不同磷效率小麥幼苗對鉛脅迫的響應(yīng)機(jī)制

孫齊狀，王龍*，馬彥芳，黃紹敏，劉紅恩，高巍，李暢，張雯雯，趙鵬*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450000；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州 450002；3.安陽市林木引種試驗(yàn)推廣中心，河南 安陽 455000）

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，大量污染物被排放到土壤中，導(dǎo)致土壤污染日益嚴(yán)重。據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，其中以無機(jī)（重金屬）污染類型為主。在眾多重金屬污染物中，鉛（Pb）以其毒性強(qiáng)、污染廣等特點(diǎn)，已成為我國土壤主要重金屬污染元素之一。Pb 進(jìn)入人體后，會(huì)對人體的大腦、肝臟和腎臟等器官產(chǎn)生不良影響，引起嬰幼兒注意力不集中、記憶力減退和體格生長緩慢等病癥。因此，Pb 污染已對我國農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展和居民的生命健康構(gòu)成了嚴(yán)峻威脅。

研究表明，施用含磷（P）物質(zhì)是修復(fù)和治理土壤Pb 污染經(jīng)濟(jì)有效的方法，這主要是由于磷酸鹽與Pb容易形成沉淀，使Pb 的移動(dòng)性顯著降低。該方法具有施工靈活、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)。CHEN 等通過10 a 的長期定位試驗(yàn)表明，施用磷肥能顯著降低小麥籽粒Zn、Cu、Pb、Ni 的含量和積累量，卻會(huì)增加Cd 和As 超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。趙慶圓等的研究表明，過磷酸鈣可以促進(jìn)Pb 向活性低的殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。FANG 等的研究表明，磷礦石尾礦、三重過磷酸鈣及其組合都能有效固定Pb，降低土壤Pb的遷移。然而，磷很容易被土壤膠體固定，從而導(dǎo)致磷的利用效率降低。為解決土壤缺磷問題，篩選和培育磷高效作物品種是目前解決植物需磷和土壤供磷不足這一矛盾的重要途徑。截至目前，已有許多磷高效植物種質(zhì)資源被相繼報(bào)道，如水稻、小麥、大豆、花生和油菜等。目前有關(guān)不同磷效率作物品種的研究主要圍繞磷高效利用的形態(tài)特征、生理特性和分子機(jī)制等展開，而對作物對Pb的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)特性以及耐受性和解毒機(jī)制還缺乏系統(tǒng)研究。

Pb 是植物生長的非必需微量元素，當(dāng)Pb 累積量超過一定限度時(shí)就會(huì)對植物產(chǎn)生毒害作用。為抵御Pb脅迫，植物已進(jìn)化出多種保護(hù)系統(tǒng)（包括酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)）來清除活性氧自由基（ROS）所帶來的氧化損傷，如酶促系統(tǒng)的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等，以及非酶促系統(tǒng)的脯氨酸、抗壞血酸（ASA）、谷胱甘肽（GSH）、酚類化合物等，這些保護(hù)系統(tǒng)在氧化應(yīng)激條件下對維持植物正常生長發(fā)育起重要作用。小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物，在保障國家糧食安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位，但小麥具有較強(qiáng)的Pb富集特性。因此，本研究以前期篩選的不同磷效率小麥品種為材料，采用水培試驗(yàn)，對Pb處理下的不同磷效率小麥幼苗Pb吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)特性、根系形態(tài)、抗氧化系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，以明確不同磷效率小麥品種對Pb 脅迫的響應(yīng)機(jī)制。研究結(jié)果對加快推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

