夜間增溫對小麥耐銅特性的影響

申志強(qiáng)　亓琳　李夢鴿　張文彥　向璐　朱超亞

摘要 ? ?為探明增溫處理對小麥（Triticum aestivum）耐銅特性的影響，本研究設(shè)置不同銅濃度（0、100、400、800 mg/kg）處理，通過土培盆栽試驗分析覆膜增溫對小麥生長、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性的影響。結(jié)果表明，銅處理顯著抑制了小麥生物量（P<0.05）;夜間增溫對小麥生物量沒有明顯的效應(yīng)（P>0.05），但在銅處理濃度逐漸升高的條件下顯著增加根的生物量（P<0.05）;夜間增溫在銅處理濃度逐步升高的條件下顯著抑制了小麥葉片SOD的活性（P<0.05）。以上結(jié)果表明，增溫作用增加了小麥的根生物量，但減弱了小麥的抗銅能力。本研究結(jié)果可為糧食安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 ? ?小麥;增溫;生物量;銅富集;抗氧化酶

中圖分類號 ? ?S512.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）13-0006-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Effect ?of ?Nighttime ?Warming ?on ?Copper ?Tolerance ?of ?Wheat

SHEN Zhi-qiang ? ?QI Lin * ? ?LI Meng-ge ? ?ZHANG Wen-yan ? ?XIANG Lu ? ?ZHU Chao-ya

（College of Agricultural，Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471023）

Abstract ? ?To find out the effect of nighttime warming on the copper tolerance of wheat，different concentrations of copper（0，100，400，800 mg/kg）was set，the effects of film mulching on wheat growth，malondialdehyde（MDA），superoxide dismutase（SOD）activity and peroxidase（POD）activity were analyzed by pot experiment in soil culture.The results showed that，copper treatment significantly inhibited wheat biomass（P<0.05）.The nighttime warming had no significant effect on wheat biomass（P>0.05），but significantly increased root biomass as copper concentration increasing（P<0.05）.The nighttime warming significantly inhibited the SOD activity of wheat leaves as copper concentration increasing（P<0.05）.These results indicated that the nighttime warming increased the root biomass and inhibited the copper tolerance of wheat.This study provides a theoretical basis for the food safety production.

Key words ? ?wheat;warming;biomass;copper enrichment;antioxidant enzyme

因溫室氣體濃度增加而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，全球氣候變暖已成為不可逆轉(zhuǎn)的事實，這無疑會使農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境發(fā)生一系列的變化，并將可能影響農(nóng)業(yè)種植決策、品種改良、農(nóng)業(yè)布局、土地利用等一系列問題[1]。氣候變化不僅影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也將影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)安全[2]。伴隨工業(yè)發(fā)展、城市污染的加劇和農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)的使用，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，并且土壤重金屬污染物在土壤中具有移動性差、滯留時間長、不能被微生物降解的特點，并可經(jīng)水、植物等介質(zhì)最終影響人類健康[3]。目前，我國被重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占總耕地面積的1/5，其中“三廢”污染耕地1 000萬hm2，被污水灌溉的農(nóng)田面積達(dá)到330萬hm2。我國平均每年因被重金屬污染而減產(chǎn)的糧食已經(jīng)超過1 000萬t。除此之外，被重金屬污染的糧食每年也多達(dá)1 200萬t，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失合計至少為200億元[4]。

重金屬銅（Cu）是植物生長發(fā)育必需的礦質(zhì)元素，參與植物重要的生物過程，比如光合作用、呼吸作用、氧化超氧化物清除和木質(zhì)化等。適量的銅對植物生長發(fā)育有益，但過量銅會對植物生長發(fā)育產(chǎn)生危害。植物體內(nèi)富集銅之后，多表現(xiàn)為受害癥狀，對植物體產(chǎn)生氧化脅迫，破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，干擾植物代謝，導(dǎo)致植物生長量減少、生長發(fā)育遲緩，甚至萎蔫和壞死等[5-7]。小麥形態(tài)上主要表現(xiàn)為根和幼苗等生長受到抑制，生理生化方面主要是葉綠素含量下降、光合作用降低、細(xì)胞膜受到嚴(yán)重?fù)p害等[8]。大量試驗證明，微量的銅能維持生物體內(nèi)電解質(zhì)平衡，但過量的銅具有一定的毒性，這種雙重作用顯示出了銅在生物學(xué)功能和效應(yīng)中的復(fù)雜性[9]。研究表明，小麥不同部位富集重金屬銅的能力存在差異，主要富集在根部[10]。重金屬銅對小麥的幼苗根系傷害較葉片大，會顯著降低小麥幼苗中葉綠素含量。在有氧呼吸和光合作用電子傳遞過程中，植物產(chǎn)生具有氧化性質(zhì)的超氧自由基，損傷細(xì)胞膜，破壞蛋白質(zhì)和核酸功能，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[11]。小麥根系超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等活性能夠反映植物在重金屬脅迫下的抗逆能力[12]。

