胡鐵柱，孫海燕，楊 靖，游晴晴，茹振鋼

(河南科技學院 小麥中心/現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心 小麥分中心，河南 新鄉(xiāng) 453003)

重金屬污染已成為當前生態(tài)健康關注的熱點問題。據(jù)估測，我國受重金屬污染的耕地面積超過2 000萬hm2，每年因此造成的糧食減產達1 000萬t，重金屬污染的糧食達1 200萬t，合計農業(yè)損失200億元以上[1-4]。隨著采礦業(yè)、冶煉工業(yè)的發(fā)展和含鉛(Pb)涂料、紙張、汽油、炸藥等的生產使用及城市污水的排放等，Pb已成為土壤污染中主要的重金屬元素之一[5-6]。大量的Pb進入土壤后，受其毒害嚴重的作物不能正常生長，影響作物產量和質量，更嚴重的會進一步通過食物鏈影響人體健康[7-9]。因此，深入研究Pb對作物的危害顯得尤為緊迫和重要，一方面，明晰Pb對農作物的危害機制，采取適當措施，降低其危害；另一方面，培育和應用某些Pb低富集作物品種，降低糧食和蔬菜的Pb積累，對提高作物食用安全有重要意義[10-11]。

Pb能擾亂植物對礦質營養(yǎng)元素的吸收，對植物光合作用也會產生嚴重的負面影響[12-14]。小麥(Triticumaestivum)是我國重要的糧食作物。目前，關于重金屬對小麥的影響研究主要集中在小麥種子或幼苗的生理指標、生物學性狀以及抗氧化酶活性等方面[8，15-18]，而對小麥幼苗必需礦質元素積累以及光合作用的影響研究尚未見報道。小麥幼苗是其成株期性狀表現(xiàn)的基礎，鈣(Ca)、鐵(Fe)、鉀(K)和鎂(Mg)等礦質元素既是其生長所必需元素，也是人類日常飲食的重要組成部分[19]。為此，以Pb高積累和低積累型小麥幼苗為材料，研究Pb對小麥光合特性、根系生長、抗氧化特性及Ca、Fe、K、Mg積累的影響，為了解Pb的毒性效應及Pb積累對礦質元素吸收的影響提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為從200多份材料中篩選出的苗期Pb低積累型小麥品系CL0442和高積累型品系MSK39，均由河南科技學院小麥中心提供。

1.2 小麥培養(yǎng)和Pb處理

試驗在河南科技學院小麥中心實驗室進行。將小麥種子于室溫發(fā)芽，7 d后挑選長勢一致的幼苗移栽至裝有Hoagland’s營養(yǎng)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。參考生態(tài)環(huán)境部農用地土壤污染風險管控標準(GB 15618—2018)，向營養(yǎng)液中添加Pb(NO3)2，使其終濃度分別為0(對照)、3.86(處理1)、7.72(處理2)mol/L。每個處理48株，每14 d換一次營養(yǎng)液。培養(yǎng)49 d后進行光合特性、酶活性、根系生長特性及Pb、Ca、Fe、K、Mg含量測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 光合特性 采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定小麥第3片葉凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等。測定光為自然光，每處理3次重復，每重復測定3次。

1.3.2 抗氧化特性 取小麥葉片和根系，分別采用相應試劑盒(蘇州科銘生物技術有限公司生產)測定過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量。

1.3.3 Ca、Fe、K、Mg含量 取小麥幼苗植株，置烘箱中70 ℃烘干至恒質量，用千分之一電子天平分別稱量0.500 g地上部分干燥樣品，在40 mL四氟坩堝中加入12 mL硝酸∶高氯酸=3∶1混合液消解12 h；在電熱板(不超過170 ℃)上加熱約4 h，冷卻后用3%的硝酸定容至25 mL，搖勻待用。用美國PE公司生產的Optima 2100DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定Pb、Ca、Fe、K、Mg含量。

1.3.4 根系生長特性 取長勢一致的小麥幼苗10株，用EPSON PERFECTION 4990 PHOTO掃描根系，用WinRHIZO Pro 2007d軟件分析總根長及根平均直徑、總表面積、總體積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2013和SAS 8.01進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 Pb對不同Pb積累型小麥幼苗光合特性的影響

