Cd2 + 對小麥滲透性物質含量及籽粒產量的影響

李友軍，朱志勇，黃 明

(河南科技大學農學院，河南洛陽471003)

0 前言

Cd2+是植物生命活動的非必需元素，但卻是毒性最強的重金屬之一，比其他重金屬具有更強的從土壤向植物遷移的能力，更易在植物體內富集，通過食物鏈進入動物或人體，可引起對人體骨骼、腎、肝、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的毒害作用及其致癌、致畸、致突變作用，嚴重威脅著人類健康及生命安全［1－3］。

隨著環(huán)境污染的日趨嚴重，Cd2+污染已成為國內外學者關注的焦點［4－7］。近年來，關于Cd2+對水稻［8］、小麥［9］、玉米［10］、棉花［11］、白菜［12］等作物生長的危害及生理生化的影響都有不少的報道，但是這些報道一般多集中在作物的苗期，關于Cd2+對作物全生育期生長發(fā)育的影響報道較少。所以，研究鎘對小麥灌漿過程中一些生理特性及最終產量的影響具有重要的科學意義。

小麥是世界上最主要的農作物之一，其栽培面積、總產量居各種作物的首位。在中國，小麥是僅次于水稻的第二大作物，其產量和品質是中國人民飲食水平的提高和飲食安全的保障的關鍵。目前，中國受重金屬污染的耕地面積近2 000 萬hm2，約占耕地總面積的1/5。因此，重金屬污染已經成為中國小麥生產限制因子之一，在重金屬污染現(xiàn)狀還不能改善的前提下，提高小麥抗性成為保證小麥穩(wěn)產、高產、安全的重要途徑，其中，滲透調節(jié)作為表征植物抗性強弱重要生理機制越來越受到關注［11－14］。

滲透調節(jié)是植物適應干旱、鹽漬、低溫、重金屬等脅迫的重要機制之一［15］。滲透調節(jié)物質主要分兩大類:以K+為主的無機物和以脯氨酸、可溶性糖為主的有機物。脯氨酸是一種小分子的滲透物質，是一種溶解度高、水合度高的氨基酸，主要功能是提高原生質滲透壓，防止和減少原生質水分散失，是最為有效的滲透調節(jié)物質之一。許多植物在受到逆境脅迫時都會積累大量的脯氨酸［16－17］，脯氨酸可以作為一個抗逆指標。文獻［18］通過對水稻研究顯示，隨著鎘濃度升高，葉片的脯氨酸含量呈上升趨勢;另有學者認為不同植物在脅迫下脯氨酸積累各不相同，有些植物的脯氨酸含量并不增加。文獻［19］研究發(fā)現(xiàn)，大麥在NaCl 脅迫下脯氨酸含量下降。對于重金屬脅迫對可溶性糖含量影響的報道也不盡一致，文獻［20］認為，作物中可溶性糖含量隨著重金屬濃度升高而降低，而文獻［21］卻認為，植物體內的可溶性糖含量隨著重金屬濃度升高呈“N”字型的降－升－降的變化。從他們的研究結果可以看出:高濃度的重金屬處理會使植物體內可溶性糖含量下降。本試驗采用不同耐Cd2+性的兩個小麥品種，設置3 個Cd2+處理水平，通過大田栽培的方式，研究Cd2+脅迫對小麥灌漿期游離脯氨酸、可溶性總糖含量及籽粒產量的影響，分析其與小麥耐Cd2+性的關系，以期為中輕度重金屬污染區(qū)的小麥穩(wěn)產、高產和安全生產提供一定的科學依據(jù)和理論基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在河南科技大學開元校區(qū)進行，選取前期通過水培試驗篩選的不同耐Cd2+性的兩個小麥品種:新麥21(耐Cd2+性強)和百農矮抗58(耐Cd2+性弱)［22］，Cd2+處理設置對照、低Cd2+處理和高Cd2+處理3 個水平，處理濃度分別為0 mg/kg(CK)、10 mg/kg(CL)、100 mg/kg(CH)，供試鎘試劑為分析純CdCl2·2.5H2O，施于地表，然后翻土，使CdCl2·2.5H2O 均勻分布于0 ～40 cm 的耕作層之中。2009 年10 月21 日播種，隨機區(qū)組排列，重復3 次，小區(qū)為3 m×3 m，基本苗2.4 ×106株/hm2。常規(guī)管理，氮肥50%(質量分數(shù))作底肥，50%在拔節(jié)期隨水追入，磷鉀肥作底肥一次性施入。

