楊文玲 岳丹丹 李冠杰 劉瑩瑩 寧萌 劉莉 鞏濤 王繼雯 陳國參

（河南省科學院生物研究所有限責任公司，鄭州 450008）

鉛鉻脅迫對小麥種子萌發(fā)及幼苗脯氨酸含量的影響

楊文玲 岳丹丹 李冠杰 劉瑩瑩 寧萌 劉莉 鞏濤 王繼雯 陳國參

（河南省科學院生物研究所有限責任公司，鄭州 450008）

旨在探討鉛鉻脅迫對小麥的毒害效應(yīng)以及對幼苗脯氨酸的影響。用不同濃度的鉛鉻溶液處理小麥，研究鉛鉻單一及復(fù)合脅迫對小麥種子萌發(fā)及幼苗脯氨酸含量的影響。結(jié)果表明，鉛鉻單一及復(fù)合脅迫均使得小麥種子萌發(fā)率降低，幼苗株高、根長降低，鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量減少。鉛鉻處理1 d后，各處理組小麥體內(nèi)的脯氨酸含量較對照都有升高，尤其是復(fù)合脅迫下 100 mg/L Pb+100 mg/L Cr處理組，其小麥脯氨酸含量較對照升高了32.81%。鉛鉻處理3、5和7 d后，100 mg/L Cr、50 mg/L Cr、200 mg/L Pb+100 mg/L Cr、100 mg/L Pb+100 mg/L Cr這4個處理組的小麥脯氨酸含量較對照均顯著升高，其它各處理組與對照相比差異不顯著。鉛鉻脅迫抑制了小麥種子的萌發(fā)和幼苗生長，使得小麥體內(nèi)脯氨酸含量升高，因此建議脯氨酸含量的變化可以作為監(jiān)測植物鉛鉻脅迫的指標之一。

鉛；鉻；種子萌發(fā)；脯氨酸；毒害

隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)，農(nóng)藥、化肥的廣泛使用以及城市污泥、污水的農(nóng)用，重金屬對土壤的污染越來越嚴重［1，2］。土壤中的重金屬會對植物生長發(fā)育產(chǎn)生影響，例如鉛的積累能直接影響細胞代謝作用，嚴重影響植物的產(chǎn)量和品質(zhì)；缺乏鉻會影響植物的正常發(fā)育，但鉻在其體內(nèi)積累過量又會引起毒害作用。土壤中的重金屬也會通過食物鏈進入人體，影響人體健康［3］。當植物遭受的重金屬脅迫在其耐受范圍時，植株就會啟動防御機制以應(yīng)對各種脅迫，如通過提高抗氧化系統(tǒng)功能，增加脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖等以增強滲透性調(diào)節(jié)作用來提高植株的抗逆性［4］。對于大多數(shù)作物，種子萌發(fā)和早期幼苗階段對環(huán)境脅迫最為敏感，在重金屬的脅迫下，植物體內(nèi)會產(chǎn)生一系列生理生化代謝的紊亂，導(dǎo)致植物的抗逆性降低，嚴重時造成植株死亡。

脯氨酸是植物蛋白質(zhì)的組分之一，并可以游離狀態(tài)廣泛存在于植物體中，可以保護細胞膜系統(tǒng)，維持胞內(nèi)酶的結(jié)構(gòu)，減少胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解。許多植物在受到環(huán)境脅迫，如干旱、鹽漬、低溫、重金屬等脅迫條件下，體內(nèi)的脯氨酸含量會發(fā)生很大變化［5-8］。因此，根據(jù)脯氨酸含量的變化可以從生理的角度了解逆境對植物的危害程度和植物對逆境的抵抗能力。

小麥是我國北方的主要糧食作物，其對重金屬具有一定的富集以及生物轉(zhuǎn)化作用，因此小麥生產(chǎn)中重金屬污染問題已引起國內(nèi)外學者的高度重視［9］。小麥在長期的進化過程中發(fā)展出一系列應(yīng)對重金屬毒害的機制，如在遭受重金屬毒害時，小麥會大量積累脯氨酸以提高對重金屬脅迫的抗性和適應(yīng)性［4，8］。隨著研究的不斷深入，土壤重金屬污染的重點已由單一污染轉(zhuǎn)移到復(fù)合污染，而且復(fù)合污染的重金屬間相互作用比較復(fù)雜，不同類型的植物對其毒害的響應(yīng)機制也不甚相同［10-12］。本研究以周麥22為供試材料，研究鉛鉻單一及其復(fù)合脅迫對小麥萌發(fā)及幼苗脯氨酸含量的影響，旨在探討重金屬脅迫對小麥的毒害效應(yīng)及小麥的抗性機制，并為農(nóng)田作物重金屬脅迫的檢測提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試小麥品種為周麥22，購自河南省農(nóng)業(yè)科學院。

