土壤Cr⁶⁺污染對小麥種子萌發和幼苗生理生化特性的影響

摘要：通過土培試驗，研究Cr6+對小麥種子萌發和幼苗生理生化特性的影響。結果表明，低濃度Cr6+對小麥種子萌發和幼苗的生長有促進作用，葉綠素含量、過氧化物酶（POD）活性、細胞膜透性呈現上升趨勢；高濃度Cr6+處理則抑制小麥種子萌發和幼芽的生長，葉綠素含量、POD活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性都下降，相反，細胞膜透性則明顯增加。

關鍵詞：Cr6+污染；小麥；種子萌發；生理生化特性

中圖分類號：S512.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5328-04

Effect of Cr6+ Pollution in Soil on Seed Germination and Seedling Physiological and Biochemical Characteristics of Wheat

LI Wei，MA Ke-jing

（College of Resources and Environment， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）

Abstract： Soil culture experiment was conducted to study the effect of Cr6+ on seed germination and seeding physiological and biochemical characteristics of wheat. The results showed that the wheat seed germination and shoot growth was promoted by low concentration of Cr6+； the content of chlorophyll， POD activity of seedling also increased. However， the seed germination and shoot growth was restrained distinctly under high concentration of Cr6+ while the content of chlorophyll， POD activity， POD activity was decreased； meanwhile， the permeability of cell membrane was remarkably increased by high concentration of Cr6+.

Key words： Cr6+ pollution； wheat； seed germination； physiological and biochemical characteristies

隨著工業的發展，“三廢”的排放日益增加，環境污染問題越來越受到人們的重視。重金屬污染已成為較為突出的環境問題之一，重金屬對土壤的污染越來越嚴重。目前，中國受重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占耕地總面積的1/5，每年經濟損失至少200億元[1，2]。雖然許多重金屬是生物體必需的微量元素，但是重金屬過量會對生物體產生毒害作用。鉻是與汞、鎘、鉛、砷并列的五大污染重金屬之一，其化合物在工業上的應用越來越廣泛，如制革、印染、電鍍、化工、冶煉等行業都會有含鉻的廢水廢渣排出，致使土壤、水體和生物遭到不同程度的污染，而且這些鉻還可以隨生物鏈進入人體，對人體造成危害[3，4]。

鉻的價態多變（-2到+6），不同價態的鉻對動物、植物、土壤、人體的毒害差異很大，Cr6+的毒性最大。國內外學者對鉻的環境行為以及毒性進行研究，獲得了較為一致的結論，即Cr6+被土壤膠體吸附較弱、移動性較強、具有較高的生態毒性，毒性比Cr3+要強100～1 000倍[5]，已被確認為是一種致畸、致癌、致突變劑。現有的研究表明，農作物從被污染的水中吸取Cr6+，作物受Cr6+污染后會嚴重阻礙幼苗的發育，降低產量，嚴重時導致植株死亡[6]。但是在重金屬污染土壤中吸取Cr6+對農作物影響的詳細研究較少，因此本試驗就以土壤中不同濃度的Cr6+對小麥種子萌發、幼苗生長及其生理生化特性的影響為例來探討土壤Cr6+對小麥生長的毒害作用，揭示土壤Cr6+對農作物的毒害機理，從而實現對土壤Cr6+污染的預測、評價和防治，為早期預報土壤Cr6+污染的危害和環境監測提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試小麥品種為青春553小麥品種，由蘭州大學草科院提供；試驗用鉻為重鉻酸鉀（K2Cr2O7）；取學校試驗田土壤若干過篩消毒備用。

1.2 培養方法

1.2.1 培養皿種子發芽試驗 配制濃度分別為0（對照）、5、10、20、40、60、80 mg/kg（以Cr6+計）混入了K2Cr2O7的培養土。挑選子粒飽滿、大小均勻一致的小麥種子，用5%雙氧水消毒5 min后，蒸餾水沖洗數次，然后將其腹溝向下，整齊地排列在鋪有不同Cr6+濃度等量培養土（20 g）的培養皿中，每皿50粒，使每粒種子之間留有均勻的間距，保證與土壤的良好接觸及足夠的生長空間，以防止發霉種子的相互感染。然后在培養皿中倒入蒸餾水濕透土壤但不在培養皿中積水，每個處理均為3個重復。置室溫自然光照下發芽。每天早中晚按時觀測記載，定時補充水分。

1.2.2 培養缽幼苗生長試驗 在不同試驗缽中分別加入100 g濃度分別為0（對照）、5、10、20、40、60、80 mg/kg（以Cr6+計）混入K2Cr2O7的育苗土。然后向裝有等量土壤的試驗缽播種20粒小麥種子，澆灌蒸餾水直到每個處理缽內土壤濕透但不在培養缽內積水為止，每個處理設置3個重復。每天按時給每個試驗缽補充蒸餾水若干使缽內保持原含水狀態。至幼苗出土形成葉片后（約25 d），測定葉綠素﹑細胞膜透性、過氧化物酶（POD）及超氧化物歧化酶（SOD） 活性4項指標。

