镉胁迫对小麦生理特性的影响

刘 凤，车广波，杨春维，高秀红，石淑云，闻 洋，米小娟

(吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136000)

镉(Cd)由于其移动性强、毒性高、难降解、污染面积大而成为最为关注的重金属元素之一。在环保部2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报》中，土壤Cd 超标率居无机污染物超标率第一位[1-2]。Cd具有较强的化学活性，比其它重金属更容易进入植物体内，大量积累后会对植物体造成危害。研究表明，Cd对植物的毒害在形态上表现为茎、根生长缓慢，叶片泛黄，褶皱卷曲；生理生化上表现为光合作用和蒸腾作用受抑制、引起氧化胁迫和细胞膜损伤等。此外，研究还发现植物根系吸收的Cd最易向籽实中移动，导致植物产量减少，进而进入食物链而对人体健康构成危害，如近年来时有发生的“镉米”事件[3-6]。镉积累会降低人体对钙、磷的吸收，从而导致维生素D的代谢异常，进而引起肾脏和骨的病变，如日本曾经爆发的著名的“疼疼病”。人体摄入过量的镉及其化合物会导致“三致效应”。目前，Cd已被联合国国际环境规划署和国际劳动卫生重金属委员会列为首位研究的环境污染物，被世界卫生组织认定为优先研究的食物污染物，美国农业委员会也把Cd 列为当前最重要的一种农业环境污染物[7]。

小麦是世界上最重要的粮食作物，也是我国仅次于水稻的第二大粮食作物，其产量和品质直接影响着人类膳食水平的提高。因此，研究Cd胁迫下小麦的生长及抗氧化酶变化规律，旨在为重金属污染提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选择大小一致、饱满、健康的种子，1% H2O2消毒20min，再用蒸馏水洗净残余的消毒液，放于温箱中催芽，选取大小一致、生长健壮的幼苗，用含镉的Hoagland 培养液，置于全智能人工气候室内，培养参数为：光暗周期为12 h /12 h、有效光量子密度为270 μmol/m2/s，昼夜温度(25±1) ℃、相对湿度(75±5) %，每个处理3次重复。每天调节营养液pH 值使之维持在5.5～6.0 范围，更换营养液的周期为2天，7天处理后测各项指标。加预冷的PBS 缓冲液(到放有0.5 g小麦组织的研钵中)，4℃冰浴研磨，低温高速离心后取上清液做酶活性分析。可溶性蛋白含量，用考马斯亮蓝法测定；过氧化物酶活力用南京建成生物工程研究所提供的试剂盒测定。

1.2 数据处理

试验数据采用Excel 软件和SPSS 软件进行统计分析，并用Origin 软件进行绘图。

2 结果与讨论

2.1 Cd 胁迫下小麦生物量的变化

不同浓度 Cd 处理下小麦外观指标变化情况见图1。试验结果表明，实验组处理的株高、根长和鲜重均显著低于对照(P<0.001)，且随Cd2+浓度的升高，株高和鲜重渐次降低，Cd2+浓度越高抑制作用越明显，0.05、0.1、0.2、0.3、0.5 mmol·L-1Cd2+处理的鲜重分别比对照组降低了26.61%、28.09%、31.31%、34.17%和44.96%，株高的变化趋势与鲜重一致，抑制率分别为：16.46%、29.27%、36.59%、39.63%和51.83%.随Cd2+浓度的升高，根长降低幅度较大，比对照组减少了57.94%、67.29%、66.36%、58.88%和65.42%，说明Cd2+对于根的毒性作用较强，根对于Cd2+污染胁迫响应较敏感。

A:株高，B:根长，C:鲜重

2.2 可溶性蛋白含量

从图2可以看出5种浓度镉处理小麦的叶中可溶性蛋白含量变化总体趋势为含量显著性降低，浓度越高抑制作用越明显，分别比空白组减少了4.72%、9.78%、24.62%、30.35%和38.28%(P<0.001)，其损伤程度基本与浓度相关，呈现明显的剂量效应关系。

图2 不同浓度Cd处理下小麦可溶性蛋白含量

2.3 过氧化物酶(POD)活力

图3 不同浓度Cd处理下小麦POD 活性

POD广泛存在于植物体中，是抗氧化酶系统中活性较高的一种适应性酶，广泛参与到植物的光合作用、呼吸作用及生长素的氧化等过程中，其活性能有效的反映植物体内的代谢状况、生长发育的特点以及植物对外界环境的适应性，并且POD能转化双氧水变成无害的氧气和水，在逆境中被激活的程度最大、持续时间最长[3]。抗氧化系统清除过量的活性氧是植物体内镉解毒机理的一个重要部分。

不同浓度组的抗氧化酶POD活性变化见图3。实验表明，POD活性相对于CK组均出现明显变化，且为显著性升高(P<0.001)，增加的幅度分别为：18.98%、15.83%、35.28%、49.07%和79.09%。本研究结果提示，抗氧化酶活性对于CK组均为显著性升高，说明了目标污染物含量增加，诱导了细胞内解毒酶系统。这种发生在分子水平上的反应相对于生物的生长或繁殖而言，要敏感的监测环境质量的变化，并且更灵敏的指示污染物的生物毒性。

3 结论

随Cd2+浓度的升高，株高、可溶性蛋白含量和鲜重渐次降低，损伤程度基本与浓度相关，呈现明显的剂量效应关系。根长降低幅度较大，根对于污染胁迫响应较敏感。POD 活性显著性升高，这是Cd2+胁迫下小麦的一种防御机制，在一定程度上减轻了小麦受到的毒害作用。

参考文献

[1]倪中应,谢国雄,章明奎.镉污染农田土壤修复技术研究进展[J].安徽农学通报,2017,23(6):115-120.

[2]彭少邦,蔡 乐,李泗清.土壤镉污染修复方法及生物修复研究进展[J].环境与发展,2014,26(3):86-90.

[3]尹素真,李光德,刘明明,等.DBP和Cd复合污染对油菜的毒性作用研究[J].水土保持学报,2015,29(2):294-298.

[4]芮海云,沈振国,张芬琴.土壤镉污染对箭箸豌豆生长、镉积累和营养物质吸收的影响[J].作物杂志,2017(6):104-108.

[5]肖春文,罗秀云,田 云,等.重金属镉污染生物修复的研究进展[J].化学与生物工程,2013,30(8):1-4.

[6]Bolan N S,Makino T,Kunhikrishnan A,et al.Cadmium contamination and its risk management in rice ecosystems[J].Advances in Agronomy,2013,119:183-273.

[7]胡博华,徐 劼,段德超,等.镉胁迫下芹菜生理响应的傅里叶变换红外光谱研究[J].北方园艺,2015(15):11-16.