Ｃｄ２＋脅迫對商麥１６１９幼苗光合生理和抗氧化酶活性的影響

吳秀寧　車麗平　張軍　趙永平

摘要：為研究Cd2+脅迫對小麥（Triticum aestivum L.）品種商麥1619幼苗光合生理特性的影響，同時以商麥1619和區(qū)域試驗對照品種小偃15為試驗材料，水培條件下測定2個品種在不同Cd2+濃度脅迫下葉綠素含量、光合生理參數(shù)和抗氧化酶活性的變化。結(jié)果表明，Cd2+脅迫后，2個小麥品種的葉綠素含量、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、過氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性均有不同程度的下降;商麥1619的過氧化氫酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量呈增加趨勢，而小偃15呈下降趨勢。相對而言，商麥1619的抗Cd2+脅迫能力弱于小偃15。

關(guān)鍵詞：小麥（Triticum aestivum L.）;Cd2+脅迫;商麥1619;光合生理;抗氧化酶活性

中圖分類號：S512.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）03-0029-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.03.006

Effects of Cd2+ stress on photosynthetic physiology and antioxidant

enzyme activities of Shangmai 1619 seedlings

WU Xiu-ninga，CHE Li-pingb，ZHANG Junb，ZHAO Yong-pingb

（a.College of Health Management;b.College of Biology Pharmacy and Food Engineering，Shangluo University，Shangluo 726000，Shaanxi，China）

Abstract： To explore the effects of Cd2+ stress on physiological characteristics of wheat（Triticum aestivum L.） variety Shangmai 1619 regional test control variety seedling， taking Shangmai 1619 and Xiaoyan 15 as tested materials， chlorophyll content， photosynthetic physiological parameters and antioxidant enzyme activities of wheat seeding under different Cd2+ stresses were determined under hydroponic conditions. The results showed that， after Cd2+ stress， chlorophyll content， net photosynthetic rate （Pn）， transpiration rate（Tr）， stomatal conductance（Gs）， intercellular CO2 concentration （Ci）， superoxide dismutase （SOD） activity and peroxidase（POD） activity of two wheat cultivars all decreased. Catalase（CAT） activity and malondialdehyde（MDA） content in Shangmai 1619 increased， while that of Xiaoyan 15 decreased. Comparatively speaking， Shangmai 1619 showed weaker resistance than Xiaoyan 15 under Cd2+ stress.

Key words： wheat（Triticum aestivum L.）; Cd2+ stress; Shangmai 1619; physiological characteristic; antioxidant enzyme activities

重金屬鎘（Cd2+）因其生態(tài)效應(yīng)的復(fù)雜性和對人類健康的嚴重危害，已成為全球關(guān)注的問題之一[1]。Cd2+具有較強的化學(xué)活性，與其他重金屬相比，更易被作物吸收向子粒轉(zhuǎn)移[2]。即使生長在非污染土壤上的小麥，子粒中Cd2+含量也在0.002～0.207 mg/kg[3]（世界衛(wèi)生組織建議Cd2+安全食用上限為0.1 mg/kg）。近年來，由于工業(yè)“三廢”的不合理處置及化肥的大量施用，導(dǎo)致農(nóng)田和作物的重金屬污染日趨嚴重[4]。據(jù)統(tǒng)計，中國農(nóng)田Cd2+污染面積高達1.33萬hm2，受污染糧食高達1 200萬t[5]。為此，篩選抗Cd2+的植物品種對于凈化Cd2+污染的土壤和食品安全具有重要意義。

苗期是小麥（Triticum aestivum L.）對外界環(huán)境因子最敏感的時期之一[6]。前人研究表明，Cd2+脅迫后，小麥光合生產(chǎn)能力下降，葉片氣孔阻力增加[7]，且影響過氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）等酶的活性[8]。商麥1619是商洛學(xué)院選育并于2014年通過陜西省品種審定委員會審定的小麥新品種。該品種具有穩(wěn)產(chǎn)、耐旱和適應(yīng)性廣特點。鑒于小麥抗Cd2+在品種間存在較大的差異[3]，本試驗以商麥1619幼苗為材料，考察Cd2+脅迫對小麥光合生產(chǎn)能力及抗氧化酶活性的變化，以期為商麥1619的進一步開發(fā)利用提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 材料

