苯甲酸钠对复合重金属污染下小麦幼苗生理特性的影响

赵锦慧，梁潘潘，柴进丽，李　昕

(周口师范学院 生命科学与农学学院， 河南 周口 466001)

近年来，随着经济的迅速发展，重金属污染物的排放量逐年增加，特别是重金属污染物对土壤和环境带来的破坏日益严重，已引起人们的广泛关注．重金属元素是一种有毒的、潜在有害的无机污染物，通常会在土壤及生物体中富集，不易去除．重金属污染物通过各种形式进入土壤，破坏土壤和植物生长．中国大面积的土壤都受到了不同程度的重金属污染，许多地方农产品中Cu、Pb、Cd等重金属含量都已经达到临界值或超标．土壤重金属污染依然是制约农产品国际贸易和社会经济可持续发展的重大障碍之一．因此，治理现有的重金属污染是当今乃至今后都要重视和研究的问题．

苯甲酸钠 (C7H5O2Na) 是苯甲酸的钠盐，白色颗粒或结晶性粉末，无臭，微带安息香气味，在酸性食品中可以部分转化为有活性的苯甲酸，防腐机理同苯甲酸，被广泛用作保鲜剂．有关研究[1]表明，一定浓度的苯甲酸钠能促进豌豆种子的萌发和幼苗根系生长，增强各种氧化酶活性及植物的抗逆性，从而促进植物的生长发育．有关苯甲酸钠对复合重金属污染下小麦幼苗生理特性影响的研究报道很少．本实验主要研究苯甲酸钠对复合重金属污染下小麦幼苗生理指标的影响，旨在探索防腐剂苯甲酸钠是否能够缓解复合重金属对小麦造成的伤害，在生产应用上为缓解或降低重金属危害提供新方法．

1　材料与方法

1.1　实验材料

小麦(周麦18)．

1.2　试剂

氯化铜、乙酸铅、氯化镉等．

1.3　实验方法

1.3.1小麦种子的消毒及幼苗的培养

挑选无病变的小麦种子，用过氧化氢(3%)消毒 30 min，蒸馏水冲洗3次后，在室温下用清水浸泡12 h，把处理好的种子均匀撒在8个大小一致均含有等量大田土壤的托盘中，每天用清水喷洒，待7 d左右长出5片真叶进行各种处理．

1.3.2处理液的配制

配制氯化铜溶液(0.3 g/L)、乙酸铅溶液(0.3 g/L)、氯化镉溶液(0.3 g/L)、苯甲酸钠溶液(2，4，6，8，10，12 g/L)．

1.3.3各种处理设置

将培养好的小麦幼苗分为6个处理组(复合重金属+2 g/L苯甲酸钠、复合重金属+4 g/L苯甲酸钠、复合重金属+6 g/L苯甲酸钠、复合重金属+8 g/L苯甲酸钠、复合重金属+10 g/L苯甲酸钠、复合重金属+12 g/L苯甲酸钠)和1个对照组(复合重金属处理组)，每组设置3个重复．复合重金属处理组每天喷洒一定量的复合重金属溶液(3种重金属溶液的配比为1∶1∶1)；复合重金属+苯甲酸钠处理组每天除了喷洒复合重金属溶液外，还要喷洒不同浓度的苯甲酸钠溶液．采用叶面喷洒法，每天上午9:00用复合重金属溶液喷洒1次，下午19:00用苯甲酸钠溶液喷洒1次，连续喷洒5 d．待处理结束后，将小麦幼苗恢复培养1 d后，分别取对照组和各处理组小麦幼苗叶片，测定叶绿素、游离脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、可溶性蛋白含量、根系活力以及POD活性，测定值用平均数表示．

1.3.4各项生理指标测定

采用刘绚霞[2]的叶绿素含量测定方法，参考汤章城[3]的方法测定游离脯氨酸，参考刘萍[4]的方法测定丙二醛(MDA)，采用张志良[5-6]的方法测定可溶性糖、可溶性蛋白、POD活性，采用TTC法[7]测定根系活力．

