表油菜素内酯对镉胁迫下小麦幼苗生长及生理特性的影响

尚宏芹， 高昌勇

(菏泽学院农业与生物工程学院/植物生物学重点实验室，山东菏泽 274015

农业部2014年发布的土壤污染调查公报显示，我国的耕地土壤环境质量较差，其中镉(cadmium，Cd)污染超标情况较为严重[1]。李剑睿等分析我国26个城市土壤样品的重金属含量，发现各地重金属平均含量均超过了土壤环境背景值，其中以Cd污染最为严重[2]。有研究表明，一定浓度的重金属Cd抑制植物生长发育，使植物的叶绿素含量降低，抗氧化酶活性下降，并改变细胞膜透性造成细胞损伤[3-5]。并且，Cd是一种积累性强的剧毒重金属，具有很强的致癌、致畸及致突变作用，可通过食物链进入生物体而危害人类和动物的健康[6]。由于我国人多地少，难于通过大规模土地休耕修复土壤污染来减少Cd对农作物生长的影响，因此，选择适宜的方法降低镉污染对作物生长的危害是解决问题的一种方式。油菜素内酯别称芸薹素内酯，是一种广泛存在于植物体内的天然化合物，现已发现40余种油菜素内酯类似物，统称为油菜素甾类物质(brassinosteroids，BRs)[7]。目前，BRs已被确定为调控植物生长发育的第六大激素，它能通过参与植物根和叶的细胞分裂和细胞伸长、光合作用等生理过程来促进作物生长，有效减轻逆境胁迫对植物生长的损伤[8-9]。24-表油菜素内酯(24-Epibrassinolide，EBR)是一种人工合成的高活性油菜素内酯类似物，可以提高多种逆境下多种作物的生长发育[10-12]。小麦(TriticumaestivumlinnL.)作为世界及我国的第三大粮食作物，也是我国北方的主要粮食作物，它的稳定高产对国民经济的发展具有重要的战略意义。有研究表明，一定浓度的EBR可以缓解干旱[13]、重金属汞[14]等逆境对小麦的生长发育的影响，但未见EBR对小麦镉胁迫的有关研究报道。因此，本试验以前期筛选出的镉耐性弱的“良星77”和耐性较强的“济麦22”为试验材料，研究叶面喷施不同浓度EBR对Cd胁迫下小麦幼苗生长及部分生理特性的影响，探讨EBR在小麦应答Cd胁迫中的调节作用，以期为利用EBR减轻Cd胁迫对小麦的伤害提供理论依据，同时也为深入研究EBR调控小麦Cd胁迫的机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

试验于2016年2月到6月在菏泽学院农业与生物工程学院植物学实验室进行。试验材料为“良星77”和“济麦22”2个品种小麦，种子购自山东省菏泽市种子公司。在预试验的基础上，选择CdCl2浓度为50 mg/L，24-表油菜素内酯浓度设置为0、0.001、0.010、0.100、1.000 mg/L。

选取无病虫害、大小一致、籽粒饱满的小麦种子，用10%的NaClO消毒10 min，蒸馏水反复冲洗干净，于25 ℃恒温培养箱浸种24h，然后进行催芽。挑选露白一致的小麦种子，种于发芽盒中，子叶展开后每2 d浇灌1次1/2 Hoagland营养液。培养至三叶一心期，取长势良好且生长一致的小麦幼苗于1/2 Hoagland营养液中缓苗3 d。用1/2 Hoagland营养液配制浓度为50 mg/L的CdCl2溶液作为水培液，取生长一致的小麦幼苗进行处理：(1)CK，水培液为1/2 Hoagland营养液(不含CdCl2)，叶面喷施蒸馏水；(2)水培液为用1/2 Hoagland营养液配制的50 mg/L CdCl2溶液(下同)，叶面喷施蒸馏水；(3)叶面喷施0.001 mg/L EBR；(4)叶面喷施 0.01 mg/L EBR；(5)叶面喷施0.1 mg/L EBR；(6)叶面喷施1.0 mg/L EBR。每天16：00叶面喷施EBR(或蒸馏水)，以叶片正反两面全部湿润且无液体滴下为宜，每2 d更换1次水培液。每瓶20株幼苗，3次重复，在温度20 ℃/25 ℃、光照度 4 000～4 500 lx、光—暗周期为14 h—10 h的人工气候箱(RXZ-380)中进行培养。培养10 d时取样进行生长指标和生理指标的测定。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 生长指标测定 处理10 d时，每次重复随机取10株小麦幼苗，测量株高，统计根数并称量鲜质量。