1.2 方法

1.2.1 處理方法 小麥種子用清水浸泡24 h，挑選飽滿程度大致相同的小麥籽粒，備用。將直徑為9 cm的普通濾紙圓片平鋪于底部鉆孔的塑料培養(yǎng)皿內(nèi)，將浸泡后的種子均勻平鋪于培養(yǎng)皿中（100粒/皿），一部分種子分別用不同濃度的鉻（50和100 mg/L）、鉛（100和200 mg/L）以及鉻鉛二元脅迫8個處理溶度浸潤小麥種子，以清水浸潤的小麥種子為對照（CK）。處理濃度分別為：0（CK）、1（200 mg/L Pb）、2（100 mg/L Pb）、3（100 mg/L Cr）、4（50 mg/L Cr）、5（200 mg/L Pb+100 mg/L Cr）、6（200 mg/L Pb+50 mg/L Cr）、7（100 mg/L Pb+100 mg/L Cr）、8（100 mg/L Pb+50 mg/L Cr）。25℃培養(yǎng)7 d統(tǒng)計發(fā)芽率等，每個處理設(shè)3次重復(fù)。另一部分種子25℃恒溫條件下培養(yǎng)5-7 d，挑選長勢大體相同的小麥苗供試。用上述8個處理溶液進行脅迫培養(yǎng)，以清水處理的小麥為對照（CK）。處理1、3、5和7 d取樣測定小麥幼苗脯氨酸含量。每個處理設(shè)3次重復(fù)。

1.2.2 測試方法

1.2.2.1 萌發(fā)指標測定 發(fā)芽率（%）=7 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)×100%；

相對發(fā)芽率（%）=處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑（Gt/Dt）（Gt指在t時間內(nèi)的發(fā)芽數(shù)；Dt指發(fā)芽天數(shù)）；

相對發(fā)芽指數(shù)（%）=處理發(fā)芽指數(shù)/對照發(fā)芽指數(shù)×100%。

1.2.2.2 脯氨酸含量測定 酸性茚三酮顯色法測脯氨酸含量［13］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 脯氨酸含量值用GraphPad Instat 3.00數(shù)據(jù)處理軟件對其進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果

2.1 鉛鉻脅迫對小麥種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

不同濃度的鉛鉻溶液處理后小麥種子的發(fā)芽率、相對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和相對發(fā)芽指數(shù)與對照相比均呈下降趨勢，尤以處理5和處理7下降趨勢最為明顯（P＜0.05，表1）。表2顯示，除了處理2，其余各處理的小麥株高均顯著低于對照，且差異達極顯著水平（P＜0.01）；不同濃度的鉛鉻溶液處理后小麥的根長均顯著低于對照，且差異達極顯著水平（P＜0.01）；處理3和處理7小麥的鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量顯著低于對照，且差異達極顯著水平（P＜0.01），其余各處理小麥的鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量與對照相比無顯著差異。說明鉛鉻抑制了小麥的萌發(fā)和生長，而且小麥幼苗對鉻脅迫較敏感。

表1 鉛鉻脅迫對小麥種子萌發(fā)率的影響

表2 鉛鉻脅迫對小麥幼苗生長的影響

2.2 鉛鉻脅迫1 d對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

處理后1 d，除復(fù)合脅迫處理組處理7小麥苗的脯氨酸含量顯著升高，較對照升高32.81%外，其余各處理組小麥苗的脯氨酸含量與對照相比差異均不顯著。說明鉛鉻單一脅迫在短時間內(nèi)不足以對小麥造成嚴重危害，因此小麥體內(nèi)脯氨酸含量的積累尚不明顯。

2.3 鉛鉻脅迫3 d對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

處理后3 d，處理3、處理4、處理5和處理7四個處理組的小麥苗脯氨酸含量較對照顯著升高，分別為對照的2.7倍、2.0倍、2.1倍和2.5倍，其余各處理脯氨酸含量與對照相比差異不顯著。說明隨著時間的延長，鉛鉻對小麥幼苗毒害效應(yīng)增大，小麥體內(nèi)脯氨酸大量積累，以緩解重金屬脅迫對小麥幼苗的毒害。鉻單一脅迫下，濃度越高，脯氨酸含量積累越多，而鉛鉻復(fù)合脅迫下的脯氨酸含量介于單一鉛鉻脅迫處理之間，說明鉛鉻共存，弱化了二者的作用。

