不同品種冬小麥幼苗生長對鎘響應(yīng)的差異研究

張堃，許亞芳，劉紅恩，趙鵬，秦世玉

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/河南省土壤污染防控與修復(fù)重點(diǎn)實驗室，河南 鄭州 450002)

小麥為我國第二大糧食作物[1]，河南省種植面積大，對保障國家糧食安全有著重要意義。 由于新鄉(xiāng)等地抽檢出小麥籽粒鎘(Cd)含量超標(biāo)[2]，Cd 污染小麥問題日益引起人們的重視。Cd 是植物生長發(fā)育的非必需元素，在土壤中具有較強(qiáng)的化學(xué)活性和很強(qiáng)的生物毒性，易于被植物吸收積累，對植物生長發(fā)育造成傷害[3]。 因此了解作物對Cd 的響應(yīng)變化，對后續(xù)研究如何阻控作物吸收及積累Cd 提供理論基礎(chǔ)尤為重要。

農(nóng)田土壤中的Cd 易于被小麥根系吸收，并轉(zhuǎn)移至地上部進(jìn)入籽粒。 有研究表明，小麥籽粒鎘富集系數(shù)(均值0.237，n ＝641)高于水稻(均值0.145，n ＝331)[4]。 Cd 通過食物鏈進(jìn)入人體，增加人類健康風(fēng)險[5]。 Cd 對冬小麥的生長發(fā)育有一定的影響，可抑制種子萌發(fā)，減少小麥葉片數(shù)和葉面積，降低根莖長及植株生物量，降低小麥產(chǎn)量[6-10]。 目前，對Cd 脅迫下小麥幼苗的生理生化特性及生長已有大量研究，如Cd 脅迫顯著降低小麥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢，降低小麥幼苗葉綠素含量和抑制光合作用，SOD、POD 和CAT 活性均隨著Cd 濃度的增加先升高后降低，MDA 含量逐漸增加，小麥地上部和根系大部分的Cd 分布在細(xì)胞壁和細(xì)胞器中，而在可溶組分中的分布較少[11]。 Cd 脅迫能夠顯著降低根重、根長和根表面積，高水平下降幅較大，但根體積無顯著變化[12]。 Cd 對小麥的影響也因基因型的不同而有所差異。 輝縣紅和周麥28 小麥品種中鐵、鈣、鎂、鉀含量隨著培養(yǎng)液中Cd2＋濃度的增加而不同[13]。研究表明，30 個小麥品種在灌漿期株高、生物量均存在顯著差異，不同小麥品種之間各部位吸收、積累和轉(zhuǎn)運(yùn)Cd 的能力也存在明顯差異，其中淮麥23、冀麥738、寧麥17 具有最低的根-地上部轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，且這3 個品種籽粒Cd 含量均遠(yuǎn)低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg/kg)[14]。 Cd 脅迫下，對Cd 敏感型小麥品種(河農(nóng)6425)和耐Cd 型小麥品種(92R137)幼苗生長和生理特性的研究表明，92R137 幼苗長勢好，含水量、Cd 含量、Cd 轉(zhuǎn)移系數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)均高于河農(nóng)6425，根尖中Cd2＋含量低于后者[15]。 不同品種小麥對Cd 的響應(yīng)存在差異，我們前期研究發(fā)現(xiàn)0.5 μmol/L Cd 顯著降低百農(nóng)207 單株干物質(zhì)積累，而50 μmol/L 濃度Cd 對鄭麥379 的單株干物質(zhì)積累則無顯著影響[16，17]。

河南省是我國小麥的重要產(chǎn)區(qū)之一，工業(yè)化帶來的Cd 污染問題威脅著糧食生產(chǎn)安全，因此了解Cd 脅迫下冬小麥的生理生化變化及響應(yīng)具有重要意義。 本試驗以4 個不同基因型冬小麥品種為材料，研究不同濃度Cd 處理對冬小麥各項生長指標(biāo)的影響，以確定Cd 對小麥幼苗毒性的濃度閾值，為冬小麥對Cd 的耐受性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年9—10月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗室的光照培養(yǎng)室進(jìn)行。

供試4 個冬小麥品種分別為鄭麥379、平安8號、百農(nóng)207、矮抗58。

1.2 試驗設(shè)計

用2%H2O2溶液將小麥種子消毒10 min，去離子水洗凈，隨后室溫發(fā)芽。 在小麥長至兩葉一心期時挑選長勢均勻一致的幼苗移栽至裝有2 L營養(yǎng)液的2.5 L 塑料盒中，用打孔泡沫板固定幼苗。

