近年来镉污染日益严重，已成为农田土壤环境中的普遍污染物。环境中的镉十分稳定，浓度过高将对植物造成严重的毒害^[1]。如何缓解甚至消除镉对植物的毒害作用已引起人们的广泛关注^[2]。已有许多学者对镉中毒的缓解措施进行了研究，已有报道的镉毒缓解剂包括硅^{[3, 4]}、锌^[5]、铁^[6]、钙^[7]、磷^[8]以及竹炭^[9]等。

硒是人体必需的微量元素，也是植物生长的有益元素。硒可通过抑制自由基的形成、与镉离子形成螯合蛋白、抑制植物对镉的吸收等途径减轻镉对植物的毒性效应，降低镉在植物体内的积累^{[10, 11]}。已有的研究表明：土壤中添加亚硒酸盐和硒酸盐使玉米根部和地上部镉的质量分数显著降低^[12]；水稻补施低质量分数硒可降低大米中镉的质量分数^[13]；生菜叶面喷施硒，使生菜镉的吸收降低了31.63%^[14]。油菜作为唯一的冬季油料作物，在我国人民膳食结构调整、畜牧业及饲料工业发展、农产品加工方面具有重要作用。研究缓解土壤镉污染对油菜毒害的措施，降低油菜中镉含量，同时通过油菜非食用部位对镉的富集进行土壤镉污染修复意义重大^[15]。然而，目前罕见有关硒对镉胁迫下油菜生理生化响应的影响以及对油菜各器官中镉含量的研究，且尚未获得一致的结论。

零星的研究表明，施以低于10 mg·L^-1的硒，能提高镉胁迫下油菜SOD和POD活性^[16]。本项目组前期结果显示：MS培养条件下，添加0.2 mg·L^-1的硒在一定程度上恢复了1 mg·L^-1镉胁迫下油菜根系的生长，维系了油菜根系细胞的形态和细胞器的结构完整性^[17]。前期的研究证实了硒对油菜根系镉胁迫的缓解效果。然而，前期的研究停留在油菜根系上，且仅选用了一个油菜品种，尚不能揭示不同镉积累型油菜品种光合特性、抗氧化能力以及镉吸收积累等特征的差异。本研究在先前的预备实验结果基础上，分别以本课题组筛选的油菜品种为实验材料，采用水培实验方式，研究了0.3 mg·L^-1硒对0.5 mg·L^-1镉胁迫下不同品种油菜根、茎、叶中镉积累、光合特性及抗氧化酶活性的影响，旨在为外源硒缓解油菜镉毒害机理的深入研究提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 实验材料

实验采用的不同基因型油菜分别为“WH-19”和“WH-95”，经过预备实验筛选得到，假定其分别为镉的低积累和高积累品种，由华中农业大学提供。 1.2 实验设计

水培实验于华中农业大学资源与环境学院盆栽场进行。选取饱满种子，用去离子水浸种24 h，在（30±1） ℃下催芽24 h，萌发后播于装有石英砂的盆中，培养至2片真叶，选取健壮均一的幼苗移植于33 cm×23 cm×7 cm的塑料盆中。每盆栽植12穴，每穴1株，加入4 L营养液，培养1周后用处理液继续培养。设置空白（CK）、镉处理（Cd 0.5 mg·L^-1）、硒处理（Se 0.3 mg·L^-1）、镉+硒处理（0.5 mg·L^-1 Cd+0.3 mg·L^-1 Se），共4个处理，各处理3次重复，每日用去离子水补充水分，每周更换一次处理液。实验中Cd和Se分别以分析纯CdCl₂·5H₂O和Na₂SeO₃的形式加入。实验中Cd和Se的浓度参照本小组先前的预备实验结果确定。 1.3 测定方法

（1）镉（Cd）及硒（Se）含量的测定：将烘干植物样品粉碎，加10 mL HNO₃-HClO₄（体积比为4∶1）的混合酸在DB-2A型智能控温电热板上消化，采用石墨炉原子吸收光谱法（日立公司Z-2000，日本）测定^[18]。

