鉛對不同鉛積累類型小麥幼苗生理生化特性和根系生長的影響

胡鐵柱，孫海燕，楊 靖，游晴晴，茹振鋼

(河南科技學(xué)院 小麥中心/現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心 小麥分中心，河南 新鄉(xiāng) 453003)

重金屬污染已成為當(dāng)前生態(tài)健康關(guān)注的熱點問題。據(jù)估測，我國受重金屬污染的耕地面積超過2 000萬hm2，每年因此造成的糧食減產(chǎn)達(dá)1 000萬t，重金屬污染的糧食達(dá)1 200萬t，合計農(nóng)業(yè)損失200億元以上[1-4]。隨著采礦業(yè)、冶煉工業(yè)的發(fā)展和含鉛(Pb)涂料、紙張、汽油、炸藥等的生產(chǎn)使用及城市污水的排放等，Pb已成為土壤污染中主要的重金屬元素之一[5-6]。大量的Pb進(jìn)入土壤后，受其毒害嚴(yán)重的作物不能正常生長，影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量，更嚴(yán)重的會進(jìn)一步通過食物鏈影響人體健康[7-9]。因此，深入研究Pb對作物的危害顯得尤為緊迫和重要，一方面，明晰Pb對農(nóng)作物的危害機(jī)制，采取適當(dāng)措施，降低其危害；另一方面，培育和應(yīng)用某些Pb低富集作物品種，降低糧食和蔬菜的Pb積累，對提高作物食用安全有重要意義[10-11]。

Pb能擾亂植物對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收，對植物光合作用也會產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響[12-14]。小麥(Triticumaestivum)是我國重要的糧食作物。目前，關(guān)于重金屬對小麥的影響研究主要集中在小麥種子或幼苗的生理指標(biāo)、生物學(xué)性狀以及抗氧化酶活性等方面[8，15-18]，而對小麥幼苗必需礦質(zhì)元素積累以及光合作用的影響研究尚未見報道。小麥幼苗是其成株期性狀表現(xiàn)的基礎(chǔ)，鈣(Ca)、鐵(Fe)、鉀(K)和鎂(Mg)等礦質(zhì)元素既是其生長所必需元素，也是人類日常飲食的重要組成部分[19]。為此，以Pb高積累和低積累型小麥幼苗為材料，研究Pb對小麥光合特性、根系生長、抗氧化特性及Ca、Fe、K、Mg積累的影響，為了解Pb的毒性效應(yīng)及Pb積累對礦質(zhì)元素吸收的影響提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為從200多份材料中篩選出的苗期Pb低積累型小麥品系CL0442和高積累型品系MSK39，均由河南科技學(xué)院小麥中心提供。

1.2 小麥培養(yǎng)和Pb處理

試驗在河南科技學(xué)院小麥中心實驗室進(jìn)行。將小麥種子于室溫發(fā)芽，7 d后挑選長勢一致的幼苗移栽至裝有Hoagland’s營養(yǎng)液的塑料盒(29.2 cm×22.4 cm×8.9 cm)中，用打孔泡沫板固定幼苗。參考生態(tài)環(huán)境部農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2018)，向營養(yǎng)液中添加Pb(NO3)2，使其終濃度分別為0(對照)、3.86(處理1)、7.72(處理2)mol/L。每個處理48株，每14 d換一次營養(yǎng)液。培養(yǎng)49 d后進(jìn)行光合特性、酶活性、根系生長特性及Pb、Ca、Fe、K、Mg含量測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 光合特性 采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定小麥第3片葉凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等。測定光為自然光，每處理3次重復(fù)，每重復(fù)測定3次。

1.3.2 抗氧化特性 取小麥葉片和根系，分別采用相應(yīng)試劑盒(蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn))測定過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量。

1.3.3 Ca、Fe、K、Mg含量 取小麥幼苗植株，置烘箱中70 ℃烘干至恒質(zhì)量，用千分之一電子天平分別稱量0.500 g地上部分干燥樣品，在40 mL四氟坩堝中加入12 mL硝酸∶高氯酸=3∶1混合液消解12 h；在電熱板(不超過170 ℃)上加熱約4 h，冷卻后用3%的硝酸定容至25 mL，搖勻待用。用美國PE公司生產(chǎn)的Optima 2100DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定Pb、Ca、Fe、K、Mg含量。

