燕麥植株生長及葉片生理活性對土壤鎘脅迫的響應

馬鳳儀，趙寶平*，張 茹，王永寧，郭曉宇，王美玲，劉景輝

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，呼和浩特 010010；2 內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)生態(tài)與資源保護中心，呼和浩特 010000；3 烏蘭察布市污染防治智能監(jiān)管服務與技術(shù)支持中心，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

燕麥(AvenasativaL.)是中國重要的糧、飼作物，內(nèi)蒙古是燕麥種植的最適地區(qū)之一[1]，占中國燕麥種植面積42%以上。內(nèi)蒙古西部有色金屬、黑色金屬等礦產(chǎn)具有明顯優(yōu)勢，但在開采、冶煉過程中一些重金屬污染物通過沉降、雨水和淋溶等途徑進入土壤，造成周邊農(nóng)田土壤鎘(Cd)、鉛(Pb)等重金屬污染物超標，嚴重影響當?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全[2]。

Cd是植物非必需元素, 具有強生物毒性和快速遷移的特點, 能夠?qū)е轮参餇I養(yǎng)缺陷、葉綠素合成抑制、光合作用降低、氧化應激等, 最終抑制植物生長, 甚至導致植物死亡[3]。研究表明，Cd脅迫能降低植物蒸騰速率，導致氣孔關(guān)閉，抑制“鈣信號”傳遞[4]，影響光合速率[5]，抑制植物葉片中葉綠素的生物合成，減少葉綠體數(shù)量，使基粒類囊體排列紊亂，影響植物的原初光化學反應和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ),從而引起植物體內(nèi)生理代謝紊亂，最終影響植物體的生長發(fā)育[6-7]。

同種作物不同品種對Cd脅迫生理響應存在差異，在小麥[8-9]、玉米[10]、水稻[11]、龍葵[12]等作物上已有相關(guān)報道，目前有關(guān)燕麥不同品種對Cd脅迫響應差異研究較少。因此，本試驗以兩個高、低Cd積累燕麥品種為材料，探明不同Cd積累型燕麥生長及葉片生理特性對Cd脅迫響應的差異，為燕麥抗Cd機制及應用農(nóng)藝措施降低燕麥Cd積累量與超標風險，推動內(nèi)蒙古燕麥安全、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗依據(jù)前期18個燕麥品種兩年大田篩選后結(jié)果， 選擇‘200919-7-1’(Yl)和‘燕科2號’(Yh)兩個燕麥品種為供試材料。其中，‘200919-7-1’具有籽粒低Cd積累特性，在兩年試驗中籽粒平均Cd含量為0.122 mg/kg，種子由河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學院提供；‘燕科2號’具有籽粒高Cd積累特性，在兩年試驗中籽粒平均Cd含量為0.298 mg/kg，種子由內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院提供。

1.2 試驗設計

試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學燕麥產(chǎn)業(yè)研究中心溫室進行。盆栽土壤取自河套灌區(qū)試驗地(鎘污染土壤，Cd)和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學教學農(nóng)場(對照,CK)。供試土壤Cd含量分別為0.96 mg/kg(Cd)和0.23 mg/kg(CK)，供試土壤屬輕度Cd污染土壤，基本理化性質(zhì)詳見表1。選擇規(guī)格為240 mm×180 mm的塑料花盆，每盆裝土5 kg，每盆播種30粒，每盆混為一個樣，每個處理重復4次，共16盆，每盆施底肥磷酸二銨3 g。抽穗期測定相關(guān)生長及生理指標。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長指標于抽穗期每處理選擇5株先測定株高，然后將其用去離子水洗干凈，85 ℃下殺青30 min，于105 ℃烘至恒重后稱重，得到整株生物量干重(DW)。

表1 盆栽試驗供試土壤理化性質(zhì)

1.3.2 葉片抗氧化酶活性和MDA含量取燕麥中上部葉片，依據(jù)《植物生理學實驗指導》[13]方法測定葉片中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量，每個處理重復3次。

