解淀粉芽孢杆菌HM618对镉胁迫下小麦幼苗生长的影响

庞亚琴 ，任彩婷 ，徐秋曼

（1.天津师范大学生命科学学院，天津 300387；2.天津师范大学天津市动植物抗性重点实验室，天津300387）

重金属镉在作物体内积累会产生毒害作用，严重阻碍其生长发育，进而影响作物的产量和品质[1].因此，如何缓解植物镉胁迫一直是农业生产领域的研究热点.Wang等[2]研究发现，抗坏血酸能够通过NO信号通路介导小麦幼苗对镉胁迫的耐受性，促进根的生长并维持活性氧平衡和降低Cd吸收；Basalah等[3]发现NO和水杨酸能够通过诱导抗氧化酶活性和促进保护剂脯氨酸的积累，保持植物体内营养物质的动态平衡、减少丙二醛（MDA）积累和光合色素的变化，减缓Cd胁迫对植物的毒害；宋敏等[4]发现，外源施加脯氨酸能够使遭受镉胁迫小麦幼苗的根长、株高、干重、叶绿素和类胡萝卜素含量恢复到对照水平，抗坏血酸、内源游离脯氨酸含量和SOD活性上升，镉积累量下降.微生物制剂也能够缓解植物重金属胁迫.解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）是一种与枯草芽孢杆菌亲缘性很高的植物根际促生菌（PGPR），PGPR是一类定殖于植物根系、能够促进植物生长和抵抗胁迫的益生细菌.解淀粉芽孢杆菌在生长过程中可产生具有广泛抑制真菌和细菌活性的代谢产物，目前关于解淀粉芽孢杆菌的研究多围绕这一内容进行[5].关于解淀粉芽孢杆菌对植物生长的促进作用也有少量报道：如刘拴成等[6]研究发现，解淀粉芽孢杆菌可以提高玉米生长和产量；杨晓云等[7]研究表明，解淀粉芽孢杆菌能够增加番茄植株的叶绿素和胡萝卜素含量并增强根系活力.

小麦是我国主要的粮食作物之一，土壤重金属污染严重威胁了小麦农业生产.陈淋[8]研究发现，解淀粉芽孢杆菌能够通过调控多个基因的表达促进植物对盐胁迫的耐受能力，如叶绿素、光合速率、脱落酸、渗透调节物质、抗氧化酶等.本研究以小麦幼苗为实验材料，将不同量的解淀粉芽孢杆菌HM618菌株发酵液作用于镉胁迫下的小麦幼苗，分析其生长和生理指标的变化，探讨解淀粉芽孢杆菌缓解小麦物重金属镉胁迫的效应，为深入探究解淀粉芽孢杆菌对植物重金属胁迫缓解效应的生理和分子机制提供实验依据.

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌株

解淀粉芽孢杆菌HM618（Bacillusamyloliquefaciens HM618，CGMCC7097），由天津大学化工学院程景胜课题组提供.

1.1.2 植物材料

小麦（Triticum aestivum L.）为“鲁麦 22种子”，由天津师范大学天津市动植物抗性重点实验室提供.

1.2 处理液配制和幼苗培养

1.2.1 处理液配制

分别取500 mL不同质量浓度的CdCl2与不同体积的解淀粉芽孢杆菌HM618发酵液配制成12个处理组.处理组A1～A4的配方：CdCl2的质量浓度为0 mg/L，HM618发酵液的体积分别为0、10、20、40mL；处理组B1～B4的配方：CdCl2的质量浓度为20 mg/L，HM618发酵液的体积分别为0、10、20、40mL；处理组C1～C4的配方：CdCl2的质量浓度为80 mg/L，HM618发酵液的体积分别为0、10、20、40 mL.

1.2.2 幼苗培养及处理

将小麦种子用质量分数为10%的次氯酸钠溶液浸泡30 min，冲洗3～5次后再用蒸馏水浸种12 h.将预处理的种子腹沟向下，整齐排列在直径为12 cm、垫有2层滤纸的培养皿中，每皿40粒种子避光，蒸馏水培养.待幼苗长至一叶一心时，分别用1.2.1中的处理液进行处理，每个处理重复2次.

1.3 测定

1.3.1 生长指标

培养5 d后，每个处理组随机选取10株幼苗，测量根长和株高.

1.3.2 生理指标

用体积分数为95%的乙醇溶液提取叶绿素，采用紫外分光光度法[9]测定含量；采用考马斯亮蓝法[10]测定可溶性蛋白含量；采用蒽酮法[11]测定可溶性糖含量；采用酸性茚三酮法[12]测定游离脯氨酸含量；采用硫代巴比妥酸法[13]测定丙二醛含量.测定时每种处理均设置3个重复，取平均值.

