鎘脅迫對花生籽實品質(zhì)安全性的影響及響應機制

鎘脅迫對花生籽實品質(zhì)安全性的影響及響應機制

1重金屬鎘與花生品質(zhì)近年來，中國花卉出口受到重金屬鎘的嚴重影響，中國花卉出口的能力受到嚴重影響（萬書波等人，2005）。因此，在花卉上的分布條件下，明確區(qū)分淤泥和重金屬在污染區(qū)域的運輸具有一定的環(huán)境和經(jīng)濟意義。以往有關重金屬鎘對作物品質(zhì)的研究,多集中于大豆(Glycinemax)(何勇強等,2000)、水稻(Oryzasativa)(李正文等,2003;Hsu&Kao,2003;曾翔等,2006)、小麥(Triticumaestivum)(蔡保松和張國平,2002)等糧食作物,而有關鎘對花生的研究較少,且主要集中于鎘對花生生長狀況的影響(鄧波和黃懷瓊,1996;王凱榮和龔惠群,2000),并未涉及對花生品質(zhì)方面的影響。因而,本研究采用盆栽方式,通過模擬實際土壤栽培花生,以研究鎘對花生品質(zhì)的影響以及花生對鎘脅迫的響應,進而揭示花生對鎘高耐性的機理。2材料和方法2.1培養(yǎng)中鎘污染農(nóng)田復合肥料供試花生品種,其一為錦花5號,由錦州農(nóng)業(yè)科學研究院提供,粗蛋白22.2%,粗脂肪44.6%,屬于蛋白含量較低的品種;其二為阜花13號,由遼寧省風沙地改良利用研究所提供,粗蛋白27.3%,粗脂肪45.7%,屬于蛋白含量較高的品種。盆栽所用肥料為中東高濃度復合肥料,由常州中東化肥有限公司生產(chǎn),其N+P2O5+K2O≥45%,未檢測出鎘。盆栽用土為未受鎘污染的農(nóng)田耕層土(0～20cm),土壤類型為棕壤,質(zhì)地為沙壤質(zhì)。其基本理化性狀見表1。2.2土壤處理和種子播種試驗用塑料盆(內(nèi)徑30cm×30cm),每盆裝土12.5kg。Cd(CdCl2·2.5H2O)用量設每千克土加入0、0.3、1、5、10mg處理,每處理重復3次。氯化鎘用水溶解后,分別加入土壤中拌勻,平衡7d。每盆播種3粒種子,適時澆水、施肥(復合肥)(每盆約35g,分別在播種期和開花期進行)?；ㄉL期為130d。2.3測量2.3.1原子吸收分光光度法測樣品中亞硝酸鹽含量鎘含量的測定采用GB/T5009.15方法,將待測樣品經(jīng)硝酸、高氯酸消化后用石墨爐原子吸收分光光度計測定其含量。分析方法的準確性采用國家標準樣品-西紅柿葉標準品(GSBZ51001-94)進行質(zhì)量控制。2.3.2取適量脂肪，測定速生果實中脂按國家標準方法(GB2906-82)提取籽實中脂肪,并計算粗脂肪的含量。2.3.3沉淀物中鎘含量的測定籽實中蛋白質(zhì)的提取,參見文獻(Tomooka,1992)方法。稱取脫脂、風干后的花生樣品(1.000±0.002)g,加入0.05mol·L-1Tris-HCl緩沖液50ml(pH8.0;含0.2%SDS和3mol·L-1脲素),充分攪拌30min,4000r·min-1離心20min,收集上清液。沉淀物用上述方法重復提取3次,合并上清液(總蛋白),用于蛋白質(zhì)中鎘含量的測定?；ㄉ褜嵵械鞍踪|(zhì)的測定采用國家標準方法(GB/T5009.5-2003)。