1.3.3 葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)采用CIRAS-3光合儀測定旗葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間 CO2濃度(Ci)和氣孔導度(Gs)，以及光下最小熒光(Fo′)、光下最大熒光(Fm)、光適應下最大可變熒光(Fv′)，并計算PSⅡ反應中心的激發(fā)能捕獲效率(Fv′/Fm′)、光化學淬滅系數(shù)(qP)、實際光化學效率(φPSⅡ)、電子傳遞速率(ETR)，測量時將葉片夾于葉室中部，每個處理重復3次；采用SPAD-502型葉綠素儀測定旗葉的相對葉綠素含量(SPAD)值，每個處理重復3次。葉綠素熒光參數(shù)計算公式如下：

Fv′/Fm′ =(Fm′ -Fo′)/Fm′；

qP =(Fm′ -Fs)/(Fm′ -Fo′)；

φPSⅡ=(Fm′ -Fs)/Fm′

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行簡單統(tǒng)計處理和繪圖，采用SPSS 22.0進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對兩個類型燕麥品種植株生長的影響

表2顯示，與CK相比，兩個燕麥品種的株高、各器官(根、莖、葉、穎殼)干重、單株干重在Cd脅迫下均顯著降低，Yl品種(籽粒低Cd積累)降幅分別為28.5%、31.8%、38.3%、55.3%、26.4%、40.8%，Yh品種(籽粒高Cd積累)降幅則分別為27.3%、25.9%、37.3%、57.6%、34.6%、38.2%(P<0.05)。在相同處理下，兩品種的株高沒有顯著差異，單株干重則表現(xiàn)為Yh品種顯著高于Yl品種，在CK和Cd脅迫下分別顯著提高40.1%和47.8%。說明兩類型燕麥品種的生長在鎘脅迫下均受到顯著抑制，但籽粒高Cd積累品種受到的抑制程度較小，尤其以單株干重的表現(xiàn)更為突出。

表2 Cd脅迫下兩個類型燕麥株高及單株干重

2.2 Cd脅迫對兩個類型燕麥品種葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素含量的影響

圖1顯示，兩個燕麥品種葉片的Pn、Gs和SPAD在Cd脅迫條件下均比相應CK顯著降低，Yh的降幅分別為35.0%、28.4%和16.4%，Yl的降幅分別為57.1%、71.3%和14.8%(P<0.05)，其余指標則無顯著變化；同時，Yl葉片的Ci也比CK顯著降低13.6%，而Yh葉片的Ci以及兩品種的Tr均無顯著變化。在CK處理條件下，Yh葉片的Pn較Yl顯著提高24.3%，其Ci則比Yl顯著降低5.4%，而其余指標與Yl均無顯著差異；在Cd脅迫條件下， Yh的Pn和Gs較Yl分別顯著升高100%和143.6%，而其Ci、Gs和SPAD與Yl均無顯著差異。結(jié)果說明Cd脅迫顯著抑制了兩燕麥品種葉片的凈光合速率、氣孔導度和葉綠素含量，但Yl品種受到的影響更大；Yh品種的Pn在相同處理條件下均顯著高于Yl品種。

2.3 Cd脅迫對兩種類型燕麥品種葉綠素熒光參數(shù)的影響

圖2顯示，在Cd脅迫條件下，燕麥品種Yh葉片的葉綠素熒光參數(shù)僅光下最小熒光(Fo′)比CK顯著提高3.0%，而燕麥品種Yl葉片的葉綠素熒光參數(shù)僅Fo′和光化學淬滅系數(shù)(qP)分別比對照顯著降低14.4%和27.3%(P<0.05)，而其余參數(shù)原初光化學量子效率(Fv/Fm)、PSⅡ反應中心的激發(fā)能捕獲效率(Fv′/Fm′)、實際光化學效率(φPSⅡ)和電子傳遞速率(ETR)均與對照差異不顯著。在CK處理下，Yh品種的Fo′、φPSⅡ、qP和ETR分別較Yl品種顯著提高6.6%、23.6%、30.1%和23.7%，其Fv/Fm和Fv′/Fm′均與Yl品種無顯著差異；在Cd脅迫條件下， Yh品種葉片的Fo′、φPSⅡ、qP、ETR較Yl品種分別顯著提高22.4%、29.2%、40.4%和29.2%，而Yl品種的Fv′/Fm′卻較Yh品種顯著提高15.0%(P<0.05)，而兩品種間的Fv/Fm無顯著差異?？梢?，在鎘脅迫條件下，兩燕麥品種的葉綠素熒光參數(shù)與對照相比大多無顯著變化，而除Fv/Fm外，其余參數(shù)在品種間均存在顯著差異。