所選用的小麥品種由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所提供，其中偃高21（YG21）為磷高效轉(zhuǎn)運(yùn)的小麥品種，鄭品麥8號(hào)（ZP8）為普通品種，西農(nóng)979（XN979）為磷低效轉(zhuǎn)運(yùn)品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選圓潤飽滿的小麥種子，先用5%次氯酸鈉溶液消毒15 min，再用去離子水反復(fù)沖洗后浸泡12 h。將種子在育苗盤網(wǎng)格上均勻鋪開，添加適量去離子水后，在28 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中黑暗催芽48 h。發(fā)芽后的種子放入人工氣候室進(jìn)行光照培養(yǎng)7 d，每隔12 h更換一次去離子水，以防止發(fā)霉腐爛。待幼苗長至二葉一心時(shí)，挑選長勢一致的健壯幼苗，用海綿固定，將其移栽到含有營養(yǎng)液[4.0 mmol·LCa（NO）·4HO、6.0 mmol·LKNO、1 mmol·LNaHPO、2.0 mmol·LMgSO·7HO、100 μmol·LEDTA-Fe、46.2 μmol·LHBO、9.1 μmol·LMnCl·4HO、0.3 μmol·LCuSO·5HO、0.8 μmol·LZnSO·7HO 和0.2 μmol·L（NH）MoO·2HO]的2 L 塑料水培盆（長22 cm×寬14 cm×高7 cm）中進(jìn)行不同濃度的Pb 處理。3 個(gè)不同的磷效率小麥品種均設(shè)置7 個(gè)Pb 濃度，包括0（CK）、0.05、0.10、0.50、1.00、2.50、5.00 mmol·L，Pb 以PbCl形式添加，其他元素與全營養(yǎng)液相同。用1 mol·LHCl 和1 mol·LNaOH 調(diào)節(jié)溶液的pH 為6，每個(gè)處理重復(fù)3 次。人工氣候室條件如下：空氣相對濕度保持在70%，溫度25 ℃，每天光照14 h，光強(qiáng)為400 μmol·m·s。從各處理加入后開始計(jì)時(shí)，每隔3 d更換一次營養(yǎng)液，培養(yǎng)14 d后收樣，進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)的測定。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 生物量測定

處理14 d 后收獲部分小麥幼苗，將樣品分為兩部分。一部分樣品將根部浸入交換液（0.5 mmol·LCaCl和2 mmol·L嗎啉乙磺酸）中浸泡30 min，然后用去離子水沖洗3～4 次，將根系和地上部進(jìn)行分離，分別裝入信封放入烘箱，在110 ℃下殺青15 min，75 ℃下烘干至恒質(zhì)量，用質(zhì)量法測定植物的干質(zhì)量。另一部分樣品采用相同的處理方式進(jìn)行清洗后，將根系和地上部分開，保存于-80 ℃超低溫冰箱，用于抗氧化酶活性等生理指標(biāo)的測定。

1.3.2 磷和Pb含量測定

將烘干至恒質(zhì)量后的根系和地上部樣品分別進(jìn)行粉碎和混勻，用于磷和Pb含量的測定。

磷含量測定時(shí)植物的消解方法參考鮑士旦的方法。準(zhǔn)確稱取0.20 g樣品放于100 mL消解管中，加濃硫酸2 mL 于馬弗爐中消解，待消解管冷卻后，用去離子水定容至100 mL，過濾后為待測液，采用磷鉬藍(lán)比色法測定磷元素的含量。

Pb 含量測定時(shí)植物的消解方法參照王龍等的方法。準(zhǔn)確稱取0.2 g 樣品放入聚四氟乙烯消解管，加7 mL 濃硝酸放置12 h 后用石墨消解儀進(jìn)行消解，具體消解過程如下：在110℃下先加熱2.5 h，隨后將消解管拿出，冷卻至室溫后加入2 mL HO（30%）再繼續(xù)加熱消解1.5 h，最后在190 ℃下趕酸至管內(nèi)液體約為1 mL 左右，冷卻至室溫后將消化液轉(zhuǎn)移到容量瓶，定容過濾后用原子吸收光譜儀（PinAAcle 900T，美國）測定Pb 含量。以國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（小麥粉標(biāo)樣，GBW08513）進(jìn)行質(zhì)量控制，誤差范圍在±5%。

1.3.3 生理指標(biāo)測定

取保存于-80 ℃超低溫冰箱的小麥葉片和根系，按照相應(yīng)試劑盒（南京建成生物工程研究所生產(chǎn)）的說明進(jìn)行嚴(yán)格操作，分別測定SOD、POD 和CAT 的活性及可溶性蛋白、MDA 的含量。按照王學(xué)奎的方法進(jìn)行細(xì)胞膜透性的測定，具體過程如下：分別稱取Pb 處理14 d 后新鮮小麥葉片和根系各0.20 g，將其置于裝有20 mL 去離子水的加蓋PVP 小瓶中，在25 ℃下振蕩（200 r·min）24 h 后測定瓶中液體的電導(dǎo)率（L），隨后在120 ℃下高壓滅菌30 min，并在25 ℃下平衡后再次測量其電導(dǎo)率（L），將細(xì)胞膜相對透性定義為L/L。葉綠素和類胡蘿卜素含量采用乙醇丙酮法測定。