近20年以來，國內(nèi)外一些學(xué)者研究了夜間增溫對小麥生長特征和生理特性的影響，夜間增溫顯著增加小麥產(chǎn)量卻顯著降低莖葉和地上部分總干重，鉛污染表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)且隨污染程度增加而加大[13]。然而，關(guān)于夜間增溫對小麥耐銅特性的影響尚未有明確一致的結(jié)論。因此，在“全球變暖”的背景下，研究增溫對小麥耐銅特性的影響，對于耐銅小麥的選育具有理論價值和現(xiàn)實意義。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗材料

小麥種子購于河南省洛陽市農(nóng)資市場。試驗用土采集于河南科技大學(xué)實驗農(nóng)場土壤表層土（0～20 cm），采用土壤農(nóng)化分析方法測定土壤的基本理化性質(zhì)[14]，土壤pH值8.05、有機(jī)質(zhì)含量為12.85 g/kg、全氮含量為0.96 g/kg、速效磷含量為12.52 mg/kg、速效鉀含量為155.13 mg/kg、銨態(tài)氮含量為2.01 mg/kg、陽離子交換量為19.23 cmol/kg。供試金屬是由CuSO4·5H2O提供的Cu2+。

1.2 ? ?試驗設(shè)計

1.2.1 ? ?植物培養(yǎng)。選擇籽粒大小一致、顆粒比較圓潤的小麥種子，經(jīng)0.2%次氯酸鈉表面消毒20 min后，用水浸種10 min，以殺滅種子表皮上的病菌，風(fēng)干，每盆選20粒種子種入花盆。長到20 d后，選擇性地剔除發(fā)育不好的小麥幼苗，每盆保留小麥12株。培養(yǎng)期間通過稱重法添加自來水，以保證必要的水分供應(yīng)。

1.2.2 ? ?銅處理。在小麥定株之后添加Cu溶液設(shè)置4個Cu2+濃度梯度，分別為0、100、400、800 mg/kg，其中以Cu2+濃度為0 mg/kg的土壤作對照組（CK1），各處理均設(shè)置4次重復(fù)。

1.2.3 ? ?夜間增溫。共設(shè)2個溫度處理，分別為增溫（W）、不增溫（CK2）。通過覆蓋塑料薄膜增溫的方式對試驗系統(tǒng)進(jìn)行增溫處置。整個小麥生長期內(nèi)，增溫區(qū)內(nèi)土壤增加溫度在0.5～1.5 ℃之間，整個生育期平均溫度較對照區(qū)增加約1.1 ℃。

1.3 ? ?測定指標(biāo)與方法

1.3.1 ? ?植物生物量的測定。待小麥乳熟期，分別取不同銅濃度處理的小麥整株幼苗，用直尺和根系掃描儀測量小麥幼苗植株的高度和根的長度;然后在試驗溫度為105 ℃的條件下殺青30 min，在試驗溫度為55 ℃條件下烘干至恒重。將烘干的植株分為根、莖、葉、穗和籽粒，分別稱取其干重。

1.3.2 ? ?抗氧化酶活性的測定。取新鮮小麥的葉片和根，測定其丙二醛含量和抗氧化酶活性。脂質(zhì)過氧化水平測定采用硫巴比妥酸（TBA）法，超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用光化學(xué)氮藍(lán)四唑（NBT）法，過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚法。

1.4 ? ?數(shù)據(jù)處理

通過單因素分析法對不同溫度與Cu污染因素的效應(yīng)進(jìn)行方差統(tǒng)計分析，處理之間差異的顯著性在P<0.05概率水平以最小顯著性差異（LSD）進(jìn)行判定;數(shù)據(jù)經(jīng)由SPSS軟件（version13.0;SPSS Institute Chicago，IL，USA）進(jìn)行統(tǒng)計。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?銅處理對小麥生長的影響

小麥的生物量隨著銅濃度的升高出現(xiàn)了先增加后降低的趨勢（圖1）。在高濃度銅處理（400、800 mg/kg）時，增溫處理的小麥根生物量顯著高于不增溫處理（P<0.05）。小麥葉片和地上生物量在各個處理中無顯著性差異。以不添加Cu（CK1）和不增溫（CK2）處理的植物性狀值為100%，小麥不同部位對金屬銅和增溫處理的響應(yīng)存在差異（表1）。在高濃度銅脅迫下，小麥的地上生物量、根生物量、株高和根長均低于100%，但增溫處理顯著增加了小麥生物量。低濃度銅對小麥生長具有促進(jìn)效應(yīng)，高濃度銅顯著抑制了小麥生長。

