铅对不同铅积累类型小麦幼苗生理生化特性和根系生长的影响

胡铁柱，孙海燕，杨 靖，游晴晴，茹振钢

(河南科技学院 小麦中心/现代生物育种协同创新中心 小麦分中心，河南 新乡 453003)

重金属污染已成为当前生态健康关注的热点问题。据估测，我国受重金属污染的耕地面积超过2 000万hm2，每年因此造成的粮食减产达1 000万t，重金属污染的粮食达1 200万t，合计农业损失200亿元以上[1-4]。随着采矿业、冶炼工业的发展和含铅(Pb)涂料、纸张、汽油、炸药等的生产使用及城市污水的排放等，Pb已成为土壤污染中主要的重金属元素之一[5-6]。大量的Pb进入土壤后，受其毒害严重的作物不能正常生长，影响作物产量和质量，更严重的会进一步通过食物链影响人体健康[7-9]。因此，深入研究Pb对作物的危害显得尤为紧迫和重要，一方面，明晰Pb对农作物的危害机制，采取适当措施，降低其危害；另一方面，培育和应用某些Pb低富集作物品种，降低粮食和蔬菜的Pb积累，对提高作物食用安全有重要意义[10-11]。

Pb能扰乱植物对矿质营养元素的吸收，对植物光合作用也会产生严重的负面影响[12-14]。小麦(Triticumaestivum)是我国重要的粮食作物。目前，关于重金属对小麦的影响研究主要集中在小麦种子或幼苗的生理指标、生物学性状以及抗氧化酶活性等方面[8，15-18]，而对小麦幼苗必需矿质元素积累以及光合作用的影响研究尚未见报道。小麦幼苗是其成株期性状表现的基础，钙(Ca)、铁(Fe)、钾(K)和镁(Mg)等矿质元素既是其生长所必需元素，也是人类日常饮食的重要组成部分[19]。为此，以Pb高积累和低积累型小麦幼苗为材料，研究Pb对小麦光合特性、根系生长、抗氧化特性及Ca、Fe、K、Mg积累的影响，为了解Pb的毒性效应及Pb积累对矿质元素吸收的影响提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为从200多份材料中筛选出的苗期Pb低积累型小麦品系CL0442和高积累型品系MSK39，均由河南科技学院小麦中心提供。

1.2 小麦培养和Pb处理

试验在河南科技学院小麦中心实验室进行。将小麦种子于室温发芽，7 d后挑选长势一致的幼苗移栽至装有Hoagland’s营养液的塑料盒(29.2 cm×22.4 cm×8.9 cm)中，用打孔泡沫板固定幼苗。参考生态环境部农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618—2018)，向营养液中添加Pb(NO3)2，使其终浓度分别为0(对照)、3.86(处理1)、7.72(处理2)mol/L。每个处理48株，每14 d换一次营养液。培养49 d后进行光合特性、酶活性、根系生长特性及Pb、Ca、Fe、K、Mg含量测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 光合特性 采用LI-6400XT便携式光合作用测量系统测定小麦第3片叶净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率等。测定光为自然光，每处理3次重复，每重复测定3次。

1.3.2 抗氧化特性 取小麦叶片和根系，分别采用相应试剂盒(苏州科铭生物技术有限公司生产)测定过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量。

1.3.3 Ca、Fe、K、Mg含量 取小麦幼苗植株，置烘箱中70 ℃烘干至恒质量，用千分之一电子天平分别称量0.500 g地上部分干燥样品，在40 mL四氟坩埚中加入12 mL硝酸∶高氯酸=3∶1混合液消解12 h；在电热板(不超过170 ℃)上加热约4 h，冷却后用3%的硝酸定容至25 mL，摇匀待用。用美国PE公司生产的Optima 2100DV电感耦合等离子体发射光谱仪测定Pb、Ca、Fe、K、Mg含量。

