苯甲酸鈉對復(fù)合重金屬污染下小麥幼苗生理特性的影響

趙錦慧，梁潘潘，柴進(jìn)麗，李　昕

(周口師范學(xué)院 生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院， 河南 周口 466001)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，重金屬污染物的排放量逐年增加，特別是重金屬污染物對土壤和環(huán)境帶來的破壞日益嚴(yán)重，已引起人們的廣泛關(guān)注．重金屬元素是一種有毒的、潛在有害的無機(jī)污染物，通常會在土壤及生物體中富集，不易去除．重金屬污染物通過各種形式進(jìn)入土壤，破壞土壤和植物生長．中國大面積的土壤都受到了不同程度的重金屬污染，許多地方農(nóng)產(chǎn)品中Cu、Pb、Cd等重金屬含量都已經(jīng)達(dá)到臨界值或超標(biāo)．土壤重金屬污染依然是制約農(nóng)產(chǎn)品國際貿(mào)易和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙之一．因此，治理現(xiàn)有的重金屬污染是當(dāng)今乃至今后都要重視和研究的問題．

苯甲酸鈉 (C7H5O2Na) 是苯甲酸的鈉鹽，白色顆粒或結(jié)晶性粉末，無臭，微帶安息香氣味，在酸性食品中可以部分轉(zhuǎn)化為有活性的苯甲酸，防腐機(jī)理同苯甲酸，被廣泛用作保鮮劑．有關(guān)研究[1]表明，一定濃度的苯甲酸鈉能促進(jìn)豌豆種子的萌發(fā)和幼苗根系生長，增強(qiáng)各種氧化酶活性及植物的抗逆性，從而促進(jìn)植物的生長發(fā)育．有關(guān)苯甲酸鈉對復(fù)合重金屬污染下小麥幼苗生理特性影響的研究報道很少．本實(shí)驗(yàn)主要研究苯甲酸鈉對復(fù)合重金屬污染下小麥幼苗生理指標(biāo)的影響，旨在探索防腐劑苯甲酸鈉是否能夠緩解復(fù)合重金屬對小麥造成的傷害，在生產(chǎn)應(yīng)用上為緩解或降低重金屬危害提供新方法．

1　材料與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

小麥(周麥18)．

1.2　試劑

氯化銅、乙酸鉛、氯化鎘等．

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1小麥種子的消毒及幼苗的培養(yǎng)

挑選無病變的小麥種子，用過氧化氫(3%)消毒 30 min，蒸餾水沖洗3次后，在室溫下用清水浸泡12 h，把處理好的種子均勻撒在8個大小一致均含有等量大田土壤的托盤中，每天用清水噴灑，待7 d左右長出5片真葉進(jìn)行各種處理．

1.3.2處理液的配制

配制氯化銅溶液(0.3 g/L)、乙酸鉛溶液(0.3 g/L)、氯化鎘溶液(0.3 g/L)、苯甲酸鈉溶液(2，4，6，8，10，12 g/L)．

1.3.3各種處理設(shè)置

將培養(yǎng)好的小麥幼苗分為6個處理組(復(fù)合重金屬+2 g/L苯甲酸鈉、復(fù)合重金屬+4 g/L苯甲酸鈉、復(fù)合重金屬+6 g/L苯甲酸鈉、復(fù)合重金屬+8 g/L苯甲酸鈉、復(fù)合重金屬+10 g/L苯甲酸鈉、復(fù)合重金屬+12 g/L苯甲酸鈉)和1個對照組(復(fù)合重金屬處理組)，每組設(shè)置3個重復(fù)．復(fù)合重金屬處理組每天噴灑一定量的復(fù)合重金屬溶液(3種重金屬溶液的配比為1∶1∶1)；復(fù)合重金屬+苯甲酸鈉處理組每天除了噴灑復(fù)合重金屬溶液外，還要噴灑不同濃度的苯甲酸鈉溶液．采用葉面噴灑法，每天上午9:00用復(fù)合重金屬溶液噴灑1次，下午19:00用苯甲酸鈉溶液噴灑1次，連續(xù)噴灑5 d．待處理結(jié)束后，將小麥幼苗恢復(fù)培養(yǎng)1 d后，分別取對照組和各處理組小麥幼苗葉片，測定葉綠素、游離脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、可溶性蛋白含量、根系活力以及POD活性，測定值用平均數(shù)表示．

1.3.4各項(xiàng)生理指標(biāo)測定

采用劉絢霞[2]的葉綠素含量測定方法，參考湯章城[3]的方法測定游離脯氨酸，參考劉萍[4]的方法測定丙二醛(MDA)，采用張志良[5-6]的方法測定可溶性糖、可溶性蛋白、POD活性，采用TTC法[7]測定根系活力．

