鎘對(duì)不同鎘積累類型小麥幼苗的影響

胡鐵柱， 馮素偉， 丁位華， 姜小苓， 于紅彩， 孫海燕， 楊 靖， 張自陽， 茹振鋼

(河南科技學(xué)院小麥中心/河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心，河南新鄉(xiāng) 453003)

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，重金屬已成為農(nóng)業(yè)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的重要污染物質(zhì)，我國環(huán)境重金屬污染事件頻繁發(fā)生，推測受重金屬污染的耕地面積超過2億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(jì)農(nóng)業(yè)損失至少200億元[1-3]。與土壤中的Cu、Zn、Al和Hg等金屬元素相比，Cd在土壤中具有較強(qiáng)的化學(xué)活性和很強(qiáng)的生物毒性，更易被植物吸收積累[4-9]，一方面當(dāng)植物體內(nèi)Cd累積達(dá)到一定程度時(shí)，直接或間接地?cái)_亂植物體的代謝，如改變超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等抗氧化物酶的活性，降低細(xì)胞對(duì)自由基及其產(chǎn)物的清除能力，導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受損，葉綠素含量低，阻礙光合作用，抑制植物生長，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植株死亡[10-11]。另一方面通過食物鏈富集對(duì)動(dòng)物和人體健康造成威脅，如20世紀(jì)60年代日本發(fā)生的骨痛病，便是由于食用被Cd污染的土壤生產(chǎn)的“鎘米”所致，因此，Cd一旦進(jìn)入環(huán)境，就會(huì)給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類健康帶來巨大的危害。因其化學(xué)行為和生態(tài)效應(yīng)的復(fù)雜性以及對(duì)人類健康和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重危害，自20世紀(jì)80年代末90年代初逐漸成為研究熱點(diǎn)[12-16]。

小麥(Triticumaestivum)是我國重要的糧食作物，Cd是小麥優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全生產(chǎn)的重要威脅。近年來，關(guān)于Cd對(duì)普通小麥影響的研究主要涉及小麥種子或幼苗期的生理變化以及成株期Cd在各器官中的積累分布情況[17-19]，小麥對(duì)Cd的富集能力和耐受性存在品種間差異[20-21]，而Cd對(duì)苗期小麥必需礦質(zhì)元素積累的影響尚未見報(bào)道。小麥幼苗是其成株期性狀表現(xiàn)的基礎(chǔ)，本研究以Cd高積累和低積累2種不同的小麥品種幼苗為材料，研究Cd對(duì)Ca、Fe、K和Mg積累、根系生長等的影響，為了解重金屬的毒性效應(yīng)以及解決礦質(zhì)營養(yǎng)利用和重金屬積累之間的矛盾提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為從252份材料中篩選的苗期Cd高積累小麥品種輝縣紅和低積累品種周麥28，由河南科技學(xué)院小麥中心提供。

1.2 小麥培養(yǎng)和Cd處理

將小麥種子用去離子水室溫發(fā)芽，1周后挑選長勢一致的幼苗移栽至裝有Hoagland’s營養(yǎng)液的塑料筐(29.2 cm×22.4 cm×8.9 cm)中，用打孔泡沫板固定幼苗。根據(jù)GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中為保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的二級(jí)土壤臨界值標(biāo)準(zhǔn)(Cd ≤0.3 mg/kg)，根據(jù)營養(yǎng)液添加不同量CdCl2·2.5H2O設(shè)置3種處理：處理0(Cd含量為 0)、處理Ⅰ(折合Cd含量為0.5 mg/L)、處理Ⅱ(折合Cd 含量為1.0 mg/L)。每處理48株，每2周換1次營養(yǎng)液。培養(yǎng)8周后進(jìn)行光合特性、酶活性、根系生長特性和元素含量測定。試驗(yàn)于2016年5月在河南科技學(xué)院小麥中心溫室進(jìn)行。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 光合作用 采用LI-6400XT測定功能葉凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等葉片光合作用特性。測定光為自然光，每處理每重復(fù)測定3張功能葉。各參數(shù)的意義及計(jì)算參照使用手冊。

1.3.2 POD、CAT活性和MDA含量測定 過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量用江蘇省蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒測定，取樣部位為幼苗葉片，測定方法按照試劑盒說明。

1.3.3 元素含量測定 取培養(yǎng)8周后的2種小麥品種植株，在烘箱70 ℃烘干至恒質(zhì)量，用1/1 000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混合液(V硝酸∶V高氯酸=3 ∶1)消解12 h；電熱板(不超170 ℃)上加熱約4 h，冷卻后用3%硝酸定容至25 mL，搖勻待用。用美國PE公司Optima 2100DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定Cd、Ca、Fe、K和Mg元素含量。

1.3.4 根系生長特性測定 將不同處理的小麥幼苗培養(yǎng)至3葉1心后，分別取長勢一致的小麥幼苗10株，并用Epson Perfection 4990 Photo掃描儀對(duì)幼根進(jìn)行掃描，用WinRHIZO Pro 2007d根系分析軟件分析總根長、平均根直徑、總根表面積和總根體積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013和SAS 8.01進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd對(duì)小麥幼苗光合參數(shù)的影響

