陳毅凡，徐晨，張倩茹，張梅

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展和城市化的加快，土壤重金屬污染問題日漸突出［1］。根據(jù)2014年國家公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，我國土壤污染總點位超標(biāo)率為16.1%，其中重金屬Cd的點位超標(biāo)率最高，為7.0%。Cd作為土壤重金屬污染的主要來源之一，對作物的生長發(fā)育具有明顯的抑制作用，嚴(yán)重時甚至?xí)斐勺魑锼劳觯?］。因此重金屬Cd污染是制約作物生長的重要因素之一，已經(jīng)引起人們廣泛關(guān)注。小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物之一，其生長發(fā)育能否得到保障直接影響到我國的糧食安全，但是諸多研究表明，小麥對重金屬Cd的抗逆性較弱［3，4］。因此研究如何提高小麥對重金屬Cd的抗逆性具有重要的生產(chǎn)意義。

黃腐酸是一種天然的有機大分子化合物的混合物，是腐植酸的最重要組成成分，由其加工而成的新型腐植酸肥料具有改良土壤團粒結(jié)構(gòu)、增強作物抗逆性、促進肥料吸收利用的功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于小麥、水稻等作物生產(chǎn)中［5，6］。諸多學(xué)者在腐植酸類物質(zhì)增強作物抗重金屬污染的能力方面做了大量研究:李樂樂等［7］分析了腐植酸對不同品種冬小麥苗期Cd吸收和遷移特征的影響及其差異性；彭倩等［8］研究了腐植酸對汞污染稻田中甲基汞行為的影響；張子葉等［9］對腐植酸水溶肥應(yīng)用于重金屬污染稻田的效果進行了研究；孫梟瓊等［10］研究了腐植酸鈉對鎘脅迫下冬小麥種子萌發(fā)及根系生長的影響。前人關(guān)于黃腐酸提高植物抗重金屬脅迫的研究多集中于重金屬離子在植物體內(nèi)的遷移特性、種子萌發(fā)等方面，但對幼苗生長及生理指標(biāo)方面的研究較少。本試驗以濟麥22為材料，研究不同濃度黃腐酸對鎘脅迫下小麥種子萌發(fā)及幼苗生長等各項指標(biāo)的影響，以期為提高小麥對重金屬Cd污染的抗逆性及土壤重金屬污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年9—12月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院的溫室大棚內(nèi)進行。供試小麥品種為濟麥22。試驗用黃腐酸購自山東泉林嘉有肥料有限責(zé)任公司。

1.2 培養(yǎng)皿試驗

選擇籽粒飽滿的小麥種子，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的次氯酸鈉溶液消毒15 min，后用去離子水反復(fù)沖洗直至除去殘留。將種子放入培養(yǎng)箱中，28℃催芽48 h，再均勻放置于鋪有單層濾紙的培養(yǎng)皿（直徑9 cm）中。每個培養(yǎng)皿中放置小麥種子50粒。

試驗組將50 mg/L CdCl2溶液（預(yù)試驗確定）作為基礎(chǔ)溶液，設(shè)置雙蒸餾水空白對照（CK）、CdCl2溶液處理（T0）和CdCl2溶液基礎(chǔ)上分別加入25（T1）、50（T2）、100（T3）、150（T4）、200（T5）mg/L黃腐酸溶液，共計7組。重復(fù)3次，即每組3個培養(yǎng)皿，每個培養(yǎng)皿加入處理液10 mL，每天定時更換處理液，測定種子萌發(fā)數(shù)量（胚芽的長度大于等于種子長度的1/2且胚根與種子長度相等視為萌發(fā)）。

測量記錄后計算種子發(fā)芽勢（Ge）、發(fā)芽率（Gr）和發(fā)芽指數(shù)（Gi），計算公式如下:

發(fā)芽勢（Ge）＝（3 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/試驗種子總數(shù)）×100% ；

發(fā)芽率（Gr）＝（7 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/試驗種子總數(shù)）×100% ；

發(fā)芽指數(shù)（Gi）＝Σ（Gt/Dt） 。式中，Gt為第n天發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽天數(shù)。

1.3 盆栽試驗

采用盆缽培養(yǎng)法，小麥種子的消毒催芽方法同培養(yǎng)皿試驗。將催芽后種子播于裝有培養(yǎng)土的盆缽中，每盆40粒，重復(fù)3次，放置于溫室大棚中。待幼苗長至三葉期時進行處理，試驗方案見表1，共計7組。每天18∶00將黃腐酸溶液直接噴施于小麥葉片上，每次20 mL，連續(xù)噴5 d。

表1 盆栽試驗處理

處理12 d后取幼苗第2片功能葉按照趙世杰等［11］的方法進行生理指標(biāo)測定。采用分光光度法測定光合色素含量，水合茚三酮法測定游離脯氨酸含量，硫代巴比妥酸法測定可溶性糖和丙二醛（MDA）含量，紫外分光光度法測定過氧化氫酶（CAT）活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計作圖及顯著性分析。參照路旭平等［12］的方法，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)評估法，就不同濃度黃腐酸處理對鎘脅迫下小麥幼苗生理指標(biāo)的影響進行綜合評估分析。隸屬函數(shù)公式如下:

