表油菜素內(nèi)酯對鎘脅迫下小麥幼苗生長及生理特性的影響

尚宏芹， 高昌勇

(菏澤學院農(nóng)業(yè)與生物工程學院/植物生物學重點實驗室，山東菏澤 274015

農(nóng)業(yè)部2014年發(fā)布的土壤污染調(diào)查公報顯示，我國的耕地土壤環(huán)境質(zhì)量較差，其中鎘(cadmium，Cd)污染超標情況較為嚴重[1]。李劍睿等分析我國26個城市土壤樣品的重金屬含量，發(fā)現(xiàn)各地重金屬平均含量均超過了土壤環(huán)境背景值，其中以Cd污染最為嚴重[2]。有研究表明，一定濃度的重金屬Cd抑制植物生長發(fā)育，使植物的葉綠素含量降低，抗氧化酶活性下降，并改變細胞膜透性造成細胞損傷[3-5]。并且，Cd是一種積累性強的劇毒重金屬，具有很強的致癌、致畸及致突變作用，可通過食物鏈進入生物體而危害人類和動物的健康[6]。由于我國人多地少，難于通過大規(guī)模土地休耕修復土壤污染來減少Cd對農(nóng)作物生長的影響，因此，選擇適宜的方法降低鎘污染對作物生長的危害是解決問題的一種方式。油菜素內(nèi)酯別稱蕓薹素內(nèi)酯，是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的天然化合物，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)40余種油菜素內(nèi)酯類似物，統(tǒng)稱為油菜素甾類物質(zhì)(brassinosteroids，BRs)[7]。目前，BRs已被確定為調(diào)控植物生長發(fā)育的第六大激素，它能通過參與植物根和葉的細胞分裂和細胞伸長、光合作用等生理過程來促進作物生長，有效減輕逆境脅迫對植物生長的損傷[8-9]。24-表油菜素內(nèi)酯(24-Epibrassinolide，EBR)是一種人工合成的高活性油菜素內(nèi)酯類似物，可以提高多種逆境下多種作物的生長發(fā)育[10-12]。小麥(TriticumaestivumlinnL.)作為世界及我國的第三大糧食作物，也是我國北方的主要糧食作物，它的穩(wěn)定高產(chǎn)對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。有研究表明，一定濃度的EBR可以緩解干旱[13]、重金屬汞[14]等逆境對小麥的生長發(fā)育的影響，但未見EBR對小麥鎘脅迫的有關研究報道。因此，本試驗以前期篩選出的鎘耐性弱的“良星77”和耐性較強的“濟麥22”為試驗材料，研究葉面噴施不同濃度EBR對Cd脅迫下小麥幼苗生長及部分生理特性的影響，探討EBR在小麥應答Cd脅迫中的調(diào)節(jié)作用，以期為利用EBR減輕Cd脅迫對小麥的傷害提供理論依據(jù)，同時也為深入研究EBR調(diào)控小麥Cd脅迫的機制奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗于2016年2月到6月在菏澤學院農(nóng)業(yè)與生物工程學院植物學實驗室進行。試驗材料為“良星77”和“濟麥22”2個品種小麥，種子購自山東省菏澤市種子公司。在預試驗的基礎上，選擇CdCl2濃度為50 mg/L，24-表油菜素內(nèi)酯濃度設置為0、0.001、0.010、0.100、1.000 mg/L。

選取無病蟲害、大小一致、籽粒飽滿的小麥種子，用10%的NaClO消毒10 min，蒸餾水反復沖洗干凈，于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱浸種24h，然后進行催芽。挑選露白一致的小麥種子，種于發(fā)芽盒中，子葉展開后每2 d澆灌1次1/2 Hoagland營養(yǎng)液。培養(yǎng)至三葉一心期，取長勢良好且生長一致的小麥幼苗于1/2 Hoagland營養(yǎng)液中緩苗3 d。用1/2 Hoagland營養(yǎng)液配制濃度為50 mg/L的CdCl2溶液作為水培液，取生長一致的小麥幼苗進行處理：(1)CK，水培液為1/2 Hoagland營養(yǎng)液(不含CdCl2)，葉面噴施蒸餾水；(2)水培液為用1/2 Hoagland營養(yǎng)液配制的50 mg/L CdCl2溶液(下同)，葉面噴施蒸餾水；(3)葉面噴施0.001 mg/L EBR；(4)葉面噴施 0.01 mg/L EBR；(5)葉面噴施0.1 mg/L EBR；(6)葉面噴施1.0 mg/L EBR。每天16：00葉面噴施EBR(或蒸餾水)，以葉片正反兩面全部濕潤且無液體滴下為宜，每2 d更換1次水培液。每瓶20株幼苗，3次重復，在溫度20 ℃/25 ℃、光照度 4 000～4 500 lx、光—暗周期為14 h—10 h的人工氣候箱(RXZ-380)中進行培養(yǎng)。培養(yǎng)10 d時取樣進行生長指標和生理指標的測定。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 生長指標測定 處理10 d時，每次重復隨機取10株小麥幼苗，測量株高，統(tǒng)計根數(shù)并稱量鮮質(zhì)量。