2.4 Cd脅迫對兩種類型燕麥品種葉片抗氧化酶活性和MDA含量的影響

由圖3可知，兩種類型燕麥品種葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量在Cd脅迫下均比CK不同程度提高，但僅SOD 活性和MDA 含量增幅達到顯著水平；其中，Yl品種的增幅分別為44.9%和22. 2%，Yh品種增幅則分別為41.9%和18.1%(P<0.05)。在CK和Cd脅迫條件下，Yh品種的SOD活性較Yl分別顯著提高36.8%和22.8%，而其MDA含量則較Yl顯著降低27.1%和30.8%(P<0.05)，POD和CAT活性在兩品種間均差異不顯著?？梢姡k脅迫均能誘導兩個類型燕麥品種葉片SOD活性和MDA含量顯著提高，而Yl的MDA含量增幅高于Yh， Yl受到的Cd脅迫危害更大。

2.5 燕麥幼苗生長與生理指標之間關(guān)系

Cd脅迫下，燕麥通過不同機制共同作用來減輕Cd的毒害作用。相關(guān)性分析(表3)結(jié)果顯示，燕麥根、莖、葉的干重和單株的干重與Pn呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，同時，根的干重與qP、ETR和φPSⅡ也呈顯著正相關(guān)關(guān)系；根的干重與MDA呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與CAT活性呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；穎殼的干重與CAT活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表3 燕麥幼苗生長指標與生理指標之間的相關(guān)性

3 討 論

本研究以高Cd積累燕麥品種‘燕科2號’(Yh)和低Cd積累燕麥品種‘200919-7-1’(Yl)為試驗材料，初步比較分析了Cd脅迫下兩個品種的生長和生理差異。已有研究表明，Cd脅迫條件下植物生長會受到抑制，導致各器官生物量會降低[14-15]，且相較于低Cd積累品種，高Cd積累品種對Cd的耐受力較強，生長受抑制的程度較小[16]。在本研究中，與CK處理相比，高、低Cd積累燕麥品種株高及各器官生物量在Cd脅迫下均顯著下降，各器官生物量均與其葉片Pn呈正相關(guān)關(guān)系；Yh品種的生物量在Cd脅迫下高于Yl，表明兩品種的生長均受到鎘脅迫的顯著抑制，但Yh對Cd脅迫有較強的耐受力。

同時，植物的光合作用也會受到Cd脅迫的抑制，導致光合作用降低的因子包括氣孔限制和非氣孔限制，Ci是評判的依據(jù)；當Pn、Gs、Ci同時降低時，表明光合作用是受氣孔限制因素的影響；當Pn的降低伴隨著Ci的升高，則表明光合作用是受非氣孔因素限制[17-18]。周姣等[12]研究表明龍葵和少花龍葵光合作用的降低是氣孔限制和非氣孔限制綜合作用的結(jié)果；董袁媛等[19]研究表明鎘脅迫下氣孔限制降低了黃麻的光合作用。此外，郭佳佳等[16]報道，低Cd積累小麥品種光合作用的降低部分原因是氣孔限制因素引起的，另有原因可能是由葉綠素含量及相關(guān)酶活性等非氣孔限制因素引起的。本研究結(jié)果表明，在Cd脅迫條件下，燕麥品種Yl和Yh葉片的Pn、Gs和Ci較CK處理均同時呈下降趨勢，表明Cd脅迫下兩個品種光合作用的降低可能是受氣孔限制因素的影響；此外，燕麥品種根、莖、葉的干重和單株的干重均與Pn呈顯著正相關(guān)，而與CAT活性呈顯著負相關(guān)，表明Cd脅迫下光合作用的降低可能與有關(guān)抗氧化酶活性等非氣孔限制因素密切相關(guān)。