Cd對(duì)輝縣紅和周麥28光合作用的影響不同。如表1所示，輝縣紅的4個(gè)光合參數(shù)隨Cd2+濃度增加呈降低趨勢，均在處理Ⅱ最低，與處理0相比凈光合速率降低59.22%；周麥28凈光合速率與輝縣紅變化相同，處理Ⅱ與處理0相比凈光合速率降低49.19%。結(jié)果表明，Cd對(duì)高積累和低積累小麥光合作用均有抑制作用，周麥28的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率在3種Cd2+濃度條件下變化不顯著，而胞間CO2濃度在處理Ⅱ最高，與輝縣紅相反。

表1 Cd對(duì)輝縣紅和周麥28幼苗光合參數(shù)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同品種不同處理間在0.05水平差異顯著。表3同。

2.2 Cd對(duì)小麥幼苗MDA含量、POD和CAT活性的影響

MDA作為植物體內(nèi)膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其含量水平通常可反映植株遭受氧化脅迫的程度[22]。由表2可知，輝縣紅幼苗葉片MDA含量隨培養(yǎng)液Cd2+濃度增加呈增加趨勢，處理Ⅰ高于處理0但未達(dá)到顯著水平，處理Ⅱ顯著高于處理Ⅰ，這表明處理Ⅱ中Cd已對(duì)輝縣紅幼苗葉片細(xì)胞膜造成了氧化傷害。周麥28幼苗葉片MDA含量在處理Ⅰ最大，處理0和處理Ⅱ差異不顯著，表現(xiàn)出適應(yīng)性。CAT作為植物應(yīng)答氧化脅迫反應(yīng)中重要的酶[23]，本研究2個(gè)品種CAT活性的變化與MDA一致。

表2 Cd對(duì)輝縣紅和周麥28幼苗POD活性、MDA含量和CAT活性的影響

POD是活性氧自由基清除系統(tǒng)中重要的保護(hù)酶，在受到環(huán)境脅迫時(shí)POD會(huì)發(fā)揮其重要的解毒功能，但當(dāng)植物細(xì)胞長時(shí)間處于脅迫狀態(tài)時(shí)，其活性會(huì)下降[24]。本研究中輝縣紅的POD活性隨Cd2+濃度增加呈降低趨勢，處理Ⅰ和處理Ⅱ差異不顯著；周麥28的POD活性隨Cd2+濃度增加而升高，兩者變化相反，說明這2種Cd積累類型品種的抗氧化系統(tǒng)有較大差異。

2.3 Cd對(duì)Ca、Fe、K和Mg元素積累的影響

如表3所示，在CdCl2·2.5H2O處理培養(yǎng)液中，輝縣紅中Ca、Fe和Mg的含量隨著Cd2+濃度的增加而增加，K含量則先升高后降低，處理Ⅰ、Ⅱ差異不顯著，但均高于處理0，Cd促進(jìn)了對(duì)這4種礦質(zhì)元素的吸收。周麥28中Cd對(duì)Ca、Fe、K和Mg元素積累的影響則較復(fù)雜：Ca含量在處理Ⅰ時(shí)最高，處理Ⅱ最低，表現(xiàn)低濃度促進(jìn)、高濃度抑制；Fe含量在處理Ⅰ時(shí)最低，處理Ⅱ最高，表現(xiàn)低濃度抑制、高濃度促進(jìn)；K和Mg含量在處理Ⅰ和處理Ⅱ中含量均低于處理 0，表現(xiàn)為抑制了對(duì)這2種元素的積累，但在處理Ⅱ中又高于處理Ⅰ，表現(xiàn)為低濃度抑制、高濃度促進(jìn)；與處理0相比，表現(xiàn)為促進(jìn)了Fe、抑制了K和Mg元素的積累。

表3 不同Cd處理下輝縣紅和周麥28中Ca、Fe、K和Mg元素含量

2.4 Cd 對(duì)小麥幼苗根系生長的影響

在不含Cd2+的培養(yǎng)液中，輝縣紅與周麥28的總根長、總表面積、平均根直徑和根體積差異不顯著，而在不同Cd2+濃度的培養(yǎng)液中，輝縣紅的總根長和總表面積均大于周麥28，而平均根直徑小于周麥28(表4)。Cd對(duì)輝縣紅的總根長影響不顯著，使總表面積、平均根直徑和根體積顯著降低，但處理Ⅰ和處理Ⅱ差異不顯著。Cd使周麥28的平均根直徑增加，在處理Ⅰ最大，使總根長、總表面積和根體積顯著降低(圖1)。