（2）光合参数的测定：采用英国PPSystems公司生产的Ciras-2型便携式光合测定系统在10：00～12：00测定叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO₂浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。测定时光强约600 μmol·m-2·s-1，CO₂浓度为390 μL·L^-1，温度为25 ℃。

（3）抗氧化能力的测定：超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）及过氧化氢酶（CAT）的活性均按文献^[19]的方法测定，即SOD活性采用硝基四氮唑兰光化还原法测定，POD活性采用愈创木酚法测定，CAT活性采用紫外吸收法测定。 1.4 数据处理

实验数据采用WPS表格进行制表，采用Sigma Plot 10.0进行作图，SPSS 20进行方差分析（ANOVA），采用LSD进行P＜0.05水平的显著性分析，结果以3次试验的平均值±标准误表示。 2 结果与分析 2.1 硒对镉胁迫下不同基因型油菜各器官中镉积累的影响

硒对镉胁迫下不同基因型油菜根、茎、叶中硒、镉含量见表 1。结合表 1，比较2个基因型油菜各器官对镉的吸收情况，可知：镉单独处理下，2个基因型油菜根和茎中镉含量没有显著差异，仅“WH-95”叶片对镉的吸收显著高于“WH-19”叶片对镉的吸收，前者为后者的1.36倍；硒、镉共同处理下，“WH-19”各器官中镉含量均显著高于“WH-95”对应器官中镉含量，前者分别是后者的1.15、1.62倍和1.40倍，即硒镉互作下“WH-19”吸收镉的能力强于“WH-95”；与镉单独处理相比，添加硒对“WH-19”各器官中镉含量没有显著影响，却显著降低了“WH-95”各器官中镉含量，“WH-95”根、茎、叶中镉含量分别降低了8.51%、34.61%和46.14%，即添加硒对2个基因型油菜镉含量的影响不同。 同时比较2个基因型油菜各器官对硒的吸收情况，可知：硒单独处理下，“WH-95”根、茎、叶中硒含量均显著高于“WH-19”对应器官中硒含量，前者分别是

后者的1.30、1.52倍和2.05倍，表明“WH-95”吸收硒的能力强于“WH-19”；硒、镉共同处理下，“WH-95”根和叶中硒含量均显著高于“WH-19对应器官中硒含量，前者分别是后者的1.57倍和1.89倍，2个基因型油菜茎中硒含量没有显著差异；与硒单独处理相比，添加镉在一定程度上降低了2个基因型油菜根中硒含量，同时显著降低了2个基因型油菜茎和叶中硒含量，即镉的存在对2个基因型油菜吸收硒有抑制作用。 2.2 硒对镉胁迫下不同基因型油菜光合特性的影响 2.2.1 硒对镉胁迫下不同基因型油菜净光合速率（Pn）的影响

硒对镉胁迫下不同基因型油菜Pn的影响见图 1A。由图 1A可知，镉单独处理显著降低了“WH-19”的Pn，降低程度达15.85%；与镉单独处理相比，硒的添加显著提高了“WH-19”的Pn，提高了18.96%，使其Pn和对照水平一致；硒单独处理下“WH-19”的Pn显著高于对照，为对照的1.14倍。表明添加硒解除了镉对“WH-19”Pn的抑制作用。与此同时，镉单独处理显著降低了“WH-95”的Pn，降低程度达20.60%；与镉单独处理相比，添加硒在一定程度上提高了“WH-95”的Pn，但未达显著水平，且仍略低于空白对照；硒单独处理下“WH-95”的Pn和对照水平一致。表明添加硒缓解了镉对“WH-95”Pn的毒害作用。

图中不同字母表示在P＜0.05水平上同一品种不同处理下的差异显著性。下同 图 1 硒对镉胁迫下不同基因型油菜光合参数的影响 Figure 1 Effect of selenium on photosynthetic characteristics in different genotypes of rape under cadmium stress

