根施水楊酸對鉛脅迫下小麥根系生長發育的影響

巴青松，宋瑜龍，張蘭蘭，李桂萍，劉 遠，陳 楚，傅兆麟

(1.淮北師范大學生命科學學院，資源植物生物學安徽省重點實驗室，安徽 淮北 235000；2.西北農林科技大學，旱區作物逆境生物學國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

土壤重金屬污染與防治已經成為國內外普遍關注的環境問題之一，2014 年 4 月 17 日國家環境保護部和國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》[1]顯示，鉛是土壤污染最嚴重、對作物危害最大的重金屬元素之一。鉛離子(Pb2+)進入土壤后直接被植物根系吸收，當其在植物體內累積到一定水平時，植物就會受到傷害。Pb2+脅迫導致內源激素紊亂[2]，改變了很多代謝途徑[3]，限制了光合作用[4]，顯著抑制了植物地上和地下部的生長[5]。而且，Pb2+脅迫下植物在萌發期和出苗階段死亡率較高，苗期也是植物對Pb2+脅迫反應的耐受性和敏感性的重要時期。因此，研究植物苗期對Pb2+脅迫的響應機理以及如何緩解Pb2+脅迫對植物的影響具有重要意義。

通過添加外源物質調控植物體內代謝是應對Pb2+脅迫對植物傷害的有效方法。水楊酸(SA)是信號傳遞分子,能夠誘導植物對非生物脅迫產生一定的抗性[6]，如提高植物的抗鹽性[7]、抗旱性[8]、抗寒性[9]和抗熱性[10];對重金屬的抗性研究主要集中在鎘[11]、鎳[12]和銅脅迫[13]，Pb2+脅迫下，根施SA對小麥幼苗根系生長發育的研究還少見報道。因此，本試驗研究根施SA對Pb2+脅迫下小麥幼苗理化的生理影響，探究SA對提高小麥耐鉛的生理機理，為SA應用于提高小麥耐鉛性提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設計

選取均勻、飽滿的小麥品種‘輪選988’種子，0.1% HgCl2消毒后，蒸餾水浸泡24 h，平鋪在放有濾紙的直徑90 mm培養皿上，每個培養皿上30株。培養皿置于200 μmol·m-2·s-1光照強度、晝夜交替時間12 h/12 h 、25℃的培養箱中，每天加入適量蒸餾水進行培養。

培養7 d后進行第一輪試驗，用50 mg·L-1Pb2+(在預試驗中，此處理濃度是與蒸餾水對照相比幼苗根系長度大約減少一半的濃度；Pb 離子由Pb(NO3)2提供)分別與不同濃度(1，5，10，20，40，80，120，160，200 mg·L-1)SA混合液共20 mL處理小麥幼苗，以蒸餾水處理作為對照(CK)，處理5 d后，每個重復選取30株測定小麥幼苗形態指標。根據試驗結果，篩選出80 mg·L-1SA對50 mg·L-1Pb2+脅迫下小麥的生長恢復效果最好，被確定為最適的SA濃度。在第二輪實驗中，分別以CK、Pb、SA和Pb+SA代表蒸餾水處理、50 mg·L-1Pb2+處理、80 mg·L-1SA和50 mg·L-1Pb2++80 mg·L-1SA，相同條件培養小麥幼苗，培養7 d后，設置CK、Pb、SA和Pb+SA處理，3次重復，處理9 d后，每個重復選取30株測定小麥幼苗形態與生理指標。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 生長指標 隨機取30株小麥幼苗，測定其株高、根長、單株根鮮重和單株根干重，重復3次。

1.3 數據分析

采用SPASS 19.0進行數據的單因素方差分析(one-way ANOVA)和顯著性檢驗，利用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 根施SA對Pb2+脅迫下小麥幼苗形態指標的影響

在Pb2+脅迫下，小麥幼苗形態指標發生了明顯變化，植株和根系的生長受到了明顯的抑制；然而，根施SA后，其形態指標得到了緩解，其株高，根長，株鮮重，株干重，根鮮重和根干重依次增加了17.67%，24.85%，23.46%，18.95%，18.69%和25.41%(表 1)。

表1 根施SA對Pb2+脅迫下小麥幼苗形態指標的影響

注：不同字母表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)，下同。

Note: Different letters indicate significant differences between treatments atP<0.05. The same below.

2.2 根施SA對 Pb2+脅迫下小麥根系保護酶SOD、POD、CAT和APX活性的影響

圖2表明，與對照組(CK)相比，Pb處理組的POD活性降低了31.74%，SA處理組POD活性增加了34.37%；與 Pb處理組相比，SA+Pb處理組小麥幼苗根系POD活性上升了98.92%。因此，根施SA增強了Pb2+脅迫下小麥幼苗根系分解H2O2的能力。

圖3表明, 與對照組(CK)相比，Pb處理組小麥根系的CAT活性降低了34.46%，而SA組小麥根系的CAT活性僅僅上升了0.34%；與 Pb處理組相比，SA+Pb處理組的小麥根系CAT活性上升了137.45%。

圖1 外源SA對Pb2+脅迫下小麥根系SOD活性的影響 Fig.1 Effects of exogenous SA on SOD activities of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖3 根施SA對Pb2+脅迫下小麥根系CAT活性的影響 Fig.3 Effects of root applying SA on CAT activities of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖4表明，與對照組(CK)相比， Pb處理組小麥根系APX活性降低了29.07%，SA處理組小麥根系APX活性上升了311.63%；與Pb處理組比，SA+Pb處理組小麥根系APX活性提高了111.47%。