2　結(jié)果與分析

2.1　各種處理下小麥幼苗葉片中葉綠素含量的變化

圖1A可以看出，處理組隨著苯甲酸鈉濃度的增加，復(fù)合重金屬污染下小麥幼苗葉片中葉綠素a含量，呈先上升后降低的趨勢．2 g/L的苯甲酸鈉處理比對照升高了 19.96%，4，6，8，10 g/L的苯甲酸鈉處理組與對照相比，葉綠素a分別升高了 34.8%，43.9%，59.17%，26.85%；苯甲酸鈉濃度>8 g/L時，隨著苯甲酸鈉濃度升高，葉綠素a含量逐漸下降，12 g/L的苯甲酸鈉處理組其葉綠素a含量低于對照組，僅為對照的94.2%．可見苯甲酸鈉濃度≤10 g/L能夠促進(jìn)葉綠素a的合成．這說明低濃度的苯甲酸鈉對復(fù)合重金屬污染下小麥生長發(fā)育有明顯的刺激作用，也說明低濃度的苯甲酸鈉能夠緩解復(fù)合重金屬對小麥的毒害作用．當(dāng)苯甲酸鈉濃度為8 g/L時，葉綠素a的含量達(dá)到了最高值，說明苯甲酸鈉濃度為8 g/L時對復(fù)合重金屬污染下小麥的緩解作用最好．從圖1B可以看出，處理組隨著苯甲酸鈉濃度的增加，復(fù)合重金屬污染下小麥幼苗葉片中葉綠素b含量，呈先上升后降低的趨勢．2 g/L的苯甲酸鈉處理組比對照組升高了11.3%，4，6，8，10 g/L的苯甲酸鈉處理組與對照組相比，葉綠素b分別升高了 17.42%，32.43%，46.53%，24.57%，苯甲酸鈉濃度>8 g/L時，隨著苯甲酸鈉濃度升高，葉綠素 b 含量逐漸下降．12 g/L的苯甲酸鈉處理組其葉綠素b含量低于對照組，下降3.9%．可見苯甲酸鈉濃度≤10 g/L能夠促進(jìn)葉綠素b的合成．這說明低濃度的苯甲酸鈉對復(fù)合重金屬污染下小麥生長發(fā)育有明顯的刺激作用，也說明低濃度的苯甲酸鈉能夠緩解復(fù)合重金屬對小麥的毒害作用．當(dāng)苯甲酸鈉濃度為8 g/L時，葉綠素b的含量達(dá)到了最高值，說明苯甲酸鈉濃度為8 g/L時對復(fù)合重金屬污染下小麥的緩解作用最好．當(dāng)苯甲酸鈉的濃度為12 g/L時，小麥幼苗葉片中葉綠素a和葉綠素b含量明顯下降，可能因?yàn)楸郊姿徕c濃度過高時，其中的鈉離子對小麥幼苗的生長造成了鹽脅迫，使得小麥幼苗葉片中葉綠素含量和光合速率下降[8]．

圖1A　不同處理對小麥幼苗葉綠素a含量的影響

圖1B　不同處理對小麥幼苗葉綠素b含量的影響

2.2　各種處理下小麥幼苗葉片中MDA含量的變化

圖2　不同處理對小麥幼苗葉片MDA含量的影響

通過圖2可以看出，未噴灑苯甲酸鈉溶液的復(fù)合重金屬處理組(對照組)，其小麥幼苗葉片中MDA含量最高，說明復(fù)合重金屬處理對小麥幼苗造成了較強(qiáng)的氧化損害．2，4，6，10 g/L的苯甲酸鈉處理組與對照組相比，丙二醛含量分別下降了10.57%，11.27%，15.42%，8.71%；8 g/L的苯甲酸鈉處理組與對照組相比，丙二醛含量下降明顯，為30.95%；這說明8 g/L的苯甲酸鈉能夠最大程度地緩解復(fù)合重金屬脅迫對小麥幼苗的毒害，12 g/L的苯甲酸鈉處理組與對照組相比，丙二醛含量上升了3.82%，說明12 g/L的苯甲酸鈉會加重小麥幼苗受到的傷害．

2.3　各種處理下小麥幼苗葉片中POD活性的變化

由圖3可知，噴灑苯甲酸鈉溶液的處理組與對照組相比，隨著苯甲酸鈉濃度的增加，小麥幼苗葉片中POD活性先增強(qiáng)后減弱．噴灑2 g/L的苯甲酸鈉溶液時，與對照組相比，小麥幼苗葉片中POD活性變化不明顯，增加了8.9%，噴灑6，8 g/L的苯甲酸鈉處理組與對照組相比，POD活性明顯增加，分別為33.1%，66.6%．這表明一定濃度的苯甲酸鈉能夠通過提高POD活性來緩解Cu+Pb+Cd對小麥幼苗造成的傷害．噴灑12 g/L的苯甲酸鈉處理組與對照組相比，POD活性下降了3.2%，可能是由于噴灑高濃度的苯甲酸鈉造成膜脂的過氧化作用，誘發(fā)膜損傷和酶結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致POD活性下降．