供試品種為商麥1619和小偃15。商麥1619目前在陜西省及周邊旱塬地有一定面積的推廣種植，小偃15為商洛市小麥區(qū)域試驗對照品種。種子均由商洛學(xué)院秦嶺植物良種繁育中心提供。

選取子粒飽滿、大小均勻的種子，15%的NaClO溶液殺菌5～10 min，去離子水沖洗3次，放置于培養(yǎng)皿中，加去離子水，室溫下浸泡24 h。將露白種子放入水培籃中，Hogland營養(yǎng)液培養(yǎng)至一葉一心時進行Cd2+脅迫處理，Cd2+脅迫溶液用Hogland營養(yǎng)液溶解CdCl2而成。設(shè)置4個CdCl2濃度水平，分別為0（CK）、40、80、120 mg/L。培養(yǎng)待用。

1.2? 測定指標

處理3 d后取小麥第一片葉進行指標測定。采用Li-6400光合儀（美國）測定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci），流速設(shè)定為500 μmol/s，光合輻射量為600 μmol/（m2·s），開放式氣路，CO2濃度約為350 μmol/L。葉綠素含量采用乙醇丙酮混合液法測定[9];SOD活性測定采用氮藍四唑（NBT）光還原法[9];POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[9];CAT活性測定采用紫外分光光度法[9];MDA含量測定采取硫代巴比妥酸顯色法。所有數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值。

1.3? 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理和作圖，利用SAS軟件進行顯著性檢驗。

2? 結(jié)果與分析

2.1? Cd2+脅迫對幼苗葉綠素含量的影響

由表1可得，2個供試品種葉綠素含量隨著Cd2+濃度增加呈下降趨勢。其中，在Cd2+濃度為80、120 mg/L時商麥1619中葉綠素含量與對照差異顯著，分別下降了48.15%和72.84%;小偃15中葉綠素含量在各Cd2+濃度下均顯著低于對照，分別降低了31.52%、48.91%和64.13%?？梢娭亟饘貱d對2個小麥品種幼苗已造成了不同程度的傷害。

2.2? Cd2+脅迫對幼苗光合作用指標的影響

由圖1可得，Cd2+脅迫后2個小麥品種凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）比對照均有不同程度的下降，且均達到顯著水平。

2.3? Cd2+脅迫對幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影響

由圖2A至圖2C可知，Cd2+脅迫后抗氧化酶活性在2個品種間變化趨勢不同。其中，兩品種葉片中SOD活性和POD活性隨Cd2+的加入均呈顯著下降趨勢。而CAT活性商麥1619隨Cd2+濃度增加先增加后降低，但均顯著高于對照，其中Cd2+濃度為40、80、120 mg/L處理分別比對照增加25.01%、34.91%和23.76%;小偃15的CAT活性則表現(xiàn)為下降趨勢，降幅依次為16.69%、36.33%和41.46%。

Cd2+脅迫后MDA含量在2個供試品種間變化規(guī)律不同（圖2D）。其中，Cd2+脅迫后商麥1619的MDA含量比對照顯著增加，濃度為40、80、120 mg/L時增幅分別為65.78%、108.39%和149.06%;小偃15的MDA含量則表現(xiàn)為下降趨勢，降幅依次為9.87%、41.65%和29.94%。

3? 討論

Cd2+脅迫后，原葉綠素酸酯還原酶和氨基-7-酮戊酸的合成受阻，導(dǎo)致葉綠素合成受阻，葉片葉綠素總量和葉綠素a/b下降[10]。本試驗中Cd2+脅迫后2個供試品種的葉片葉綠素含量均有不同程度的下降。另外，Cd2+能造成小麥葉綠體基粒減少、基粒分布不均和部分外圍雙層膜破裂等毒害作用[11]。在葉綠素含量下降和葉綠體結(jié)構(gòu)遭到破壞的雙重作用下，最終導(dǎo)致植物光合作用的進行。本試驗中2個小麥品種的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）在Cd2+脅迫后較對照呈下降趨勢，且下降幅度隨著脅迫強度的增加而增大。