2　结果与分析

2.1　各种处理下小麦幼苗叶片中叶绿素含量的变化

图1A可以看出，处理组随着苯甲酸钠浓度的增加，复合重金属污染下小麦幼苗叶片中叶绿素a含量，呈先上升后降低的趋势．2 g/L的苯甲酸钠处理比对照升高了 19.96%，4，6，8，10 g/L的苯甲酸钠处理组与对照相比，叶绿素a分别升高了 34.8%，43.9%，59.17%，26.85%；苯甲酸钠浓度>8 g/L时，随着苯甲酸钠浓度升高，叶绿素a含量逐渐下降，12 g/L的苯甲酸钠处理组其叶绿素a含量低于对照组，仅为对照的94.2%．可见苯甲酸钠浓度≤10 g/L能够促进叶绿素a的合成．这说明低浓度的苯甲酸钠对复合重金属污染下小麦生长发育有明显的刺激作用，也说明低浓度的苯甲酸钠能够缓解复合重金属对小麦的毒害作用．当苯甲酸钠浓度为8 g/L时，叶绿素a的含量达到了最高值，说明苯甲酸钠浓度为8 g/L时对复合重金属污染下小麦的缓解作用最好．从图1B可以看出，处理组随着苯甲酸钠浓度的增加，复合重金属污染下小麦幼苗叶片中叶绿素b含量，呈先上升后降低的趋势．2 g/L的苯甲酸钠处理组比对照组升高了11.3%，4，6，8，10 g/L的苯甲酸钠处理组与对照组相比，叶绿素b分别升高了 17.42%，32.43%，46.53%，24.57%，苯甲酸钠浓度>8 g/L时，随着苯甲酸钠浓度升高，叶绿素 b 含量逐渐下降．12 g/L的苯甲酸钠处理组其叶绿素b含量低于对照组，下降3.9%．可见苯甲酸钠浓度≤10 g/L能够促进叶绿素b的合成．这说明低浓度的苯甲酸钠对复合重金属污染下小麦生长发育有明显的刺激作用，也说明低浓度的苯甲酸钠能够缓解复合重金属对小麦的毒害作用．当苯甲酸钠浓度为8 g/L时，叶绿素b的含量达到了最高值，说明苯甲酸钠浓度为8 g/L时对复合重金属污染下小麦的缓解作用最好．当苯甲酸钠的浓度为12 g/L时，小麦幼苗叶片中叶绿素a和叶绿素b含量明显下降，可能因为苯甲酸钠浓度过高时，其中的钠离子对小麦幼苗的生长造成了盐胁迫，使得小麦幼苗叶片中叶绿素含量和光合速率下降[8]．

图1A　不同处理对小麦幼苗叶绿素a含量的影响

图1B　不同处理对小麦幼苗叶绿素b含量的影响

2.2　各种处理下小麦幼苗叶片中MDA含量的变化

图2　不同处理对小麦幼苗叶片MDA含量的影响

通过图2可以看出，未喷洒苯甲酸钠溶液的复合重金属处理组(对照组)，其小麦幼苗叶片中MDA含量最高，说明复合重金属处理对小麦幼苗造成了较强的氧化损害．2，4，6，10 g/L的苯甲酸钠处理组与对照组相比，丙二醛含量分别下降了10.57%，11.27%，15.42%，8.71%；8 g/L的苯甲酸钠处理组与对照组相比，丙二醛含量下降明显，为30.95%；这说明8 g/L的苯甲酸钠能够最大程度地缓解复合重金属胁迫对小麦幼苗的毒害，12 g/L的苯甲酸钠处理组与对照组相比，丙二醛含量上升了3.82%，说明12 g/L的苯甲酸钠会加重小麦幼苗受到的伤害．

2.3　各种处理下小麦幼苗叶片中POD活性的变化

由图3可知，喷洒苯甲酸钠溶液的处理组与对照组相比，随着苯甲酸钠浓度的增加，小麦幼苗叶片中POD活性先增强后减弱．喷洒2 g/L的苯甲酸钠溶液时，与对照组相比，小麦幼苗叶片中POD活性变化不明显，增加了8.9%，喷洒6，8 g/L的苯甲酸钠处理组与对照组相比，POD活性明显增加，分别为33.1%，66.6%．这表明一定浓度的苯甲酸钠能够通过提高POD活性来缓解Cu+Pb+Cd对小麦幼苗造成的伤害．喷洒12 g/L的苯甲酸钠处理组与对照组相比，POD活性下降了3.2%，可能是由于喷洒高浓度的苯甲酸钠造成膜脂的过氧化作用，诱发膜损伤和酶结构变化，导致POD活性下降．