1.2 試驗田土壤理化性質

取試驗田0 ～40 cm 的土壤測定土壤理化性質，土壤Cd2+本底值為0.18 mg/kg，土壤含水量為10.38%。其他理化性質見表1。

表1 試驗田土壤的理化性質

1.3 取樣方法

在各小區(qū)選擇同天開花、表現(xiàn)一致且生長良好的穗掛牌標記足量，以后每隔5 d 取樣1 次至收獲，每區(qū)每次取20 個穗，105 ℃殺青后70 ℃下烘干，用于測定籽?？扇苄蕴呛俊Ｈ∷胪瑫r每小區(qū)取旗葉20 片，10 片烘干稱重，用于測定可溶性總糖含量，另外10 片經液氮速凍30 min 后置于－70 ℃冰箱保存，用于游離脯氨酸含量的測定。小麥成熟后到收獲前這段時間選取代表性植株10 株進行考種。

1.4 測定方法

旗葉和籽粒的可溶性總糖含量測定采用蒽酮比色法，游離脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮比色法，產量去除邊行和兩頭各50 cm 實收計產。

1.5 分析方法

采用DPS7.05 和Excel 分析試驗數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 Cd2+脅迫對兩個小麥品種旗葉游離脯氨酸含量的影響

圖1 為Cd2+脅迫對新麥21 和百農矮抗58游離脯氨酸含量的影響，由圖1 可看出:兩個小麥品種脯氨酸含量在整個灌漿時期呈上升趨勢，其中，在開花期和花后5 d 時，新麥21 和百農矮抗58 的脯氨酸含量的順序是CH ＞CL ＞CK;從花后5 d 開始，兩個品種CH 的脯氨酸含量呈下降趨勢，在花后10 d 以后新麥21 和百農矮抗58 的脯氨酸含量的順序變?yōu)镃L ＞CK ＞CH，且這個順序一直保持到小麥成熟，這個順序的改變說明脯氨酸含量未必與脅迫程度成正相關，嚴重脅迫條件下，脯氨酸含量可能降低。其原因可能是高Cd2+處理下，大量重金屬積累，嚴重破壞了作物的細胞質膜，抑制脯氨酸的積累，使小麥自身的調節(jié)能力大大下降或者喪失。

圖1 Cd2+脅迫對新麥21(左)和百農矮抗58(右)游離脯氨酸含量的影響

表2 為花后旗葉脯氨酸的平均凈積累量，從表2 可以看出:兩個小麥品種花后5 ～10 d 的脯氨酸凈積累量都出現(xiàn)了負數(shù)，這可能與花后0 ～5 d 這段時間溫度較高有關，高溫脅迫一定程度上刺激脯氨酸的含量劇增;數(shù)據(jù)顯示，CL 水平下新麥21 和百農矮抗58 的脯氨酸凈累積量分別比各自CK 值提高了42.7%和20.6%，而CH 水平下卻分別降低了49.4%和52.7%。由此可以得出兩點結論:一是在輕度Cd2+脅迫下，脯氨酸的調節(jié)機制對小麥正常開花、灌漿起著重要的作用;二是脯氨酸累積量的高低作為反應作物Cd2+脅迫性強弱的重要指標。在此，試驗驗證了新麥21 耐Cd2+性大于百農矮抗58。

2.2 Cd2+脅迫對兩個小麥品種旗葉可溶性總糖含量的影響

小麥灌漿過程中，葉片中貯存的光合產物開始大量向穗部運送，籽粒中的糖也大量轉化為淀粉［23］，旗葉是小麥重要的光合器官，旗葉中可溶性糖含量是籽?？扇苄蕴呛?、淀粉積累量及千粒重的主要影響因素之一［24］，而旗葉可溶性總糖凈積累量則反映了可溶性糖內在的合成速率與轉化、運輸速率。