图选项

如图 1B所示，镉单独处理显著降低了“WH-19”的Tr，降低程度达47.29%；与镉单独处理相比，硒的添加显著提高了“WH-19”的Tr，提高了22.77%，但仍显著低于对照，仅为对照的64.71%；硒单独处理下“WH-19”的蒸腾速率显著低于对照，为对照的61.65%。表明添加硒在一定程度上减轻了镉对“WH-19”Tr的抑制作用，但该毒害作用并未解除。与此同时，镉单独处理显著降低了“WH-95”的Tr，降低程度达12.76%；与镉单独处理相比，硒的添加在一定程度上提高了“WH-95”的Tr，但和对照差异并不显著，为对照的91.84%；硒单独处理下“WH-95”的Tr显著高于对照，为对照的1.26倍。表明添加硒缓解了镉对“WH-95”Tr的毒害作用。 2.2.3 硒对镉胁迫下不同基因型油菜气孔导度（Gs）的影响

如图 1C所示，镉单独处理显著降低了“WH-19”的Gs，降低程度达54.05%；与镉单独处理相比，硒的添加在一定程度上提高了“WH-19”的Gs，但仍显著低于对照，仅为对照的54.05%；硒单独处理下“WH-19”的Gs显著降低于对照，为对照的56.76%。表明添加硒在一定程度上减轻了镉对“WH-19”Gs的抑制作用，但该毒害作用并未解除。与此同时，镉、镉+硒处理下“WH-95”的Gs水平与对照一致；硒单独处理下“WH-95”的Gs显著高于对照，为对照的1.23倍。由此可看出：镉的存在抑制了硒对“WH-95”Gs的增强作用，使得添加硒对镉胁迫下“WH-95”的Gs没有显著影响。 2.2.4 硒对镉胁迫下不同基因型油菜胞间二氧化碳浓度（Ci）的影响

如图 1D所示，镉单独处理显著提高了“WH-19”的Ci，提高了28.00%；与镉单独处理相比，硒的添加显著降低了“WH-19”的Ci，降低程度达27.39%，并且显著低于对照水平，仅为对照的92.94%；硒单独处理下“WH-19”的Ci与对照水平一致。表明硒抑制了由镉所引起的“WH-19”Ci的升高，并且使其低于对照水平，对植物生长有益。硒对镉胁迫下“WH-95”Ci的降低趋势同“WH-19”，与镉单独处理相比，硒的添加显著降低了“WH-95”的Ci，降低程度达14.04%，仅为对照的95.82%，表明在Ci方面，添加硒缓解了镉对“WH-95”的毒害作用。

从油菜光合特性参数的整体变化上看，硒的添加降低了镉对“WH-19”净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的抑制作用，降低了由镉毒害所引起的“WH-19”胞间高水平的二氧化碳浓度，提升了镉胁迫下“WH-19”的光合能力；通过显著降低镉毒害增加的“WH-95”胞间二氧化碳浓度，提升了镉胁迫下“WH-95”的光合能力。 2.3 硒对镉胁迫下不同基因型油菜抗氧化活性的影响 2.3.1 硒对镉胁迫下不同基因型油菜超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

硒对镉胁迫下不同基因型油菜SOD活性的影响见图 2A。由图 2A可知，镉单独处理显著提高了“WH-19”的SOD活性，提高程度达52.27%；硒、镉+硒处理下“WH-19”的SOD活性水平与对照一致。表明镉的存在诱导了“WH-19”SOD活性的提高，同时硒显著消除了镉胁迫对“WH-19”SOD活性的诱导。对“WH-95”的SOD活性而言，镉、硒、镉+硒处理均显著高于对照，但这三者之间并无显著差异，分别是对照的1.39、1.41倍和1.54倍，表明外源镉硒的存在均诱导了“WH-95”SOD活性的提高，且硒并不能显著消除镉胁迫对“WH-95”SOD活性的诱导。

图 2 硒对镉胁迫下不同基因型油菜抗氧化酶活性的影响 Figure 2 Effect of selenium on activities of antioxidant enzymes in different genotypes of rape under cadmium stress