當(dāng)幼苗生理指標(biāo)與緩解鎘脅迫呈正相關(guān)時，計算公式為:

當(dāng)幼苗生理指標(biāo)與緩解鎘脅迫呈負相關(guān)時，計算公式為:

式中:U（Xi）表示隸屬函數(shù)值；Xi表示處理水平某生理指標(biāo)的測定值；Xmin和Xmax分別表示所有處理中某生理指標(biāo)測定值的最小值和最大值。最后將每個處理的各生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)值累加求平均值，進行排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度黃腐酸處理對鎘脅迫下小麥種子萌發(fā)的影響

由表2可知，與CK相比，T0處理小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別降低12.14%、43.48%、22.63%，說明50 mg/L CdCl2脅迫對小麥種子萌發(fā)具有顯著抑制作用。隨著黃腐酸濃度的增加，小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，峰值均出現(xiàn)在T2處理，分別比T0提高13.82%、85.88%、37.81%。T5處理小麥種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均顯著低于T0，說明過高濃度的黃腐酸溶液對鎘脅迫下小麥種子的活力產(chǎn)生了一定的抑制作用。

表2 鎘脅迫下不同濃度黃腐酸處理對小麥種子萌發(fā)的影響

2.2 不同濃度黃腐酸處理對鎘脅迫下小麥幼苗生理生化指標(biāo)的影響

2.2.1 對光合色素含量的影響 由圖1可知，鎘脅迫下（T0）小麥幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量以及類胡蘿卜素含量均最低。隨著黃腐酸濃度的增加，各處理光合色素含量均不斷升高，幼苗葉綠素a和葉綠素總含量均在T2處理達到峰值，葉綠素b和類胡蘿卜素含量均在T3達到峰值，之后，隨著黃腐酸濃度的增加而降低。與CK相比，T5處理幼苗葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量均未顯著降低，葉綠素總含量顯著降低11.59%。

圖1 鎘脅迫下不同濃度黃腐酸處理的小麥幼苗各類光合色素含量

2.2.2 對游離脯氨酸含量的影響 由圖2可知，在鎘脅迫下，隨著黃腐酸濃度的增加，小麥幼苗游離脯氨酸含量逐漸升高，T2處理達最高，為572.66μg/g，比T0提高62.71%；隨著黃腐酸濃度進一步提高，小麥幼苗游離脯氨酸含量則呈現(xiàn)下降趨勢，T3、T4、T5處理顯著低于T2處理。

圖2 鎘脅迫下不同濃度黃腐酸處理的小麥幼苗游離脯氨酸含量

2.2.3 對可溶性糖含量的影響 由圖3可知，相比于CK，T0處理小麥幼苗的可溶性糖含量顯著降低，下降12.14%。隨著噴施黃腐酸濃度的增加，鎘脅迫下小麥幼苗可溶性糖含量均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，峰值出現(xiàn)在T2處理。

圖3 鎘脅迫下不同濃度黃腐酸處理的小麥幼苗可溶性糖含量

2.2.4 對丙二醛含量的影響 由圖4可知，相比于CK，T0處理小麥幼苗丙二醛含量顯著增加127.52%。噴施黃腐酸濃度從零增至200 mg/L，鎘脅迫下的小麥幼苗丙二醛含量變化趨勢先下降后升高，黃腐酸濃度為50 mg/L時丙二醛含量最低。

圖4 鎘脅迫下不同濃度黃腐酸處理的小麥幼苗丙二醛含量

2.2.5 對過氧化氫酶活性的影響 由圖5可知，T0處理小麥幼苗過氧化氫酶活性為9.97 U/mg，顯著低于CK。噴施不同濃度的黃腐酸溶液后，小麥幼苗過氧化氫酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，T3處理最高，為13.83 U/mg。

圖5 鎘脅迫下不同濃度黃腐酸處理的小麥幼苗過氧化氫酶活性

2.3 不同濃度黃腐酸處理對鎘脅迫下小麥幼苗生理指標(biāo)影響的綜合評估分析

采用隸屬函數(shù)估計法對小麥幼苗的8個生理指標(biāo)進行綜合評估分析，結(jié)果（表3）表明，50 mg/L濃度的CdCl2脅迫下，各處理小麥幼苗生理指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值表現(xiàn)為T3＞T2＞T4＞CK＞T1＞T5＞T0。說明T3處理對鎘脅迫的緩解能力最強，因此，葉面噴施黃腐酸溶液的最適濃度為100 mg/L。

