王元元 劉金川 胡祎瑞 金 棟 孫 皓 郭天榮

(紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 紹興312000)

雖然鋁(Al)是酸土中限制作物生長的主要因素，事實上酸化可以引起土壤很多理化特性的改變.如酸性土壤上常表現(xiàn)為P、Ca和Mg等養(yǎng)分缺乏，Mn和B等元素有效性顯著增加，養(yǎng)分異常也會對植物生長有抑制作用[1].同時，一些重金屬的生物活性也受土壤pH的影響，如土壤中鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)等重金屬的溶解性及生物活性隨土壤pH值下降而上升[2,3].其中Cd與其它重金屬相比，生物有效性高，極易在農(nóng)產(chǎn)品中積累.過量活性Al和Cd等的吸收不僅造成植物枯萎、農(nóng)作物減產(chǎn)，同時重金屬經(jīng)食物鏈在人體內(nèi)積累，嚴(yán)重威脅人們的健康.

本研究以南方主要的冬季作物——大麥為材料，通過設(shè)置不同濃度的Cd、Al單獨即互作脅迫，分析植株一些主要的生理代謝指標(biāo)，以了解不同濃度的Cd、Al的互作機(jī)制.

1 材料與方法

1．1 試驗材料及處理

本試驗于2012年在紹興文理學(xué)院實驗基地溫室內(nèi)進(jìn)行，以浙農(nóng)大9號大麥品種為材料.種子經(jīng)1.0% NaClO消毒20 min，蒸餾水清洗4次后，播于溫室內(nèi)經(jīng)消毒處理后濕潤的沙子中.當(dāng)植株長到有2片葉時(約10天左右)，選擇生長一致的麥苗移栽到5 L的塑料桶中.營養(yǎng)液成分為(mg·L-1):(NH4)2SO448.2、 MgSO465.9、K2SO415.9、 KNO318.5、Ca( NO3)259.9、KH2PO424.8、Fe-citrate 5、MnCl24H2O 0.9、ZnSO47H2O 0.11、CuSO45H2O 0.04、HBO32.9、H2MoO40.01.移栽一周后，Al以AlCl3.6H2O，Cd以CdCl2的形式加入到營養(yǎng)液中.Al的添加濃度為0、50、100 μmol/L，Cd的添加濃度為0、1、5 μmol/L.試驗采用正交設(shè)計，形成9個處理，6次重復(fù).每天用1 mol/L的HCl或NaOH調(diào)節(jié)pH到試驗要求值.營養(yǎng)液用通氣泵不間斷的通氣，每5天更換營養(yǎng)液一次.

1.2 測定項目與方法

于鋁脅迫2周后，取完整根系α-萘胺氧化法測定根系活力，同時取功能葉測定其中的游離脯氨酸含量(酸性茚三酮顯色法)、葉綠素含量(丙酮提取，含量利用分光光度計測定)和還原型谷胱甘肽含量(采用南京建成生物工程公司購買的試劑盒測定).

1.3 數(shù)據(jù)分析

用唐啟義和馮明光開發(fā)的DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，用LSD法進(jìn)行處理間的差異性比較(P<0.05)[4].

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd、Al脅迫對葉片葉綠素含量的影響

植物鋁毒害的外部癥狀是根尖短粗、分支多、顏色發(fā)褐卷曲、葉片失綠等.如圖1所示，與對照相比，雖然1 mol/L Cd處理對葉片葉綠素含量影響不大，但5 μmol/L Cd處理及Al脅迫均導(dǎo)致大麥葉片葉綠素含量大幅下降，其中100 μmol/L Al比50 μmol/L Al處理對植株生長的抑制作用更大，三種脅迫下葉綠素含量分別下降為對照組的77.4%、69.5%和90.4%.Cd、Al復(fù)合處理下葉綠素含量的降幅大于相應(yīng)單獨Cd、Al，表明Cd、Al對植株葉綠素代謝的影響具有協(xié)同性，其中Al100+Cd5脅迫下葉綠素含量降幅最顯著，僅為對照組的58.9%.脅迫處理導(dǎo)致大麥葉片葉綠素含量可能是由于毒害元素抑制葉綠素合成而促進(jìn)其降解所致.葉綠素含量的下降，表明植物葉片光合作用功能減弱，并導(dǎo)致植物組織、器官衰老[5,6].