2.3 根施SA對Pb2+脅迫下小麥根系脯氨酸和可溶性糖含量的影響

圖5表明，與對照組(CK)相比，Pb處理組Pro含量升高了31.25%，SA處理組小麥根系Pro含量升高了12.85%；與 Pb處理組相比，SA+Pb處理組Pro含量降低了40.11%。因此，根施SA通過增強小麥幼苗根系的滲透能力以緩解Pb2+脅迫的毒害。

植物細胞內的可溶性糖用來降低植物的細胞液凝固點，防止細胞液凝結成冰晶對植物造成傷害，起到保水作用。圖6表明，與對照組(CK)相比Pb處理組可溶性糖含量降低了8.72%，而SA組可溶性糖含量卻升高了18.59%；而與Pb處理組相比，SA+Pb處理組小麥根系的可溶性糖含量提高了13.59%。因此，根施SA提高了 Pb2+脅迫下小麥根系中可溶性糖含量，增強了滲透勢，增加了保水能力，降低了Pb2+對小麥根系的毒害。

圖2 外源SA對Pb2+脅迫下小麥根系POD活性的影響 Fig.2 Effects of exogenous SA on POD activities of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖4 根施SA對Pb2+脅迫下小麥根系APX活性的影響Fig.4 Effects of root applying SA on APX activities of wheat seedlings under Pb2+ stress

2.4 根施SA對Pb2+脅迫下小麥根系和MDA 含量的影響

圖5 根施SA對Pb2+脅迫下小麥根系游離脯氨酸(Pro)含量的影響Fig.5 Effects of root applying SA on the contents of proline of wheat seedlings roots under Pb2+ stress

圖6 根施SA對 Pb2+脅迫下小麥根系可溶性糖含量的影響Fig.6 Effects of root applying SA on the contents of soluble sugar of wheat seedlings roots under Pb2+ stress

圖7 根施SA對 Pb2+脅迫下小麥幼苗根系超氧根陰離子的影響Fig.7 Effects of root applying SA on the contents of in roots of wheat seedlings under Pb2+ stress

H2O2具有很強的氧化性，其含量過多，對植物細胞造成危害。與對照組(CK)相比，Pb處理組的過氧化氫含量增加了43.73%；與Pb處理組相比，SA+Pb處理組根系的過氧化氫含量降低了28.99%(圖 8)。

由圖9可知，與對照組(CK)相比，Pb處理組丙二醛含量提高了13.81%，而SA處理組的MDA含量卻降低了26.88%；與Pb處理組相比，SA+Pb處理組 MDA含量降低了16.78%。由此可見，根施SA降低了丙二醛含量，有效地緩解了 Pb2+脅迫造成的膜脂氧化作用。

2.5 根施SA對 Pb2+脅迫下小麥根系活力的影響

圖10表明，與對照組(CK)相比，Pb處理組根系活力降低了53.63%，而SA處理組的根系活力卻上升了17.79%；與 Pb處理組相比，SA+Pb處理組的根系活力提高了694.52%。由此可見，根施SA對 Pb2+脅迫的小麥根系具有促進作用。

圖8 根施SA對 Pb2+脅迫下小麥幼苗根系過氧化氫含量的影響Fig.8 Effects of root applying SA on the contents of H2O2 in roots of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖9 根施SA 對Pb2+ 脅迫下小麥根系丙二醛的影響Fig.9 Effects of root applying SA on the contents of MDA in roots of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖10 根施SA對Pb2+脅迫下小麥幼苗根系活力的影響Fig.10 Effects of root applying SA on the root activity of wheat seedlings under Pb2+ stress

3 討 論

細胞內脯氨酸變化是植物應對環境變化的一種適應性機制，脯氨酸在植物組織中可以作為酶保護劑從而減輕逆境脅迫對植物的不利影響。施用外源物質調控脯氨酸的生物合成, 能夠增強植物在不利環境中的生存能力；同時，植物不同的信號分子互相影響調控逆境脅迫下的脯氨酸合成[26]。外源Ca2+能夠誘導逆境脅迫植物組織脯氨酸積累[27]，而且，Ca2+信號和SA信號存在偶聯機制[28]，SA、Ca2+單獨作用或者共同作用都能明顯提高植物組織脯氨酸的含量[29]。因此， SA可以通過增加脯氨酸含量來提高植物抗逆境脅迫的能力。研究發現, 外源 SA 能顯著提高高溫脅迫下葡萄幼苗脯氨酸的積累量，并降低丙二醛 MDA含量，提高葡萄的耐熱性[30]。SA增強了氮和硫的同化作用，并提高了脯氨酸合成酶活性，促進了脯氨酸合成[31]。而且，外源SA增強了脯氨酸代謝中的Δ1-吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR)活性及基因表達, 并抑制了其脯氨酸脫氫酶(ProDH)的活性,來促進脯氨酸的積累[32]。

可溶性糖也是植物細胞滲透調節的重要物質之一。當植物處于逆境時，植物通過增加可溶性糖的含量，增大其滲透勢，增強其保水能力，保持酶分子的活性構象，以便維持正常生理代謝，增強植物的抗逆能力[33]。本試驗表明，根施SA提高了Pb2+脅迫下小麥幼苗根系的脯氨酸和可溶性糖含量，增強了小麥幼苗的抗逆能力。因此，外源SA會增加細胞可溶性糖和游離氨基酸含量，繼而發揮對植物細胞的滲透調節作用，通過這種方式，保持小麥幼苗在Pb2+逆境中的繼續生長。

綜上，Pb2+脅迫在一定程度上抑制了小麥幼苗根系的生長，而根施SA能在一定程度上緩解Pb2+脅迫，同時提高了抗氧化酶活性，有效地降低了活性氧水平，減少了膜脂過氧化程度，從而緩解了Pb2+脅迫對小麥幼苗的毒害，促進小麥幼苗正常的生理代謝功能。