營養(yǎng)液組分及濃度:4.0 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O、6 mmol/L KNO3、1 mmol/L NH4H2PO4、2 mmol/L MgSO4·7H2O、46.2 μmol/L H3BO3、9.1 μmol/L MnCl2·4H2O、0.3 μmol/L CuSO4·5H2O、0.8 μmol/L ZnSO4·7H2O、100 μmol/L FeNaEDTA 和0.2 μmol/L(NH4)6Mo7O24·4H2O。 所有試劑均為分析純，試驗用水均為去離子水。

1/2 濃度營養(yǎng)液培養(yǎng)3 天，然后全營養(yǎng)液培養(yǎng)。 全營養(yǎng)液培養(yǎng)第4 天進(jìn)行不同濃度Cd 處理，分別為0(Cd0)、0.2(Cd0.2)、0.4(Cd0.4)、0.8(Cd0.8)、1.6(Cd1.6)、3.2(Cd3.2)、6.4(Cd6.4)、12.8(Cd12.8)μmol/L 共8 個濃度梯度。 試驗采用完全隨機(jī)設(shè)計，每處理重復(fù)3 次，每5 天更換一次營養(yǎng)液。 試驗期間晝夜光照周期為16/8h，溫度為25/22℃。 在Cd 處理20 天后取樣，進(jìn)行各項指標(biāo)測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標(biāo)測定 植株收獲后，用刻度尺測量鮮樣株高(莖基部至幼苗頂端葉尖)和根長(幼苗莖基部到根尖)[18]。 將根系和地上部分開，根系用20 mmol/L Na2-EDTA 浸泡15 min，以除去表面吸附的Cd2＋[19]，然后用去離子水漂洗、瀝干后，和地上部分置于烘箱中105℃殺青30 min，70℃下烘干至恒重，然后用百分之一天平稱重，記錄地上部和根系干質(zhì)量。

1.3.2 根系參數(shù)測定 用根系掃描儀(WinRHIZO 2009，Canada)對根系進(jìn)行掃描，分析總根長、根平均直徑、根表面積、根體積和總根尖數(shù)。

1.3.3 光合參數(shù)測定 用Li-cor 6400 便攜式光合儀測定Cd 處理20 天小麥旗葉凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度，于上午9∶00—11∶00 進(jìn)行。

1.3.4 Cd 含量測定 參照Zhao 等[20]的方法。植株烘干樣品粉碎后用萬分之一天平分別稱取適量地上部和根干燥樣品于消煮管中，每管加入5 mL 混酸(HNO3∶HClO4＝4∶1)，用消煮爐進(jìn)行消煮，待樣品完全消化，且管中溶液剩余1 mL 左右時結(jié)束，冷卻后用體積分?jǐn)?shù)為0.5% 的HNO3定容到25 mL 容量瓶中，過濾，用火焰原子吸收分光光度計(ZEEnit 700，Analytik Je-na AG，德國)測定Cd 含量。

1.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析參照Deng[21]的方法，具體步驟如下:

(1)將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，除地上部Cd 含量和根Cd 含量值越小越好外，其他性狀值則越大越好:X′i(k)＝Xi(k)/X0(k)；其中i ＝0，1，2，…，m；k ＝1，2，…，n；i 為小麥品種數(shù)量，k為性狀數(shù)量；

(2)計算絕對值。 計算參考序列X0和比較序列Xi之間差的絕對值ΔX′i(k)＝｜X0(k)-Xi(k)｜；

(3)根據(jù)灰色系統(tǒng)理論和方法計算關(guān)聯(lián)系數(shù):

其中ρ 是分辨率，通常ρ ＝0.5[21]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2003 和DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析及相關(guān)性分析，采用LSD 法(P＜0.05)進(jìn)行顯著性檢驗，SigmaPlot 10 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cd 處理對小麥生長指標(biāo)的影響