株高(cm)：用直尺測量從小麥幼苗莖基部到頂葉葉尖的長度[15]；根數(shù)：計數(shù)每棵小麥幼苗根數(shù)；地上部鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量(g)：用蒸餾水沖洗干凈，用吸水紙吸干表面水分，將小麥幼苗從根莖相接處剪開，分別用電子天平稱量鮮質(zhì)量。

1.2.2 生理生化指標測定 處理10 d后，取小麥幼苗相同節(jié)位葉片，蒸餾水沖洗5次后，吸水紙吸干表面水分，剪碎、混勻，用于生理指標測定，每處理重復3次。

葉綠素含量測定采用浸提法，用分光光度計測定，根系活力采用TTC法測定[16]；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍法，可溶性糖含量用蒽酮法測定，具體參照李合生等的方法[17-18]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理及作圖；用DPS 7.05軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 表油菜素內(nèi)酯對鎘脅迫下小麥幼苗株高和根數(shù)的影響

由圖1-A可以看出，與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，2個品種小麥幼苗的株高均顯著下降，降幅分別為 18.0% 和12.2%。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施不同濃度EBR后，2個品種小麥幼苗的株高均基本呈先增加后下降趨勢，“良星77”小麥幼苗的株高在EBR濃度為0.100 mg/L達到最大，比單獨Cd2+處理增加25.4%，“濟麥22”小麥幼苗的株高在EBR濃度為0.010 mg/L時達最大，比單獨Cd2+處理增加19.8%，與EBR濃度為0.100 mg/L時相比不存在顯著性差異，說明葉面噴施一定濃度的EBR可以促進小麥幼苗生長，以EBR濃度為0.100 mg/L為宜。

由圖1-B可以看出，與對照相比，單獨50 mg/L Cd處理后，2個品種小麥幼苗的根數(shù)分別增加7.71%和33.27%。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施不同濃度EBR后，2個品種小麥幼苗的根數(shù)均基本呈先下降后增加趨勢，在EBR濃度為0.100～1.000 mg/L達到最大，但均與單獨Cd2+處理相比不存在顯著性差異，說明50 mg/L Cd2+處理能夠使小麥幼苗根數(shù)增加，葉面噴施EBR濃度不能使Cd2+處理下小麥幼苗根數(shù)增加。與CK相比，0.100～1.000 mg/L的EBR處理使“良星77”小麥幼苗的根數(shù)增加，0.001～1.000 mg/L的EBR處理使“濟麥22”小麥幼苗的根數(shù)增加，說明一定濃度EBR可以促進小麥幼苗根數(shù)增加，但不能使Cd2+處理下小麥幼苗的根數(shù)增加。

2.2 表油菜素內(nèi)酯對鎘脅迫下小麥幼苗地上部鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量的影響

由圖2-A可以看出，與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，2個品種小麥幼苗的地上部鮮質(zhì)量均顯著下降，降幅分別為18.2%和13.8%，“良星77”的降幅較大。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施不同濃度EBR后，2個品種小麥幼苗的地上部鮮質(zhì)量均基本呈先增加后下降趨勢，在EBR濃度為 0.1 00mg/L 達到最大，分別比單獨Cd2+處理增加26.5%和 31.3%，“濟麥22”小麥幼苗的地上部鮮質(zhì)量與EBR濃度為0.010 mg/L時相比不存在顯著性差異，說明葉面噴施一定濃度的EBR可以促進小麥幼苗生長，使小麥幼苗地上部鮮質(zhì)量增加，以EBR濃度為0.100 mg/L為宜。