圖2 是鎘脅迫下，兩個小麥品種在灌漿過程中旗葉可溶性總糖含量變化趨勢。兩個品種在3 個處理下旗葉的可溶性糖含量均呈單峰曲線的變化趨勢，旗葉可溶性總糖含量的高峰均出現(xiàn)在花后20 d。新麥21 旗葉中可溶性總糖含量在花后0 ～10 d 順序為CL ＞CK ＞CH，而花后10 d 到成熟期順序則為CK ＞CL ＞CH;百農矮抗58 旗葉可溶性總糖含量一直保持著CL ＞CK ＞CH。和CK 相比，CH 對旗葉可溶性總糖積累一直表現(xiàn)為抑制作用，高Cd2+處理使旗葉可溶性糖含量降低的原因可能是因為高Cd2+處理損害葉片膜系統(tǒng)，抑制了PSⅡ活性，導致其光合速率降低，使旗葉的光合同化產物積累量減少，或無足夠的同化物轉化形成其他蔗糖、可溶性糖等糖類，說明Cd2+脅迫破壞了小麥碳水化合物代謝途徑［25－26］。

由圖2 可知:整個灌漿過程中，在CK、CL、CH 這3 個水平下，新麥21 和百農矮抗58 旗葉中可溶性總糖凈積累量的平均值分別為0.53 mg/d、0.31 mg/d、0.21 mg/d 和0.55 mg/d、0.62 mg/d、0.28 mg/d。方差分析顯示，同一品種不同處理間的可溶性總糖凈積累量差異性極顯著(P ＜0.01)，說明Cd2+脅迫抑制了小麥旗葉中可溶性糖的合成;在CL 或CH 水平下，不同品種的可溶性糖凈積累量差異性極顯著(P ＜0.01)，百農矮抗58 凈積累量大于新麥21 的凈積累量，這可能是因為耐Cd2+性強的新麥21 旗葉中的可溶性糖往穗部的轉化、運輸速率比百農矮抗58 高。

2.3 Cd2+脅迫對兩個小麥品種籽?？扇苄钥偺呛康挠绊?/h3>

表2 花后旗葉脯氨酸的平均凈積累量 μg/d

小麥籽粒中可溶性糖含量，一方面標志著葉源端的同化物供應能力;另一方面也能反映出籽粒對同化物的轉化、利用能力［26］。圖3 為鎘脅迫對新麥21 和百農矮抗58 籽?？扇苄钥偺呛康挠绊懀瑥膱D3 可以看出:兩個小麥品種籽粒中可溶性總糖含量在花后10 ～15 d 迅速下降，這是因為花后10 ～15 d 籽粒中大量的可溶性糖類轉化為淀粉;花后10 d 到成熟期這段時間總體呈下降趨勢，但是較平緩，這是因為花后20 d 以后，植株的光合能力開始下降，光合同化物含量下降，葉源端同化物供應能力逐漸降低，進而導致籽粒中可溶性糖含量下降。

圖2 鎘脅迫對新麥21(左)和百農矮抗58(右)旗葉可溶性總糖含量的影響

從圖3 中還可以看出:與CK 相比，CH 處理的籽粒可溶性糖積累受抑制，這可能是鎘脅迫導致旗葉的可溶性糖往穗部運轉受阻造成。數(shù)據(jù)顯示:整個灌漿過程中，新麥21 和百農矮抗58 籽粒中的可溶性總糖含量平均值的相對值(相對值=鎘處理值/對照值，相對值可以消除不同品種間固有的生物差異性)在CL 和CH 水平下分別為1.012、0.934 和0.919、0.910，相對值越大表示籽粒中可溶性糖積累量越高，所以鎘脅迫下新麥21 籽粒中可溶性總糖積累量比百農矮抗58 高，這也恰好驗證了鎘脅迫下耐鎘性強的新麥21 葉源端可溶性總糖轉運速率比耐鎘性弱的百農矮抗58 高這一觀點。

經統(tǒng)計表明:新麥21 和百農矮抗58 各個處理在灌漿進程中籽粒可溶性糖平均日凈積累量分別為12.2 mg/(g·d)、11.6 mg/(g·d)、11.1 mg/(g·d)和12.3 mg/(g·d)、9.3 mg/(g·d)、9.5 mg/(g·d)，由于灌漿過程中籽粒中的大量可溶性糖轉化為淀粉，所以本試驗認為:鎘脅迫下，高耐鎘性新麥21 籽粒中可溶性糖轉化為淀粉能力比低耐鎘性的百農矮抗58 強。