地上部和根干質(zhì)量、株高和根長是衡量小麥幼苗生長狀況的重要指標(biāo)。 由圖1 可以看出，與Cd0相比，不同濃度Cd 處理均增加各品種小麥根系和地上部干物質(zhì)積累量，且在Cd6.4處理下達(dá)到最大值，矮抗58、鄭麥379、平安8 號、百農(nóng)207 地上部和根干質(zhì)量分別增加87.69%、52.60%、45.86%、67.63%和132.14%、67.57%、89.19%、63.16%。當(dāng)Cd 濃度大于6.4 μmol/L 時，小麥幼苗干質(zhì)量則逐漸降低，Cd12.8處理矮抗58、鄭麥379、平安8 號、百農(nóng)207 地上部和根干質(zhì)量較Cd6.4處理分別減少17.21%、12.77%、17.80%、19.31%和16.92%、6.45%、20.00%、6.45%。 這說明低濃度Cd 促進(jìn)冬小麥干物質(zhì)積累，且不同品種干物質(zhì)積累對Cd 的響應(yīng)不同，其中矮抗58 在低濃度時變幅最大，高濃度Cd 顯著抑制干物質(zhì)積累，平安8號在高濃度Cd 處理時變幅最大。

圖1 不同濃度Cd 處理下4 個冬小麥品種根系和地上部干質(zhì)量、根長和株高

根長隨著Cd 濃度增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，且在Cd1.6處理下達(dá)到最大值。 與Cd0相比，Cd1.6處理下矮抗58、鄭麥379、平安8 號、百農(nóng)207的根長分別增加29.88%、21.45%、11.31%和8.19%。小麥幼苗株高則隨著Cd 濃度的增加整體呈逐漸降低趨勢，與Cd0相比，Cd12.8處理下矮抗58、鄭麥379、平安8 號、百農(nóng)207 株高分別降低12.27%、14.51%、18.67%、15.49%。 這說明不同品種小麥根系和地上部生長對Cd 的響應(yīng)不同，低濃度Cd 可促進(jìn)根系生長，但抑制株高增長，Cd濃度為1.6～6.4 μmol/L 有效促進(jìn)小麥幼苗側(cè)根生長及地上部分蘗。 對不同濃度Cd 處理的4 個冬小麥品種干質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得出4 個二次函數(shù)圖像(圖2)，擬合達(dá)顯著或極顯著水平，其中鄭麥379和平安8 號的曲線擬合達(dá)極顯著水平。 根據(jù)擬合曲線求得矮抗58、鄭麥379、平安8 號和百農(nóng)207的干質(zhì)量達(dá)到最大值時Cd 處理濃度分別為7.31、7.87、7.28、7.43 μmol/L。

圖2 不同濃度Cd 處理下4 個冬小麥品種干質(zhì)量擬合曲線

2.2 不同濃度Cd 處理對小麥根系形態(tài)參數(shù)的影響

如表1 所示，從整體來看，隨著Cd 濃度增加，總根長、根平均直徑呈先升高后降低趨勢。 百農(nóng)207 和平安8 號在Cd 濃度1.6 μmol/L 時總根長達(dá)到最大值，而矮抗58 和鄭麥379 則在Cd 濃度0.8 μmol/L 時達(dá)到最大值。 與Cd0處理相比，矮抗58、鄭麥379、平安8 號和百農(nóng)207 達(dá)到峰值時總根長分別增加43. 33%、 7. 29%、 13. 29%、106.07%。

表1 不同濃度Cd 處理4 個冬小麥品種的根系形態(tài)參數(shù)

根平均直徑也有相同趨勢，鄭麥379 的根平均直徑在Cd 濃度12.8 μmol/L 時達(dá)到最大值，而另外3 個小麥品種則在Cd 濃度6.4 μmol/L 處理下達(dá)到最大值，矮抗58、鄭麥379、平安8號和百農(nóng)207 的根平均直徑最大值較Cd0分別增加47.51%、47.30%、35.19%、73.83%。

根表面積和根體積也出現(xiàn)相似的變化，除平安8 號在Cd 濃度0.8 μmol/L 時根表面積達(dá)到最大值外，另外3 個品種的根表面積都在Cd 濃度1.6 μmol/L 時達(dá)到最大值。 與Cd0相比，矮抗58、鄭麥379、平安8 號和百農(nóng)207 的根表面積和根體積達(dá)到峰值時分別增加58.98%、43.42%、24.83%、183.29%和96.16%、20.37、69.95%、292.64%。

根尖數(shù)則隨著Cd 濃度的增加呈逐漸減少趨勢，與Cd0相比，Cd12.8處理矮抗58、鄭麥379、平安8 號和百農(nóng)207 的根尖數(shù)分別減少42.94%、51.62%、46.00%、29.90%。

以上這說明小麥幼苗根系形態(tài)參數(shù)因基因型不同而存在差異，但總體而言，不同濃度Cd 處理下百農(nóng)207 的根系形態(tài)變化最大，而鄭麥379 和矮抗58 變化相對較小。