1.4 数据处理

采用SPSS17.0软件进行数据处理，采用Excel2003软件作图.

2 结果与分析

2.1 HM618对镉胁迫下小麦幼苗生长的影响

用12种处理液培养小麦幼苗5 d后，测量其生长指标，结果如表1所示.由表1可以看出，随着CdCl2处理浓度的增加，小麦幼苗的根长和株高均显著降低，即CdCl2胁迫抑制了小麦幼苗的生长.在没有镉胁迫的情况下（A1～A4），HM618发酵液能够显著促进株高（P＜0.05），对根长没有促进作用.在20mg/L CdCl2胁迫下，同不用发酵液处理相比，用10、20、40mL的发酵液处理小麦幼苗，根长分别增加了1.12%、8.50%和15.46%，株高分别增加了1.93%、24.18%和18.86%.在80 mg/L CdCl2胁迫下，与不用发酵液处理相比，用10、20、40 mL的发酵液处理小麦幼苗，根长分别增加了24.57%、39.31%和43.24%，株高分别增加了14.86%、20.42%和28.19%.由此可见，镉胁迫越严重，解淀粉芽孢杆菌HM618发酵液对小麦幼苗受毒害的缓解效果越明显，尤其是对于根部生长的促进作用效果显著.

表1 不同处理组中小麦幼苗的根长和株高Tab.1 Root length and plant height of wheat seedlings in different groups cm

2.2 HM618对镉胁迫下小麦幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素含量能够直接反映出植物光合作用强度.测量不同处理组中小麦幼苗的叶绿素含量，结果如图1所示.

图1 不同处理组中小麦幼苗的叶绿素含量Fig.1 Content of chlorophyll in wheat seedlings in different groups

由图1可以看出，随着CdCl2胁迫浓度的增加，小麦幼苗叶绿素含量逐渐降低（P＜0.05），即CdCl2胁迫会抑制叶绿素合成.在没有镉胁迫的情况下，对小麦幼苗单独施加解淀粉芽孢杆菌时，叶绿素含量有轻微增加（P＞0.05）.在20 mg/L CdCl2胁迫下，与不用解淀粉芽孢杆菌发酵液处理相比，用10、20、40 mL的发酵液处理小麦幼苗，叶绿素含量分别增加了8.04%、16.30%和 22.47%（P＜0.05）.在80 mg/L CdCl2胁迫下，与不用发酵液处理相比，用10、20、40 mL的发酵液处理小麦幼苗，叶绿素含量分别增加了10.05%、16.33%和30.03%.由此可见，解淀粉芽孢杆菌对镉胁迫下小麦幼苗叶绿素含量的降低有缓解作用，且发酵液越多效果越好.

2.3 HM618对镉胁迫下小麦幼苗可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质和营养物质.测量不同处理组中小麦幼苗的可溶性蛋白含量，结果如图2所示.

图2 不同处理组中小麦幼苗的可溶性蛋白含量Fig.2 Content of soluble protein in wheat seedlings in different groups

由图2可以看出，随着CdCl2胁迫浓度的增加，小麦幼苗叶片可溶性蛋白含量逐渐降低（P＜0.05）.在没有镉胁迫的情况下，用HM618发酵液处理小麦幼苗时，叶片可溶性蛋白的含量会显著降低（P＜0.05）.与不用发酵液处理相比，用10、20、40 mL的发酵液处理小麦幼苗时，20 mg/L CdCl2胁迫组中叶片可溶性蛋白含量分别增加了13.15%、16.59%和40.17%（P＜0.05）；80 mg/L CdCl2胁迫组中叶片可溶性蛋白含量分别增加了7.48%、15.62%和17.81%.由此可见，解淀粉芽孢杆菌对镉胁迫下小麦幼苗叶片可溶性蛋白含量的减少有缓解作用.

2.4 HM618对镉胁迫下小麦幼苗可溶性糖含量的影响

可溶性糖能够为植物生长发育提供能量和代谢中间产物，同时具有信号功能参与代谢调控.测量不同处理组中小麦幼苗的可溶性糖含量，结果如图3所示.

图3 不同处理组中小麦幼苗的可溶性糖含量Fig.3 Content of soluble sugar in wheat seedlings in different groups

由图3可以看出，随着CdCl2胁迫浓度的增加，小麦幼苗叶片可溶性糖含量逐渐增加，这可能是因为镉胁迫刺激下植物启动了自身的保护系统.镉胁迫处理下，施加10 mL的HM618发酵液使小麦幼苗的可溶性糖含量略有降低（P＞0.05）.发酵液施加量为20 mL和40 mL时，可溶性糖含量显著降低（P＜0.05），2种施加量的效果相近，差异不具有统计学意义（P＞0.05）.由此可见，解淀粉芽孢杆菌对镉胁迫下小麦幼苗叶片可溶性糖含量的增加有缓解作用.