图3　不同处理对小麦幼苗叶片POD活性的影响

2.4　各种处理下小麦幼苗叶片中可溶性糖含量的变化

图4　各种处理对小麦幼苗叶片中可溶性糖含量的影响

从图4可知，喷洒苯甲酸钠溶液的处理组与对照组相比，可溶性糖含量先增加后减少．喷洒2，4，6，8，10，12 g/L的苯甲酸钠后，与对照组相比，小麦幼苗叶片中可溶性糖含量分别变化了11.4%，25.1%，35.7%，59.3%，23.3%，-7.3%．苯甲酸钠处理浓度为8 g/L时，可溶性糖含量明显增加，苯甲酸钠处理浓度为12 g/L时，可溶性糖含量反而降低．可能因为高浓度的苯甲酸钠对小麦幼苗造成了盐胁迫，不仅抑制糖的合成，而且加剧糖的降解，最终导致可溶性糖含量降低．

2.5　各种处理下小麦幼苗叶片中可溶性蛋白含量的变化

图5　各种处理对小麦幼苗叶片中可溶性蛋白含量的影响

在参与和调节细胞新陈代谢的过程中，蛋白质发挥着极其重要的作用，植物不同其所含蛋白质的种类和数量也不同．由图5可知，未喷洒苯甲酸钠溶液的复合重金属处理组(对照组)，小麦幼苗叶片中可溶性蛋白含量最低．喷洒苯甲酸钠溶液浓度为2，4，6，8，10，12 g/L时，与对照组相比，小麦幼苗叶片中可溶性糖含量分别增加了4.9%，11.5%，25.8%，27.4%，11.9%，66.9%．其中喷洒8 g/L的苯甲酸钠溶液的处理组，小麦幼苗叶片中可溶性蛋白含量增加最显著，同时这些数据证明了苯甲酸钠能诱导植物体合成蛋白质以抵抗不良环境．

2.6　各种处理下小麦幼苗叶片中游离脯氨酸含量的变化

脯氨酸是植物在逆境胁迫下积累的一种氨基酸．由图6可知，未喷洒苯甲酸钠溶液的复合重金属处理组(对照组)，小麦幼苗叶片中游离脯氨酸含量最低．喷洒苯甲酸钠溶液浓度分别为2，4，6，8，10，12 g/L时，与对照组相比，小麦幼苗叶片中游离脯氨酸含量分别增加了16.4%，25.0%，33.3%，53.7%，33.9%，13.7%，其中喷洒8 g/L的苯甲酸钠溶液时，游离脯氨酸含量增加最明显．这说明一定浓度苯甲酸钠能够缓解复合重金属胁迫对小麦幼苗植株造成的伤害．

图6　各种处理对小麦幼苗叶片游离脯氨酸含量的影响

2.7　各种处理下小麦幼苗根系活力的变化

图7　各种处理对小麦幼苗根系活力的影响

TTC还原力反映细胞内总脱氧酶活性，是代谢活力的重要指标．由图7可以看出，复合重金属污染下小麦幼苗根系活力随着苯甲酸钠喷施浓度的增加，呈现先升高后降低的趋势．苯甲酸钠喷施浓度为8 g/L时，与对照组相比，小麦幼苗根系活力增加了357.1%，说明适宜浓度的苯甲酸钠溶液处理能够使小麦幼苗保持较高的根系吸收、运输的功能．苯甲酸钠喷施浓度为12 g/L时，与对照组相比，小麦幼苗根系活力降低了13.3%，可能因为苯甲酸钠浓度过高会使小麦根系受到损伤，导致根系活力下降．