2.3 不同濃度Cd 處理對小麥光合參數(shù)的影響

由圖3 看出，隨著Cd 濃度增加，凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)均呈先升高后降低趨勢，且均在Cd 濃度1.6 μmol/L 時達(dá)到最大值，胞間CO2濃度則逐漸增加，與Cd0相比，矮抗58、鄭麥379、平安8 號和百農(nóng)207 的Pn、Tr、Gs 在峰值時分別增加96.37%、66.59%、121.42%、251.09%和33.55%、31.90%、42.54%、79.25% 和43.75%、62.95%、107.72%、156.09%。 從整體來看，在Cd 濃度0 ～1.6 μmol/L 范圍內(nèi)，百農(nóng)207 表現(xiàn)出更大的光合參數(shù)變化量，除凈光合速率外，鄭麥379 擁有最高的光合參數(shù)值。

圖3 不同濃度Cd 處理下4 個冬小麥品種的光合參數(shù)

2.4 不同濃度Cd 處理對小麥植株Cd 含量的影響

小麥幼苗地上部和根系Cd 含量隨著Cd 濃度的增加而顯著增加(圖4)。 Cd12.8處理下矮抗58、鄭麥379、平安8 號和百農(nóng)207 地上部Cd 含量分別是Cd0.2處理的9.73、6.79、8.93 倍和12.85倍。 根系中，Cd12.8處理下4 個品種的Cd 濃度分別是Cd0.2處理的19.11、13.56、11.82 倍和14.64倍。 這說明施Cd 可以顯著提高根系和地上部Cd含量，且根系具有更高的Cd 累積量。 不同濃度Cd 處理下，鄭麥379 和平安8 號Cd 累積變化更小。

圖4 不同濃度Cd 處理4 個冬小麥品種的地上部及根Cd 累積濃度

2.5 4 個小麥品種不同性狀的灰色關(guān)聯(lián)度分析

4 個小麥品種不同性狀的關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果如表2 所示。 關(guān)聯(lián)度值越大，說明小麥在Cd 處理下的生長表現(xiàn)越好。 小麥品種的優(yōu)劣順序依次為鄭麥379＞百農(nóng)207＞平安8 號＞矮抗58。

表2 4個冬小麥品種不同性狀的關(guān)聯(lián)度比較

3 討論

株高、根長及干物質(zhì)積累量是非生物脅迫下表征植物生長的重要指標(biāo)[22]。 一些研究發(fā)現(xiàn)小麥幼苗在Cd 脅迫下最直觀的表現(xiàn)是植株生長緩慢、發(fā)育遲緩、萎蔫枯黃，甚至死亡[23]。 另外也有研究表明，Cd 對植物具有刺激性和抑制性，其中刺激效應(yīng)可以加速植物的生長，低濃度Cd 可能通過影響植物激素等而調(diào)節(jié)小麥的生長[24]。 本試驗中，低濃度Cd 能夠增加小麥幼苗生物量，在高濃度Cd 脅迫下，小麥幼苗生物量則減少。 歐麗等[25]研究表明低濃度Cd2＋脅迫促進(jìn)野茼蒿種子萌發(fā)，高濃度Cd2＋脅迫顯著抑制其種子萌發(fā)。李朝陽等[26]研究認(rèn)為，低濃度(≤1 mg/L)Cd 對小麥幼苗芽長有促進(jìn)作用，高濃度(＞1 mg/L)Cd 抑制幼苗芽的伸長。 一些研究認(rèn)為，低濃度Cd 可以提高胚的生理活性[27]，促進(jìn)種子萌發(fā)和胚軸伸長，而高濃度Cd 抑制淀粉酶[28]、蛋白酶[27]活性，影響幼苗生長所需物質(zhì)和能量的供給[28]，從而抑制幼苗的生長。 本研究認(rèn)為，Cd 濃度在0 ～6.4 μmol/L 時，對小麥干物質(zhì)的積累有促進(jìn)作用，濃度為12.8 μmol/L 則產(chǎn)生相反的結(jié)果。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是低濃度Cd 毒性可以依靠小麥的自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)來緩解，而當(dāng)Cd 脅迫超過小麥的耐受能力時，就會抑制小麥的生長[29]，且小麥對Cd 脅迫的響應(yīng)差異可能因品種的不同或是添加Cd 處理的時期不同所致。