2.3.4tpa的制備采用變性劑SDS、尿素的緩沖溶液溶解蛋白質(zhì),取蛋白液樣品1.0ml,加入2ml5%磺基水楊酸(含6.3mmol·L-1DTPA)(pH<1),充分混合后于4℃下10000×g離心15min。取上清液200.0μl放入5ml比色管中,加2.0ml0.2mmol·L-1的Tris-HCl(pH8.2)和0.15ml10mmol·L-1的5,5-二硫-雙二硝基苯甲酸(DTNB),室溫下放置20min,然后在分光光度計412nm波長下用分光光度計比色測定(Tuetal.,2004)。2.3.5胰島素的測定樣品用6mol·L-1HCl在110℃水解24h,用丹酰氯作柱前衍生劑,反相高效液相色譜法測定(閆淑蓮等,2003)。2.4統(tǒng)計分析結(jié)果分析采用SPSS(11.5)統(tǒng)計分析軟件。3結(jié)果與分析3.1鎘脅迫對生物肥的質(zhì)量安全的影響3.1.1花生脂肪和蛋白質(zhì)含量由表2可知,不同劑量鎘處理下,錦花5號花生籽實的脂肪和蛋白質(zhì)含量受土壤中鎘含量的影響差異顯著(P<0.05),而阜花13號花生籽實的脂肪和蛋白質(zhì)含量僅在個別組處理下差異顯著,這說明鎘對花生脂肪和蛋白質(zhì)含量的影響因品種不同而各異。統(tǒng)計分析表明,2品種花生籽實蛋白質(zhì)含量與土壤鎘含量間達極顯著(P<0.01)正相關,相關系數(shù)分別為0.876和0.791。楊居榮等(1995)認為,這是鎘誘導生物體內(nèi)產(chǎn)生了誘導蛋白質(zhì)所造成的。3.1.2外源鎘處理對花生水分積累的影響中鎘含量的影響植物種子中重金屬的積累是植物體內(nèi)重金屬吸收與分配的結(jié)果,受許多生理過程的影響,如根系吸收、根系至地上部的運輸以及地上部各器官間的再分配等(Grantetal.,1998)。作物對鎘的吸收和積累在品種間存在著顯著差異(Zhangetal.,2000)。統(tǒng)計分析表明,2品種花生籽實鎘含量隨土壤中鎘含量的增加而顯著增加(P<0.05)(圖1)。在同一濃度鎘脅迫下,除對照組和10mg·kg-1處理組外,其余各組阜花13號花生籽實的鎘含量要顯著(P<0.05)高于錦花5號,這說明花生籽實中的鎘含量與其作物品種有關。積累系數(shù)可以反映一個元素在作物體內(nèi)的遷移積累程度。將籽粒中任一重金屬的濃度除以土壤中的相應元素全量即計算得到籽粒的重金屬元素的積累系數(shù)(PAF值)(潘根興等,2002)。如圖2,2花生籽實的鎘積累系數(shù)隨外源鎘處理濃度的增加而降低,表現(xiàn)出在低鎘濃度范圍內(nèi)(≤1mg·kg-1),花生籽實的鎘積累能力較高。因此,花生在土壤低鎘濃度范圍內(nèi)更易富集鎘,這與王姍姍等(2006)的研究結(jié)論相一致。值得指出的是,本研究是在向土壤中添加外源鎘的前提下進行的,此時土壤中鎘與土壤固有鎘在吸收活性方面存在差異。由于本研究采用的是沙壤質(zhì)土壤,因此添加情況下的鎘活性很可能要強于土壤固有鎘。由此可以推斷出,在土壤固有鎘的前提下,花生對鎘的吸收可能較添加鎘的情況下會更弱些,故此種情況下種植的花生對膳食健康的危害也會更小些。研究表明,花生籽實中蛋白質(zhì)和脂肪含量占其總營養(yǎng)成分的70%以上,可以作為人體較好的營養(yǎng)物質(zhì)來源(萬書波等,2005)。但鎘的高積累會破壞花生的品質(zhì)。