1.3.4 根系形態(tài)

取Pb處理14 d的新鮮小麥幼苗6株，用吸水紙吸干根系表面水分，用EPSON全自動(dòng)掃描儀對根系樣品進(jìn)行掃描并獲取數(shù)字化圖像，隨后用WINRHIZO 分析系統(tǒng)（Regent 公司，加拿大）解析圖像，獲得小麥幼苗的根長、表面積、平均直徑和根尖數(shù)等形態(tài)參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

Pb轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植株地上部Pb含量（mg·kg）/植株根系Pb含量（mg·kg）

磷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植株地上部磷含量（mg·kg）/植株根系磷含量（mg·kg）

用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用DPS 軟件進(jìn)行雙因素方差分析（Two-way ANOVA），并用最小顯著差異法（LSD）對每一品種不同處理間的效應(yīng)進(jìn)行多重比較，相關(guān)性分析采用Pearson 相關(guān)系數(shù)，用Origin 2017 制圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同時(shí)采用字母標(biāo)注法表示顯著差異（＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb 處理對不同磷效率小麥幼苗地上部干質(zhì)量及光合色素含量的影響

地上部干質(zhì)量和光合色素含量能直觀反映出小麥幼苗的生長狀況。由圖1a 可知，不同磷效率小麥品種幼苗隨Pb濃度的升高逐漸出現(xiàn)萎蔫、卷曲、發(fā)黃和株高變矮等現(xiàn)象。隨Pb 濃度的升高，不同磷效率小麥品種幼苗地上部干質(zhì)量呈先升高后降低趨勢（圖1b），在Pb 濃度為0.05 mmol·L時(shí)達(dá)到最大值，較CK增幅分別為5.53%（YG21）、11.94%（ZP8）和6.53%（XN979），在高Pb 濃度（≥0.50 mmol·L）下地上部干質(zhì)量顯著降低（0.05），YG21 的平均降幅最小，為31.3%，XN979的平均降幅最大，為47.2%。品種和Pb處理對地上部干質(zhì)量的影響均呈極顯著水平（0.01），且Pb 處理對其影響更大。該結(jié)果說明在相同Pb 處理下，YG21 的干物質(zhì)積累量更多，對Pb 的耐性更強(qiáng)。不同磷效率小麥品種葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和葉綠體色素的含量與地上部干質(zhì)量具有相同的變化趨勢，即低Pb 濃度（＜0.10 mmol·L）對光合色素的合成有促進(jìn)作用，高Pb 濃度（≥0.50 mmol·L）抑制了光合色素的合成。在相同Pb 濃度處理下，葉綠素a和類胡蘿卜素在品種間差異顯著，不同Pb處理下YG21 的含量平均值分別是XN979 的1.27 倍和1.26 倍，而葉綠素b 和葉綠體色素含量在品種間差異不顯著（0.05）。

圖1 Pb處理對不同磷效率小麥幼苗地上部干質(zhì)量及光合色素含量的影響Figure 1 Effects of different Pb treatments on shoot dry weight and photosynthetic pigment concentration of wheat seedlings with different phosphorus efficiencies

2.2 Pb 處理對不同磷效率小麥幼苗根系干質(zhì)量及根系形態(tài)特征的影響

由圖2 可知，隨著Pb 濃度的增加，不同磷效率小麥品種幼苗根系干質(zhì)量、根長、表面積和根尖數(shù)均呈先升高后降低趨勢，在Pb 濃度為0.05 mmol·L時(shí)達(dá)最大。與CK 相比，當(dāng)Pb 濃度≥0.50 mmol·L時(shí)，不同磷效率小麥品種根系干質(zhì)量、根長、表面積和根尖數(shù)均顯著降低（0.05），不同Pb 處理下其平均降幅分別為29.43%、49.51%、34.26%和24.56%。雙因素方差分析表明，品種和Pb 處理對根系干質(zhì)量、根長、表面積和根尖數(shù)均具有顯著影響（0.05），且Pb 處理的效應(yīng)較強(qiáng)。比較不同磷效率品種發(fā)現(xiàn)，不同Pb 處理下YG21 的平均根長和表面積最大（分別為1 072 cm 和98.2 cm），XN979 品種的最?。ǚ謩e為982 cm、80.9 cm）；而根尖數(shù)恰好相反，YG21 的最?。? 471），XN979 品種的最大（1 856）。與上述指標(biāo)不同，根系直徑隨Pb 濃度增加而逐漸加大（圖2f），尤其在高Pb濃度（≥0.50 mmol·L）時(shí)顯著增加（0.05），不同Pb處理下YG21 的平均增幅為24.3%，顯著高于ZP8（22.4%）和XN979（19.4%）。