圖3　不同處理對小麥幼苗葉片POD活性的影響

2.4　各種處理下小麥幼苗葉片中可溶性糖含量的變化

圖4　各種處理對小麥幼苗葉片中可溶性糖含量的影響

從圖4可知，噴灑苯甲酸鈉溶液的處理組與對照組相比，可溶性糖含量先增加后減少．噴灑2，4，6，8，10，12 g/L的苯甲酸鈉后，與對照組相比，小麥幼苗葉片中可溶性糖含量分別變化了11.4%，25.1%，35.7%，59.3%，23.3%，-7.3%．苯甲酸鈉處理濃度為8 g/L時，可溶性糖含量明顯增加，苯甲酸鈉處理濃度為12 g/L時，可溶性糖含量反而降低．可能因?yàn)楦邼舛鹊谋郊姿徕c對小麥幼苗造成了鹽脅迫，不僅抑制糖的合成，而且加劇糖的降解，最終導(dǎo)致可溶性糖含量降低．

2.5　各種處理下小麥幼苗葉片中可溶性蛋白含量的變化

圖5　各種處理對小麥幼苗葉片中可溶性蛋白含量的影響

在參與和調(diào)節(jié)細(xì)胞新陳代謝的過程中，蛋白質(zhì)發(fā)揮著極其重要的作用，植物不同其所含蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量也不同．由圖5可知，未噴灑苯甲酸鈉溶液的復(fù)合重金屬處理組(對照組)，小麥幼苗葉片中可溶性蛋白含量最低．噴灑苯甲酸鈉溶液濃度為2，4，6，8，10，12 g/L時，與對照組相比，小麥幼苗葉片中可溶性糖含量分別增加了4.9%，11.5%，25.8%，27.4%，11.9%，66.9%．其中噴灑8 g/L的苯甲酸鈉溶液的處理組，小麥幼苗葉片中可溶性蛋白含量增加最顯著，同時這些數(shù)據(jù)證明了苯甲酸鈉能誘導(dǎo)植物體合成蛋白質(zhì)以抵抗不良環(huán)境．

2.6　各種處理下小麥幼苗葉片中游離脯氨酸含量的變化

脯氨酸是植物在逆境脅迫下積累的一種氨基酸．由圖6可知，未噴灑苯甲酸鈉溶液的復(fù)合重金屬處理組(對照組)，小麥幼苗葉片中游離脯氨酸含量最低．噴灑苯甲酸鈉溶液濃度分別為2，4，6，8，10，12 g/L時，與對照組相比，小麥幼苗葉片中游離脯氨酸含量分別增加了16.4%，25.0%，33.3%，53.7%，33.9%，13.7%，其中噴灑8 g/L的苯甲酸鈉溶液時，游離脯氨酸含量增加最明顯．這說明一定濃度苯甲酸鈉能夠緩解復(fù)合重金屬脅迫對小麥幼苗植株造成的傷害．

圖6　各種處理對小麥幼苗葉片游離脯氨酸含量的影響

2.7　各種處理下小麥幼苗根系活力的變化

圖7　各種處理對小麥幼苗根系活力的影響

TTC還原力反映細(xì)胞內(nèi)總脫氧酶活性，是代謝活力的重要指標(biāo)．由圖7可以看出，復(fù)合重金屬污染下小麥幼苗根系活力隨著苯甲酸鈉噴施濃度的增加，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢．苯甲酸鈉噴施濃度為8 g/L時，與對照組相比，小麥幼苗根系活力增加了357.1%，說明適宜濃度的苯甲酸鈉溶液處理能夠使小麥幼苗保持較高的根系吸收、運(yùn)輸?shù)墓δ埽郊姿徕c噴施濃度為12 g/L時，與對照組相比，小麥幼苗根系活力降低了13.3%，可能因?yàn)楸郊姿徕c濃度過高會使小麥根系受到損傷，導(dǎo)致根系活力下降．

3　結(jié)論與討論

3.1　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：在復(fù)合重金屬脅迫下，通過噴施2，4，6，8，10，12 g/L的外源苯甲酸鈉溶液，小麥幼苗葉片內(nèi)葉綠素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，POD活性和根系活力呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢，丙二醛含量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢．苯甲酸鈉噴施濃度為8 g/L時，葉綠素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量達(dá)到最大值，POD活性和根系活力表現(xiàn)最強(qiáng)，丙二醛含量降到最低．