表4 不同Cd處理輝縣紅和周麥28幼苗根系生長比較

注：同品種不同處理數(shù)據(jù)后的不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

植物中礦質(zhì)元素的吸收和運(yùn)輸不是孤立的，往往彼此相互影響和相互作用[25]，由于化學(xué)性質(zhì)的相似性或者代謝途徑的關(guān)聯(lián)性，重金屬往往會(huì)影響植物對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收和利用[26-27]，因此，研究小麥中重金屬對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素間的相互作用有助于更深入地了解重金屬的毒性效應(yīng)，對(duì)于解決礦質(zhì)營養(yǎng)利用和重金屬積累之間的矛盾也有重要意義[28]。本研究中Cd對(duì)2種不同Cd積累類型小麥礦質(zhì)元素積累的影響差異較大。對(duì)于高積累小麥品種輝縣紅，其幼苗中Cd、Ca、Fe、K和Mg元素含量均隨著培養(yǎng)液Cd2+濃度的增加而增加，表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用。對(duì)于Cd低積累小麥品種周麥28，盡管其幼苗中的Cd隨著培養(yǎng)液Cd2+濃度的增加而增加，但Cd2+對(duì)Ca、Fe、K和Mg元素含量的影響比較復(fù)雜，既有抑制，也有促進(jìn)，又有低濃度抑制、高濃度促進(jìn)。意味著對(duì)于不同Cd積累類型的小麥，Cd2+對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素的供給水平影響不同，必須根據(jù)品種特性采取相應(yīng)措施，降低危害。對(duì)不同品種元素積累影響的不同也解釋了Cd污染條件下不同小麥品種表現(xiàn)型不同的原因。

Cd2+能使小麥幼根的長度變短，根質(zhì)量明顯下降，活力指數(shù)顯著降低。當(dāng)Cd2+濃度大于0.5 mmol/L時(shí)會(huì)引起小麥幼根根尖褐變，呈現(xiàn)中毒反應(yīng)[18]。本研究中除輝縣紅的總根長在3種Cd2+條件下變化差異不顯著、周麥28的平均直徑在處理Ⅱ最大外，總根長、總表面積、平均根直徑和根體積變化一般隨著Cd2+濃度增加呈下降趨勢，與前人研究一致。有意思的是，培養(yǎng)液未加Cd2+的條件下，輝縣紅與周麥28的4個(gè)參數(shù)差異均不顯著，在處理Ⅰ和處理Ⅱ中，輝縣紅的總根長和總表面積大于周麥28，而兩者的根體積差異均不顯著，這可能解釋了輝縣紅體內(nèi)Cd含量高于周麥28的原因，即在相同條件下總根長和總表面積是影響植株吸收Cd2+的主要因素。

Cd2+進(jìn)入植物體內(nèi)后可取代金屬蛋白中的Ca、Zn、Mg和Fe等必需元素，導(dǎo)致生物大分子構(gòu)象改變、酶活性受到抑制，干擾細(xì)胞的正常代謝過程[29]。Cd2+還可與酶中的半胱氨酸殘基(—SH)結(jié)合，從而抑制酶活性，甚至使酶蛋白變性，導(dǎo)致N代謝紊亂等。一般過高濃度的Cd2+會(huì)引起小麥MDA含量和細(xì)胞膜透性增加[18]，以及體內(nèi)活性氧自由基清除系統(tǒng)的功能降低。張利紅等用Hoagland’s培養(yǎng)液研究認(rèn)為，小麥幼苗POD活性隨Cd2+濃度的增加而增加，MDA含量也同樣呈上升趨勢[30]。魏學(xué)玲等用室內(nèi)Hoagland’s培養(yǎng)液研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度Cd(NO3)2處理均使小麥品種西旱2號(hào)和寧春4號(hào)幼苗CAT、POD、抗壞血酸過氧化物酶(APX)的活性和MDA含量不同程度高于未添加Cd(NO3)2的對(duì)照，MDA 含量變化與對(duì)照無顯著差異[31]。本研究中，Cd高積累品種輝縣紅幼苗葉片MDA含量隨培養(yǎng)液Cd2+濃度增加而增加，與前人研究結(jié)果一致。而Cd低積累品種周麥28幼苗葉片MDA含量表現(xiàn)為先增后減，在處理Ⅰ最大，處理0和處理Ⅱ差異不顯著，CAT活性在2個(gè)品種中的變化與MDA含量一致。Cd高積累品種輝縣紅POD活性隨Cd2+濃度增加而降低，處理Ⅰ和理Ⅱ差異不顯著，Cd低積累小麥品種周麥28的POD活性隨Cd2+濃度增加而升高，兩者變化相反，這可能因?yàn)椴煌z傳背景小麥品種的抗氧化系統(tǒng)有較大差異，對(duì)Cd的耐受性和適應(yīng)性也不同。

由于不同場地的污染源、土壤等的差別，土壤污染危害具有顯著的場地差別性特點(diǎn)。為了便于結(jié)果比較，試驗(yàn)采取營養(yǎng)液水培的方式以控制試驗(yàn)條件的一致性。另外，本研究僅分析了營養(yǎng)液條件下Cd對(duì)2個(gè)小麥品種4種礦質(zhì)元素積累的影響，在土壤中的情況則須要進(jìn)一步研究。

致謝：感謝河南科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心楊理博士在元素含量分析過程中給予的幫助。