鎘脅迫對小麥生理特性的影響

劉 鳳，車廣波，楊春維，高秀紅，石淑云，聞 洋，米小娟

(吉林師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 四平 136000)

鎘(Cd)由于其移動性強(qiáng)、毒性高、難降解、污染面積大而成為最為關(guān)注的重金屬元素之一。在環(huán)保部2014年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中，土壤Cd 超標(biāo)率居無機(jī)污染物超標(biāo)率第一位[1-2]。Cd具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，比其它重金屬更容易進(jìn)入植物體內(nèi)，大量積累后會對植物體造成危害。研究表明，Cd對植物的毒害在形態(tài)上表現(xiàn)為莖、根生長緩慢，葉片泛黃，褶皺卷曲；生理生化上表現(xiàn)為光合作用和蒸騰作用受抑制、引起氧化脅迫和細(xì)胞膜損傷等。此外，研究還發(fā)現(xiàn)植物根系吸收的Cd最易向籽實(shí)中移動，導(dǎo)致植物產(chǎn)量減少，進(jìn)而進(jìn)入食物鏈而對人體健康構(gòu)成危害，如近年來時(shí)有發(fā)生的“鎘米”事件[3-6]。鎘積累會降低人體對鈣、磷的吸收，從而導(dǎo)致維生素D的代謝異常，進(jìn)而引起腎臟和骨的病變，如日本曾經(jīng)爆發(fā)的著名的“疼疼病”。人體攝入過量的鎘及其化合物會導(dǎo)致“三致效應(yīng)”。目前，Cd已被聯(lián)合國國際環(huán)境規(guī)劃署和國際勞動衛(wèi)生重金屬委員會列為首位研究的環(huán)境污染物，被世界衛(wèi)生組織認(rèn)定為優(yōu)先研究的食物污染物，美國農(nóng)業(yè)委員會也把Cd 列為當(dāng)前最重要的一種農(nóng)業(yè)環(huán)境污染物[7]。

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物，也是我國僅次于水稻的第二大糧食作物，其產(chǎn)量和品質(zhì)直接影響著人類膳食水平的提高。因此，研究Cd脅迫下小麥的生長及抗氧化酶變化規(guī)律，旨在為重金屬污染提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇大小一致、飽滿、健康的種子，1% H2O2消毒20min，再用蒸餾水洗凈殘余的消毒液，放于溫箱中催芽，選取大小一致、生長健壯的幼苗，用含鎘的Hoagland 培養(yǎng)液，置于全智能人工氣候室內(nèi)，培養(yǎng)參數(shù)為：光暗周期為12 h /12 h、有效光量子密度為270 μmol/m2/s，晝夜溫度(25±1) ℃、相對濕度(75±5) %，每個(gè)處理3次重復(fù)。每天調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH 值使之維持在5.5～6.0 范圍，更換營養(yǎng)液的周期為2天，7天處理后測各項(xiàng)指標(biāo)。加預(yù)冷的PBS 緩沖液(到放有0.5 g小麥組織的研缽中)，4℃冰浴研磨，低溫高速離心后取上清液做酶活性分析。可溶性蛋白含量，用考馬斯亮藍(lán)法測定；過氧化物酶活力用南京建成生物工程研究所提供的試劑盒測定。

1.2 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 軟件和SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用Origin 軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cd 脅迫下小麥生物量的變化

不同濃度 Cd 處理下小麥外觀指標(biāo)變化情況見圖1。試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組處理的株高、根長和鮮重均顯著低于對照(P<0.001)，且隨Cd2+濃度的升高，株高和鮮重漸次降低，Cd2+濃度越高抑制作用越明顯，0.05、0.1、0.2、0.3、0.5 mmol·L-1Cd2+處理的鮮重分別比對照組降低了26.61%、28.09%、31.31%、34.17%和44.96%，株高的變化趨勢與鮮重一致，抑制率分別為：16.46%、29.27%、36.59%、39.63%和51.83%.隨Cd2+濃度的升高，根長降低幅度較大，比對照組減少了57.94%、67.29%、66.36%、58.88%和65.42%，說明Cd2+對于根的毒性作用較強(qiáng)，根對于Cd2+污染脅迫響應(yīng)較敏感。