2.5 HM618对镉胁迫下小麦幼苗脯氨酸含量的影响

脯氨酸是植物体内重要和有效的有机渗透调节物质，在一定程度上反映了植物体内的水分状况和抗逆性.测量不同处理组中小麦幼苗的脯氨酸糖含量，结果如图4所示.

图4 不同处理组中小麦幼苗的脯氨酸含量Fig.4 Content of proline in wheat seedlings in different groups

由图4可以看出，随着CdCl2胁迫程度的增加，小麦幼苗叶片中的脯氨酸含量逐渐增加，即CdCl2激发了小麦幼苗的抗逆机能.用HM618发酵液处理后，小麦幼苗叶片中的脯氨酸含量显著降低，尤其是用20 mL和40 mL的发酵液处理，脯氨酸含量显著降低.由此认为，解淀粉芽孢杆菌对镉胁迫下小麦脯氨酸含量的增加有缓解作用.

2.6HM618对镉胁迫下小麦幼苗MDA含量的影响

MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，因此可通过测定MDA了解膜脂过氧化的程度，以间接判断膜系统受损程度以及植物的抗逆性.测量不同处理组中小麦幼苗的MDA含量，结果如图5所示.

由图5可以看出，随着CdCl2胁迫浓度的增加，小麦幼苗叶片MDA含量逐渐增加，并且各处理组间差异均具有统计学意义（P＜0.05）.由此可见CdCl2胁迫会促进小麦幼苗叶片MDA的积累.无镉胁迫时，HM618发酵液对小麦幼苗叶片MDA含量作用不明显.与不用发酵液处理相比，用10、20、40mL的发酵液处理小麦幼苗时，20 mg/L CdCl2胁迫处理组中，叶片MDA含量分别降低了3.39%，8.81%和12.10%（P＜0.05）；在80 mg/L CdCl2胁迫处理组中，叶片MDA含量分别降低了6.46%、11.96%和15.69%.由此可见，解淀粉芽孢杆菌对镉胁迫下小麦幼苗叶片MDA含量的增加有缓解作用，且施加量越大效果越好.

图5 不同处理组中小麦幼苗的MDA含量Fig.5 Content of MDA in wheet seedlings in different groups

3 讨论与结论

本课题组研究了解淀粉芽孢杆菌HM618对小麦幼苗镉胁迫的缓解作用.小麦幼苗在遭受到镉胁迫时，根长和株高均显著降低，叶片内的叶绿素和可溶性蛋白含量降低，可溶性糖、脯氨酸和丙二醛含量增加.叶绿素含量是植物光合作用的重要指标[14]，镉胁迫会干扰植物体内Fe的代谢以及对Mn、Zn、Mg等矿质元素的吸收，从而使叶绿素含量下降.可溶性蛋白可作为酶参与植物体内各种代谢，是植物在逆境中重要的生理指标.镉胁迫程度较小时，植物体内会合成一些蛋白质来提高抗性；镉胁迫程度较大时，植物体内的防御体系会受到损伤，蛋白质合成受到抑制[15].可溶性糖不仅是植物的主要营养物质，还是重要的渗透调节物质.植物遭受逆境胁迫时，植物体内可溶性糖含量增加，对细胞膜、原生质体和酶类有一定的保护作用[16].几乎所有逆境都会造成植物体内脯氨酸的积累，脯氨酸在抗逆中有2个作用：一方面，作为渗透调节物质防止水分散失；另一方面，保护膜结构的完整性.镉胁迫会影响植物体内多种酶的活性，使金属硫蛋白和植物螯合肽的合成增加，从而促进胁迫蛋白和游离氨基酸的积累[17].植物在逆境受到损伤后，体内会积累过多的活性氧，产生膜脂过氧化产物丙二醛[18-19].镉胁迫使植物体内产生自由基，发生膜脂过氧化作用，从而使MDA含量显著增加[20].

对镉胁迫下的小麦幼苗施加解淀粉芽孢杆菌HM618发酵液后，叶片中叶绿素含量和可溶性蛋白含量显著增加，可溶性糖、脯氨酸和MDA含量下降.陈淋[8]研究发现，解淀粉芽孢杆菌能够提高盐胁迫下玉米和拟南芥的叶绿素含量，从而提高光合作用能力，这一点与本研究结果相同.本研究中解淀粉芽孢杆菌会降低镉胁迫下小麦幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量，这可能是由于小麦幼苗遭受轻度镉胁迫时能够调动自身抗性，增加脯氨酸和可溶性糖的合成，以抵御镉胁迫的影响.当施加解淀粉芽孢杆菌时，小麦幼苗的镉胁迫得到缓解，使得脯氨酸和可溶性糖的合成降低，具体机制需要进一步探讨.