Cu對離體穗培小麥干物質(zhì)積累及籽粒元素含量的影響

秦雪雪，朱 顏

(隴東學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

小麥?zhǔn)鞘澜缧缘募Z食作物，約占世界糧食總產(chǎn)量的四分之一。在我國，小麥?zhǔn)莾H次于水稻和玉米的第三大糧食作物，是人體微量元素的主要來源之一，提高小麥籽粒中微量元素含量具有重要意義。近年來陸續(xù)有一些相關(guān)的研究報(bào)道，比如通過育種、遺傳改良,或者水肥管理調(diào)控和使用微肥來影響小麥籽粒微量元素含量[1]，但其中的調(diào)控機(jī)制仍不完全清楚。由于大田條件下器官之間物質(zhì)、能量、信息流相互交錯(cuò)，在此環(huán)境中研究某一特定因素對作物微量元素含量的影響十分困難。離體穗培養(yǎng)技術(shù)很好地彌補(bǔ)了這個(gè)缺點(diǎn)，它可以人為控制源中同化的濃度，從而較為直觀和精確地檢測到庫的反應(yīng)[2]。

近年來，由于現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展帶來“三廢”的大量排放，以及農(nóng)藥化肥等農(nóng)用物資的過量輸入等不合理的人類活動(dòng)，農(nóng)田土壤遭受到不同程度的重金屬污染[3]。該污染以其難修復(fù)和危害大而成為現(xiàn)代環(huán)境問題研究的重點(diǎn)[4]。銅元素污染是其中重要的問題之一[5-7]。一方面，銅(Cu)自身就是高等植物生長發(fā)育過程中的一種重要微量元素，作為多種酶的組分之一，參與很多生理代謝過程，對作物的發(fā)育、品質(zhì)、產(chǎn)量等有重要影響[8]，但它有累積性，過量的Cu導(dǎo)致植物體內(nèi)的Cu毒害，也可能影響其他金屬元素在植物體內(nèi)的累積，阻礙植物的生長，降低植物的產(chǎn)量。此外，重金屬能夠在作物體內(nèi)富集，隨后進(jìn)入食物鏈，最終對人類健康構(gòu)成極大的威脅。另一方面，大多數(shù)研究都只關(guān)注特定金屬的濃度處理是否會(huì)影響植物對該金屬的吸收[9]，極少有研究關(guān)注一種金屬的濃度處理是否影響其他金屬元素的吸收和富集。

目前，我國Cu離子毒害的機(jī)理研究仍處于探索階段，很多機(jī)理仍然不清楚。為此，本研究采用離體穗培法，研究不同濃度的Cu處理對小麥不同時(shí)期干物質(zhì)積累量與籽粒中營養(yǎng)元素和重金屬元素含量的影響，并分析其相關(guān)性，以期為改善小麥微量營養(yǎng)品質(zhì)的農(nóng)業(yè)實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究所用的小麥品種為矮抗58，于2018—2019年在蘭州大學(xué)小麥試驗(yàn)田種植。在小麥抽穗期選取生長一致的植株及其同日開花的單莖掛牌標(biāo)記，于花后2d將標(biāo)記單莖從基部剪去，置于凈水中帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)備用。

1.2 離體穗培養(yǎng)處理

以上選取的單莖從倒二節(jié)間剪斷，去除倒二葉及其葉鞘，保留旗葉、旗葉鞘、穗下節(jié)、倒二節(jié)及完整的穗部。在超凈工作臺上將離體穗的下部依次用75%乙醇溶液、0.1%HgC12溶液表面消毒，經(jīng)滅菌水沖洗干凈，將離體穗插入裝有液體培養(yǎng)基的廣口培養(yǎng)瓶中，以醫(yī)用脫脂棉封口固定麥穗(液體培養(yǎng)基、培養(yǎng)瓶、醫(yī)用棉均經(jīng)高壓滅菌)。每瓶10穗，培養(yǎng)瓶置于1-2℃淺層冷水浴中，培養(yǎng)室光照16L：8D，培養(yǎng)液根據(jù)消耗情況及時(shí)進(jìn)行添加[10]。

培養(yǎng)液主要成分為MS(無機(jī)鹽)和B5(有機(jī)成分)。參照GB 15618-1995規(guī)定，重金屬Cu分別設(shè)0、5、15、30mg/L四個(gè)濃度，每個(gè)處理10次重復(fù)。

1.3 材料處理與含量測定

將離體穗中花后2d的籽粒和培養(yǎng)25d后的籽粒，從穎殼中分離，用去離子水反復(fù)清洗，烘干至恒重，粉碎。精確稱取適量樣品于石英消化杯中，加入HNO39mL，HClO43mL，置于微波消解爐中消化。消解程序?yàn)椋?50℃，15min，功率500W；200℃，20min，功率800W；100℃，10min，功率400W；冷卻后，樣品溶液轉(zhuǎn)移至10mL容量瓶，定容。