圖2 Pb處理對不同磷效率小麥幼苗根系干質(zhì)量及根系形態(tài)的影響Figure 2 Effects of different Pb treatments on root dry weight and root morphology of wheat seedlings with different phosphorus efficiencies

2.3 Pb處理對不同磷效率小麥幼苗Pb、磷含量的影響

不同磷效率小麥品種幼苗地上部和根系的Pb、磷含量及其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)如圖3 所示，隨著Pb 濃度的升高，不同磷效率小麥品種地上部和根系的Pb 含量均呈顯著增加趨勢（0.05），且不同Pb 處理下平均根系Pb 含量顯著高于地上部，分別是地上部的7.7（YG21）、15.2 倍（ZP8）和38.8 倍（XN979）。雙因素方差分析表明，品種和Pb 處理及其交互作用均對根系（除交互作用）和地上部Pb 含量具有極顯著影響（0.01），且Pb 處理的效應(yīng)更大。不同Pb 處理下XN979的根系平均Pb 含量是YG21 的2.04 倍，YG21 地上部平均Pb 含量是XN979 的2.48 倍。從Pb 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可知（圖3e），隨著Pb 濃度的升高，Pb 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈升高-降低-升高趨勢，YG21 和ZP8 的Pb 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在Pb 濃度＜0.10 mmol·L和≥0.50 mmol·L時(shí)逐漸升高，而XN979 在Pb 濃度為≤0.05 mmol·L和≥0.50 mmol·L時(shí)逐漸升高，且不同Pb 處理下YG21 的平均Pb 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是XN979的3.58倍。該結(jié)果說明XN979對Pb吸收量多（根系含量高），但轉(zhuǎn)運(yùn)量少（轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小），而YG21對Pb吸收量相對較少，但轉(zhuǎn)運(yùn)量相對較多。

同樣地，Pb 脅迫也會(huì)影響不同磷效率小麥品種對磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。從圖3b 可知，隨著Pb 濃度升高，不同磷效率小麥地上部磷含量均呈先快速降低后逐漸降低趨勢，當(dāng)Pb 濃度≥0.50 mmol·L時(shí)地上部磷含量顯著降低（＜0.05），與CK 相比，其平均降幅為38.58%～53.29%。與地上部不同，不同磷效率小麥幼苗根系磷含量隨Pb濃度升高呈先升高后降低的趨勢（圖3d），在Pb 濃度為0.50 mmol·L時(shí)有最大值。雙因素方差分析表明，品種和Pb 處理對根系和地上部磷含量均具有極顯著影響（＜0.01）。不同磷效率小麥磷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨Pb濃度升高均表現(xiàn)為先快速降低后略有升高的趨勢（圖3f），在品種及Pb 處理間均有極顯著差異（0.01）。不同Pb 處理下XN979 根系平均磷含量顯著高于YG21，地上部平均磷含量卻顯著低于YG21 品種，導(dǎo)致其磷平均轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（0.49）顯著低于YG21（0.93）。該結(jié)果說明Pb 脅迫（≥0.50 mmol·L）對小麥幼苗根系磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)均產(chǎn)生抑制作用，并且YG21 對磷吸收量少，轉(zhuǎn)運(yùn)量大，而XN979 對磷吸收量多，轉(zhuǎn)運(yùn)量少。

圖3 Pb處理對不同磷效率小麥幼苗Pb和磷含量及其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響Figure 3 Effects of different Pb treatments on the Pb and P content and its transport coefficients of wheat seedlings with different phosphorus efficiencies

2.4 Pb 處理對不同磷效率小麥幼苗根系和地上部MDA含量和細(xì)胞膜相對透性的影響

由圖4 可知，不同磷效率小麥品種幼苗葉片和根系的MDA 含量隨Pb 濃度的升高均呈先降低后升高趨勢，在Pb 濃度為0.10 mmol·L時(shí)含量最低；當(dāng)Pb濃度≥0.50 mmol·L時(shí)，根系和葉片的MDA 含量顯著高于CK（0.05）。不同Pb 處理下XN979 葉片和根系的平均MDA 含量最高，分別為5.42、14.2 nmol·mg，YG21 葉片和根系的平均MDA 含量最小，分別為3.32、9.34 nmol·mg。雙因素方差分析表明，品種和Pb 處理均對葉片和根系的MDA 含量有極顯著影響（0.01），品種的效應(yīng)更大。