1.3.4 根系生長特性 取長勢一致的小麥幼苗10株，用EPSON PERFECTION 4990 PHOTO掃描根系，用WinRHIZO Pro 2007d軟件分析總根長及根平均直徑、總表面積、總體積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2013和SAS 8.01進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb對不同Pb積累型小麥幼苗光合特性的影響

從表1可以看出，Pb對Pb低積累型小麥品系CL0442和高積累型小麥品系MSK39幼苗光合特性的影響不同。對于Pb低積累型小麥品系CL0442，與對照相比，處理 1凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率變化不顯著，處理 2顯著下降，且處理2顯著低于處理1，表明3.86 mol/L的Pb對CL0442的光合作用沒有明顯抑制作用，當(dāng)濃度達(dá) 7.72 mol/L時則顯著抑制其光合作用；對于Pb高積累型小麥品系MSK39，對照和處理 2凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均顯著低于處理 1，表明3.86 mol/L 的Pb不會對其光合作用造成脅迫，反而有促進(jìn)作用。

注：不同小寫字母表示同一品系不同處理之間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 Pb對不同Pb積累型小麥幼苗根系生長的影響

由表2可知，與對照相比，營養(yǎng)液中添加Pb(NO3)2后，Pb低積累型小麥品系CL0442的總根長及根總表面積、總體積均呈降低趨勢，處理1、2均顯著低于對照，而平均直徑變化不顯著；Pb高積累型小麥品系MSK39的根總表面積、總體積、平均直徑均以處理 1 最大，顯著高于對照和處理 2(平均直徑除外)，總根長表現(xiàn)為處理1顯著高于處理2，但與對照間的差異不顯著。

表2 不同Pb處理小麥幼苗根系性狀

2.3 Pb對不同Pb積累型小麥幼苗抗氧化特性的影響

如表3所示，對于Pb低積累型小麥品系CL0442，處理1和處理2幼苗根的POD、CAT活性和MDA含量均顯著高于對照(POD活性除外)，葉片中POD活性隨Pb濃度的增加而增加，CAT活性和MDA含量隨Pb濃度的增加總體呈降低趨勢。對于Pb高積累型小麥品系MSK39，其葉片和根POD、CAT活性和MDA含量在3個處理下均無規(guī)律性變化。葉片和根POD活性均表現(xiàn)為處理1顯著低于對照和處理2，對照和處理2間差異均不顯著。葉片和根CAT活性均表現(xiàn)為處理1高于對照和處理2，處理2低于對照。葉片MDA含量表現(xiàn)為處理1高于對照和處理2，處理2與對照間差異不顯著；

表3 不同Pb處理小麥幼苗抗氧化特性

根MDA含量表現(xiàn)為對照高于處理1、2，處理1、2間差異不顯著。表明不同Pb積累型小麥幼苗對Pb的響應(yīng)不同，具有不同的保護(hù)系統(tǒng)。

2.4 Pb對不同Pb積累型小麥幼苗植株Ca、Fe、K、Mg積累的影響

如表4所示，對于Pb低積累型小麥品系CL0442，處理 1 植株Ca、Fe、Mg含量最高，較對照和處理2分別提高34.39%～39.23%和2.99%～31.07%；處理1、2的K含量分別較對照降低27.02%、20.79%，但處理1和處理2間的差異不顯著。對于Pb高積累型小麥品系MSK39，對照Ca、Fe、K、Mg含量最高，隨著營養(yǎng)液中Pb濃度增加，4種元素含量均呈降低趨勢，處理1、2較對照降低11.78%～35.16%，表明Pb抑制了小麥對這些元素的吸收。無論是Pb低積累型小麥品系CL0442還是高積累型小麥品系MSK39，在處理 1、2 條件下K含量均較對照顯著降低，降幅為17.10%～29.75%，說明Pb抑制小麥對K元素的吸收。