株高(cm)：用直尺测量从小麦幼苗茎基部到顶叶叶尖的长度[15]；根数：计数每棵小麦幼苗根数；地上部鲜质量和根鲜质量(g)：用蒸馏水冲洗干净，用吸水纸吸干表面水分，将小麦幼苗从根茎相接处剪开，分别用电子天平称量鲜质量。

1.2.2 生理生化指标测定 处理10 d后，取小麦幼苗相同节位叶片，蒸馏水冲洗5次后，吸水纸吸干表面水分，剪碎、混匀，用于生理指标测定，每处理重复3次。

叶绿素含量测定采用浸提法，用分光光度计测定，根系活力采用TTC法测定[16]；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法，可溶性糖含量用蒽酮法测定，具体参照李合生等的方法[17-18]。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理及作图；用DPS 7.05软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 表油菜素内酯对镉胁迫下小麦幼苗株高和根数的影响

由图1-A可以看出，与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，2个品种小麦幼苗的株高均显著下降，降幅分别为 18.0% 和12.2%。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施不同浓度EBR后，2个品种小麦幼苗的株高均基本呈先增加后下降趋势，“良星77”小麦幼苗的株高在EBR浓度为0.100 mg/L达到最大，比单独Cd2+处理增加25.4%，“济麦22”小麦幼苗的株高在EBR浓度为0.010 mg/L时达最大，比单独Cd2+处理增加19.8%，与EBR浓度为0.100 mg/L时相比不存在显著性差异，说明叶面喷施一定浓度的EBR可以促进小麦幼苗生长，以EBR浓度为0.100 mg/L为宜。

由图1-B可以看出，与对照相比，单独50 mg/L Cd处理后，2个品种小麦幼苗的根数分别增加7.71%和33.27%。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施不同浓度EBR后，2个品种小麦幼苗的根数均基本呈先下降后增加趋势，在EBR浓度为0.100～1.000 mg/L达到最大，但均与单独Cd2+处理相比不存在显著性差异，说明50 mg/L Cd2+处理能够使小麦幼苗根数增加，叶面喷施EBR浓度不能使Cd2+处理下小麦幼苗根数增加。与CK相比，0.100～1.000 mg/L的EBR处理使“良星77”小麦幼苗的根数增加，0.001～1.000 mg/L的EBR处理使“济麦22”小麦幼苗的根数增加，说明一定浓度EBR可以促进小麦幼苗根数增加，但不能使Cd2+处理下小麦幼苗的根数增加。

2.2 表油菜素内酯对镉胁迫下小麦幼苗地上部鲜质量和根鲜质量的影响

由图2-A可以看出，与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，2个品种小麦幼苗的地上部鲜质量均显著下降，降幅分别为18.2%和13.8%，“良星77”的降幅较大。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施不同浓度EBR后，2个品种小麦幼苗的地上部鲜质量均基本呈先增加后下降趋势，在EBR浓度为 0.1 00mg/L 达到最大，分别比单独Cd2+处理增加26.5%和 31.3%，“济麦22”小麦幼苗的地上部鲜质量与EBR浓度为0.010 mg/L时相比不存在显著性差异，说明叶面喷施一定浓度的EBR可以促进小麦幼苗生长，使小麦幼苗地上部鲜质量增加，以EBR浓度为0.100 mg/L为宜。

由图2-B可以看出，与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，2个品种小麦幼苗的根鲜质量均显著下降，降幅分别为16.1%和13.3%，“良星77”的降幅较大。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施不同浓度EBR后，2个品种小麦幼苗的根鲜质量均基本呈增加趋势，在EBR浓度为0.100 mg/L达到最大，分别比单独Cd2+处理增加16.1%和16.0%，说明一定浓度EBR可以缓解Cd2+处理对小麦幼苗根鲜质量的抑制。

