復(fù)合重金屬脅迫對(duì)商麥生理特征的影響

李堆淑

(商洛學(xué)院 生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，生活垃圾、化肥、農(nóng)藥、制造業(yè)及采礦業(yè)的發(fā)展造成了土壤重金屬的污染[1]，小麥?zhǔn)俏覈饕Z食作物，土壤微環(huán)境的變化直接關(guān)系到小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。蘇德純等[2]研究了鎘對(duì)油菜生長的影響，李建鋼等[4]鎘脅迫對(duì)甜高粱種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，單一重金屬在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化及對(duì)作物生長的影響[3]。重金屬脅迫不僅影響植物的生長發(fā)育，而且影響植物生理特征[4]。由于土壤環(huán)境的組分較復(fù)雜，土壤環(huán)境被污染就會(huì)影響植物的正常生長[5]。適量的金屬離子可以促進(jìn)農(nóng)作物的生長[6]，但過量的金屬離子會(huì)降低種子的發(fā)芽率，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)，甚至大量的重金屬在植物體內(nèi)富集通過食物鏈也會(huì)給人體帶來傷害[7]。鑒于此，筆者用不同濃度的復(fù)合重金屬離子(Zn2+、Cu2+、Mn2+和Fe2+)脅迫商麥1619，研究商麥1619幼苗的過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶活性(CAT)及葉綠素、丙二醛(MDA)含量的變化。

1 材料與方法

1.1 材料

商麥1619種子：商洛學(xué)院生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 方法

1.2.1 金屬離子溶液的配制 準(zhǔn)確各稱取硫酸錳0.01、0.1、0.2，硫酸亞鐵0.01 g、0.05 g、0.1 g，硫酸鋅0.01 g、0.05 g、0.1 g，硫酸銅0.01 g、0.05 g、0.1 g，分別將稱取的四種金屬鹽的低、中、高質(zhì)量以蒸餾水溶解并混合定容1L，配成低濃度(≤10 mg·L-1)、中濃度、高濃度(≥100 mg·L-1)混合液，備用。

1.2.2 商麥幼苗的培養(yǎng)及脅迫處理 挑選籽粒飽滿、種皮光亮的商麥1619種子，先用1%次氯酸鈉消毒10 min，然后用蒸餾水沖洗3次，用濾紙吸干。再用蒸餾水浸泡24 h備用。將種子排放入培養(yǎng)皿進(jìn)行培養(yǎng)(25 ℃)，每天定時(shí)加入一定量的蒸餾水，待商麥幼苗培養(yǎng)到四葉一心時(shí)，分別對(duì)商麥1619幼苗進(jìn)行不同濃度重金屬離子溶液的脅迫處理[8～9]。蒸餾水為對(duì)照(CK)。每處理3次重復(fù)，處理后每天采樣測定相關(guān)生理指標(biāo)。

1.2.3 商麥幼苗生理指標(biāo)的測定 過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定[10]，過氧化物酶(POD)活性的測定參照高俊鳳方法[10]，葉綠素含量采用丙酮測定[10]，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸測定[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合重金屬離子脅迫對(duì)商麥幼苗過氧化氫酶活性的影響

過氧化氫酶(CAT)是一種抗氧化的酶，它能協(xié)同POD和SOD三者共同完成對(duì)植物體內(nèi)氧化物的清除，使植物體內(nèi)的自由基達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，維持植物體生理生化活動(dòng)的正常進(jìn)行，提高植物體對(duì)外界環(huán)境變化的抗逆性。由圖1可知，用低濃度復(fù)合金屬離子處理商麥1619幼苗的第1～3 d，商麥1619幼苗的CAT活性較對(duì)照(CK)有所提高，之后商麥1619幼苗的CAT活性接近CK。隨著復(fù)合重金屬離子濃度的升高，商麥1619幼苗的CAT活性顯著降低。說明低濃度的復(fù)合重金屬離子能促進(jìn)植物體的抗逆能力提高，而高濃度復(fù)合重金屬離子將會(huì)對(duì)植物體具有毒害作用。

圖1 復(fù)合金屬離子脅迫對(duì)商麥1619CAT活性的影響

2.2 復(fù)合重金屬離子脅迫對(duì)商麥幼苗過氧化物酶活性的影響

由圖2可知，用不同濃度復(fù)合金屬離子脅迫商麥1619幼苗，隨著復(fù)合金屬離子濃度的升高商麥1619幼苗的過氧化物酶活性(POD)也呈顯著的升高，但超過一定濃度商麥幼苗POD活性顯著低于CK，可見，用低濃度復(fù)合金屬離子處理商麥1619幼苗的第1～3 d，促進(jìn)商麥1619幼苗生長發(fā)育，當(dāng)濃度升高到一定值時(shí)，會(huì)對(duì)商麥1619幼苗造成不可逆的傷害，導(dǎo)致商麥1619幼苗的POD活性顯著下降，說明商麥1619幼苗對(duì)復(fù)合金屬離子的傷害有一定的抗性，但是有限的。過氧化物酶是大多數(shù)植物體內(nèi)都存在的酶類之一，它具有抗氧化作用，可以清除植物體內(nèi)多余的過氧化氫，保護(hù)生物膜活性，提高小麥的抗逆能力。

