韓紅江，田琴，李維平

（西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，楊凌，712100）

鉛是已知毒性最大的金屬污染物之一［1］。其通過(guò)植物根系的吸附作用固定在根細(xì)胞壁中，過(guò)量的鉛會(huì)破壞根系細(xì)胞膜及分生組織，進(jìn)入土壤中的鉛隨著植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和其它生理過(guò)程進(jìn)入植物體，從而進(jìn)入食物鏈，最終危害人體健康［2］。

鉛能阻礙植物的生長(zhǎng)，使植物葉片的光合強(qiáng)度及蒸騰速率降低，葉片中的谷胺酰胺合成酶活性下降［3］。鉛脅迫造成植物葉綠體超微結(jié)構(gòu)的破壞和葉綠素含量的減少，從而影響光合速率［4］。重金屬對(duì)植物的傷害與自由基的產(chǎn)生有關(guān)，大量的自由基一方面引起膜組分不飽和脂肪酸的過(guò)氧化，從而影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而引起DNA損傷，改變RNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)輸；另一方面自由基的積累可直接破壞防御系統(tǒng)中酶的活性［5－6］。在鉛脅迫下，煙草體內(nèi)的活性氧增加，誘導(dǎo)SOD活性增強(qiáng)，當(dāng)活性氧水平超過(guò)SOD的歧化能力時(shí)，過(guò)多的活性氧可破壞膜系統(tǒng)，導(dǎo)致SOD活性急劇下降［7］。鉛脅迫下小麥幼苗過(guò)氧化物酶活性下降，MDA含量上升，抗氧化酶防御系統(tǒng)機(jī)能下降［8］。

作物幼苗生長(zhǎng)階段對(duì)于作物的形態(tài)建成和產(chǎn)量有著直接的影響，也是對(duì)外界逆境較為敏感的時(shí)期。本研究采用水培法培養(yǎng)小麥幼苗，測(cè)定不同鉛濃度處理下幼苗光合特性及生理生化指標(biāo)，將作物的生長(zhǎng)狀況與相關(guān)的指標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，旨在為重金屬對(duì)小麥的毒害機(jī)理研究提供依據(jù)，同時(shí)為控制和綜合治理重金屬污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料

供試小麥為陜253，取自陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站試驗(yàn)田（34°28′N ，108°06′E）。

1．2 方法

1．2．1 植物培養(yǎng)

小麥種子經(jīng)表面消毒后，25℃催芽24h，挑選生長(zhǎng)一致的小麥幼苗進(jìn)行1／2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，室溫下培育，定時(shí)通氣，及時(shí)補(bǔ)充散失的水分，每3d更換1次培養(yǎng)液。待小麥幼苗培養(yǎng)至二葉一心后，進(jìn)行Pb（NO3）2處理實(shí)驗(yàn)，濃度依次為：50、100、200和300mg／L，每一處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，以不加Pb（NO3）2的1／2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為對(duì)照。

1．2．2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1．2．2．1 鉛脅迫下幼苗光合特性的測(cè)定

鉛處理3d后，取小麥幼苗第3位葉片，用PP Systems TPS－2型便攜式光合儀測(cè)定，選用紅藍(lán)光源在晴天的9∶00－11∶00測(cè)定葉片氣體交換參數(shù)，包括葉片凈光合速率（Pn，（μmol CO2／m2）／s）、蒸騰速率（Tr，（mmol H2O／m2）／s）、細(xì)胞間隙CO2濃度（Ci，（μmol／mol））、氣孔導(dǎo)度（Gs，（μmol H2O／m2）／s）；用葉綠素計(jì)（SPAD－502型，日本）測(cè)定相對(duì)葉綠素含量（SPAD值），在測(cè)量時(shí)避開(kāi)葉脈［9］。1．2．2．2 鉛脅迫下幼苗膜脂過(guò)氧化作用的測(cè)定

在鉛處理后1、3、5、7d后測(cè)定，取小麥幼苗第3位葉片，氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法［10］測(cè)定SOD活性；CAT活性采用紫外吸收法測(cè)定［10］；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定［10］；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定［10］。

2 結(jié)果與分析

2．1 鉛脅迫對(duì)小麥幼苗光合特性的影響

圖1為不同鉛濃度對(duì)小麥葉片光合作用特性的影響。

圖1 不同鉛濃度對(duì)小麥葉片光合特性的影響Fig．1Effect of different Pb concentrations on photosynthetic characteristics of wheat leaves