圖4 Pb處理對不同磷效率小麥幼苗根系和地上部MDA含量及細(xì)胞膜相對透性的影響Figure 4 Effects of different Pb treatments on MDA concentration and relative permeability of cell membrane in roots and shoots of wheat seedlings with different phosphorus efficiencies

隨著Pb 濃度升高，細(xì)胞膜相對透性呈先升高后降低趨勢，在Pb 濃度為0.10 mmol·L時(shí)，葉片和根系的細(xì)胞膜相對透性最大，當(dāng)Pb 濃度＞0.10 mmol·L時(shí)，由于細(xì)胞膜褶皺收縮，電解質(zhì)、可溶性有機(jī)物等內(nèi)溶物的濃度升高，細(xì)胞膜的透過性逐漸降低。不同Pb 處理下YG21 葉片和根系的平均細(xì)胞膜相對透性分別是XN979的1.01倍和1.03倍。品種和Pb處理對根系的細(xì)胞膜相對透性有顯著影響（0.05），對葉片細(xì)胞膜相對透性無顯著差異。

2.5 Pb 處理對不同磷效率小麥幼苗根系和葉片抗氧化酶活性及可溶性蛋白含量的影響

隨著Pb 濃度的升高，不同磷效率小麥幼苗地上部和根系的SOD、POD、CAT 活性均逐漸升高（圖5），且不同Pb 處理下根系SOD、POD 和CAT 平均活性分別是地上部的2.84、1.81 倍和1.44 倍。與CK 相比，在低Pb 濃度（＜0.10 mmol·L）下，根系和葉片的SOD、POD、CAT 活性差異不顯著（0.05），在高Pb 濃度（≥0.50 mmol·L）下，其活性與CK 相比顯著增加（0.05）。不同Pb 處理下YG21 根系的SOD、POD、CAT 平均活性分別是葉片的4.08、2.19 倍和1.74 倍，XN979 根系的SOD、POD、CAT 活性分別是葉片的2.21、1.57倍、1.35倍。品種和Pb處理對地上部和根系的SOD、POD、CAT 活性均具有極顯著影響（0.01），且品種效應(yīng)的影響更大。比較不同磷效率品種發(fā)現(xiàn)XN979 的SOD、POD、CAT 活性均最大，YG21 的最小，說明XN979 對Pb 脅 迫 較為敏感，YG21 對Pb 脅迫的耐性較強(qiáng)。

圖5 Pb處理對不同磷效率小麥幼苗根系和葉片的SOD、POD和CAT活性及可溶性蛋白含量的影響Figure 5 Effects of different Pb treatments on SOD、POD、CAT activities and soluble protein contents in roots and shoots of wheat seedlings with different phosphorus efficiencies

隨Pb 濃度的升高，不同磷效率小麥品種地上部和根系的可溶性蛋白含量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，當(dāng)Pb 濃度為0.10 mmol·L時(shí)，其含量最高。不同Pb 處理下，不同磷效率小麥地上部的可溶性蛋白平均含量是根系的2.07 倍，品種和Pb 處理對地上部和根系的可溶性蛋白含量均有極顯著影響（0.01）。比較不同磷效率品種發(fā)現(xiàn)，不同Pb 處理下，YG21 地上部和根系的平均可溶性蛋白含量分別是XN979 的1.23 倍和1.10 倍。該結(jié)果也說明YG21 對Pb 脅迫具有更強(qiáng)的耐性。