3.2　討論

本實(shí)驗(yàn)處理小麥幼苗的復(fù)合重金屬包括Cu、Pb、Cd．銅是植物必需元素，它是多酚氧化酶等多種酶的活性成分，這些酶參與電子傳遞和氧化反應(yīng)[9-12]．銅的缺乏或過量都會對植物的生長產(chǎn)生毒害作用，嚴(yán)重時可導(dǎo)致植株死亡[13]．鎘是植物非必需元素，但是極易被植物吸收．過量的鎘對植物生長產(chǎn)生抑制作用，使細(xì)胞膜受到損傷，進(jìn)而使植株死亡[14]．鉛是植物的非必需元素，植物從環(huán)境中吸收過量鉛后，過量的鉛會破壞植物體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)的動態(tài)平衡，使酶變性、失活，進(jìn)而對植物生長發(fā)育產(chǎn)生毒害作用．有研究表明[15]，鉛可以影響植物根尖細(xì)胞的分裂，從而抑制根系生長，并使根的形狀發(fā)生改變，根變得更短和更粗，根尖圓鈍、膨大或畸形．鉛還可以減弱和阻礙作物吸收水分和無機(jī)鹽，繼而影響植物地上部分的生長，最終會導(dǎo)致減產(chǎn)[16]．

逆境脅迫下膜脂過氧化產(chǎn)物(MDA)含量增加，MDA的增加可能是蛋白質(zhì)在過氧化過程中被損害[17-18]．本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：噴灑濃度小于10 g/L的苯甲酸鈉溶液能夠緩解Cu+Pb+Cd對小麥幼苗細(xì)胞膜傷害．噴施高濃度苯甲酸鈉溶液則打破了細(xì)胞膜的電勢平衡，改變了細(xì)胞的質(zhì)膜透性，對維持小麥幼苗細(xì)胞膜的完整性起到負(fù)面效應(yīng)．

POD是一種氧化還原酶，廣泛分布于植物的葉綠體中，其主要功能是保護(hù)植物細(xì)胞防止活性氧傷害．本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，外施苯甲酸鈉溶液后，小麥幼苗葉片中POD活性明顯增強(qiáng)，這說明防腐劑苯甲酸鈉能夠通過提高小麥幼苗體內(nèi)POD活性來緩解Cu+Pb+Cd對小麥幼苗植株造成的傷害．

植物體未受到任何脅迫時脯氨酸含量低，在Cu+Pb+Cd脅迫下，細(xì)胞滲透壓發(fā)生轉(zhuǎn)變．外施苯甲酸鈉溶液能促進(jìn)小麥幼苗體內(nèi)游離脯氨酸的生成，游離脯氨酸增加，提高了小麥的滲透調(diào)節(jié)能力，降低了復(fù)合重金屬脅迫對小麥幼苗造成的傷害．這說明苯甲酸鈉能夠增強(qiáng)小麥對不良環(huán)境的抵抗力．

可溶性糖是植物生長發(fā)育的重要調(diào)節(jié)物質(zhì)，它不僅是營養(yǎng)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)物質(zhì)，而且參與植物的滲透調(diào)節(jié)．它作為信號物質(zhì)通過滲透調(diào)節(jié)來降低水勢，使其維持較高滲透壓，保證細(xì)胞的正常生理功能．本研究結(jié)果表明，外施適宜濃度的苯甲酸鈉溶液后，可溶性糖含量明顯增加，表明噴灑苯甲酸鈉溶液能緩解小麥由復(fù)合重金屬脅迫造成的生理代謝不平衡，細(xì)胞內(nèi)積累的大量的可溶性糖，能夠增強(qiáng)小麥對環(huán)境的適應(yīng)能力．

可溶性蛋白含量的高低可以評價植物抵御外界逆境脅迫能力．噴灑低濃度的苯甲酸鈉溶液，可以刺激植物機(jī)體合成蛋白質(zhì)以抵御不良環(huán)境；另外，噴灑高濃度的苯甲酸鈉溶液，復(fù)合重金屬脅迫下小麥幼苗中可溶性蛋白含量降低．可能是由于細(xì)胞內(nèi)水解酶高于合成酶，導(dǎo)致可溶性蛋白含量降低．

根系活力反映植株的生長能力．噴灑低濃度的苯甲酸鈉溶液，復(fù)合重金屬脅迫下小麥幼苗根系活力明顯增強(qiáng)，說明低濃度的苯甲酸鈉溶液能夠緩解復(fù)合重金屬對小麥的傷害，維持小麥根系吸收和運(yùn)輸功能．噴灑高濃度的苯甲酸鈉溶液，復(fù)合重金屬脅迫下小麥幼苗中根系活力下降，可能是由于高濃度的苯甲酸鈉溶液使根系受到損傷，導(dǎo)致根系活力下降．

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