水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

王瑞波

（農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京100125）

水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

王瑞波

（農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京100125）

以新麥18為材料，利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，分析水楊酸對(duì)鎘脅迫葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響。結(jié)果表明，水楊酸處理（SA）鎘脅迫小麥，根系鎘含量顯著下降；根長(zhǎng)，葉綠素含量，葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、φPSⅡ、SqP和qN下降幅度顯著小于CK?？梢娝畻钏嶙柚沽随k進(jìn)入小麥的根部，使其表現(xiàn)出較高的光合效率。上述結(jié)果表明水楊酸處理顯著提高了小麥的耐鎘特性。

小麥；水楊酸；鎘處理；葉綠素?zé)晒鈪?shù)

2014年環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部公布《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示全國(guó)耕地土壤點(diǎn)位污染物超標(biāo)率為19.4%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴，其中土壤鎘超標(biāo)率達(dá)7.0%。鎘（Cd）是人類和動(dòng)、植物最具有毒性的重金屬污染物之一。土壤中過量的鎘通過植物根系吸收對(duì)植物產(chǎn)生一些系列毒害的癥狀，包括葉片失綠、萎蔫、礦質(zhì)元素代謝和碳水化合物代謝紊亂，導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)緩慢，光合結(jié)構(gòu)受損進(jìn)而使農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降［1］。作物吸收鎘再通過食物鏈向人類轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)也是當(dāng)今社會(huì)高度關(guān)注的問題。

不同植物物種對(duì)鎘耐性不同，有些植物相對(duì)敏感，有些植物可以較好的積累鎘起到修復(fù)作用。植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程形成一些耐鎘的機(jī)制，第一道屏障是細(xì)胞壁。一旦鎘進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，植物螯合肽將與之結(jié)合［2］。此外，一些信號(hào)分子，如水楊酸、茉莉酸等參與植物的耐鎘響應(yīng)。水楊酸（SA）是一種酚類化合物，廣泛分布于各種植物中。SA在植物中起著至關(guān)重要的作用，如種子萌發(fā)，光合作用，氣孔關(guān)閉，呼吸作用，開花，衰老過程［3］。研究表明SA在許多植物中起到提高生物和非生物脅迫耐受性的作用。近年來，SA在鎘耐受中的作用廣受關(guān)注。SA 通過穩(wěn)定細(xì)胞膜的完整性、改變鎘的吸收和分布、增強(qiáng)抗氧化防御系統(tǒng)和提高光合作用增強(qiáng)植物的耐鎘能力［4］。然而，SA對(duì)植物緩解鎘脅迫的作用機(jī)制尚不完全清楚［5］。本研究以新麥18為材料，利用葉綠素?zé)晒馐侄翁接慡A減緩小麥鎘傷害的機(jī)制，為小麥適應(yīng)鎘污染土壤環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以新麥18為實(shí)驗(yàn)材料，小麥種子由安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)提供。

1.2 方法

1.2.1 處理方法 小麥籽粒用30% H2O2消毒15 min，經(jīng)去離子水充分沖洗后，種子在20℃ 蒸餾水中浸泡20 h，在恒溫培養(yǎng)箱中20℃黑暗催芽5 d。待露白后，挑選長(zhǎng)勢(shì)良好的種子播種于盛有蛭石的白瓷盤中，在具有光照裝置的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)條件：20℃，濕度57%，450 μmol.m-2. s-光照12 h。培養(yǎng)過程中，每隔2 d更換1次培養(yǎng)液（pH 為5.5）。待幼苗長(zhǎng)至三葉期轉(zhuǎn)到培養(yǎng)盤（直徑10 cm，高15 cm）用Hogland溶液進(jìn)行培養(yǎng)。根據(jù)Tamas等［6］的研究，采用CdCl2（500 μmol/L CdCl2·2.5 H2O/L）進(jìn)行小麥重金屬脅迫處理。取4種不同SA濃度（100 μmol/L、250 μmol/L、500 μmol/L 和750 μmol/L）處理鎘脅迫小麥，28 d后測(cè)定根長(zhǎng)，確定SA最優(yōu)處理濃度。培養(yǎng)28 d，測(cè)定小麥根部鎘含量，葉片葉綠素含量及熒光參數(shù)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.2 鎘含量測(cè)定 稱取樣品1 g根（干重）粉粹于25 mL 三角瓶，加入10 mL HNO3-HClO4混合酸（優(yōu)級(jí)純，體積比4∶1）冷消化過夜。次日，將三角瓶置于砂浴上，在170±5℃下消化，至溶液變?yōu)闊o(wú)色透明。稍冷卻后，分別加兩次約1 mL 的蒸餾水排酸。蒸發(fā)濃縮消化液至2 mL 左右，用5%的HCl 轉(zhuǎn)移并定容至10 mL 比色管，用AA7003 原子吸收光譜儀測(cè)定鎘含量［7］。