2.6 相關(guān)性分析

由上述分析可知，低濃度Pb 處理（＜0.10 mmol·L）尚未對小麥產(chǎn)生脅迫甚至有促進(jìn)作用，只在高Pb濃度（≥0.50 mmol·L）時(shí)對小麥產(chǎn)生脅迫作用，因此，在進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，均采用Pb 濃度≥0.50 mmol·L時(shí)的各指標(biāo)平均值進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。從根系各指標(biāo)的相關(guān)性可知，根系Pb 含量與地上部Pb 含量為顯著正相關(guān)（=0.69，0.05），且根系和地上部Pb 含量與根系直徑均為極顯著正相關(guān)（=0.85、0.94，0.01），與根長、表面積和根尖數(shù)均為極顯著負(fù)相關(guān)（0.01），說明Pb 脅迫通過增加根系直徑，降低根長、表面積、根尖數(shù)等，從而顯著降低Pb 的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。地上部磷含量與根長、表面積和根尖數(shù)均呈極顯著正相關(guān)（=0.93、0.88、0.78，0.01），與根系直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)（=-0.75，0.01），說明Pb脅迫對磷素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)具有顯著的抑制作用。根系直徑與根系的SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量呈極顯著正相關(guān)（0.01），與根系可溶性蛋白及細(xì)胞膜透性為極顯著負(fù)相關(guān)，說明根系直徑增加有助于提高抗氧化酶的活性，同時(shí)降低小麥體內(nèi)的可溶性蛋白含量及細(xì)胞膜的相對透性。從圖6b 可知，地上部的磷含量與葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、可溶性蛋白及細(xì)胞膜透性均呈極顯著正相關(guān)（0.01），卻與葉片的SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（0.01），說明Pb脅迫下，地上部磷含量的降低導(dǎo)致細(xì)胞可溶性蛋白含量及細(xì)胞膜的相對透性降低。根系Pb含量與根系磷含量無相關(guān)性（=-0.17，0.05），卻與地上部的磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（=-0.84，0.01），說明Pb脅迫并未影響小麥根系對磷的吸收，卻對磷轉(zhuǎn)運(yùn)有顯著影響。地上部Pb含量與根系磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)（=-0.66，0.05），與地上部的磷沒有相關(guān)性（=-0.56，0.05），說明根系磷含量的增加有助于降低Pb 向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，且增加磷的轉(zhuǎn)運(yùn)并不能增加Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖6 根系和地上部各指標(biāo)相關(guān)性分析熱圖Figure 6 Heat map for correlation analysis of various indicators of roots and shoots

3 討論

3.1 通過根系形態(tài)的改變抵御Pb脅迫

Pb 是較常見的重金屬元素之一，具有來源廣、降解難、毒性強(qiáng)等特性，能夠在植物體內(nèi)累積并對植物產(chǎn)生毒害。本研究表明，低Pb 濃度（＜0.10 mmol·L）對不同磷效率小麥幼苗的生長均具有促進(jìn)作用，這可能是一種刺激和保護(hù)效應(yīng)，植物生長越快，體內(nèi)的重金屬相對濃度就越低；高Pb濃度（≥0.50 mmol·L）時(shí)，Pb 在植物體內(nèi)大量累積，使不同磷效率小麥的生長受到抑制（植株矮小、根長變短和葉片卷曲發(fā)黃等）。這種低促高抑現(xiàn)象與他人對Cd、Cu、Zn 等重金屬的研究結(jié)果相一致。與磷低效轉(zhuǎn)運(yùn)品種（XN979）相比，磷高效小麥品種（YG21）具有較高的生物量、根長、表面積以及光合色素含量，說明磷高效品種對Pb脅迫具有更強(qiáng)的耐性。

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，在響應(yīng)環(huán)境變化方面具有高度可塑性。研究表明，植物可通過減少根表面積、根尖數(shù)量和總根長，降低根系表面的活性位點(diǎn)，從而減少對重金屬的吸收。具有較小根表面積和體積的植物的地上部重金屬含量更低，且其轉(zhuǎn)運(yùn)效率也更低。本研究表明，高Pb濃度（≥0.50 mmol·L）下，不同磷效率小麥的根系干質(zhì)量、根長、表面積、根尖數(shù)均顯著降低（圖2），且根系和地上部Pb含量與根長、表面積、根尖數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)（圖6），說明Pb脅迫下小麥通過降低根長、減少表面積和根尖數(shù)等根系形態(tài)的變化降低根系對Pb的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，這與前人研究結(jié)果一致。然而，值得注意的是，根系直徑卻隨Pb 濃度的增加在逐漸增大（圖2f），且根系直徑與根長、表面積、根尖數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)（圖6）。植物根系對Pb 的吸收主要通過質(zhì)外體途徑，皮層組織是阻擋Pb 在根系橫向運(yùn)輸?shù)闹饕M織，其細(xì)胞壁可以固定Pb 并減少其向木質(zhì)部和韌皮部的運(yùn)輸。該結(jié)果說明，根系直徑的加粗以及根系皮層木質(zhì)化程度加深可能是植物響應(yīng)外界脅迫的一種策略，通過加速木質(zhì)化程度來增強(qiáng)細(xì)胞壁對重金屬離子的固定，從而降低其進(jìn)入原生質(zhì)體的量，減輕重金屬的毒害作用。比較不同的磷效率小麥品種發(fā)現(xiàn)，磷高效小麥品種（YG21）的根系直徑顯著高于磷低效品種（XN979），說明YG21對Pb的耐受性更強(qiáng)。