表3 鎘脅迫下不同濃度黃腐酸處理的小麥幼苗生理指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評估

3 討論

3.1 適宜濃度黃腐酸處理可以緩解鎘脅迫對小麥種子萌發(fā)的影響

鎘脅迫對小麥有很強的毒害作用，第一毒害作用即體現(xiàn)在抑制小麥種子萌發(fā)上［13］。張珂等［14］研究表明，高濃度鎘脅迫下小麥種子的發(fā)芽率顯著降低，種子萌發(fā)受到嚴(yán)重影響。本試驗中，50 mg/L CdCl2脅迫下小麥種子萌發(fā)受到顯著抑制，加入黃腐酸溶液后種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)等各項指標(biāo)均有不同程度的增加，說明適宜濃度的黃腐酸可以提高小麥種子對鎘脅迫環(huán)境的抵御能力；隨著黃腐酸濃度的進一步提高，各項指標(biāo)均出現(xiàn)顯著降低，濃度達到200 mg/L時發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均低于鎘脅迫處理，說明過高濃度的黃腐酸會對鎘脅迫下的小麥種子萌發(fā)產(chǎn)生一定程度的抑制作用。這與孫梟瓊等［10］的研究結(jié)果相似。

3.2 噴施適宜濃度黃腐酸可以緩解鎘脅迫對小麥幼苗生長的影響

高濃度的鎘脅迫不僅嚴(yán)重影響小麥種子萌發(fā)，更對小麥幼苗生長產(chǎn)生顯著抑制作用，當(dāng)鎘毒性達到一定程度，幼苗會出現(xiàn)萎縮、生長遲緩和根尖褪綠等中毒癥狀，甚至造成植株死亡［13，15］。本試驗表明，與雙蒸餾水對照組相比，鎘脅迫下的小麥幼苗光合色素、游離脯氨酸和可溶性糖含量等生理生化指標(biāo)均顯著降低，幼苗生長受到顯著抑制，這與賈夏［15］、樊明琴［16］、紀(jì)秀娥［17］等的研究結(jié)果相似。

光合色素含量直接影響作物的光合作用，在逆境條件下光合色素含量降低，因此光合色素含量與作物抗逆能力呈正相關(guān)［18］。本試驗表明，加入黃腐酸溶液后，小麥幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量以及類胡蘿卜素含量均顯著提高，表明黃腐酸處理可以通過提高光合色素含量來緩解鎘脅迫對小麥幼苗光合作用的抑制。這與前人研究的噴施黃腐酸緩解鎘脅迫抑制萵苣光合作用的結(jié)果相似［19］。

游離脯氨酸和可溶性糖是作物細胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，游離脯氨酸可與重金屬形成絡(luò)合物，以降低金屬離子的活性；可溶性糖可降低胞內(nèi)滲透勢，以保證水分的正常供應(yīng)，因此兩者含量的變化可以表征作物對不良環(huán)境的適應(yīng)能力［20，21］。本試驗表明，噴施適宜濃度黃腐酸溶液利于提高鎘脅迫下小麥幼苗游離脯氨酸和可溶性糖含量，緩解鎘脅迫對幼苗生長的影響，增強小麥的抗逆能力。這與前人研究胡蘿卜的結(jié)果相似［22］。

鎘的毒性機制與小麥幼苗內(nèi)活性氧（ROS）的過度產(chǎn)生有關(guān)［13］，活性氧的產(chǎn)生是有氧代謝的必然結(jié)果［23］。鎘脅迫產(chǎn)生過量的活性氧導(dǎo)致小麥體內(nèi)丙二醛含量升高，從而加劇小麥細胞膜系統(tǒng)的損傷，阻礙細胞與外界間的物質(zhì)交換和信息交流，破壞小麥正常的生理功能［24］。本試驗表明，噴施黃腐酸溶液能夠顯著降低小麥幼苗的丙二醛含量，進而減弱丙二醛對膜的損傷，保護小麥幼苗在鎘脅迫下的生長發(fā)育。這與于彩蓮［25］研究龍葵的結(jié)果相似。過氧化氫酶是抗氧化酶系統(tǒng)中最主要的酶之一，它可以控制作物體內(nèi)活性氧的積累，維持作物在逆境條件下的正常生長，因此抗氧化酶活性是測定作物逆境條件下生長的一個重要指標(biāo)［26］。本試驗表明，噴施適宜濃度的黃腐酸溶液能夠顯著提高小麥幼苗過氧化氫酶活性，說明黃腐酸能夠緩解鎘毒性，保護小麥幼苗的抗氧化系統(tǒng)。這與前人研究相似［27］。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果認為，在50 mg/L CdCl2脅迫下，隨著黃腐酸濃度的升高，小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中黃腐酸溶液的最適濃度為50 mg/L。小麥幼苗葉面噴施黃腐酸溶液的最適濃度為100 mg/L，噴施100 mg/L黃腐酸溶液顯著提高鎘脅迫下小麥幼苗光合色素、游離脯氨酸和可溶性糖含量，增強過氧化氫酶活性，進而降低丙二醛含量，從而提高滲透調(diào)節(jié)能力，增強抗氧化代謝能力，防止小麥幼苗遭受損傷。