此外，葉綠素熒光參數(shù)是評價植物生理指標變化和光能利用的一種較好檢測方法[20-21]。Fo′與光合作用的光反應無關(guān)，與葉綠素濃度有關(guān)，其變化可以說明PSⅡ反應中心受到了逆境脅迫的抑制或者傷害[22]；Fv′/Fm′反映在逆境脅迫下植物光合機構(gòu)的損傷程度，通常用來判斷植物是否受到光抑制影響[23]；qP用來表達PSⅡ反應中心能量被色素所吸收之后的轉(zhuǎn)化率，也可以表示PSⅡ開放中心的數(shù)目，其值越高說明光系統(tǒng)Ⅱ具有的電子傳遞活性越高，電子傳遞速率越快，相反qP值越低表明光系統(tǒng)Ⅱ開放比例減小，為光合作用提供的能量也降低[24-25]；ETR反映在實際光照強度下的表觀電子傳遞速率[26]。在本試驗的Cd脅迫條件下，燕麥品種Yh葉片的Fo′值增加幅度較Yl高，說明Cd脅迫對品種Yh的葉綠素濃度影響較大；品種Yl的Fv′/Fm′值提升幅度顯著高于Yh，且Yl的qP降幅較Yh高，這與Cd脅迫下POD、CAT活性有關(guān)，說明燕麥品種Yl葉片光合機構(gòu)損傷程度較Yh更嚴重，對光合作用的影響更大。

另外，MDA 是細胞膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物，它的積累可作為植物葉片的細胞膜遭受破壞程度的指標[27]，SOD、POD和CAT共同組成植物體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng)，有效清除植物體內(nèi)的自由基和過氧化物[16]，Cd脅迫下POD和CAT活性的增加與活性氧的加速產(chǎn)生有關(guān)[28]。本研究結(jié)果表明，在Cd脅迫條件下，兩個燕麥品種CAT活性增加，燕麥品種Yl的MDA含量增加幅度高于Yh，且品種Yl葉片的SOD活性和MDA含量均顯著高于品種Yh，說明相比于品種Yh，品種Yl受Cd脅迫誘導的過氧化傷害較大。品種Yl葉片的MDA含量較Yh高可能是因為Yl的POD活性較低所致。孫亞莉等[11]研究表明，2個水稻品種隨著Cd濃度增加，其MDA 含量以及SOD、POD 和 CAT 等抗氧化酶活性均隨著鎘脅迫處理濃度的升高而增強，且Cd脅迫處理下耐Cd品種 MDA 含量與各抗氧化酶活性較對照的相對增加值小于鎘敏感品種；邵國勝等[29]研究表明，Cd耐受性強的水稻抗氧化酶活性顯著高于Cd敏感品種，而MDA含量則低于Cd敏感品種。本研究中燕麥品種Yl葉片的SOD、POD活性均低于品種Yh，而MDA含量均顯著高于品種Yh，這些結(jié)果表明Yl對Cd較敏感，而Yh對Cd的耐受性較高。

4 結(jié) 論

Cd脅迫顯著抑制了高、低Cd積累燕麥品種生長和葉片光合氣體交換參數(shù)及葉綠素熒光參數(shù)特性，誘導增強了兩個品種的葉片SOD、POD 和 CAT等抗氧化酶活性，尤其是SOD活性得到顯著增強；與低Cd積累燕麥品種(200919-7-1)相比，高Cd積累燕麥品種(‘燕科2號’)具有更高的生物量和抗氧化酶活性，光合氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)的表現(xiàn)也更優(yōu)。綜合研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高Cd積累燕麥品種(‘燕科2號’)因具有優(yōu)良的抗氧化和光合生理活性，從而對土壤Cd的耐受性較低Cd積累燕麥品種更強。