由圖2-B可以看出，與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，2個品種小麥幼苗的根鮮質(zhì)量均顯著下降，降幅分別為16.1%和13.3%，“良星77”的降幅較大。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施不同濃度EBR后，2個品種小麥幼苗的根鮮質(zhì)量均基本呈增加趨勢，在EBR濃度為0.100 mg/L達到最大，分別比單獨Cd2+處理增加16.1%和16.0%，說明一定濃度EBR可以緩解Cd2+處理對小麥幼苗根鮮質(zhì)量的抑制。

2.3 表油菜素內(nèi)酯對鎘脅迫下小麥幼苗葉綠素含量和根系活力的影響

由圖3-A可以看出，與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，“良星77”小麥幼苗的葉綠素含量無顯著變化。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施不同濃度EBR后，“良星77”小麥幼苗的葉綠素含量最初基本不變，后增加，在EBR濃度為 0.100～1.000 mg/L時，“良星77”小麥幼苗的葉綠素含量顯著增加 68.9%、71.1%。說明0.100～1.000 mg/L的EBR可以促進“良星77”小麥幼苗葉片葉綠素的合成。與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，“濟麥22”小麥幼苗的葉綠素含量無顯著變化。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施0.001～0.100 mg/L 的EBR后，“濟麥22”小麥幼苗的葉綠素含量也無顯著變化，當EBR濃度為1.000 mg/L時，“濟麥22”小麥幼苗的葉綠素含量顯著降低，說明高濃度EBR抑制了“濟麥22”小麥幼苗葉片葉綠素的合成。

由圖3-B可以看出，與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，“良星77”小麥幼苗的根系活力顯著下降。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施不同濃度EBR后，“良星77”小麥幼苗的根系活力先下降后升高，在EBR濃度為0.100、1.000 mg/L 時，分別比單獨Cd2+處理時增加41.9%、62.8%，說明葉面噴施0.100～1.000 mg/L的EBR可以提高“良星77”小麥幼苗的根系活力。與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，“濟麥22”小麥幼苗的根系活力無顯著變化。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施不同濃度0.001 mg/L的EBR后，“濟麥22”小麥幼苗的根系活力變化不大，當EBR濃度為0.010、0.100、1.000 mg/L時，“濟麥22”小麥幼苗的根系活力分別增加86.7%、60.0%、40.0%。說明50 mg/L Cd2+處理不顯著影響小麥幼苗根系活力，但濃度為0.010～1.000 mg/L的EBR可以提高Cd2+處理下“濟麥22”小麥幼苗的根系活力。

2.4 表油菜素內(nèi)酯對鎘脅迫下小麥幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由圖4-A可以看出，與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，“良星77”小麥幼苗的可溶性蛋白含量顯著減少，“濟麥22”的可溶性蛋白含量顯著增加，說明50 mg/L Cd2+處理抑制了“良星77”小麥幼苗可溶性蛋白的合成，促進了“濟麥22”小麥幼苗可溶性蛋白的合成。與單獨Cd2+處理相比，葉面噴施不同濃度的EBR后，2個品種小麥幼苗的可溶性蛋白含量基本呈先增加后減少趨勢，在EBR濃度為0.100 mg/L時達最大，分別比單獨Cd2+處理增加37.2%、11.0%，“濟麥22”的可溶性蛋白含量與EBR濃度為0.010 mg/L時相比不存在顯著性差異。

由圖4-B可以看出，與對照相比，單獨50 mg/L Cd2+處理后，2個品種的可溶性糖含量均增加，說明50 mg/L Cd2+處理促進了2個品種小麥幼苗體內(nèi)可溶性糖的合成。葉面噴施不同濃度EBR后，“良星77”小麥幼苗的可溶性糖含量先減少，后增加并保持在較高水平，但與單獨Cd2+處理時相比不存在顯著性差異；“濟麥22”的可溶性糖含量先增加后降低，但始終高于單獨Cd2+處理，在EBR濃度為0.100 mg/L時達最大，比單獨Cd2+處理增加89.5%，說明不同品種小麥幼苗體內(nèi)的可溶性糖合成對EBR的敏感性不同，葉面噴施一定濃度的EBR可以促進“濟麥22”小麥幼苗體內(nèi)可溶性糖的合成，以EBR濃度為0.100 mg/L時為宜。