逆境脅迫后植物體內(nèi)會積累活性氧自由基。同時植物體內(nèi)存在清除自由基和活性氧的酶類和非酶類物質(zhì)[12]。SOD、POD、CAT等被認為是清除活性氧過程中最主要的抗氧化酶類。本試驗中Cd2+脅迫后SOD活性和POD活性有較大程度的下降。類似研究結(jié)果在藍黑粒小麥中也有報道[13]?？梢奀d2+進入植物體內(nèi)后，結(jié)合功能蛋白，占據(jù)酶的活性中心，致使酶活性受到抑制[14]。當(dāng)活性氧的產(chǎn)生速率大于抗氧化酶的清除速率時，質(zhì)膜發(fā)生過氧化。本試驗中商麥1619的MDA含量在Cd2+脅迫后有不同程度的增加。這可能因其SOD和POD不能與CAT協(xié)同清除自由基，進而導(dǎo)致質(zhì)膜氧化產(chǎn)物積累所致。

綜上所述，Cd2+脅迫后，2個小麥品種的葉綠素含量、光合生產(chǎn)能力和抗氧化酶活性有不同程度的下降。相同Cd2+脅迫強度下，商麥1619的降幅相對較大，且MDA積累較多，表明其苗期的抗Cd2+脅迫能力弱于小偃15。

參考文獻：

[1] 張? 麗，趙忠濤，李祖祥，等.土壤中重金屬鎘污染對潤草1號生理生化指標的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，55（19）：4952-4955.

[2] GONZ？魣LEZ A，GIL-D？魱AZ M，LOBO M C. Response of two barley cultivars to increasing concentrations of cadmium or chromium in soil during the growing period[J].Biological trace element research，2015，163（1-2）：235-243.

[3] 程? 杰，高壓軍.鎘毒害對小麥生理生態(tài)效應(yīng)的研究進展[J].水土保持研究，2006，13（6）：218-221，227.

[4] 李惠英，田魁祥，趙欣勝.不同小麥品系耐鎘能力對比研究[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2001，17（4）：279-282.

[5] 李彥娥，趙秀蘭.植物鎘積累和耐性差異研究進展[J].微量元素與健康研究，2004，21（3）：53-56.

[6] SEREGIN I V，IVANOV V B. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants[J].Russian journal of plant physiology，2001，48（4）：523-544.

[7] 慈敦偉，姜? 東，戴廷波，等.鎘毒害對小麥幼苗光合及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊慬J].麥類作物學(xué)報，2005，25（5）：88-91.

[8] GE C L，DING Y，WANG Z G，et al. Responses of wheat seedlings to cadmium，mercury and trichlorobenzene stresses[J].Journal of environmental sciences，2009，21（6）：806-813.

[9] 中國科學(xué)院上海植物生理研究所，上海市植物生理學(xué)會.現(xiàn)代植物生理學(xué)實驗指南[M].北京：科學(xué)出版社，1999.123-124.

[10] K？譈PPER H，SPILLER M. Environmental relevance of heavy metal-substituted chlorophylls using the example of water plants[J].Journal of experimental botany，1996，47（295）：259-266.

[11] 楊其偉，郝泗城，孫建華，等.鎘對冬小麥葉細胞葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響[J].生物學(xué)雜志，1993，53（3）：17-18.

[12] 王樹剛，王振林，王? 平，等.不同小麥品種對低溫脅迫的反應(yīng)及抗凍性評價[J].生態(tài)學(xué)報，2011，31（4）：1064-1072.

[13] 張? 軍，王新軍，吳秀寧，等.鎘脅迫對蘭黑粒小麥幼苗葉片生理特性的影響[J].商洛學(xué)院學(xué)報，2016，30（2）：65-69.

[14] VAN A F，CLIJSTERS H. Effects of metal on enzyme activity in plants[J].Plant cell environment，1990，13：195-206.

收稿日期：2019-05-28

基金項目：商洛市科技創(chuàng)新團隊項目（SK2017-45）;商洛學(xué)院秦嶺植物良種繁育中心專項

作者簡介：吳秀寧（1987-），女，山東嘉祥人，講師，主要從事高產(chǎn)栽培與耕作模式優(yōu)化研究，（電話）15291670608（電子信箱）?wuxiuning1988@163.com。