2.2 ? ?增溫和銅處理對小麥抗性的影響

SOD酶活性隨著銅處理濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢（圖2）。在無Cu添加（CK1）處理時，增溫顯著降低了超氧化物歧化酶（SOD）活性（P<0.05）。SOD酶活性在其他處理之間無顯著差異（P>0.05）。SOD酶活性在銅濃度100 mg/kg處理時達(dá)到最大。由表2可知，以不增溫（CK2）和無Cu添加（CK1）處理中的小麥性狀值為100%，增溫和Cu處理降低了丙二醛（MDA）的含量，都低于100%;在無Cu添加（CK1）處理中，增溫降低了SOD酶活性，生物響應(yīng)系數(shù)減少了23.02個百分點;增溫條件下，過氧化物酶（POD）活性在銅濃度0～400 mg/kg時低于100%，在銅濃度800 mg/kg時高于100%。

3 ? ?結(jié)論與討論

夜間增溫系統(tǒng)主要是通過截留地面夜晚長波輻射達(dá)到對土壤-植物系統(tǒng)溫度增加的目的。張明乾等[15]也觀測到夜間增溫能增加土壤溫度。在本研究中，增溫減輕了重金屬對小麥的毒性效應(yīng)，增加了小麥的生物量。生物量對評價生態(tài)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用，植物生物量是評價植物在逆境中受到的脅迫程度和植物抗逆能力的重要指標(biāo)[16]。有研究表明，氣溫升高會使植物的生長速率加快，增強(qiáng)植物的光合作用和水分利用率等，有利于干物質(zhì)的積累，土壤溫度升高會促進(jìn)微生物的分解進(jìn)程從而使植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收增強(qiáng)，導(dǎo)致生物量增加[17-18]。黃錦文等[19]研究表明，溫度的升高還增進(jìn)了植物體的新陳代謝和植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。溫度是影響小麥籽粒灌漿的主要因素之一，溫度不僅影響其灌漿強(qiáng)度，而且還影響其灌漿時間。有研究認(rèn)為，小麥籽粒灌漿期的長短主要決定于溫度，溫度升高可以加快灌漿進(jìn)程，縮短灌漿時間，并產(chǎn)生一系列負(fù)面影響，如造成粒重下降[20]。

由于植物在苗期對周圍的生態(tài)環(huán)境非常敏感，植物幼苗生長狀況可以反映植物對核素的耐受性[21]。當(dāng)銅處理濃度 <400 mg/kg時，小麥各部分性狀未出現(xiàn)生長抑制的癥狀，而在400 mg/kg時出現(xiàn)莖葉失綠等現(xiàn)象，且小麥的生物量在800 mg/kg時顯著下降。在銅濃度低于400 mg/kg時，增溫對小麥的生長無影響;在400、800 mg/kg時，與不增溫處理相比，顯著增加了小麥根的生物量，說明增溫在高濃度銅處理下促進(jìn)了小麥根的生長。植物根部是吸收礦質(zhì)離子（包括重金屬離子）和營養(yǎng)元素的主要器官，植物根部生物量的增加會增強(qiáng)植物吸收和轉(zhuǎn)移重金屬至地上部分的可能性。

小麥地上部、莖、葉中Cu含量在增溫與常溫環(huán)境中均隨著Cu污染加重而加增加。高濃度的銅導(dǎo)致活性氧在植物細(xì)胞內(nèi)累積，造成氧化損傷，加劇脂質(zhì)過氧化程度。植物葉片組織中的MDA含量用來衡量脂質(zhì)過氧化水平，脂質(zhì)過氧化會產(chǎn)生超氧負(fù)離子，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。本研究中，MDA含量隨著Cu濃度的增加出現(xiàn)了下降趨勢?！暗痛俑咭帧钡默F(xiàn)象在金屬離子致毒機(jī)制中普遍存在，研究表明，銅濃度越大，中毒癥狀越明顯，產(chǎn)量越低[22]。黃五星等[23]用銅脅迫植物商陸，研究其生理響應(yīng)與金屬積累特性，相關(guān)試驗中結(jié)果與此試驗相同。本研究中，小麥的地上部分和根部對金屬銅的響應(yīng)一致。當(dāng)銅處理濃度低于400 mg/kg時，對小麥的生長起促進(jìn)作用，且在100 mg/kg時小麥的生物量最高。在高濃度銅處理（800 mg/kg）時，銅離子促進(jìn)生長的作用減弱，且顯著低于對照，表明高濃度的銅對小麥生長產(chǎn)生抑制作用。

植物體內(nèi)的抗氧化體系在保護(hù)機(jī)體免受自由基損害的過程當(dāng)中起到重要作用。當(dāng)遭受重金屬傷害時，小麥啟動體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）來抵御重金屬傷害[24]。在本研究中，在銅處理情況下，增溫對SOD活性無明顯影響;而在無銅添加處理中，增溫顯著降低了SOD酶活性，說明增溫減弱了小麥的抗逆能力。

綜上所述，夜間增溫在高濃度Cu處理（400、800 mg/kg）顯著增加了小麥根生物量，抑制了小麥葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性。夜間增溫有可能增加小麥根部對Cu的吸收以及Cu由根部向地上部分轉(zhuǎn)移的能力，減弱小麥葉片對Cu的耐受能力。

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