根據(jù)元素含量進(jìn)行不同級稀釋，使用電感耦合等離子體(美國PE公司)測定籽粒中P、K、Ca、Mg、B、Na、Fe、Mn、Zn等營養(yǎng)元素和Cr、Cd、Pb、Hg和Cu等五種重金屬的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 離體穗干物質(zhì)積累的動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 離體穗干物質(zhì)積累總量的動(dòng)態(tài)變化

用含不同濃度Cu的培養(yǎng)液培養(yǎng)小麥離體穗后，其干物質(zhì)積累量隨培養(yǎng)天數(shù)的增加而呈現(xiàn)出的變化規(guī)律存在處理間差異(表1)。在不含Cu的培養(yǎng)組中，總的離體穗干物質(zhì)積累量隨培養(yǎng)天數(shù)的遞增而增加，其特點(diǎn)是干物質(zhì)的總量雖然在增加，但增加的幅度卻很小，呈現(xiàn)出自然遞增的特點(diǎn)；在不同Cu濃度的培養(yǎng)組中，離體穗干物質(zhì)的總量隨培養(yǎng)天數(shù)的遞增在不同濃度處理之間表現(xiàn)出不同特點(diǎn)。對離體穗施以5mg/L的Cu處理，隨培養(yǎng)天數(shù)的增加，其干物質(zhì)量呈現(xiàn)先升高后降低再升高的變化趨勢；施以15mg/L的Cu處理，干物質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的增加趨勢；施以30mg/L的Cu處理，其干物質(zhì)量表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。

表1 小麥離體穗干物質(zhì)積累在不同濃度Cu培養(yǎng)下的動(dòng)態(tài)變化(單位：g/10桿)

結(jié)果表明：培養(yǎng)液中含Cu與不含Cu對小麥離體穗干物質(zhì)總量的積累具有不同的作用[11-12]；低濃度的Cu(5mg/L)能有效地促進(jìn)小麥離體穗干物質(zhì)總量的積累；而當(dāng)Cu的濃度超過5mg/L后，其促進(jìn)干物質(zhì)積累的作用越來越弱，甚至開始抑制干物質(zhì)的積累。以30mg/L的Cu處理培養(yǎng)穗，在培養(yǎng)到第12d干物質(zhì)還在緩慢遞增，到第17d干物質(zhì)積累量即開始降低，到第22d干物質(zhì)的積累已大幅度下降，說明Cu含量超過一定濃度會(huì)明顯抑制作物的生長。

2.1.2 離體穗各器官干物質(zhì)積累的動(dòng)態(tài)變化

除離體穗干物質(zhì)總量在不同濃度Cu培養(yǎng)條件下表現(xiàn)出不同特點(diǎn)外，離體穗不同器官干物質(zhì)積累表現(xiàn)出如下特點(diǎn)，離體穗籽粒干物質(zhì)的含量表現(xiàn)出與離體穗干物質(zhì)總量同步變化的趨勢，籽粒干物質(zhì)含量在離體穗干物質(zhì)總量中占有相當(dāng)大的比重，其含量遞增與遞減是導(dǎo)致離體穗干物質(zhì)總量變化的關(guān)鍵因子。各實(shí)驗(yàn)組籽粒干物質(zhì)的含量隨培養(yǎng)天數(shù)的遞增表現(xiàn)出增加的趨勢。當(dāng)以5mg/L的Cu處理培養(yǎng)穗時(shí)，籽粒干物質(zhì)含量在12～17d的培養(yǎng)過程中明顯增加。在高濃度Cu(15mg/L)培養(yǎng)條件下，籽粒干物質(zhì)的含量先增加后減少。結(jié)果說明：低濃度Cu促進(jìn)籽粒干物質(zhì)積累，高濃度Cu抑制籽粒干物質(zhì)積累。

離體穗穗下節(jié)、旗葉、葉鞘、穎殼、穗軸等器官干物質(zhì)積累的特點(diǎn)是：0～15mg/L Cu處理中，穗下節(jié)、旗葉、葉鞘中干物質(zhì)量隨培養(yǎng)天數(shù)的增加表現(xiàn)出先增加后減少再增加的趨勢，而穎殼、穗軸中干物質(zhì)量隨培養(yǎng)天數(shù)的增加表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢；30mg/L Cu處理中，各器官干物質(zhì)積累量均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于器官將形成干物質(zhì)的營養(yǎng)“流出”，同時(shí)，這種趨勢在不同濃度組之間無明顯差異，說明不同Cu濃度對穗下節(jié)等器官干物質(zhì)積累無明顯作用，其原因可能是這些器官并不是離體穗干物質(zhì)積累的最終場所，它們只起到“中轉(zhuǎn)站”的作用，籽粒才是干物質(zhì)積累的最終場所。