2.4 Cd2+脅迫對兩個小麥品種產量的影響

表3 為鎘脅迫對兩個小麥品種產量構成因素及產量的影響，從表3 可以看出:Cd2+脅迫通過影響小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重成產三因素進而影響小麥的產量。和CK 相比，CL 處理的有效穗數(shù)升高，CK 水平有效穗數(shù)則降低，這可能是因為低Cd2+處理促進小麥苗期的分蘗，而高Cd2+處理則使小麥幼苗分蘗受阻;CL 處理下新麥21穗粒數(shù)較CK 高，但是不顯著，百農矮抗58 穗粒數(shù)顯著降低，CH 處理下兩個品種的穗粒數(shù)較CK都減少了;Cd2+處理對兩個小麥品種籽粒千粒重都呈現(xiàn)為抑制作用，這可能是因為Cd2+脅迫抑制了籽粒中的糖類轉化為淀粉的轉化效率造成的，對百農矮抗58 抑制更顯著，這也驗證了Cd2+脅迫下高耐鎘性新麥21 籽粒中可溶性糖轉化為淀粉能力比低耐鎘性的百農矮抗58 強的觀點;分析最終產量可得出:新麥21 在CL 和CH 處理下的平均產量比CK 下降94.67 kg/hm2，百農矮抗58 下降了134.67 kg/hm2，Cd2+脅迫下耐鎘性較強的新麥21 產量比耐鎘性較弱的百農矮抗58 產量高。所以，在實際生產中，重金屬輕度污染區(qū)可以通過選用耐性品種和農藝措施提高小麥穗粒數(shù)和千粒重，從而保證小麥高產穩(wěn)產。

圖3 鎘脅迫對新麥21(左)和百農矮抗58(右)籽?？扇苄钥偺呛康挠绊?/p>

表3 鎘脅迫對兩個小麥品種產量構成因素及產量的影響

3 結論

(1)鎘脅迫下，低鎘濃度促進了葉片脯氨酸含量的積累，且隨著灌漿過程的進行葉片的脯氨酸含量呈增加趨勢，脯氨酸的調節(jié)作用保證了小麥輕度鎘脅迫下能正常開花和灌漿;高鎘濃度下由于大量重金屬積累，嚴重破壞了小麥的細胞質膜，從而抑制脯氨酸的累積，影響了籽粒的正常灌漿;苗期耐鎘性強的新麥21 在鎘脅迫下表現(xiàn)出更強的自身調節(jié)作用。

(2)鎘脅迫下，Cd2+破壞了小麥碳水化合物代謝途徑，抑制了旗葉中可溶性糖的合成，阻礙了旗葉光合同化物往穗部的轉運，進而影響了小麥籽?？扇苄蕴堑姆e累，同時鎘脅迫抑制籽粒中可溶性糖轉化成為淀粉;苗期耐鎘性強的新麥21 在碳水化合物合成轉運過程中，受破壞程度較輕。

(3)鎘脅迫下，高鎘濃度導致小麥減產，其中，苗期耐鎘性強的新麥21 受影響程度較輕。

［1］ Waisberg M.Molecular and Cellular Mechanisms of Cadmium Carcinogenesis［J］.Toxicology，2003，192:95－117.

［2］ Tudoreanu L，Phillips C J C.Modeling Cadmium Uptake and Accumulation in Plants［J］.Advances in Agronomy，2004，84:121－157.

［3］ 崔玉靜，黃益宗，朱永官.鎘對人類健康的危害及其影響因子的研究進展［J］.衛(wèi)生研究，2006，35(5):656－659.

［4］ 鄭喜珅，魯安懷，高翔，等.土壤中重金屬污染現(xiàn)狀與防治方法［J］.土壤與環(huán)境，2002，11(1):79－84.

［5］ 朱志勇，郝玉芬，李友軍，等. 鎘對小麥旗葉葉綠素含量及籽粒產量的影響［J］. 核農學報，2011，25(5):1010－1016.