1.2.3 葉綠素含量的測(cè)定 根據(jù)Arnon［8］的方法測(cè)定，將小麥葉圓片浸于無(wú)水乙醇中，放置于黑暗中，待葉圓片完全脫色，用UV-754 型分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4 葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 參照Ruan等［9］的方法，將小麥葉片暗適應(yīng)30 min后，用PAM熒光儀（PAM-2100）測(cè)定光化學(xué)效率（Fv/Fm）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）、實(shí)際光化學(xué)效率（φPSⅡ）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 采用EXCEAL 2003與SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果

2.1 水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥根系生長(zhǎng)的影響

重金屬鎘抑制了小麥的根系生長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果（圖1）顯示，與CK相比，Cd處理小麥根長(zhǎng)下降了32.4%。，施用不同濃度的SA可以有效的緩解小麥根部的鎘脅迫毒害癥狀，鎘脅迫條件下，小麥根長(zhǎng)隨水楊酸濃度增加而增加，SA3和SA4處理，根長(zhǎng)分別較Cd處理增長(zhǎng)了46.1%和44.7%，但SA4處理與SA3處理差異不顯著（P>0.05），故SA3處理濃度是緩解小麥鎘毒害處理的較適宜濃度。

圖1 水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥根系生長(zhǎng)的影響

2.2 水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥根系鎘含量的影響

根系直接暴露于鎘污染環(huán)境中，根系細(xì)胞中鎘的分布關(guān)系到鎘對(duì)植物的毒性，同時(shí)對(duì)鎘向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)有重要影響。如圖2所示，在水楊酸處理?xiàng)l件下，SA小麥根系的鎘含量明顯下降，其根系的鎘含量較CK下降了41.3%。結(jié)果表明，水楊酸處理阻止了小麥對(duì)鎘吸收，從而減輕鎘對(duì)小麥組織機(jī)構(gòu)的損傷。

2.3 水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥葉綠素含量的影響

葉綠素含量的變化規(guī)律是反映了植物葉片生理活性的重要指標(biāo)之一，與葉片光合能力存在緊密的相關(guān)性。非鎘脅迫條件下，水楊酸處理提高了葉片中葉綠素含量，但差異不顯著。在鎘脅迫條件下，小麥葉綠素含量發(fā)生不同程度的下降，CK葉綠素含量下降了高達(dá)30.9%，而水楊酸處理組SA葉綠素含量?jī)H下降了13.3%（圖3）。

2.4 水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是快速檢測(cè)植物光合機(jī)構(gòu)損傷程度的最靈敏探針，它有效地反映了逆境下植物光合系統(tǒng)所受的傷害，也是評(píng)估鎘活性的良好指標(biāo)。在鎘脅迫條件下，CK的Fv/Fm、φPSⅡ、qP和qN分別下降了28.4%、21.2%、33.3%和32.9%，而水楊酸處理組SA的Fv/Fm、φPSⅡ、qP和qN僅分別下降了11.6%、9.0%、10.9%和11.3%（圖4）。