圖1 鉛鉻脅迫1 d對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

圖2 鉛鉻脅迫3 d對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

圖3 鉛鉻脅迫5 d對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

2.4 鉛鉻脅迫5 d對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

鉛鉻處理后5 d，與對照相比，處理3、處理4、處理5和處理7四個處理組的小麥脯氨酸含量依然顯著升高，分別為對照的3.3倍、2.8倍、2.7倍和3.5倍，其余各處理脯氨酸含量與對照相比差異不顯著。單一脅迫下，鉻的毒害作用隨著濃度的升高而增大，小麥脯氨酸含量也隨之升高。復(fù)合脅迫組處理的小麥脯氨酸含量依然介于單一鉛鉻脅迫處理之間。說明隨著時間的延長，鉻和鉛共存，彼此抑制，弱化了二者的毒害作用。

2.5 鉛鉻脅迫7 d對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

鉛鉻處理后7 d與處理后5 d脯氨酸含量變化趨勢相同，處理3、處理4、處理5和處理7四個處理組的小麥脯氨酸含量分別為對照的6.2倍、3.6倍、3.1倍和4.6倍，其余各處理脯氨酸含量與對照相比差異不顯著。

圖4 鉛鉻脅迫7 d對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

3 討論

植物在種子萌發(fā)和幼苗階段對環(huán)境脅迫相對比較敏感，周希琴等［14］研究發(fā)現(xiàn)鉻毒害降低玉米種子發(fā)芽率，抑制玉米幼苗生長，降低植株鮮重和干重，且不同品種間存在顯著或極顯著差異。鎘和鋅能明顯抑制番茄種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和根的伸長，降低植株高度［15］。我們的研究也發(fā)現(xiàn)不同濃度的鉛鉻溶液處理后小麥種子的發(fā)芽率、相對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和相對發(fā)芽指數(shù)與對照相比均呈下降趨勢，而且小麥的株高、根長、鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量明顯降低。說明重金屬脅迫對植物的萌發(fā)和生長有明顯的抑制作用。

脯氨酸是植物體內(nèi)抵抗逆境脅迫的重要性滲透物質(zhì)，在逆境脅迫條件下，植物會積累大量的脯氨酸以保護其免受滲透脅迫傷害的作用。脯氨酸的積累量與植物對逆境環(huán)境的抗性有關(guān)［16］，脯氨酸的積累也是植物在逆境脅迫下產(chǎn)生的一種適應(yīng)性反應(yīng)。張浩等［17］研究的不同土壤類型重金屬脅迫對煙葉脯氨酸含量的影響發(fā)現(xiàn)，煙葉脯氨酸含量隨重金屬Pb濃度的增加而增加，而Cd、Hg、As對煙葉脯氨酸含量表現(xiàn)為低濃度時的抑制作用和高濃度時的積累作用。王曉蘭等［18］以彎囊苔草（Carex dispalata）為材料研究證明該植物可通過調(diào)節(jié)體內(nèi)游離脯氨酸的含量來抵抗Cu2+脅迫。覃光球等［19］研究發(fā)現(xiàn)，秋茄幼苗葉片中的脯氨酸含量均隨著Cd脅迫濃度的增加出現(xiàn)不同程度先升后降的趨勢，脯氨酸可以作為秋茄對Cd污染的檢測指標。本研究結(jié)果表明，鉛鉻單一及復(fù)合污染脅迫下，小麥體內(nèi)脯氨酸大量積累，這對緩解重金屬對小麥幼苗的毒害具有重要意義，脯氨酸含量的變化可以作為監(jiān)測鉛鉻脅迫的指標之一。這也說明植物對重金屬的抗性機理不僅與植物和重金屬的種類有關(guān)，而且與脅迫的重金屬的質(zhì)量濃度以及脅迫時間有關(guān)，鉛鉻污染脅迫對小麥不同品種以及不同作物的影響也將作進一步的研究，以豐富重金屬復(fù)合污染脅迫的相關(guān)理論，為鉛鉻脅迫的植物修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