如圖3所示,蛋白質(zhì)中鎘含量隨籽實全鎘量的增加而顯著增加(P<0.05),二者的相關性分別達到了0.995和0.990。當籽實中鎘含量為0.311mg·kg-1時,蛋白質(zhì)中鎘的積累量已高達0.978mg·kg-1。因此,鎘含量較高的花生不能作為人體對植物蛋白的來源。脂肪中鎘含量隨籽實全鎘量的增加而略有增加(圖4)。即使當鎘處理劑量高達10mg·kg-1時,脂肪中的鎘含量也只有0.051mg·kg-1,遠遠低于食品中鎘的限量0.2mg·kg-1。因此,對于鎘含量較高的花生籽實,食用其油脂部分是比較安全的。由表3可知,花生籽實脂肪鎘占全鎘的百分比低于1%,而蛋白質(zhì)鎘占全鎘的百分比皆在50%以上,說明蛋白質(zhì)是絡合鎘的主要營養(yǎng)部位。Braud等(1980)研究發(fā)現(xiàn),鎘最主要的生物化學特性是對蛋白質(zhì)或其他有機化合物中的巰基有很強的親合力,對蛋白質(zhì)中其他側(cè)鏈也有親合力,因此在作物體內(nèi),鎘常與蛋白質(zhì)結(jié)合。3.2出生時對鎘的抵抗力3.2.1不同處理對花生籽實中鎘含量的影響teinthiol,NPT)的影響研究表明(湯章成,1984;楊居榮和蔣婉如,1996),生長在鎘污染環(huán)境中的許多生物具有一定的適應性,適應的主要途徑是通過體內(nèi)合成一類能與鎘特異結(jié)合的蛋白質(zhì)或多肽,從而減輕鎘的危害。非蛋白巰基(non-proteinthiol,NPT)類化合物就屬于其中的一類,它包括植物螯合肽(PCs)、谷胱甘肽(GSH)、γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-EC)、半胱氨酸(Cys)等,它們可以加強作物對鎘的耐受能力(孫雪梅和楊志敏,2006)。由圖5可知,兩品種花生籽實中的NPT含量均隨外源鎘含量的增加而增加,但兩者間存在差異。錦花5號花生籽實中的NPT含量,在土壤鎘處理低于5mg·kg-1時變化不顯著,在鎘處理為5～10mg·kg-1時差異顯著(P<0.05),10mg·kg-1鎘處理組分別比對照增加了19.7%。阜花13號花生籽實中的NPT含量,在鎘處理低于5mg·kg-1時受土壤鎘影響差異顯著(P<0.05),5mg·kg-1鎘處理組比對照增加53.1%,而在鎘處理為5～10mg·kg-1時差異不顯著。兩品種花生籽實中的NPT含量隨外源鎘含量的變化趨勢相反,其原因還有待于進一步的研究。3.2.2花生籽實中的脯氨酸含量從圖6可以看出,同一濃度鎘處理下,錦花5號花生蛋白中的脯氨酸含量要顯著高于阜花13號(P<0.05)。當鎘處理低于5mg·kg-1時,2品種花生中的脯氨酸含量隨土壤鎘濃度的變化趨勢相似,且均低于對照;當鎘處理為10mg·kg-1時,2花生籽實中的脯氨酸含量驟然增加且均高于對照。有報道表明,在植物解鎘毒時,其體內(nèi)的脯氨酸可與Cd2+螯合,形成無毒的Cd-脯氨酸螯合物(Sharmaetal.,1998)。這可能是花生在高鎘處理時籽實中鎘含量高于對照的原因之一。4花生籽實和土壤中鎘含量的比較鎘脅迫對花生籽實脂肪和蛋白質(zhì)含量均有影響,但品種間存在著差異;在供試鎘處理范圍內(nèi)(≤10mg·kg-1),花生籽實中的鎘含量隨土壤鎘含量的增加而