圖2 水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥根系鎘含量的影響

圖3 水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥葉綠素含量的影響

圖4 水楊酸對(duì)鎘脅迫小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

3 討論

鎘是一種嚴(yán)重限制作物生長(zhǎng)重金屬，鎘毒害導(dǎo)致葉綠素的降解、碳同化的抑制以及合電子傳遞下降，進(jìn)而造成植物的光合能力下降［1］。水楊酸作為一種信號(hào)物質(zhì)，對(duì)重金屬危害起到很好的減緩作用［3］。本研究表明在鎘脅迫條件，小麥種子經(jīng)過水楊酸處理可以有效的降低根系鎘含量，這一結(jié)果和Choudhury和 Panda［10］研究相一致。葉綠素在光合作用過程中將光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，其含量高低與光合作用密切相關(guān)。鎘脅迫常導(dǎo)致葉綠素的下降，進(jìn)而導(dǎo)致光合速率下降。這主要是由于鎘提高了葉綠素降解酶的活性或降低了參與葉綠素生物合成的δ氨基乙酰丙酸和原葉綠素酸酯還原酶復(fù)合體的合成［11］。鎘脅迫條件下，經(jīng)過水楊酸處理，小麥葉綠素含量下降的幅度明顯低于CK。這可能是水楊酸阻止了鎘的吸收減輕了鎘對(duì)小麥根系的損傷，使其有效的吸收礦質(zhì)元素和水分而能較強(qiáng)的光合作用的主要原因之一。

利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)方法可以快速、靈敏、無(wú)損傷地研究和探測(cè)各種逆境對(duì)PSII的影響。本研究通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)分析顯示鎘抑制植物的PSII的光化學(xué)活性，這與Zhang等［5］研究結(jié)果是相一致的。水楊酸處理鎘脅迫的小麥顯著減緩了Fv/Fm、φPSⅡ和qP下降幅度，這表明在水楊酸處理后可以有效減緩鎘脅迫，因此SA處理小麥的PSⅡ天線色素吸收的光能較多的用于光化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)出較高的光能轉(zhuǎn)化效率。與此同時(shí)，SA處理鎘脅迫的小麥qN也得到了一定程度的恢復(fù)，反映了PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞部分可以熱的形式及時(shí)進(jìn)行耗散，起到對(duì)鎘脅迫的光合機(jī)構(gòu)的保護(hù)作用。

4 結(jié)論

鎘脅迫顯著抑制了小麥的生長(zhǎng)及光合作用，外源施用水楊酸能夠有效提高小麥的耐鎘性。實(shí)驗(yàn)確定水楊酸最佳處理濃度為500 μmol/L。外源水楊酸處理顯著降低了小麥根系鎘含量，提高了小麥的光能利用率。本實(shí)驗(yàn)表明外源水楊酸施用具有提高小麥的耐鎘能力的作用。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Effect of Salicylic Acid on Chlorophyll Fluorescence Parameters in Wheat Under Cadmium Stress

WANG Rui-bo
（Rural Energy and Environment Agency，Ministry of Agriculture，Beijing 100125）

The effect of salicylic acid on chlorophyll fluorescence parameters in wheat（Xinmai 18）under cadmium stress was analyzed by using chlorophyll fluorescence technique. The results showed that under cadmium stress，cadmium content in wheat root decreased significantly. Moreover，root length，chlorophyll content，chlorophyll fluorescence parameters Fv/Fm，φPSⅡ，qP and qN through salicylic acid（SA）pretreatment were significantly less than CK. It was concluded that salicylic acid inhibited the cadmium into the root of wheat，resulting in higher photosynthetic efficiency. The above results revealed that salicylic acid pretreatment significantly increased the wheat’s tolerance to cadmium.

wheat；salicylic acid；cadmium treatment；chlorophyll fluorescence parameters

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016-1188

2016-11-06

科技部星火計(jì)劃項(xiàng)目（2013GA710066）

王瑞波，博士，副研究員，研究方向：農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)；E-mail：992815145@qq.com