3 討論與結論

鎘作為重金屬毒害中毒性最大的元素之一，很容易在土壤中移動，被植物根部吸收、轉運到地上部累積，通過食物鏈進入動物和人體，極大地危害動物和人的生長發(fā)育[19-20]。生物積累量是植物遭受生理傷害的綜合反映，也是植物對逆境脅迫的直接體現(xiàn)[21]。有研究表明，一定濃度的Cd2+抑制小麥幼苗生長，使其株高、根長和干質(zhì)量降低[22-23]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，50 mg/L Cd2+處理抑制2個品種小麥幼苗生長，使2個品種小麥幼苗的株高、地上部鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量下降，這與常云霞等的研究結果[24]一致。葉面噴施一定濃度EBR可以促進小麥幼苗生長，使小麥幼苗的株高、地上部鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量增加，以EBR濃度為0.100 mg/L效果較好。這與殷欣等研究發(fā)現(xiàn)噴施一定濃度EBR可以緩解鎘對大豆幼苗生長毒害的結果[25]一致，所需EBR濃度不同可能是因為試驗材料不同。本研究還發(fā)現(xiàn)，50 mg/L Cd2+處理使2個品種小麥幼苗的根數(shù)顯著增加，說明Cd2+處理刺激小麥幼苗產(chǎn)生了更多的側根，這可能是小麥幼苗為了更好地在逆境中吸收養(yǎng)分。葉面噴施不同濃度EBR對Cd2+處理下小麥幼苗根數(shù)影響不大，說明EBR不能促進小麥側根的形成。

光合作用是植物重要的基礎生理活動，光合色素是光合作用的重要色素分子，葉綠素是最主要的光合色素[26]。有研究表明，過量鎘脅迫導致植物葉綠體及色素解體[15]，本研究結果表明，50 mg/L Cd2+處理后2個品種小麥幼苗葉片的葉綠素含量無顯著變化，說明2個品種小麥幼苗葉片的葉綠素合成變化不大，這可能是因為50 mg/L Cd2+不能抑制或促進這2個品種小麥的葉綠素合成。葉面噴施0.001～0.010 mg/L 的EBR對“良星77”和“濟麥22”小麥幼苗的葉綠素含量影響不大，但葉面噴施0.100～1.000 mg/L的EBR使“良星77”小麥幼苗的葉綠素含量顯著增加，1.000 mg/L的EBR使“濟麥22”小麥幼苗的葉綠素含量顯著降低，說明不同小麥品種對高濃度EBR的反應不同。但“濟麥22”的葉綠色含量始終高于“良星77”。

植物根系是非?；钴S的吸收和合成器官，根的活力水平和生長情況直接影響地上部的營養(yǎng)狀況及產(chǎn)量，因此，根系活力是表征植物根系優(yōu)劣的關鍵指標之一[27]。本研究表明，不同品種小麥幼苗的根系活力對50 mg/L Cd2+處理的反應也不同，“良星77”小麥幼苗的根系活力顯著下降，“濟麥22”小麥幼苗的根系活力無顯著變化，說明“濟麥22”小麥幼苗根系對Cd2+脅迫的耐性更強。葉面噴施一定濃度的EBR后，“良星77”小麥幼苗的根系活力先下降后升高，在EBR濃度為0.100、1.000 mg/L時顯著增加，說明葉面噴施0.100～1.000 mg/L 的EBR可以提高“良星77”小麥幼苗的根系活力?！皾?2”小麥幼苗的根系活力在EBR濃度為0.010～1.000 mg/L時顯著增加，說明濃度為0.010～1.000 mg/L的EBR可以提高Cd2+處理下“濟麥22”小麥幼苗的根系活力。

滲透調(diào)節(jié)是植物為適應逆境脅迫而產(chǎn)生的生理應答反應，可溶性蛋白和可溶性糖是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，單獨50 mg/L Cd2+處理抑制了“良星77”小麥幼苗的可溶性蛋白的合成，促進了“濟麥22”小麥幼苗可溶性蛋白的合成，說明不同品種小麥對Cd2+脅迫的敏感性不同。葉面噴施不同濃度的EBR后，2個品種小麥幼苗的可溶性蛋白含量基本呈先增加后減少趨勢，在EBR濃度為0.100 mg/L時達最大，說明一定濃度EBR可以促進Cd2+脅迫下小麥幼苗的可溶性蛋白合成。本研究表明，50 mg/L Cd2+處理促進了2個品種小麥幼苗體內(nèi)可溶性糖的合成，使2個品種的可溶性糖含量均增加。葉面噴施不同濃度EBR不能促進“良星77”小麥幼苗的可溶性糖含量增加，而促進了“濟麥22”的可溶性糖含量的增加，在EBR濃度為0.100 mg/L時為宜，說明不同品種小麥幼苗體內(nèi)的可溶性糖合成對EBR的敏感性不同。