研究發(fā)現(xiàn)，鉛鉻單一脅迫下，鉻處理組小麥苗中脯氨酸含量變化幅度明顯比鉛處理組大，而且隨著鉻濃度的增加和脅迫時間的延長，小麥體內(nèi)脯氨酸含量也隨之增高。實驗所用鉛用量明顯高于鉻用量，但鉻對小麥萌發(fā)和生長以及脯氨酸含量的影響卻遠遠大于鉛對其的影響，說明小麥幼苗對鉻脅迫較為敏感，這可能是因為環(huán)境中毒性較強的Cr（VI）遷移能力強，而且具有較高的活性，進入植物體內(nèi)干擾了離子間原有的平衡系統(tǒng)，致使植物代謝過程紊亂；而鉛進入植物細胞后，與細胞中過剩的非蛋白巰基結(jié)合，形成不溶性絡(luò)合物，或者以鉛晶體緩慢地積累在細胞壁上，呈密布的微粒沉積下來，而微粒中的鉛在生理上的作用是惰性的，因而在實驗條件下顯示的影響較?。?0］。以往的研究也有相同的結(jié)論，認為可能是由于Pb的移動性較差，進入植物根部后較快淀積而失去活性［21-23］。

重金屬復(fù)合污染對植物的影響是一種綜合效應(yīng)，植物對重金屬元素的吸收受共存元素影響的大小取決于共存元素的濃度，元素間的加和、拮抗或協(xié)同作用取決于元素的濃度組合，在某一點上共存元素對重金屬元素的拮抗或協(xié)同作用最強［22］。我們的研究發(fā)現(xiàn)鉛鉻復(fù)合脅迫處理的小麥脯氨酸含量介于單一鉛鉻脅迫處理之間，在實驗所設(shè)條件下鉛鉻共存為何會產(chǎn)生拮抗作用還需要深入研究。

4 結(jié)論

鉛鉻單一及復(fù)合脅迫均使得小麥種子萌發(fā)率降低，幼苗株高、根長降低，鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量減少；鉛鉻處理1 d后，僅復(fù)合脅迫100 mg/L Pb+100 mg/L Cr處理組小麥脯氨酸含量較對照顯著升高，而鉛鉻處理3、5和7 d后，100 mg/L Cr、50 mg/L Cr、200 mg/L Pb+100 mg/L Cr、100 mg/L Pb+100 mg/L Cr這4個處理組的小麥脯氨酸含量較對照均顯著升高。小麥幼苗對鉻脅迫較敏感，脯氨酸含量的變化可以作為監(jiān)測植物鉛鉻脅迫的指標之一。

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（責任編輯 馬鑫）

The Effects of Lead and Chromium Stresses on Seed Germination and Proline Content in Wheat Seedlings

Yang Wenling Yue Dandan Li Guanjie Liu Yingying Ning Meng Liu Li Gong Tao
Wang Jiwen Chen Guocan
（Institute of Biology，Limited Liability Company，Henan Academy of Sciences，Zhengzhou 450008）

The aim was to explore the toxic effects of lead and chromium stresses on wheat and the influence of them on wheat proline. Treating wheat with different concentrations of lead and chromium was used to study the effects of single lead and chromium stress or combination of them on the proline content in wheat seedlings and wheat seed germination. The results showed that the seed germination rate， seedling height，root length， fresh weight and dry biomass all decreased under lead and chromium stresses in both single and combination. The proline content in each treatment group increased comparing with that in the control group at 1 d after treatment， especially under combined 100 mg/L Pb + 100 mg/L Cr stress， the proline content increased 32.81% compared with the control. The proline content in the wheat seedlings treated with 100 mg/L Cr，50 mg/L Cr， 200 mg/L Pb + 100 mg/L Cr and 100 mg/L Pb + 100 mg/L Cr showed a significant increase by 3 d， 5 d， 7 d after treatment when compared to the untreated control. No significant changes were observed for proline content in the other treatment groups. In conclusion， lead and chromium stresses inhibited wheat seed germination and seedling growth， and increased proline content in wheat. Therefore， it is suggested that the proline content in wheat may be used as one of the indicators to monitor lead and chromium stress.

lead；chromium；seed germination；proline；toxic effect

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.12.016

2015-03-23

河南省科技開放合作項目（132106000056）

楊文玲，女，博士，助理研究員，研究方向：環(huán)境污染修復(fù)；E-mail：wlyang0130@163.com

陳國參，男，碩士，研究員，研究方向：生物技術(shù)；E-mail：swschenggc@sina.com