鎘脅迫對小麥生長和生理特性的影響

劉 鳳，魏雨蒙，劉霜平，張鳳嬌，趙曉蕓，劉楚漢，趙夢霞，張 瑩，卓秀麗，褚天龍

(吉林師范大學 環境科學與工程學院，吉林 四平 136000)

鎘脅迫對小麥生長和生理特性的影響

劉 鳳，魏雨蒙，劉霜平，張鳳嬌，趙曉蕓，劉楚漢，趙夢霞，張 瑩，卓秀麗，褚天龍

(吉林師范大學 環境科學與工程學院，吉林 四平 136000)

鎘(Cd)是非必需的有毒元素，是農業環境和農產品的重要污染物，因此，Cd的毒性效應已成為國內外研究的熱點。小麥作為毒性實驗推薦的標準物種之一，了解其對Cd 的吸收過程及其致毒機理具有重要意義。采用SPSS和Origin進行統計分析得出，小麥生長指標與對照相比差異顯著，且呈現明顯的劑量-效應關系，根長降低幅度較大，Cd對于根的毒性作用較強，根對于污染脅迫響應較敏感。抗氧化酶活性顯著性升高，這是Cd2+脅迫下小麥的一種防御機制。本研究通過顯著性差異分析得出株高和鮮重的無可見效應濃度和最低可見效應濃度值分別為1.12 mg/L和5.62 mg/L。

鎘脅迫；重金屬；小麥；抗氧化系統

近年來，隨著以工業“點源”及以農業源為主的“面源”重金屬污染的加劇，土壤鎘(Cd)污染越來越引起人們的高度重視。據報道，我國每年由于土壤Cd 污染導致的 Cd 超標的農產品達 14.6 億 kg[1]。Cd 是生物毒性最強的重金屬之一。研究表明，Cd 可以干擾植物的許多生理生化過程，如光合作用、呼吸作用、氮和蛋白質代謝以及營養吸收等[2-3]。Cd 毒害阻礙植物根系生長，抑制養分的吸收，引起一系列生理代謝紊亂，并最終導致植物產量減少，同時通過食物鏈危害人類健康[4-5]。小麥是世界上最重要的糧食作物，也是我國僅次于水稻的第二大糧食作物，是OECD(2003)毒性測試標準推薦的受試生物之一[6]，降低小麥籽粒中有毒重金屬的積累,已日益引起關注。因此，研究Cd 對小麥的毒害機理及小麥對Cd 的抗性機理對于農業生產、環境治理及生態保護都具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選擇大小一致、飽滿、健康的種子，1%H2O2消毒20min，再用蒸餾水洗凈殘余的消毒液，放于溫箱中催芽，選取大小一致、生長健壯的幼苗，用含鎘的Hoagland培養液，置于全智能人工氣候室(型)內，培養參數為：光暗周期為12 h/12 h、有效光量子密度為270 μmol/m2/s，晝夜溫度(25±1)℃、相對濕度(75±5)%，每個處理3次重復。每天調節營養液pH值使之維持在5.5～6.0范圍，更換營養液的周期為2天，7天處理后測各項指標。加預冷的PBS緩沖液(到放有0.5g小麥組織的研缽中)，4℃冰浴研磨，低溫高速離心后取上清液做酶活性分析。可溶性蛋白含量，用考馬斯亮藍法測定；總抗氧化力用南京建成生物工程研究所提供的試劑盒測定。

1.2 數據處理

試驗數據采用Excel軟件和SPSS軟件進行統計分析，并用Origin軟件進行繪圖。

2 結果與討論

2.1 Cd 脅迫下小麥生物量的變化

不同濃度Cd2+處理下小麥外觀指標變化情況見圖1。試驗結果表明，實驗組處理的根長均顯著低于對照(P<0.001)，且隨Cd2+濃度的升高，根長漸次降低，濃度越高抑制作用越明顯。當Cd2+濃度≤0.01mmol/L時，株高和鮮重相對于空白組沒有顯著性差異，但0.05 mmol/L和0.1 mmol/L Cd2+濃度處理組顯著性抑制了小麥的株高、鮮重，其中株高分別比空白組減少了和9.50%和11.73%，鮮重的抑制率分別為20.50%和16.55%。

圖1 不同濃度Cd2+處理下小麥株高(A)、根長(B)、鮮重(C)Fig.1 Plant height (A),root length (B),fresh weight (C) of wheat under different concentrations of Cd2+

2.2 無可見效應濃度值和最低可見效應濃度值

EC50是廣泛應用的生態毒理學指標，但在實際應用中也存在一定的局限性，不能用作安全暴露濃度。OECD曾推薦的安全暴露基準濃度值，可以用NOEC來表示。No Observed Effect Concentrations，簡稱為NOEC，即毒性效應與對照組相比，無顯著差異的最大處理濃度。有研究指出，以NOEC為安全暴露基準時，應給出最小可以觀察的毒性效應值，即 Lowest Observed Effect concentrations(LOEC)，與對照組有顯著差異的最小濃度[7]。研究污染物的NOEC、LOEC，更能真實的、客觀的反映其毒性。本研究以各實驗組株高和鮮重與對照組相比進行顯著性差異分析，得出Cd2+對小麥株高和鮮重的NOEC和LOEC值，分別為1.12 mg·L-1和5.62 mg·L-1(表1)。

表1 不同濃度 Cd2+處理下小麥外觀指標差異(P<0.05)Table 1 Difference of appearance indexes of wheat under different Cd2+concentration (mmol/L) treatments(P<0.05)