表4 不同Pb處理小麥幼苗植株Ca、Fe、K、Mg含量 μg/g

3 結(jié)論與討論

研究表明，一定量的Pb脅迫會導(dǎo)致植物中營養(yǎng)元素濃度及比例發(fā)生改變，如可以顯著降低黃瓜(Cucumissativus)種苗對K、Ca、Fe、Mg的吸收，也可以明顯抑制玉米(Zeamays)對K、Ca、Mg、P的吸收[20]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Pb高積累型小麥品系MSK39對Ca、Fe、Mg的吸收受Pb抑制；而對于Pb低積累型小麥品系CL0442，Pb對小麥吸收3種元素的影響表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制。說明小麥同其他植物一樣，較高濃度的Pb抑制其對必需礦質(zhì)元素的吸收，但在低濃度時所受影響不同，可能主要是因為其基因型不同。在Pb存在的情況下，2種Pb積累型小麥幼苗中K含量均低于對照，這與用8個不同基因型成株期小麥分析的Pb對礦質(zhì)元素積累影響的結(jié)果一致[17]。這可能是因為在植株中二者存在某種競爭關(guān)系，Pb的存在使K只能在葉片中少量積累，其機(jī)制需進(jìn)一步研究。

Pb會對植物造成氧化脅迫，產(chǎn)生大量活性氧，嚴(yán)重影響植物膜系統(tǒng)的功能[12]，植物通常利用包括POD和CAT在內(nèi)的復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng)限制活性氧對細(xì)胞的損害。一定濃度下Pb脅迫能誘導(dǎo)植物組織中POD活性升高[21]，CAT活性受Pb毒害會有所降低[12]。MDA為植物體內(nèi)膜脂過氧化的直接產(chǎn)物[22]，其含量水平通?？煞从持仓暝馐苣婢硞Φ某潭?。本研究結(jié)果表明，Pb處理條件下Pb低積累型小麥品系CL0442幼苗根的POD、CAT活性和MDA含量均高于對照，葉中POD活性隨Pb濃度增加而增加，CAT活性和MDA含量卻總體呈降低趨勢。Pb高積累型小麥品系MSK39葉片和根POD、CAT活性及MDA含量在3個處理下均無規(guī)律性變化。李妍[15]研究Pb對小麥品種德抗961幼苗的影響發(fā)現(xiàn)，小麥芽長和根長均隨Pb質(zhì)量濃度的增加而降低；在500 mg/L Pb脅迫下，小麥根和芽POD活性比對照增加了2.62倍和2.58倍，CAT活性則隨Pb質(zhì)量濃度的增加而下降，根的下降趨勢比芽明顯，MDA含量均隨Pb質(zhì)量濃度的增加而增加。這與本研究結(jié)果不完全相同，一方面可能是因為不同小麥品種對Pb表現(xiàn)出不同的生態(tài)效應(yīng)，另一方面也可能是因為試驗條件不同，這反映了小麥對Pb反應(yīng)的復(fù)雜性。

喬莎莎等[16]研究發(fā)現(xiàn)，無Pb脅迫與輕度及重度Pb脅迫的小麥總根長在各生育時期均達(dá)到顯著差異，在輕度Pb脅迫下，苗期總根長下降最明顯，降幅為15.9%。本研究發(fā)現(xiàn)，Pb低積累型小麥品系CL0442有類似表現(xiàn)。營養(yǎng)液中Pb濃度為3.86 mol/L和7.72 mol/L時，其總根長及根總表面積、總體積均顯著低于對照，根生長受到抑制。而對于Pb高積累型小麥品系MSK39，在較低Pb濃度(3.86 mol/L)條件下，根總表面積、平均直徑、總體積均高于對照，根系生長受到促進(jìn)；在較高濃度(7.72 mol/L)條件下，總根長及根總表面積、總體積均低于對照和處理1，光合參數(shù)也最低，根系生長受到抑制。這說明對于不同類型小麥，Pb的影響并不相同。其他植物也存在類似情況[23]，只有Pb達(dá)到一定濃度才可導(dǎo)致植物的形態(tài)、生長、光合作用、酶活性受到抑制，擾亂植物對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收[24-27]。這意味著不能僅根據(jù)小麥外表形態(tài)及生長狀況或某單一指標(biāo)的變化來判斷小麥?zhǔn)欠袷艿絇b污染，如果種植區(qū)域存在可能的Pb污染源，一定要加強(qiáng)對食用部位Pb含量的檢測，確保食品安全。

自然條件下，土壤污染危害具有顯著的場地差別性特點，不具備均一性。為了便于結(jié)果比較，試驗采取營養(yǎng)液水培的方式以控制試驗條件的一致性。另外，本研究只是分析了營養(yǎng)液條件下Pb對2種類型小麥幼苗4種必需礦質(zhì)元素積累的影響，對于大田種植條件下以及成株期的情況則需要進(jìn)一步研究。