如圖1a、b、c所示，小麥葉片Pn、Tr、Gs變化趨勢(shì)基本一致，隨鉛濃度的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)鉛濃度達(dá)到100mg／L時(shí)，Pn、Gs、Tr達(dá)到最大值，分別比對(duì)照提高了9．7%、14%、6．3%，鉛濃度為300mg／L時(shí)，Pn、Gs、Tr最低，分別比對(duì)照下降了11．3%、7．6%、7．5%。同時(shí)Pn、Tr下降幅度均達(dá)顯著差異（P＜0．05）。

圖1d顯示，Ci隨鉛濃度升高出現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)。鉛濃度為100mg／L時(shí)，Ci最低，與對(duì)照相比降低了2．9%，當(dāng)濃度為300mg／L時(shí)，Ci最高，與對(duì)照相比提高了2．0%。

2．2 鉛脅迫對(duì)小麥葉片SPAD值的影響

由圖2可見(jiàn)：SPAD值與葉綠素含量成正比，鉛脅迫處理后，葉綠素的含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，各處理之間的葉綠素SPAD值均與對(duì)照達(dá)極顯著差異（P＜0．05），鉛濃度為100mg／L時(shí)，葉綠素含量最高，為對(duì)照的1．23倍；從鉛濃度200mg／L開(kāi)始，葉綠素含量下降，最高濃度（300mg／L）處理時(shí)，葉綠素含量下降為對(duì)照的45．65%。

圖2 不同鉛濃度對(duì)小麥葉片SPAD的影響Fig．2Effect of different Pb concentrations on SPADof wheat leaves

2．3 鉛脅迫對(duì)麥苗膜脂過(guò)氧化作用的影響

2．3．1 鉛脅迫對(duì)小麥葉片SOD活性的影響

鉛脅迫下小麥葉片SOD活性的變化如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)1d的處理，SOD活性較對(duì)照明顯升高；經(jīng)過(guò)3、5d的處理后，SOD活性開(kāi)始降低，各處理間差異達(dá)極顯著（P＜0．05），處理第7天時(shí)，各處理的SOD活性除50mg／L處理外，其它各濃度處理均低于對(duì)照。隨著脅迫天數(shù)的增加，鉛濃度為100mg／L的處理，SOD活性降低明顯。

圖3 不同鉛濃度對(duì)小麥葉片SOD活性的影響Fig．3Effect of different Pb concentrations on SOD activities of wheat leaves

2．3．2 鉛脅迫對(duì)小麥葉片CAT活性的影響

圖4顯示：在不同濃度鉛脅迫下CAT活性呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，但均顯著高于對(duì)照（P＜0．05）。脅迫第3天時(shí)，鉛濃度100mg／L的處理，CAT活性為對(duì)照的1．8倍，鉛濃度200mg／L的處理，CAT活性為對(duì)照的1．5倍。

圖4 不同鉛濃度對(duì)小麥葉片CAT活性的影響Fig．4Effect of different Pb concentrations on CAT activities of wheat leave

2．3．3 鉛脅迫對(duì)小麥葉片POD活性的影響

由圖5可見(jiàn)：脅迫第1天時(shí)，POD活性顯著升高（P＜0．05），鉛濃度為50mg／L的處理，POD 活性為對(duì)照的1．9倍，隨著脅迫時(shí)間的增加，POD活性呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但均顯著高于對(duì)照（P＜0．05）。

2．3．4 鉛脅迫對(duì)小麥葉片MDA含量的影響

MDA是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的直接產(chǎn)物，其含量的高低可以反映植物遭受逆境傷害的程度［12－13］。

低濃度處理（50、100mg／L）對(duì)小麥葉片相對(duì)透性影響不大，幼苗葉片MDA含量呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)（圖6），但與對(duì)照差異均未達(dá)到顯著水平（P＞0．05），只有在200、300mg／L時(shí)才逐漸增大，這種增大隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增大（P＜0．05）。脅迫第7天時(shí)，200mg／L的相對(duì)膜透性為對(duì)照的4．5倍，300mg／L的相對(duì)膜透性為對(duì)照的5．8倍。

圖6 不同鉛濃度對(duì)小麥葉片MDA含量的影響Fig．6Effect of different Pb concentrations on MDA content of wheat leaves