3　结论与讨论

3.1　结论

本实验研究结果表明：在复合重金属胁迫下，通过喷施2，4，6，8，10，12 g/L的外源苯甲酸钠溶液，小麦幼苗叶片内叶绿素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量均呈现先增加后减少的趋势，POD活性和根系活力呈现先增强后减弱的趋势，丙二醛含量呈现先减少后增加的趋势．苯甲酸钠喷施浓度为8 g/L时，叶绿素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量达到最大值，POD活性和根系活力表现最强，丙二醛含量降到最低．

3.2　讨论

本实验处理小麦幼苗的复合重金属包括Cu、Pb、Cd．铜是植物必需元素，它是多酚氧化酶等多种酶的活性成分，这些酶参与电子传递和氧化反应[9-12]．铜的缺乏或过量都会对植物的生长产生毒害作用，严重时可导致植株死亡[13]．镉是植物非必需元素，但是极易被植物吸收．过量的镉对植物生长产生抑制作用，使细胞膜受到损伤，进而使植株死亡[14]．铅是植物的非必需元素，植物从环境中吸收过量铅后，过量的铅会破坏植物体内保护酶系统的动态平衡，使酶变性、失活，进而对植物生长发育产生毒害作用．有研究表明[15]，铅可以影响植物根尖细胞的分裂，从而抑制根系生长，并使根的形状发生改变，根变得更短和更粗，根尖圆钝、膨大或畸形．铅还可以减弱和阻碍作物吸收水分和无机盐，继而影响植物地上部分的生长，最终会导致减产[16]．

逆境胁迫下膜脂过氧化产物(MDA)含量增加，MDA的增加可能是蛋白质在过氧化过程中被损害[17-18]．本实验结果表明：喷洒浓度小于10 g/L的苯甲酸钠溶液能够缓解Cu+Pb+Cd对小麦幼苗细胞膜伤害．喷施高浓度苯甲酸钠溶液则打破了细胞膜的电势平衡，改变了细胞的质膜透性，对维持小麦幼苗细胞膜的完整性起到负面效应．

POD是一种氧化还原酶，广泛分布于植物的叶绿体中，其主要功能是保护植物细胞防止活性氧伤害．本实验结果显示，外施苯甲酸钠溶液后，小麦幼苗叶片中POD活性明显增强，这说明防腐剂苯甲酸钠能够通过提高小麦幼苗体内POD活性来缓解Cu+Pb+Cd对小麦幼苗植株造成的伤害．

植物体未受到任何胁迫时脯氨酸含量低，在Cu+Pb+Cd胁迫下，细胞渗透压发生转变．外施苯甲酸钠溶液能促进小麦幼苗体内游离脯氨酸的生成，游离脯氨酸增加，提高了小麦的渗透调节能力，降低了复合重金属胁迫对小麦幼苗造成的伤害．这说明苯甲酸钠能够增强小麦对不良环境的抵抗力．

可溶性糖是植物生长发育的重要调节物质，它不仅是营养物质和结构物质，而且参与植物的渗透调节．它作为信号物质通过渗透调节来降低水势，使其维持较高渗透压，保证细胞的正常生理功能．本研究结果表明，外施适宜浓度的苯甲酸钠溶液后，可溶性糖含量明显增加，表明喷洒苯甲酸钠溶液能缓解小麦由复合重金属胁迫造成的生理代谢不平衡，细胞内积累的大量的可溶性糖，能够增强小麦对环境的适应能力．

可溶性蛋白含量的高低可以评价植物抵御外界逆境胁迫能力．喷洒低浓度的苯甲酸钠溶液，可以刺激植物机体合成蛋白质以抵御不良环境；另外，喷洒高浓度的苯甲酸钠溶液，复合重金属胁迫下小麦幼苗中可溶性蛋白含量降低．可能是由于细胞内水解酶高于合成酶，导致可溶性蛋白含量降低．

根系活力反映植株的生长能力．喷洒低浓度的苯甲酸钠溶液，复合重金属胁迫下小麦幼苗根系活力明显增强，说明低浓度的苯甲酸钠溶液能够缓解复合重金属对小麦的伤害，维持小麦根系吸收和运输功能．喷洒高浓度的苯甲酸钠溶液，复合重金属胁迫下小麦幼苗中根系活力下降，可能是由于高浓度的苯甲酸钠溶液使根系受到损伤，导致根系活力下降．

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