1.3.4 根系生长特性 取长势一致的小麦幼苗10株，用EPSON PERFECTION 4990 PHOTO扫描根系，用WinRHIZO Pro 2007d软件分析总根长及根平均直径、总表面积、总体积。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2013和SAS 8.01进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 Pb对不同Pb积累型小麦幼苗光合特性的影响

从表1可以看出，Pb对Pb低积累型小麦品系CL0442和高积累型小麦品系MSK39幼苗光合特性的影响不同。对于Pb低积累型小麦品系CL0442，与对照相比，处理 1净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率变化不显著，处理 2显著下降，且处理2显著低于处理1，表明3.86 mol/L的Pb对CL0442的光合作用没有明显抑制作用，当浓度达 7.72 mol/L时则显著抑制其光合作用；对于Pb高积累型小麦品系MSK39，对照和处理 2净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均显著低于处理 1，表明3.86 mol/L 的Pb不会对其光合作用造成胁迫，反而有促进作用。

注：不同小写字母表示同一品系不同处理之间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 Pb对不同Pb积累型小麦幼苗根系生长的影响

由表2可知，与对照相比，营养液中添加Pb(NO3)2后，Pb低积累型小麦品系CL0442的总根长及根总表面积、总体积均呈降低趋势，处理1、2均显著低于对照，而平均直径变化不显著；Pb高积累型小麦品系MSK39的根总表面积、总体积、平均直径均以处理 1 最大，显著高于对照和处理 2(平均直径除外)，总根长表现为处理1显著高于处理2，但与对照间的差异不显著。

表2 不同Pb处理小麦幼苗根系性状

2.3 Pb对不同Pb积累型小麦幼苗抗氧化特性的影响

如表3所示，对于Pb低积累型小麦品系CL0442，处理1和处理2幼苗根的POD、CAT活性和MDA含量均显著高于对照(POD活性除外)，叶片中POD活性随Pb浓度的增加而增加，CAT活性和MDA含量随Pb浓度的增加总体呈降低趋势。对于Pb高积累型小麦品系MSK39，其叶片和根POD、CAT活性和MDA含量在3个处理下均无规律性变化。叶片和根POD活性均表现为处理1显著低于对照和处理2，对照和处理2间差异均不显著。叶片和根CAT活性均表现为处理1高于对照和处理2，处理2低于对照。叶片MDA含量表现为处理1高于对照和处理2，处理2与对照间差异不显著；

表3 不同Pb处理小麦幼苗抗氧化特性

根MDA含量表现为对照高于处理1、2，处理1、2间差异不显著。表明不同Pb积累型小麦幼苗对Pb的响应不同，具有不同的保护系统。

2.4 Pb对不同Pb积累型小麦幼苗植株Ca、Fe、K、Mg积累的影响

如表4所示，对于Pb低积累型小麦品系CL0442，处理 1 植株Ca、Fe、Mg含量最高，较对照和处理2分别提高34.39%～39.23%和2.99%～31.07%；处理1、2的K含量分别较对照降低27.02%、20.79%，但处理1和处理2间的差异不显著。对于Pb高积累型小麦品系MSK39，对照Ca、Fe、K、Mg含量最高，随着营养液中Pb浓度增加，4种元素含量均呈降低趋势，处理1、2较对照降低11.78%～35.16%，表明Pb抑制了小麦对这些元素的吸收。无论是Pb低积累型小麦品系CL0442还是高积累型小麦品系MSK39，在处理 1、2 条件下K含量均较对照显著降低，降幅为17.10%～29.75%，说明Pb抑制小麦对K元素的吸收。