圖1 脅迫處理下大麥幼苗葉片葉綠素含量

2.2 Cd、Al脅迫對根系活力的影響

根系是植物對重金屬脅迫反應(yīng)最敏感的器官，毒害脅迫將使根尖細(xì)胞的分裂和伸長受到嚴(yán)重抑制，從而木質(zhì)素的積累顯著增加，細(xì)胞過早老化，營養(yǎng)運(yùn)輸能力受到限制，根系吸收能力也減弱，最終表現(xiàn)為作物根系的生物氧化還原能力下降[7,8].由圖2可見，除1 μmol/L Cd處理對根系活力略促進(jìn)外，5 μmol/L Cd處理及Al脅迫均導(dǎo)致植株根系活力大幅下降.復(fù)合脅迫對植株根系活力的抑制比相應(yīng)單獨Cd、Al處理更強(qiáng)，其中Al100+Cd5脅迫下根系活力的降幅最顯著，僅為對照組的30.1%.

圖2 脅迫處理下大麥幼苗根系活力

2.3 Cd、Al脅迫對葉片游離脯氨酸含量的影響

植物處于逆境如鹽害和干旱脅迫時，體內(nèi)都會積累游離脯氨酸[9,10].本試驗發(fā)現(xiàn)，與對照相比，除1 μmol/L Cd處理外，大麥植株處于試驗所設(shè)的脅迫逆境時，葉片游離脯氨酸含量均增加，且隨脅迫程度增強(qiáng)，葉片內(nèi)脯氨酸含量急劇上升.Cd、Al復(fù)合處理時增加幅度更大，尤其是Al100+Cd5脅迫時增幅最大，達(dá)到對照組的1.77倍.脅迫處理下大麥葉片游離脯氨酸含量增加可能是大麥植株受Cd、Al毒害的一種癥狀，這與Galvez等[11]報道，鋁脅迫下高粱根系積累游離脯氨酸不具有脅迫專一性的特點，同時認(rèn)為這是植株對鋁脅迫的一種反應(yīng)，而不是植物的一種耐鋁機(jī)制的結(jié)論一致.

2.4 Cd、Al脅迫對葉片GSH含量的影響

還原型谷胱甘肽(GSH)是抗氧化系統(tǒng)中重要的非酶系統(tǒng)，可與抗氧化酶協(xié)同作用去除細(xì)胞中由于環(huán)境脅迫誘導(dǎo)的自由基，自身則轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽(GSSH)[12].由圖2可見，低濃度的Cd(1 μmol/L)、Al(50 μmol/L)時促進(jìn)大麥葉片GSH積累.這可能是由于低脅迫這一信號誘導(dǎo)植物通過各種生理、生化途徑產(chǎn)生更多GSH來消解氧自由基的結(jié)果.當(dāng)提高Cd、Al處理水平時，葉片中GSH的積累量下降.復(fù)合脅迫下GSH積累量下降幅度更大，Al100+Cd5處理下葉片GSH含量僅為對照組的60.5%.脅迫程度增強(qiáng)導(dǎo)致GSH含量增加可能是由于GSH生成量低于消耗量所致.

圖4 脅迫處理下大麥幼苗葉片GSH含量

3 結(jié)論

(1)1 μmol/L Cd單獨處理對大麥幼苗生長無毒害，反而可適度促進(jìn)植株生長.

(2)5 μmol/L Cd及50和100 μmol/L Al處理均嚴(yán)重紊亂大麥幼苗代謝，表現(xiàn)為葉片葉綠素含量和根系活力下降，游離脯氨酸含量上升，雖然50 μmol/L Al處理促進(jìn)葉片GSH積累，但5 μmol/L Cd和100 μmol/L Al處理下葉片中GSH的積累量顯著下降.

(3)Cd、Al復(fù)合脅迫對大麥幼苗代謝的影響強(qiáng)于單一Cd、Al處理，Al100+Cd5處理對植株的毒害作用最強(qiáng).

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Abstract： The hydroponic experiments were focused on the effect of single and combined stress of cadmium and aluminum on the content of chlorophyll, free proline and glutathione in barley leaves, as well as the root activity. The results show that except for 1.0 μmol/L Cd single treatments, all the stresses seriously disordered the physiological metabolisms of barley plants, thus, leaf chlorophyll content, root activity significantly decreased while free proline content markedly increased. The stresses of both 5.0 μmol/L Cd and 100 μmol/L Al notably decreased GSH content though 50 μmol/L Al stress increased. Binary metal stress caused more serious metabolisms disorder, especially for the combined stress of Al 100+Cd 5.

Keywords：cadmium; aluminum; stress; barley; physiological index