图选项

如图 2B所示，与对照相比，镉、硒、镉+硒处理均显著降低了“WH-19”CAT活性，但这三者之间并无显著差异，分别降低了21.84%、18.89%和30.85%，表明外源镉硒的存在均抑制了“WH-19”CAT的活性，硒并不能显著消除镉胁迫对“WH-19”CAT活性的诱导。与此同时，镉单独处理显著降低了“WH-95”的CAT活性，降低程度达11.73%；与镉单独处理相比，硒的添加在一定程度上提高了“WH-95”CAT的活性；硒单独处理下“WH-95”的CAT活性水平与对照一致。表明添加硒缓解了镉胁迫对“WH-95”CAT活性的降低。 2.3.3 硒对镉胁迫下不同基因型油菜过氧化物酶（POD）活性的影响

如图 2C所示，镉单独处理显著降低了“WH-19”的POD活性，降低程度达34.14%，硒的添加并未显著恢复其活性；但硒单独处理下“WH-19”的POD活性并未降低，甚至有高于对照的趋势，为对照的1.06倍。由此可看出：硒尚不足以恢复镉对“WH-19”POD活性的降低。对“WH-95”的POD活性而言，与对照相比，镉、硒、镉+硒处理均显著降低了“WH-95”POD活性，但这三者之间并无显著差异，分别为对照的51.79%、46.57%和55.31%，表明外源硒镉的存在均抑制了“WH-95”POD的活性，硒并不能显著消除镉胁迫对“WH-95”POD活性的诱导。

从油菜抗氧化活性的相关参数变化来看，硒的添加对“WH-19”镉胁迫下抗氧化酶活性的影响不显著，显著恢复了“WH-95”CAT的活性；硒单独作用有助于提高“WH-19”SOD活性。 3 讨论

硒是油菜体内谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的组成部分，因此外源硒的供应可能会使油菜体内GSH-Px的底物之一GSH的含量增加，而GSH富含巯基，巯基可与镉结合，钝化细胞中的镉，从而降低镉可能引起的毒害作用^{[20, 21]}。植物体内的硒也可与镉结合形成镉-硒-蛋白质复合体，从而将镉排出体外^[22]。本实验中，油菜“WH-95”受镉胁迫后，添加外源硒降低了油菜各器官中镉的含量，可能是硒通过诱导巯基与镉结合或者直接与镉结合形成镉-硒-蛋白质复合体，使得镉含量降低；也有研究直接表明外源硒能明显降低植物对镉的吸收^{[23, 24]}。另外，本实验也得出镉的存在对2个基因型油菜吸收硒有抑制作用，这与刘燕等^[16]关于低硒浓度（低于15 mg·L^-1）下，硒、镉呈现拮抗作用的结论也是一致的。本实验中，与镉单独处理相比，添加硒对“WH-19”各器官中镉含量水平无影响，降低了“WH-95”各器官中镉含量；与此同时，硒单独处理时，“WH-95”各器官对硒的吸收能力强于“WH-19”，可能是因为这2个基因型油菜对硒的吸收能力不同导致镉胁迫下添加硒的作用效果不同。结合硒在GSH-Px中的作用，推断硒不能被“WH-19”有效吸收，从而不能很好地降低“WH-19”各器官中镉含量。