圖2 復(fù)合金屬離子脅迫對(duì)商麥POD活性的影響

2.3 復(fù)合重金屬離子脅迫對(duì)商麥幼苗葉綠素含量的影響

植物通過葉綠體進(jìn)行光合作用，葉綠體內(nèi)囊體膜上有葉綠素，它能將光能通過生理生化活動(dòng)轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，是植物體進(jìn)行正常的物質(zhì)代謝和能量代謝的基礎(chǔ)，對(duì)植物體的生長發(fā)育至關(guān)重要[12]。由圖3可知，用低濃度復(fù)合金屬離子處理商麥1619幼苗的第1～3 d，低濃度復(fù)合金屬離子能促進(jìn)商麥1619幼苗葉綠素的生成，隨后商麥1619幼苗葉綠素含量有所下降。中濃度和高濃度復(fù)合金屬離子會(huì)破壞商麥1619幼苗葉綠素的生成，葉綠素含量明顯降低，光合作用減弱。

圖3 復(fù)合金屬離子脅迫對(duì)商麥1619的葉綠素含量的影響

2.4 復(fù)合重金屬離子脅迫對(duì)商麥幼苗丙二醛含量的影響

MDA是脂膜過氧化作用的最終產(chǎn)物[13]，它的含量表征了生物膜系統(tǒng)的受損程度。由圖4可知，MDA含量會(huì)隨著復(fù)合金屬離子的濃度升高而升高。低濃度復(fù)合重金屬離子對(duì)商麥1619幼苗MDA含量的變化與對(duì)照(CK)相比相差不太顯著，中濃度和高濃度復(fù)合金屬離子對(duì)商麥1619幼苗MDA含量的變化顯著高于CK，說明高濃度復(fù)合金屬離子對(duì)商麥1619幼苗的細(xì)胞脂膜完整性受到破壞，細(xì)胞的通透性增加，有毒物質(zhì)可以自由出入細(xì)胞，導(dǎo)致商麥1619幼苗的生理生化反應(yīng)失調(diào)。

圖4 復(fù)合金屬離子脅迫對(duì)商麥1619MDA的影響

3 結(jié)論與討論

商麥1619幼苗體內(nèi)的POD、SOD、CAT等保護(hù)酶能夠共同協(xié)作完成逆境的脅迫，平衡植物體內(nèi)活性氧代謝系統(tǒng)，使活性氧自由基的代謝平衡，維持正常的生理變化，使商麥1619幼苗在一定程度上忍耐、抵抗逆境脅迫，減慢或延緩所受的傷害。本研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合重金屬脅迫下，商麥1619幼苗體內(nèi)的POD、CAT的活性，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在低濃度金屬離子脅迫下，處理后第第1～3 d，對(duì)商麥1619幼苗POD、CAT的活性有促進(jìn)作用，抵抗活性氧對(duì)植物的破壞，從而減弱了復(fù)合重金屬離子脅迫對(duì)商麥1619幼苗的傷害。在中度和重度復(fù)合重金屬離子脅迫下，商麥1619幼苗POD、CAT的活性受到了嚴(yán)重傷害，酶活力降低，雖然POD、CAT具有一定的抵抗性，但是有限的，商麥1619幼苗體內(nèi)的活性氧大量增加，使商麥1619幼苗正常生長發(fā)育受到影響。

在不同濃度復(fù)合重金屬離子脅迫下商麥1619幼苗葉綠素含量，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。用低濃度復(fù)合金屬離子處理商麥1619幼苗的第1～3 d，促進(jìn)了商麥1619幼苗生成葉綠素，從而增強(qiáng)了植物的代謝活動(dòng)；在中度和重度金屬離子的脅迫下，商麥1619幼苗葉綠素含量隨著濃度的增加而降低。可見高濃度重金屬離子被商麥1619幼苗吸收后，抑制了商麥1619幼苗酶的活性和阻礙了葉綠素的合成。

丙二醛的含量隨著復(fù)合重金屬離子濃度的升高而升高，表明了商麥1619幼苗受到復(fù)合重金屬離子脅迫造成的傷害也越重。丙二醛是脂膜過氧化的重要產(chǎn)物之一，其含量可用以表示膜脂在遭受外界條件脅迫時(shí)的破壞程度。MDA的積累受自動(dòng)氧化速率的影響，氧化速率越大，MDA含量積累越多，表明生物膜系統(tǒng)受到的破壞越大，植物的環(huán)境脅迫的保護(hù)能力越弱。