响[J]. 西部林业科学, 2021, 50(3): 118. DOI: 10.16473/j.cnki.xblykx1972.2021.03.016. [32] 徐佳佳, 刘宁宁, 秦丽, 等. 镉胁迫对续断菊与玉米间作体系中植物叶片抗氧化酶活性的影响[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2016, 31(2): 350. DOI: 10.16211/j.issn.1004-390X(n).2016.02.024. [33] WILLIAMS L E, PITTMAN J K, HALL J L. Emerging mechanisms for heavy metal transport in plants[J]. Biochimica Et Biophysica Acta, 2000, 1465(1/2): 105. DOI: 10.1016/s0005-2736(00)00133-4.
[34] 陈红亮, 龙黔, 许华杰. 水培条件下不同浓度镉对辣椒的毒害效应[J]. 贵州师范大学学报(自然科学版), 2012, 30(6): 14. DOI: 10.16614/j.cnki.issn1004-5570.2012.06.021. [35] TAKAHASHI R, BASHIR K, ISHIMARU Y, et al. The role of heavy-metal ATPases, HMAs, in zinc and cadmium transport in rice[J]. Plant Signaling & Behavior, 2012, 7(12): 1606. DOI: 10.4161/psb.22454.
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