镉胁迫引起植物叶片净光合速率（Pn）降低有两种原因：气孔因素和非气孔因素。当胞间二氧化碳浓度（Ci）和气孔导度（Gs）同时下降时，气孔因素是主要的；当Ci升高而Gs下降时，非气孔因素是主要的^[25]。由本实验研究结果可知，镉胁迫降低了“WH-19”叶片的Pn，同时使“WH-19”叶片的Ci升高、Gs降低，可以推断“WH-19”光合速率下降的主要原因是非气孔因素。本实验中，硒的添加在不同程度上提高了“WH-19”叶片的Pn、Tr和Gs，降低了“WH-19”叶片的Ci，表明硒对镉胁迫引起的“WH-19”光合活性的下降具有一定的缓解作用，可有效提高镉胁迫下“WH-19”叶片的光合能力。这与石贵玉等^[26]关于硒对镉胁迫下罗汉果组培苗光合特性影响的研究结果基本一致。与此同时，虽然镉单独作用降低了“WH-95”的光合活性，而硒的添加也提高了“WH-95”的光合活性，但硒或镉作用下，“WH-95”的光合特性值变化并无“WH-19”明显，可能由于镉胁迫下“WH-95”叶片净光合速率降低的气孔和非气孔因素作用相当所致。本实验中，硒单独作用下，“WH-19”的Pn提高，Tr和Gs降低，Ci水平无变化；同时“WH-95”的Pn水平无变化，Tr和Gs提高，Ci降低。2种基因型油菜的Pn与Tr、Gs或Ci没有明显的对应关系，可能是因为不同基因型的油菜对硒的相应机制不同所致，有待下一步深入研究。

镉胁迫会诱导植物产生大量的氧自由基，而植物体内SOD、CAT及POD等组成的抗氧化酶系统具有有效清除氧自由基、抵御镉对植物毒害的功能^{[27, 28]}：SOD和POD的共同作用能把体内具潜在危害的O2-和H₂O2转化为无害的H₂O和O2，并能减少羟自由基（·OH）的形成；POD和CAT共同作用催化H₂O2形成水；3种活性氧防御酶共同作用，可有效地阻止O2-和H₂O2在植物体内积累^[28]。由此可见，镉胁迫下，植物体内SOD、CAT和POD共同抵御镉毒害引起的氧化损伤。本实验中镉单独作用提高了不同基因型油菜的SOD活性，可能是由于植物体在镉胁迫下启动自身防御系统，通过提高SOD活性来清除镉诱导产生的大量氧自由基；“WH-19”抗氧化酶系统中SOD活性降低，可能是由于添加硒有效降低了油菜体内的活性氧自由基，从而降低了清除氧自由基的酶（SOD）活性下降。植物体内的活性氧和自由基的产生与清除作用的平衡受保护酶类及小分子抗氧化剂两类物质的调控^{[29, 30]}，可能正是由于植物自身的防御系统、外源硒镉的互作、以及油菜品种基因型差异等因素共同作用的结果，导致添加硒对镉胁迫下不同基因型油菜抗氧化系统的调节表现出并不一致的效果。该调控过程是一个复杂的机制，有待深入研究。此外，植物细胞内的镉可与酶活性中心或蛋白质中的巯基结合，还能取代金属蛋白中的必需元素（钙、镁、锌和铁元素），导致生物大分子构象改变、酶活性丧失及必需元素缺乏，干扰细胞的正常代谢过程^[31]，这也可能是镉单独作用甚至硒、镉共同作用下，不同基因型油菜抗氧化酶系统中CAT和POD活性降低的一个原因。 4 结论

（1）在重金属镉污染（0.5 mg·L^-1）下，硒（0.3 mg·L^-1）能降低油菜“WH-95”各器官中镉含量，对“WH-19”各器官中镉含量的影响不显著。油菜“WH-95”各器官中硒的富集显著高于“WH-19”。2个基因型油菜中硒、镉含量整体上呈现拮抗作用。“WH-19”可能为低硒富镉品种，“WH-95”可能为低镉富硒品种。

（2）综合4种光合参数的变化情况来看，2个基因型油菜受镉单独胁迫下光合能力均降低，添加硒可通过提高油菜净光合速率和蒸腾速率、降低胞间二氧化碳浓度等途径消除或减缓镉毒害，使得油菜的光合能力得到提高。

（3）硒的添加对镉胁迫下2个基因型油菜的影响不同：降低了“WH-19”SOD活性，提高了“WH-95”CAT活性，对2个基因型油菜其他抗氧化酶活性的影响不显著。硒对镉胁迫下不同基因型油菜抗氧化酶系统的影响差异原因有待进一步研究。