Cd 具有較強(qiáng)的潛在危害，在對作物不造成嚴(yán)重危害的情況下可使作物組織內(nèi)積累大量的Cd。研究表明，小麥組織Cd 含量會隨著Cd 濃度的增加而增加，且Cd 在小麥各部位的積累量表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞籽粒[30]。 本試驗中，不同濃度Cd 處理下，根中Cd 積累量均高于地上部。 隨著Cd 處理濃度的增加，小麥根長、總根長、根平均直徑、根表面積和根體積均呈現(xiàn)出先增加后減小趨勢。 根系長度受到抑制是Cd2＋脅迫下植物最早和最明顯的癥狀之一[31]，Cd2＋誘導(dǎo)下根長受抑制可能歸因于細(xì)胞骨架微管的解聚和染色體畸變的形成，進(jìn)而導(dǎo)致分生細(xì)胞有絲分裂活性的降低[32]。 Cd脅迫通過影響根細(xì)胞分裂，抑制根系的生長發(fā)育，導(dǎo)致根系體積和生物量降低[33]。 田小霞等[34]研究認(rèn)為，隨Cd2＋濃度增加，馬藺根長、根表面積和根體積均呈先升后降的變化趨勢。 何俊瑜等[35]研究表明，隨著Cd 脅迫濃度的增加，水稻總根長、根表面積、根體積均呈先升高后降低的趨勢。張玲等[36]對小麥的研究也有相似的結(jié)果。 這些結(jié)果都與本試驗結(jié)果相同。 說明重金屬脅迫下植物根系是最先感受到逆境脅迫的器官，可通過改變根長、根體積、根表面積和增強(qiáng)根系活力等適應(yīng)逆境脅迫[37]。

光合作用是作物干物質(zhì)積累的基礎(chǔ)，而過量的Cd 會干擾作物進(jìn)行光合作用[38]。 凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度是描述植物光合作用的重要參數(shù)。 氣孔是CO2和H2O分子進(jìn)出細(xì)胞的主要通道，其開放程度直接影響胞間CO2濃度和蒸騰速率，從而影響凈光合速率[39]。 唐星林等[40]的研究表明，龍葵葉片光合速率與生物量呈顯著相關(guān)關(guān)系。 本研究中，Cd 濃度為0～1.6 μmol/L 時，凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度與小麥幼苗生物量均呈正相關(guān)關(guān)系。 Farguhar 等[41]提出凈光合速率的變化可能由氣孔導(dǎo)度或葉肉導(dǎo)度所決定。 隨著Cd 濃度的增加，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度變化趨勢一致，其峰值都在Cd 濃度為1.6 μmol/L 時出現(xiàn)，而4 個小麥品種胞間CO2濃度的峰值出現(xiàn)在6.4 ～12.8 μmol/L 之間。 說明當(dāng)Cd濃度在1.6～6.4 μmol/L 之間時，凈光合速率的下降是由氣孔限制造成的，當(dāng)Cd 濃度≥6.4 μmol/L時，凈光合速率的下降可能是由于高濃度Cd 對氣孔造成損傷和葉肉細(xì)胞光合活性下降所致。

4 結(jié)論

冬小麥對Cd 的耐性因基因型不同存在差異。 Cd 濃度為0 ～0.8 μmol/L 時，矮抗58、鄭麥379、平安8 號和百農(nóng)207 幼苗生物量、根系形態(tài)指標(biāo)和光合參數(shù)的變化趨勢均隨著濃度的增加而增加，在6.4 ～12.8 μmol/L 之間均減少，在0.8 ～6.4 μmol/L 范圍內(nèi)則因小麥基因型的不同而有所差異，4 個小麥品種根系形態(tài)參數(shù)中的差異變化最明顯。 對4 個小麥品種植株干質(zhì)量進(jìn)行曲線擬合可知，Cd 閾值為鄭麥379(7.87 μmol/L)＞百農(nóng)207(7.43 μmol/L)＞矮抗58(7.31 μmol/L)＞平安8 號(7.28 μmol/L)。 一定濃度Cd 刺激可以促進(jìn)小麥幼苗生長，鄭麥379 的Cd 閾值最大，因此鄭麥379 相對于其他3 個小麥品種的耐Cd 效果更好。 灰色關(guān)聯(lián)度分析是對4 個小麥品種在Cd 處理下生長狀況的綜合評價，值越大，表明小麥品種的生長狀況越好。本研究表明4 個小麥品種的灰色關(guān)聯(lián)度分析值依次為鄭麥379(0.8150)＞百農(nóng)207(0.7738)＞平安8 號(0.7619)＞矮抗58(0.7515)。 綜上所述，鄭麥379在Cd 脅迫下的生長狀況最好，相對于其他3 個小麥品種其耐Cd 效果更好。