從表1可以看出，Pb對Pb低積累型小麥品系CL0442和高積累型小麥品系MSK39幼苗光合特性的影響不同。對于Pb低積累型小麥品系CL0442，與對照相比，處理 1凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率變化不顯著，處理 2顯著下降，且處理2顯著低于處理1，表明3.86 mol/L的Pb對CL0442的光合作用沒有明顯抑制作用，當濃度達 7.72 mol/L時則顯著抑制其光合作用；對于Pb高積累型小麥品系MSK39，對照和處理 2凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均顯著低于處理 1，表明3.86 mol/L 的Pb不會對其光合作用造成脅迫，反而有促進作用。

注：不同小寫字母表示同一品系不同處理之間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 Pb對不同Pb積累型小麥幼苗根系生長的影響

由表2可知，與對照相比，營養(yǎng)液中添加Pb(NO3)2后，Pb低積累型小麥品系CL0442的總根長及根總表面積、總體積均呈降低趨勢，處理1、2均顯著低于對照，而平均直徑變化不顯著；Pb高積累型小麥品系MSK39的根總表面積、總體積、平均直徑均以處理 1 最大，顯著高于對照和處理 2(平均直徑除外)，總根長表現(xiàn)為處理1顯著高于處理2，但與對照間的差異不顯著。

表2 不同Pb處理小麥幼苗根系性狀

2.3 Pb對不同Pb積累型小麥幼苗抗氧化特性的影響

如表3所示，對于Pb低積累型小麥品系CL0442，處理1和處理2幼苗根的POD、CAT活性和MDA含量均顯著高于對照(POD活性除外)，葉片中POD活性隨Pb濃度的增加而增加，CAT活性和MDA含量隨Pb濃度的增加總體呈降低趨勢。對于Pb高積累型小麥品系MSK39，其葉片和根POD、CAT活性和MDA含量在3個處理下均無規(guī)律性變化。葉片和根POD活性均表現(xiàn)為處理1顯著低于對照和處理2，對照和處理2間差異均不顯著。葉片和根CAT活性均表現(xiàn)為處理1高于對照和處理2，處理2低于對照。葉片MDA含量表現(xiàn)為處理1高于對照和處理2，處理2與對照間差異不顯著；

表3 不同Pb處理小麥幼苗抗氧化特性

根MDA含量表現(xiàn)為對照高于處理1、2，處理1、2間差異不顯著。表明不同Pb積累型小麥幼苗對Pb的響應不同，具有不同的保護系統(tǒng)。

2.4 Pb對不同Pb積累型小麥幼苗植株Ca、Fe、K、Mg積累的影響

如表4所示，對于Pb低積累型小麥品系CL0442，處理 1 植株Ca、Fe、Mg含量最高，較對照和處理2分別提高34.39%～39.23%和2.99%～31.07%；處理1、2的K含量分別較對照降低27.02%、20.79%，但處理1和處理2間的差異不顯著。對于Pb高積累型小麥品系MSK39，對照Ca、Fe、K、Mg含量最高，隨著營養(yǎng)液中Pb濃度增加，4種元素含量均呈降低趨勢，處理1、2較對照降低11.78%～35.16%，表明Pb抑制了小麥對這些元素的吸收。無論是Pb低積累型小麥品系CL0442還是高積累型小麥品系MSK39，在處理 1、2 條件下K含量均較對照顯著降低，降幅為17.10%～29.75%，說明Pb抑制小麥對K元素的吸收。