2.2 Cu對籽粒中營養(yǎng)元素含量的影響

為了探討Cu對籽粒中營養(yǎng)元素含量的影響，測定了不同Cu濃度處理下，籽粒中P、K、Ca、Mg、Fe、B、Na、Zn、Mn等9種營養(yǎng)元素的含量，結(jié)果見表2和圖1。由表2和圖1分析可知：不同濃度Cu對籽粒中營養(yǎng)元素積累有一定的影響。大多數(shù)營養(yǎng)元素以離子的形式被小麥吸收以后在體內(nèi)不斷積累，不同的金屬元素表現(xiàn)出多樣的變化趨勢。比較不同Cu濃度處理組會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同的營養(yǎng)元素在籽粒中的含量在不同Cu濃度處理中表現(xiàn)出不同的變化趨勢。隨Cu濃度增加，籽粒中P、K、Ca、Mg等營養(yǎng)元素呈現(xiàn)出增加的趨勢；Fe呈現(xiàn)出降低的趨勢；B只在最高的Cu濃度下含量才略微地下降；Na表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢；Zn和Mn則表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。這說明Cu濃度越低越有利于Fe元素在離體穗中的積累，Cu濃度越高越有利于P、K、Ca、Mg等元素在離體穗中的積累，而B、Na等營養(yǎng)元素則是15mg/L的Cu最能促進(jìn)其積累，超過或低于這個(gè)濃度的Cu對B、Na的積累均不如15mg/L作用明顯。另外，低濃度Cu(0～15mg/L)會(huì)抑制Zn和Mn的積累，尤其對Zn的抑制作用最為明顯。

表2 不同濃度處理后小麥籽粒中營養(yǎng)元素的含量(ug/g)

圖1 不同Cu濃度籽粒中營養(yǎng)元素的變動(dòng)趨勢(ug/g)

2.3 Cu對籽粒中重金屬元素含量的影響

同時(shí)測定了不同Cu濃度處理下，小麥籽粒中重金屬元素的含量，結(jié)果見表3、圖2。分析可知：

表3 籽粒中重金屬元素的含量(ug/g)

圖2 籽粒中重金屬元素的含量(ug/g)

Cu對籽粒中重金屬元素含量有一定的影響。比較不同Cu濃度處理組發(fā)現(xiàn)，籽粒中不同重金屬的含量在不同處理中表現(xiàn)出不同的變化趨勢。隨Cu濃度的增加，Cu含量迅速增加；Hg迅速減少；Cr基本保持穩(wěn)定；Cd和Pb則表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。結(jié)果表明：0～15mg/L的Cu濃度最有利于Cd和Pb元素在籽粒中的積累；而高濃度的Cu抑制Hg的積累，同時(shí)也對Cd和Pb在籽粒中的積累有抑制作用；Cr在籽粒中的積累則與Cu的濃度無直接關(guān)系；籽粒中Cu含量的迅速上升則是培養(yǎng)液中Cu濃度升高的直接原因，但Cu的濃度過高時(shí)，這種上升轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔荨?/p>

3 結(jié)論與討論

離體穗培養(yǎng)作為一種試驗(yàn)方法很早就被采用，該方法可以避免穗與其他器官的相互作用，同時(shí)在新的“源”(培養(yǎng)基)—“庫”(穗器官)系統(tǒng)中，“源”可以得到有效的控制，這對于研究營養(yǎng)物質(zhì)、激素和環(huán)境因子對穗粒發(fā)育的影響具有重要價(jià)值。許多學(xué)者利用穗培養(yǎng)方法研究了C和N的物質(zhì)供給對小麥籽粒生長的影響，取得了整株條件下難以取得的效果[13]。

本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：

(1)用含不同Cu濃度的培養(yǎng)液培養(yǎng)小麥離體穗后，小麥離體穗干物質(zhì)積累量隨培養(yǎng)天數(shù)的增加而呈現(xiàn)出的變化規(guī)律存在處理間差異。在不含Cu的培養(yǎng)組中，總的離體穗干物質(zhì)積累量隨培養(yǎng)天數(shù)的遞增先增加后減少。除離體穗干物質(zhì)總量在不同濃度Cu培養(yǎng)條件下表現(xiàn)出不同特點(diǎn)外，離體穗不同器官干物質(zhì)的積累也表現(xiàn)出一些特點(diǎn)，說明低濃度Cu促進(jìn)離體穗干物質(zhì)積累，而高濃度Cu抑制干物質(zhì)的積累。

(2)Cu對籽粒中營養(yǎng)元素積累有一定的影響。Cu濃度越低越有利于Fe元素在離體穗中的積累，Cu濃度越高越有利于P、K、Ca、Mg等元素在離體穗中的積累，而B、Na等營養(yǎng)元素則是15mg/L的Cu最能促進(jìn)其積累，超過或低于這個(gè)濃度的Cu對B、Na的積累均不如15mg/L作用明顯。另外，低濃度Cu(0～15mg/L)會(huì)抑制Zn和Mn的積累，尤其對Zn的抑制作用最為明顯[14]。

(3)Cu對籽粒中重金屬元素含量有一定的影響。0～15mg/L的Cu濃度最有利于Cd和Pb元素在籽粒中的積累；而高濃度的Cu抑制Hg的積累，同時(shí)也對Cd和Pb在籽粒中的積累有抑制作用；Cr在籽粒中的積累則與Cu的濃度無直接關(guān)系；籽粒中Cu含量的迅速上升則是培養(yǎng)液中Cu濃度升高的直接原因，但Cu的濃度過高時(shí)，這種上升轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?其作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。