［6］ Romic M，Romic D.Heavy Metals Distribution in Agricultural Topsoil in Urban Area［J］.Environ Pollution，2003，43:795－805.

［7］ 王凱榮.我國農田鎘污染現(xiàn)狀及其治理利用對策［J］.農業(yè)環(huán)境保護，1997，16(6):274－278.

［8］ 邵國勝，Muhammad J H，章秀福，等.鎘脅迫對不同水稻基因型植株生長和抗氧化酶系統(tǒng)的影響［J］.中國水稻科學，2004，18(3):239－244.

［9］ 朱志勇，郝玉芬，吳金芝，等.鎘脅迫對不同小麥品種以及Cd2+、Zn2+、Mn2+吸收和積累的影響［J］.水土保持學報，2011，25(2):209－213.

［10］ 孔祥生，郭秀璞，張妙霞.鎘脅迫對玉米幼苗生長及生理生化的影響［J］.華中農業(yè)大學學報，1999，18(2):111－113.

［11］ 鄭世英，張秀玲，王麗燕，等. 鉛和鎘脅迫對棉花種子萌發(fā)及有機滲透調節(jié)物質的影響［J］. 中國棉花，2007，34(5):16－26.

［12］ 江帆，黃海泉，尹鳳英，等.不同濃度鎘對白菜幼苗生長受害與蛋白質組變化關系分析［J］. 農業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27(6):2345－2350.

［13］ 郭曉音，嚴重玲，葉彬彬.鎘鋅復合脅迫對秋茄幼苗滲透調節(jié)物質的影響［J］.應用與環(huán)境生物學報，2009，15(3):308－312.

［14］ 胡春霞，湯潔.重金屬對蒲公英種子萌發(fā)及葉片滲透調節(jié)物質含量的影響［J］.北方園藝，2008(11):27－30.

［15］ Spickett C M，Smirnoff N，Ratdiffe R G.Metabolic Responses of Maize Roots to Hyperosmotic Ahock［J］.Plant Physiol，1992，99:856－863.

［16］ 朱虹，祖元剛，王文杰，等.逆境脅迫條件下脯氨酸對植物生長的影響［J］.東北林業(yè)大學學報，2009，37(4):86－89.

［17］ 湯章城.逆境條件下植物脯氨酸的累積及其可能的意義［J］.植物生理學通訊，1984(1):15－21.

［18］ 王陽陽，任艷芳，周國強，等.鎘脅迫對不同抗性水稻品種幼苗生長和生理特性的影響［J］.中國農學通報，2009，25(24):450－454.

［19］ 杜志釗，鄒磊，張艷敏，等.NaCl 處理對大麥種子萌發(fā)后生長量和相關生理生化指標的影響［J］.上海農業(yè)學報，2010，26(2):34－37.

［20］ 張義賢，張麗萍.重金屬對大麥幼苗膜脂過氧化及脯氨酸和可溶性糖含量的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2006，25(4):857－860.

［21］ 丁曉輝，任麗萍，張春榮，等.Cd2+脅迫對紫花苜蓿葉綠素和可溶性糖含量的影響［J］. 華北農學報，2007，22(增刊):64－66.

［22］ Li Y J，Zhu Z Y.A Study on Cd2+Resistance of Different Wheat Cultivars［C］//CMBB2010，IEEE.2010:210－216.

［23］ 蘇振剛，楊衛(wèi)兵，田紀春，等.不同類型高產小麥植株、籽?？扇苄蕴呛颗c其干物質積累的關系［J］.中國農學通報，2007，23(9):307－311.

［24］ 李友軍，熊瑛，陳明燦，等.氮、磷、鉀對豫麥50 旗葉蔗糖和籽粒淀粉積累的影響［J］.應用生態(tài)學報，2006，17(7):1196－1200.

［25］ 王貴民，陳國祥，陳利，等.鎘脅迫下雜交稻2 品種幼苗的抗性及鎘含量的差異［J］.農村生態(tài)環(huán)境，2004，20(4):44－47.

［26］ 薛香，梁云娟，韓占江，等.播期對百農矮抗58 小麥籽?？扇苄蕴?、淀粉積累的影響［J］.河南農業(yè)科學，2010(7):15－17.