表4 不同Pb處理小麥幼苗植株Ca、Fe、K、Mg含量 μg/g

3 結論與討論

研究表明，一定量的Pb脅迫會導致植物中營養(yǎng)元素濃度及比例發(fā)生改變，如可以顯著降低黃瓜(Cucumissativus)種苗對K、Ca、Fe、Mg的吸收，也可以明顯抑制玉米(Zeamays)對K、Ca、Mg、P的吸收[20]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，Pb高積累型小麥品系MSK39對Ca、Fe、Mg的吸收受Pb抑制；而對于Pb低積累型小麥品系CL0442，Pb對小麥吸收3種元素的影響表現(xiàn)為低濃度促進、高濃度抑制。說明小麥同其他植物一樣，較高濃度的Pb抑制其對必需礦質元素的吸收，但在低濃度時所受影響不同，可能主要是因為其基因型不同。在Pb存在的情況下，2種Pb積累型小麥幼苗中K含量均低于對照，這與用8個不同基因型成株期小麥分析的Pb對礦質元素積累影響的結果一致[17]。這可能是因為在植株中二者存在某種競爭關系，Pb的存在使K只能在葉片中少量積累，其機制需進一步研究。

Pb會對植物造成氧化脅迫，產生大量活性氧，嚴重影響植物膜系統(tǒng)的功能[12]，植物通常利用包括POD和CAT在內的復雜的抗氧化系統(tǒng)限制活性氧對細胞的損害。一定濃度下Pb脅迫能誘導植物組織中POD活性升高[21]，CAT活性受Pb毒害會有所降低[12]。MDA為植物體內膜脂過氧化的直接產物[22]，其含量水平通常可反映植株遭受逆境傷害的程度。本研究結果表明，Pb處理條件下Pb低積累型小麥品系CL0442幼苗根的POD、CAT活性和MDA含量均高于對照，葉中POD活性隨Pb濃度增加而增加，CAT活性和MDA含量卻總體呈降低趨勢。Pb高積累型小麥品系MSK39葉片和根POD、CAT活性及MDA含量在3個處理下均無規(guī)律性變化。李妍[15]研究Pb對小麥品種德抗961幼苗的影響發(fā)現(xiàn)，小麥芽長和根長均隨Pb質量濃度的增加而降低；在500 mg/L Pb脅迫下，小麥根和芽POD活性比對照增加了2.62倍和2.58倍，CAT活性則隨Pb質量濃度的增加而下降，根的下降趨勢比芽明顯，MDA含量均隨Pb質量濃度的增加而增加。這與本研究結果不完全相同，一方面可能是因為不同小麥品種對Pb表現(xiàn)出不同的生態(tài)效應，另一方面也可能是因為試驗條件不同，這反映了小麥對Pb反應的復雜性。

喬莎莎等[16]研究發(fā)現(xiàn)，無Pb脅迫與輕度及重度Pb脅迫的小麥總根長在各生育時期均達到顯著差異，在輕度Pb脅迫下，苗期總根長下降最明顯，降幅為15.9%。本研究發(fā)現(xiàn)，Pb低積累型小麥品系CL0442有類似表現(xiàn)。營養(yǎng)液中Pb濃度為3.86 mol/L和7.72 mol/L時，其總根長及根總表面積、總體積均顯著低于對照，根生長受到抑制。而對于Pb高積累型小麥品系MSK39，在較低Pb濃度(3.86 mol/L)條件下，根總表面積、平均直徑、總體積均高于對照，根系生長受到促進；在較高濃度(7.72 mol/L)條件下，總根長及根總表面積、總體積均低于對照和處理1，光合參數(shù)也最低，根系生長受到抑制。這說明對于不同類型小麥，Pb的影響并不相同。其他植物也存在類似情況[23]，只有Pb達到一定濃度才可導致植物的形態(tài)、生長、光合作用、酶活性受到抑制，擾亂植物對礦質營養(yǎng)元素的吸收[24-27]。這意味著不能僅根據(jù)小麥外表形態(tài)及生長狀況或某單一指標的變化來判斷小麥是否受到Pb污染，如果種植區(qū)域存在可能的Pb污染源，一定要加強對食用部位Pb含量的檢測，確保食品安全。

自然條件下，土壤污染危害具有顯著的場地差別性特點，不具備均一性。為了便于結果比較，試驗采取營養(yǎng)液水培的方式以控制試驗條件的一致性。另外，本研究只是分析了營養(yǎng)液條件下Pb對2種類型小麥幼苗4種必需礦質元素積累的影響，對于大田種植條件下以及成株期的情況則需要進一步研究。