3 討論

由本研究的結(jié)果可以得出，鉛會(huì)對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生影響。植物光合作用能力變化的原因既有氣孔因素也有非氣孔因素［14］，氣孔因素主要受氣孔數(shù)量、氣孔孔徑、氣孔開(kāi)度等的影響［15－16］；非氣孔因素主要受內(nèi)部的酶活力和光合組分控制［17］。

本研究結(jié)果表明，引起光合作用下降的原因是氣孔因素和非氣孔因素共同作用的結(jié)果［18］。因?yàn)榈蜐舛茹U處理下（50、100mg／L）小麥的Pn、Gs都略有上升，Ci略有下降（圖1），SPAD 值升高（圖2），說(shuō)明此時(shí)的氣孔導(dǎo)度在低濃度鉛下仍維持著正常的光合作用，這可能是由于在低濃度條件下鉛對(duì)小麥的光合系統(tǒng)未造成傷害，光合作用的各個(gè)階段還未受到影響。高濃度鉛處理下（200、300mg／L）小麥葉片的SPAD值、Pn等都表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，說(shuō)明高濃度鉛對(duì)Pn表現(xiàn)出了一定的抑制效應(yīng)，此時(shí)小麥葉片光合作用的下降是非氣孔因素所致。

葉綠素是綠色植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)［19］，植物受到逆境脅迫時(shí)，各種生理過(guò)程均會(huì)受到影響。本研究的結(jié)果表明，在鉛濃度為50、100 mg／L時(shí)，葉綠素總量分別比對(duì)照增加了2．78%和2．64%，說(shuō)明低濃度的鉛促進(jìn)了葉綠素的形成，同時(shí)還促進(jìn)小麥葉片氣孔開(kāi)放，增加了氣孔導(dǎo)度，因而增加了葉片的凈光合速率。當(dāng)鉛濃度為200、300mg／L時(shí)，葉綠素總量、凈光合速率及氣孔導(dǎo)度開(kāi)始下降，說(shuō)明葉綠素含量和光合能力受到抑制，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能是高濃度的鉛促使葉綠體酶活性失調(diào)，葉綠體分解加快，有研究表明，重金屬脅迫可使植物葉綠素含量的下降［20－21］，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)論。

重金屬對(duì)植物的傷害與自由基的產(chǎn)生有關(guān)，生物體主要通過(guò)抗氧化酶系統(tǒng)防御自由基損傷，此酶系統(tǒng)包括SOD、CAT、POD等。此外，一些抗氧化劑，如維生素E等也在自由基損傷防御系統(tǒng)中起作用［19］。過(guò)量的重金屬可以引發(fā)植物體內(nèi)活性氧自由基大量產(chǎn)生并積累，引起脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞［22］。

本研究的結(jié)果顯示，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，SOD的活性先升高后降低，說(shuō)明鉛污染破壞了活性氧產(chǎn)生和清除之間的平衡。在鉛脅迫下，小麥幼苗體內(nèi)所具有的活性氧清除酶系統(tǒng)被誘導(dǎo)而加快，SOD在此誘導(dǎo)下，其活性逐漸增加，以消除過(guò)多的超氧陰離子自由基。隨著鉛濃度的繼續(xù)增加，超氧陰離子自由基的增加超過(guò)了正常的歧化能力，使酶活性急劇或緩慢下降［8，23］。小麥幼苗的CAT和POD活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，但均顯著高于對(duì)照（P＜0．05），這有利于植物清除由于金屬毒害產(chǎn)生的活性氧自由基。

本研究結(jié)果表明，低濃度處理（50、100mg／L）對(duì)小麥葉片相對(duì)透性影響不大，這表明濃度50、100 mg／L脅迫對(duì)小麥幼苗葉片細(xì)胞膜均未造成顯著的氧化傷害。只有在200、300mg／L高濃度時(shí)才逐漸增大，這種增大隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增大（P＜0．05），這說(shuō)明鉛濃度超過(guò)一定范圍時(shí)，植株的細(xì)胞膜系統(tǒng)受到損傷。因此，通過(guò)測(cè)定MDA含量可以了解膜脂過(guò)氧化的程度，以間接測(cè)定膜系統(tǒng)的受損程度及小麥對(duì)鉛污染的抗逆性。

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