表4 不同Pb处理小麦幼苗植株Ca、Fe、K、Mg含量 μg/g

3 结论与讨论

研究表明，一定量的Pb胁迫会导致植物中营养元素浓度及比例发生改变，如可以显著降低黄瓜(Cucumissativus)种苗对K、Ca、Fe、Mg的吸收，也可以明显抑制玉米(Zeamays)对K、Ca、Mg、P的吸收[20]。本研究结果发现，Pb高积累型小麦品系MSK39对Ca、Fe、Mg的吸收受Pb抑制；而对于Pb低积累型小麦品系CL0442，Pb对小麦吸收3种元素的影响表现为低浓度促进、高浓度抑制。说明小麦同其他植物一样，较高浓度的Pb抑制其对必需矿质元素的吸收，但在低浓度时所受影响不同，可能主要是因为其基因型不同。在Pb存在的情况下，2种Pb积累型小麦幼苗中K含量均低于对照，这与用8个不同基因型成株期小麦分析的Pb对矿质元素积累影响的结果一致[17]。这可能是因为在植株中二者存在某种竞争关系，Pb的存在使K只能在叶片中少量积累，其机制需进一步研究。

Pb会对植物造成氧化胁迫，产生大量活性氧，严重影响植物膜系统的功能[12]，植物通常利用包括POD和CAT在内的复杂的抗氧化系统限制活性氧对细胞的损害。一定浓度下Pb胁迫能诱导植物组织中POD活性升高[21]，CAT活性受Pb毒害会有所降低[12]。MDA为植物体内膜脂过氧化的直接产物[22]，其含量水平通常可反映植株遭受逆境伤害的程度。本研究结果表明，Pb处理条件下Pb低积累型小麦品系CL0442幼苗根的POD、CAT活性和MDA含量均高于对照，叶中POD活性随Pb浓度增加而增加，CAT活性和MDA含量却总体呈降低趋势。Pb高积累型小麦品系MSK39叶片和根POD、CAT活性及MDA含量在3个处理下均无规律性变化。李妍[15]研究Pb对小麦品种德抗961幼苗的影响发现，小麦芽长和根长均随Pb质量浓度的增加而降低；在500 mg/L Pb胁迫下，小麦根和芽POD活性比对照增加了2.62倍和2.58倍，CAT活性则随Pb质量浓度的增加而下降，根的下降趋势比芽明显，MDA含量均随Pb质量浓度的增加而增加。这与本研究结果不完全相同，一方面可能是因为不同小麦品种对Pb表现出不同的生态效应，另一方面也可能是因为试验条件不同，这反映了小麦对Pb反应的复杂性。

乔莎莎等[16]研究发现，无Pb胁迫与轻度及重度Pb胁迫的小麦总根长在各生育时期均达到显著差异，在轻度Pb胁迫下，苗期总根长下降最明显，降幅为15.9%。本研究发现，Pb低积累型小麦品系CL0442有类似表现。营养液中Pb浓度为3.86 mol/L和7.72 mol/L时，其总根长及根总表面积、总体积均显著低于对照，根生长受到抑制。而对于Pb高积累型小麦品系MSK39，在较低Pb浓度(3.86 mol/L)条件下，根总表面积、平均直径、总体积均高于对照，根系生长受到促进；在较高浓度(7.72 mol/L)条件下，总根长及根总表面积、总体积均低于对照和处理1，光合参数也最低，根系生长受到抑制。这说明对于不同类型小麦，Pb的影响并不相同。其他植物也存在类似情况[23]，只有Pb达到一定浓度才可导致植物的形态、生长、光合作用、酶活性受到抑制，扰乱植物对矿质营养元素的吸收[24-27]。这意味着不能仅根据小麦外表形态及生长状况或某单一指标的变化来判断小麦是否受到Pb污染，如果种植区域存在可能的Pb污染源，一定要加强对食用部位Pb含量的检测，确保食品安全。

自然条件下，土壤污染危害具有显著的场地差别性特点，不具备均一性。为了便于结果比较，试验采取营养液水培的方式以控制试验条件的一致性。另外，本研究只是分析了营养液条件下Pb对2种类型小麦幼苗4种必需矿质元素积累的影响，对于大田种植条件下以及成株期的情况则需要进一步研究。