2.3 可溶蛋白含量

試驗表明，5種濃度鎘處理下，小麥的根中可溶性蛋白含量隨著Cd2+濃度的升高明顯降低(圖2)，當Cd2+濃度為0.001 mmol/L時抑制作用不顯著，但 0.05 mmol/L≤Cd2+濃度≤0.1 mmol/L時，根長的變化均為顯著性降低(P<0.001)，相比于空白組依次減少了42.53%、45.91%、63.66%和67.32%。

圖2 不同濃度Cd2+處理下小麥可溶性蛋白含量Fig.2 Soluble protein content of wheat under different concentrations of Cd2+

2.4 淀粉酶(AMS)活力

由圖3可見，5種濃度鎘處理下，小麥AMS含量與空白組相比，均有顯著性差異(P<0.001)，變化總體趨勢為升高，0.005、0.01、0.05、0.1mmol/LCd2+處理的AMS活力，分別比對照組增加了150.79%、203.17%、288.21%和315.42%。表明Cd2+對AMS活性有促進作用，其活性的增強，能增強小麥體內儲存物質的分解代謝能力，為植株的生長提供物質、能量。

圖3 不同濃度Cd2+處理下小麥AMS活性Fig.3 AMS activity of wheat under different concentrations of Cd2+

2.5 過氧化物酶(POD)活力

由圖4可以看出，Cd2+脅迫誘導小麥POD活性明顯升高，Cd2+處理組POD活力相對于對照組有顯著性差異，0.05 mmol/LCd2+濃度處理時，POD活力最高，比空白組提高了158.29%(P<0.001)。由此可見，Cd2+脅迫能夠顯著提高小麥抗氧化酶系統的防御能力，可能通過減少小麥體內活性氧積累來降低膜脂的過氧化程度。有研究指出，保護酶中的POD對脅迫處理反應比較敏感，可能在小麥防御活性氧傷害中起主要作用[8]。

圖4 不同濃度Cd2+處理下小麥POD活性Fig. 4 POD activity of wheat under different concentrations of Cd2+

3 結論

隨Cd2+濃度的升高，株高、可溶性蛋白含量和鮮重漸次降低，呈現明顯的劑量效應關系。根長降低幅度較大，根對于污染脅迫響應較敏感。POD活性顯著性升高，這是Cd2+脅迫下小麥的一種防御機制。本研究通過顯著性差異分析得出株高和鮮重的NOEC和LOEC值分別為1.12 mg/L和5.62 mg/L。

[1] 宋文恩.土壤鎘污染對不同品種水稻的毒性閾值及其物種敏感性分布[D].北京:中國農業科學院,2015:1-30.

[2] Marinari S,Carbone S,Vittori Antisari L,et al.Microbial activity and functional diversity in Psamment soils in a forested coastal dune-swale system[J].Geoderma,2012,173-174:249-257.

[3] 張芬琴,沈振國,徐朗萊.Cd 脅迫下綠豆和箭舌豌豆葉片抗氧化系統的變化[J].農業環境科學學報,2012,31(1):7-16.

[4] 李 冰,王昌全,李 枝,等.Cd 脅迫下雜交水稻對Cd 的吸收及其動態變化[J].生態環境學報,2014,23(2):312-316.

[5] 張 軍,吳秀寧,王新軍.鎘脅迫對蘭黑粒小麥幼苗光合生理特性的影響[J].陜西農業科學,2016,62(4): 6-8,19.

[6] 李丹丹,周東美,汪 鵬,等.小麥根對鎘離子的吸收機制及鎘的亞細胞分布[J].生態毒理學報,2010,5(6):857-861.

[7] 劉 鳳.南京市典型工業區土壤健康風險評價及生態毒理診斷[D].南京:南京大學,2013:41-50.

[8] 韓 超,申海玉,葉 嘉,等.外源脫落酸對小麥幼苗抗鎘脅迫能力的影響[J].西北植物學報,2012,32(4):745-750.

(本文文獻格式：劉 鳳，魏雨蒙，劉霜平，等.鎘脅迫對小麥生長和生理特性的影響[J].山東化工,2017,46(3):24-26.)

Effects of Cadmium Stress on the Seedlings Growth and Physiological Characteristics of Wheat

LiuFeng,WeiYumeng,LiuShuangping,ZhangFengjiao,ZhaoXiaoyun,LiuChuhan,ZhaoMengxia,ZhangYing,ZhuoXiuli,ChuTianlong

(College of Environmental Science and Engineering,Jilin Normal University,Siping 136000,China)

Cadmium (Cd) is non-essential but toxic element. It is an important agricultural pollutant in environment and farm product.Therefore,toxicity effect of Cd has become a hot research at home and abroad. Wheat is one of the recommended standard species for toxicity experiments.It is of great significance to understand the absorption process and toxic mechanism of Cd.Using SPSS and Origin for statistical analysis,we find that the growth indexes are significantly different compared to the control,and show a clear dose-response relationship between Cd pollution and toxicity.Among these indexes,root length changes by a big margin,indicating that it is more sensitive.Antioxidant enzyme activity increased significantly,which is a defense mechanism of wheat under Cd2+stress.No-observed-effect concentration and the lowest-observed-effect concentration of plant height and fresh weight of wheat introduced by Cd2+are 1.12mg/L and 5.62 mg/L,respectively.

Cadmium stress; heavy metal; wheat; antioxidant system

2016-12-21

2016年國家級大學生創新創業訓練計劃項目(G2016-35 );吉林師范大學第十五批大學生科研基金(15321)

劉 鳳(1987—)，女，河北保定人，講師，研究方向：環境污染與健康評價。

S512.1

A

1008-021X(2017)03-0024-03