随着工业和农业的迅速发展,土壤中的重金属污染已经成为当今世界上主要的环境问题之一。Cd易在动、植物器官中积累且不易被分解,被认为是对人类最具毒性的污染物质之一。在中国,叶菜类蔬菜是仅次于谷类的人们重要的日常食物,且其具有较强的积累重金属的能力。目前有关作物Cd耐性、吸收与积累品种间差异的机理尚不完全清楚,从而限制了相关育种与栽培工作的开展。本研究在明确甘蓝(Brassica oleracea L.) Cd耐性和Cd含量品种间差异的基础上,利用水培实验,系统地研究Cd抑制甘蓝生长和Cd耐性、吸收与积累品种间差异的生理机制,并探索减少甘蓝Cd胁迫和吸收的化学调控技术。1、不同甘蓝品种对Cd胁迫的响应采用盆栽试验,比较研究了31个甘蓝品种对Cd浓度的反应。结果表明,100mg·kg-1Cd处理下,不同甘蓝品种的耐性及镉吸收积累能力具有显著的品种间差异。地上部干重的抑制率变幅为-15.4%～91．3%,镉对地上部的抑制作用大于根。根系Cd含量变幅为617～1789mg·kg-1,地上部的Cd含量变幅为47～183mg·kg-1,根系Cd含量显著高于地上部。初步筛选出10个对Cd耐性不同的甘蓝品种进行50μmo·L-1Cd的溶液处理,根据植株对Cd的耐性和从根部向地上部转运Cd的能力,筛选出春丰(Cd-耐性品种、低转运Cd)和绿丰(Cd-敏感品种、高转运Cd)2个品种进行甘蓝耐Cd机理的研究。2、镉胁迫对甘蓝生长和镉吸收的影响为了研究甘蓝的耐Cd机理,以2个Cd耐性不同的甘蓝品种(春丰,耐Cd品种；绿丰,Cd敏感品种)为试材,比较研究了不同Cd浓度(0、20、50、100μmol·L-1对甘蓝植株生长、Cd吸收和植株内Cd分布的影响。结果表明,20μmol·L-1的Cd对甘蓝根系伸长及植株干重产生显著的抑制作用,但春丰具有更强的耐Cd胁迫的能力。Cd主要分布在甘蓝的根系。春丰叶中的Cd含量显著低于绿丰,而根中Cd含量显著高于绿丰。绿丰和春丰吸收的Cd约70%-74%和66%-68%被转运到地上部。2个品种叶、茎和根系中的Cd大部分结合在细胞壁上,且春丰细胞壁上的Cd含量显著高于绿丰。与绿丰相比,春丰对Cd的耐性较强可能归因于春丰有更强的阻遏Cd向地上部运输和将Cd结合在细胞壁上的能力。3、镉胁迫对甘蓝光合特性和养分吸收的影响Cd敏感品种绿丰在低浓度Cd (20μmol·L-1)处理下表现出明显受抑,叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Ti)、PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)及PS II光合电子传递的量子效率(ΦDPS Ⅱ)显著降低；而Cd耐性品种春丰在高浓度Cd(50μmol·L-1和100μmol·L-1)处理下才受到显著影响,且相同的Cd水平下,春丰受抑程度显著低于绿丰。Cd胁迫降低了2品种叶绿素a和b含量,尤以对叶绿素a的的影响更甚,进而抑制了叶片光合能力。Cd胁迫显著抑制了2品种对Mn的吸收,促进了对Zn和S的吸收,抑制了Zn和S(绿丰)从根系向地上部的转运,且绿丰受抑幅度更大。此外,Cd处理还显著抑制了绿丰对Fe、Mg的吸收,降低了其叶片中Fe、Mg的含量,而对春丰无显著影响。Cd促进了春丰对P的吸收,而绿丰正相反。因此,与耐性品种春丰相比,Cd胁迫下敏感品种绿丰叶片中Mn、Fe、 Mg、Zn、Ca和P的含量显著降低,是影响其叶片光合作用,进而抑制植株生长的重要生理原因。4、镉胁迫对甘蓝膜脂过氧化及抗氧化酶系统的影响过量Cd会诱导植物体内活性氧(ROS)的产生,但植物体内的抗氧化防卫系统能够在一定范围内清除ROS。