A:株高，B:根長，C:鮮重

2.2 可溶性蛋白含量

從圖2可以看出5種濃度鎘處理小麥的葉中可溶性蛋白含量變化總體趨勢為含量顯著性降低，濃度越高抑制作用越明顯，分別比空白組減少了4.72%、9.78%、24.62%、30.35%和38.28%(P<0.001)，其損傷程度基本與濃度相關(guān)，呈現(xiàn)明顯的劑量效應(yīng)關(guān)系。

圖2 不同濃度Cd處理下小麥可溶性蛋白含量

2.3 過氧化物酶(POD)活力

圖3 不同濃度Cd處理下小麥POD 活性

POD廣泛存在于植物體中，是抗氧化酶系統(tǒng)中活性較高的一種適應(yīng)性酶，廣泛參與到植物的光合作用、呼吸作用及生長素的氧化等過程中，其活性能有效的反映植物體內(nèi)的代謝狀況、生長發(fā)育的特點(diǎn)以及植物對外界環(huán)境的適應(yīng)性，并且POD能轉(zhuǎn)化雙氧水變成無害的氧氣和水，在逆境中被激活的程度最大、持續(xù)時(shí)間最長[3]?？寡趸到y(tǒng)清除過量的活性氧是植物體內(nèi)鎘解毒機(jī)理的一個(gè)重要部分。

不同濃度組的抗氧化酶POD活性變化見圖3。實(shí)驗(yàn)表明，POD活性相對于CK組均出現(xiàn)明顯變化，且為顯著性升高(P<0.001)，增加的幅度分別為：18.98%、15.83%、35.28%、49.07%和79.09%。本研究結(jié)果提示，抗氧化酶活性對于CK組均為顯著性升高，說明了目標(biāo)污染物含量增加，誘導(dǎo)了細(xì)胞內(nèi)解毒酶系統(tǒng)。這種發(fā)生在分子水平上的反應(yīng)相對于生物的生長或繁殖而言，要敏感的監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量的變化，并且更靈敏的指示污染物的生物毒性。

3 結(jié)論

隨Cd2+濃度的升高，株高、可溶性蛋白含量和鮮重漸次降低，損傷程度基本與濃度相關(guān)，呈現(xiàn)明顯的劑量效應(yīng)關(guān)系。根長降低幅度較大，根對于污染脅迫響應(yīng)較敏感。POD 活性顯著性升高，這是Cd2+脅迫下小麥的一種防御機(jī)制，在一定程度上減輕了小麥?zhǔn)艿降亩竞ψ饔谩?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]倪中應(yīng),謝國雄,章明奎.鎘污染農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2017,23(6):115-120.

[2]彭少邦,蔡 樂,李泗清.土壤鎘污染修復(fù)方法及生物修復(fù)研究進(jìn)展[J].環(huán)境與發(fā)展,2014,26(3):86-90.

[3]尹素真,李光德,劉明明,等.DBP和Cd復(fù)合污染對油菜的毒性作用研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2015,29(2):294-298.

[4]芮海云,沈振國,張芬琴.土壤鎘污染對箭箸豌豆生長、鎘積累和營養(yǎng)物質(zhì)吸收的影響[J].作物雜志,2017(6):104-108.

[5]肖春文,羅秀云,田 云,等.重金屬鎘污染生物修復(fù)的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程,2013,30(8):1-4.

[6]Bolan N S,Makino T,Kunhikrishnan A,et al.Cadmium contamination and its risk management in rice ecosystems[J].Advances in Agronomy,2013,119:183-273.

[7]胡博華,徐 劼,段德超,等.鎘脅迫下芹菜生理響應(yīng)的傅里葉變換紅外光譜研究[J].北方園藝,2015(15):11-16.