1.3 測定方法

1.3.1 發芽及生長測定 當小麥種子開始萌動后，每日觀察發芽與出苗情況，并按下列公式計算發芽、出苗指標。在處理第三天測定發芽勢，發芽勢=（第三天正常發芽的種子數/供試種子數）×100%。當幼苗長到第七天測定發芽率，且測定芽長（以每皿隨機挑選10株計算平均值），發芽率=（第七天正常發芽的種子數/供試種子數）×100%。

1.3.2 葉綠素含量測定 采用分光光度法，以80%丙酮研磨提取測定，用Arnon法計算葉綠素含量[7]。

1.3.3 細胞膜透性測定 采用電導法[7]，以電導率 （μS/cm）表示膜透性的大小。

1.3.4 SOD活性測定 按照參考文獻[8]的方法，以每單位時間內抑制光化還原50%的氮藍四唑（NBT）為一個酶活性單位。

1.3.5 POD活性測定 用愈創木酚氧化法[9]，以470 nm波長下每分鐘每克材料的光密度變化表示酶活性大小。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Cr6+對小麥種子萌發和幼芽生長的影響

由表1可知，土壤中不同濃度的Cr6+對小麥種子發芽和幼芽生長的影響不同。低濃度Cr6+對小麥萌發、幼芽的生長有促進作用，當Cr6+濃度為10 mg/kg時芽長達到最大值，為對照的105.0%。而Cr6+濃度大于10 mg/kg時，則由促進作用逐漸轉為抑制作用，且Cr6+濃度越高抑制作用越明顯，濃度為40 mg/kg時芽長為對照的83.3%，80 mg/kg時為對照的45.0%，統計分析反映3種濃度的處理小麥種子與對照相比差異極為明顯。試驗結果說明低濃度的Cr6+可促進小麥發芽率、發芽勢的提高，是因為Cr6+作為小麥的營養物質，能促進小麥的生長。但是隨著Cr6+濃度的增加，對小麥生長的促進作用逐漸轉為抑制作用。

高濃度Cr6+導致，細胞膜破壞， 高爾基體結構松散或消失，細胞核異固，線粒體嵴大量減少，功能下降，不能產生足夠的能量，細胞合成作用受到嚴重的抑制[10]。最終影響細胞分裂和生長，干擾營養物質的吸收和分配，從而抑制小麥的生長。

2.2 不同濃度Cr6+對小麥葉片葉綠素含量的影響

由表2可知，土壤中不同濃度Cr6+對葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b及葉綠素a/b有不同的影響。當土壤中Cr6+濃度低于10 mg/kg，與對照組相比，葉綠素含量呈現增加趨勢，這表示低濃度的重金屬有促進葉綠素合成的作用。但如果處理濃度很高時（大于10 mg/kg），重金屬的毒害作用就會顯現出來，葉綠素含量下降，這種下降趨勢與重金屬Cr6+的濃度成明顯的負相關關系，并且葉綠素a的含量下降比葉綠素b要快，表現在葉綠素a/b比值下降。葉綠素a/b的值是衡量植物光合作用的一個指標。Cr6+對葉綠素a/b值的影響表現為低濃度時上升，高濃度時下降。也就是說葉綠素a的含量變化比葉綠素b的含量變化快，即葉綠素a對外界環境反應較葉綠素b敏感。這是因為葉綠素a與葉綠素b相比，它既是光反應的中心色素（具有將光能轉化成電能的作用），又是天線色素（吸收光能和傳遞光能的作用），因而它對光合作用更為重要。

魯先文等[6]研究認為葉綠素含量降低的原因為：一是重金屬抑制原葉綠素酸酯還原酶；二是影響了氨基-γ-酮戊酸的合成。而這兩種物質又是葉片合成葉綠素所必需的酶和原料，從而使葉綠素含量下降，所以葉片的直觀表現為葉片退綠。從表2可以看出，低濃度的Cr6+作為小麥的營養物質，能夠促進小麥葉片葉綠素的合成，特別是在10 mg/kg的濃度下尤為顯著。但隨著其濃度的升高，Cr6+對小麥的危害逐漸加重，抑制了合成葉綠素所必需的酶和原料從而使小麥葉片葉綠素的含量及組成降低。

2.3 不同濃度Cr6+對小麥幼苗細胞膜透性的影響

細胞膜是一種選擇性透過膜，它能控制和調節細胞內外物質的運輸和交換，其透性是評定植物對污染物反應的生理指標之一。由圖1可知，小麥幼苗經不同濃度Cr6+處理后對細胞膜透性影響不同。低濃度Cr6+對植物細胞膜透性影響不大，隨Cr6+濃度的增加，細胞膜透性呈現增加趨勢，說明Cr6+污染促進了小麥幼苗葉片物質的外滲，增加了細胞膜的透性。當Cr6+濃度為10 mg/kg時，膜透性上升至134 μS/cm；當Cr6+濃度為80 mg/kg時，膜透性上升至424 μS/cm，說明Cr6+處理超過一定濃度后，細胞膜迅速受到破壞，導致膜透性變大。