耐性品种春丰和敏感品种绿丰分别在Cd处理后第4d和2d,植株内的MDA含量没有受到显著影响,表明抗氧化酶系统在清除ROS中起了重要作用,其中主要是SOD和POD活性显著升高。除春丰叶片中GR活性持续增强外,2品种叶片和根系中SOD、POD、CAT、APX和GR活性随Cd处理时间的延长均呈先升后降的趋势,而MDA含量逐步增加,表明ROS的产生已经超过了防御系统的清除能力,产生了膜脂过氧化。与春丰相比,绿丰体内抗氧化酶活性短时间内急剧升高而又显著下降,至Cd处理第10d,各酶活性均显著低于春丰,而MDA含量显著高于春丰,说明绿丰受到了更大的氧化胁迫。可以认为,Cd处理诱导了ROS的产生,造成了膜脂过氧化,这是Cd伤害甘蓝植株的重要机制之一。抗氧化能力的不同,能部分解释春丰和绿丰对Cd的耐性差异。5、非蛋白巯基和有机酸在甘蓝耐镉性中的作用与对照相比,Cd处理显著增加了2个甘蓝品种叶片和根系中非蛋白巯基(NPT)、植物螯合肽(PCs)、柠檬酸和脯氨酸的含量,且耐Cd品种春丰增加的幅度显著高于敏感品种绿丰。与绿丰相比,春丰对Cd的耐性较强也许归因于其金属配位体,如PCs和柠檬酸的含量较高及渗透调节能力较强。然而,PCs和柠檬酸对解Cd毒的贡献也许小于细胞壁对Cd的固定(结合第三章的结果)。6、根系细胞壁在甘蓝耐镉性中的作用先前的研究已明确,根系细胞壁在甘蓝抗Cd胁迫中起重要作用。为了进一步研究甘蓝耐Cd机理,我们对2品种根系细胞壁成分进行了分析。结果表明：Cd胁迫显著增加了敏感品种绿丰细胞壁中果胶、半纤维素I和半纤维素II的含量及耐Cd品种春丰细胞壁中果胶和半纤维素II的含量。与绿丰相比,春丰细胞壁多糖含量增幅较小。Cd处理下,春丰果胶、半纤维素I和半纤维素II中糖醛酸的含量及绿丰果胶和半纤维素II中糖醛酸的含量均显著增加,而绿丰半纤维素I中糖醛酸的含量没有明显的变化。春丰糖醛酸含量显著高于绿丰,说明糖醛酸在甘蓝耐Cd性中起重要作用。2品种细胞壁各成分中的Cd含量以果胶中最高,它可能是Cd‘的主要结合位点。耐性品种春丰果胶中的Cd含量显著高于敏感品种绿丰,其糖醛酸残基与Cd的结合,可能是春丰耐Cd毒害的一个重要机制。7、外源一氧化氮供体硝普钠(SNP)对甘蓝镉毒害的缓解效应以Cd-敏感品种(绿丰)和Cd-耐性品种(春丰)为试料,研究了100μmol·L-1硝普纳(SNP, NO供体)对种子萌发、幼苗生长和生理的影响。结果表明：20-400μmol·L-1Cd单独处理抑制了2品种种子的萌发,50μmol·L-1Cd降低了植株的干物质重和叶绿素含量,绿丰受Cd的毒害更为明显。外源SNP同时处理下,Cd对甘蓝生长的抑制得到恢复。SNP对Cd胁迫下甘蓝植株的保护作用表现在：(a)显著降低了植株对Cd的吸收,明显减少Cd在叶片和根系细胞器中的积累；(b)降低了被Cd诱导增加的根系细胞壁多糖和多糖中糖醛酸的含量；(c)增强抗氧化酶活性和抗氧化物质的含量,降低了丙二醛(MDA)和过氧化氢(H202)的含量,保护了膜系统的完整性；(d)Cd诱导的非蛋白巯基(NP-SH)的增加被进一步提高,然而PCs的含量略有下降,表明GSH在保护2品种植株抵抗Cd毒害中起重要作用；(e)促进了根系对营养物质的吸收,增加了营养元素在叶片中的分布。Cd诱导S含量的增加被进一步增强,推测S的增加可能与NP-SH的合成有关；(f) SNP同时处理减轻了Cd对甘蓝净光合速率(Pn)的抑制,可能部分缘于SNP对光合机构的保护(提高了叶绿素含量、Fv/Fm值和ΦPSⅡ,增强了PSI I的活性)。综上所述,SNP对Cd胁迫下甘蓝植株的保护可能源于植物体内复杂的信号转导,交叉调控的生理和分子机制。