3.2 通過增加抗氧化酶活性抵御Pb脅迫

3.3 通過降低磷素轉(zhuǎn)運(yùn)抵御Pb脅迫

磷是植物生長發(fā)育所必需的三大營養(yǎng)元素之一，在物質(zhì)循環(huán)、能量代謝和抵御逆境脅迫方面發(fā)揮著重要作用。本研究結(jié)果表明，地上部的Pb 含量與根系磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)（=-0.66，0.05），地上部磷含量與根系Pb 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（=-0.84，0.01），說明根系磷含量的增加能夠有效降低地上部的Pb 含量，同樣地，根系Pb 含量的增加也能夠顯著抑制磷向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。對Cd 的研究表明，施用磷肥能顯著降低土壤中Cd 的生物有效性；增施鈣鎂磷肥可以促進(jìn)水稻根表紅褐色“鐵斑”的形成，這層“鐵斑”能夠有效吸附重金屬離子，阻礙Cd從根表向根系內(nèi)部的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而有效降低地上組織（營養(yǎng)器官和籽粒）中的Cd 含量。還有研究表明，施用磷酸鹽能夠增加Cd、Pb在水稻營養(yǎng)器官細(xì)胞壁中的比例，從而降低向籽粒的運(yùn)輸。隨著Pb 濃度的升高，根系的磷含量呈先升高后降低趨勢，但地上部磷含量呈先快速降低后逐漸降低的趨勢（圖3），造成這種差異的原因可能是Pb 與磷形成了磷酸鉛沉淀，使磷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈先快速降低后略有升高的趨勢。地上部磷含量與根系和地上部可溶性蛋白含量均呈極顯著正相關(guān)（=0.79 和0.72，0.01），說明磷素與細(xì)胞中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（如可溶性蛋白等）的合成有關(guān)。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可能參與了細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（如信號(hào)接受、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)應(yīng)答等），并通過激活防御性酶活性或增強(qiáng)防御基因的表達(dá)抵御外界Pb脅迫。

比較不同磷效率小麥地上部和根系的Pb 和磷含量發(fā)現(xiàn)（圖3），不同Pb 處理下磷低效轉(zhuǎn)運(yùn)品種（XN979）根系平均Pb含量是磷高效轉(zhuǎn)運(yùn)品種（YG21）的2.04 倍，YG21 地上部平均Pb 含量是XN979 的2.48倍；XN979的根系平均磷含量顯著高于YG21，而地上部平均磷含量卻顯著低于YG21，該結(jié)果說明磷低效品種根系對磷和Pb的吸收量大，但轉(zhuǎn)運(yùn)量??；而磷高效品種對磷和Pb的吸收量少，但轉(zhuǎn)運(yùn)量大。因此，在Pb 污染區(qū)種植磷低效轉(zhuǎn)運(yùn)品種更容易實(shí)現(xiàn)籽粒安全生產(chǎn)的目的，但大田結(jié)果是否與該結(jié)果一致，還需要開展多年、多點(diǎn)的大田試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）Pb 處理對不同磷效率小麥幼苗的根系形態(tài)、光合色素含量存在明顯的劑量效應(yīng)，即低Pb 濃度（＜0.10 mmol·L）對不同磷效率小麥幼苗的生長具有促進(jìn)作用，高Pb 濃度（≥0.50 mmol·L）下，小麥生長受到脅迫，根系生長和光合作用均受到抑制。

（2）Pb 脅迫下，不同磷效率小麥通過降低根長、表面積、根尖數(shù)等減少對Pb的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)通過增加根系直徑及抗氧化物酶活性來抵御外界Pb 脅迫。磷低效品種根系對Pb吸收量大，但轉(zhuǎn)運(yùn)量小；而磷高效品種對Pb 吸收量少，但轉(zhuǎn)運(yùn)量大。與磷低效品種相比，磷高效品種的根系直徑更大，磷轉(zhuǎn)運(yùn)效率更高，對Pb脅迫表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐性。