2.4 不同濃度的Cr6+對小麥幼苗SOD和POD活性的影響

由圖2可知，低濃度Cr6+對小麥幼苗SOD活性的促進作用不是很明顯，高濃度Cr6+表現為抑制作用。當Cr6+濃度低于10 mg/kg時，SOD 活性差異不明顯。隨著Cr6+處理濃度的增加，SOD 活性明顯下降；當Cr6+濃度為80 mg/kg 時，SOD活性僅為對照的70.49%。但是小麥幼苗經過不同濃度Cr6+處理后，POD 活性則是隨著Cr6+濃度的升高，表現為先升后降的趨勢。當低濃度Cr6+脅迫下，POD活性呈現出明顯的增幅，當Cr6+濃度為40 mg/kg時，POD活性明顯下降，但仍略高于對照；當Cr6+濃度為80 mg/kg時，POD活性明顯低于對照，為對照的74.60%。

SOD是重要的活性氧清除酶，當外來脅迫導致大量超氧自由基產生時，它能及時有效地清除自由基，保護細胞免受活性氧脅迫的傷害；而POD是植物體內重要的抗氧化劑，能有效地清除H2O2[11]。植物在逆境脅迫下，植物體內會直接或間接地形成過量的超氧自由基，而超氧自由基對細胞膜系統、脂類、蛋白質和核酸等大分子具有強烈破壞作用[12]。相應地，植物體內也有一套復雜的活性氧清除系統，其中SOD、POD是植物體內酶促防御系統的兩個重要保護酶，它們協同起來可以保護植物細胞免受超氧自由基的損傷。試驗Cr6+濃度低時（≤10 mg/kg），對SOD活性無明顯差異，說明低濃度Cr6+溶液對SOD活性影響不明顯。Cr6+濃度逐漸升高，SOD活性逐漸降低，而且降低的幅度逐漸增大。說明小麥幼苗細胞對Cr6+污染具有一定的抵抗作用，但這種抵抗作用隨著Cr6+濃度的升高而逐漸消失。隨著處理濃度的增加，體內SOD活性下降，POD活性呈現先升后降的趨勢。說明POD對Cr6+脅迫的適應性比較強。

3 小結與討論

1）土壤中不同濃度Cr6+污染對小麥種子的萌發和芽長均有明顯的影響，總的來說，Cr6+污染對小麥種子的萌發具有明顯的抑制作用，雖然低濃度時的發芽率有一定的提高，但是從整體的發芽結果來看，隨著Cr6+濃度的增大，Cr6+污染的毒害作用越來越明顯，對小麥種子的萌發和芽長的抑制作用越來越強。

2）土壤中低濃度Cr6+污染對小麥葉片葉綠素合成具有一定的促進作用。高濃度Cr6+污染使小麥葉片葉綠素含量明顯降低，并影響其組成。Cr6+導致葉綠素含量下降，可能是由于Cr6+與相關酶作用，抑制葉綠素前體的合成，促進葉綠素分解，或直接破壞葉綠體結構，從而降低葉綠素含量。關于重金屬Cr6+污染對葉綠素組成的影響，試驗結果表明葉綠素a/b值隨著Cr6+處理濃度的升高而降低，有學者認為，葉綠素a/b值隨著葉片衰老而下降，可以作為葉片衰老的指標。因此，Cr6+污染具有加速葉片衰老的作用。

3）正常情況下，植物細胞內外物質交換處于動態平衡狀態，在逆境條件下，細胞膜內外物質交換會打破平衡，從而破壞膜結構。低濃度Cr6+污染對植物細胞膜透性影響不大，隨著Cr6+污染濃度的增大，細胞膜透性增加。Cr6+污染超過一定濃度后，細胞膜迅速受到破壞，導致膜透性變大。

4）低濃度Cr6+污染時，Cr6+對小麥幼苗SOD活性無明顯差異，Cr6+對小麥的生長無抑制作用。而POD活性則明顯增加，說明小麥對Cr6+污染具有一定的耐性。隨著Cr6+濃度的逐漸增加，SOD活性下降，而POD活性先升高而后降低。SOD活性下降可能與Cr6+脅迫下產生過量的超氧自由基對酶蛋白的破壞所致，而POD活性升高表明其對Cr6+脅迫的適應性比較強，暗示POD在抗Cr6+脅迫的過程中起關鍵性的作用。高濃度的Cr6+脅迫下保護酶系統對活性氧的清除能力大大削弱，已不能阻止自由基在細胞內的積累，使膜發生膜脂過氧化，導致膜功能受損，引起細胞的衰老和死亡，從而對小麥產生毒害作用。

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（責任編輯 童志婷）