2.3 表油菜素内酯对镉胁迫下小麦幼苗叶绿素含量和根系活力的影响

由图3-A可以看出，与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，“良星77”小麦幼苗的叶绿素含量无显著变化。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施不同浓度EBR后，“良星77”小麦幼苗的叶绿素含量最初基本不变，后增加，在EBR浓度为 0.100～1.000 mg/L时，“良星77”小麦幼苗的叶绿素含量显著增加 68.9%、71.1%。说明0.100～1.000 mg/L的EBR可以促进“良星77”小麦幼苗叶片叶绿素的合成。与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，“济麦22”小麦幼苗的叶绿素含量无显著变化。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施0.001～0.100 mg/L 的EBR后，“济麦22”小麦幼苗的叶绿素含量也无显著变化，当EBR浓度为1.000 mg/L时，“济麦22”小麦幼苗的叶绿素含量显著降低，说明高浓度EBR抑制了“济麦22”小麦幼苗叶片叶绿素的合成。

由图3-B可以看出，与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，“良星77”小麦幼苗的根系活力显著下降。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施不同浓度EBR后，“良星77”小麦幼苗的根系活力先下降后升高，在EBR浓度为0.100、1.000 mg/L 时，分别比单独Cd2+处理时增加41.9%、62.8%，说明叶面喷施0.100～1.000 mg/L的EBR可以提高“良星77”小麦幼苗的根系活力。与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，“济麦22”小麦幼苗的根系活力无显著变化。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施不同浓度0.001 mg/L的EBR后，“济麦22”小麦幼苗的根系活力变化不大，当EBR浓度为0.010、0.100、1.000 mg/L时，“济麦22”小麦幼苗的根系活力分别增加86.7%、60.0%、40.0%。说明50 mg/L Cd2+处理不显著影响小麦幼苗根系活力，但浓度为0.010～1.000 mg/L的EBR可以提高Cd2+处理下“济麦22”小麦幼苗的根系活力。

2.4 表油菜素内酯对镉胁迫下小麦幼苗渗透调节物质含量的影响

由图4-A可以看出，与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，“良星77”小麦幼苗的可溶性蛋白含量显著减少，“济麦22”的可溶性蛋白含量显著增加，说明50 mg/L Cd2+处理抑制了“良星77”小麦幼苗可溶性蛋白的合成，促进了“济麦22”小麦幼苗可溶性蛋白的合成。与单独Cd2+处理相比，叶面喷施不同浓度的EBR后，2个品种小麦幼苗的可溶性蛋白含量基本呈先增加后减少趋势，在EBR浓度为0.100 mg/L时达最大，分别比单独Cd2+处理增加37.2%、11.0%，“济麦22”的可溶性蛋白含量与EBR浓度为0.010 mg/L时相比不存在显著性差异。

由图4-B可以看出，与对照相比，单独50 mg/L Cd2+处理后，2个品种的可溶性糖含量均增加，说明50 mg/L Cd2+处理促进了2个品种小麦幼苗体内可溶性糖的合成。叶面喷施不同浓度EBR后，“良星77”小麦幼苗的可溶性糖含量先减少，后增加并保持在较高水平，但与单独Cd2+处理时相比不存在显著性差异；“济麦22”的可溶性糖含量先增加后降低，但始终高于单独Cd2+处理，在EBR浓度为0.100 mg/L时达最大，比单独Cd2+处理增加89.5%，说明不同品种小麦幼苗体内的可溶性糖合成对EBR的敏感性不同，叶面喷施一定浓度的EBR可以促进“济麦22”小麦幼苗体内可溶性糖的合成，以EBR浓度为0.100 mg/L时为宜。

3 讨论与结论

镉作为重金属毒害中毒性最大的元素之一，很容易在土壤中移动，被植物根部吸收、转运到地上部累积，通过食物链进入动物和人体，极大地危害动物和人的生长发育[19-20]。生物积累量是植物遭受生理伤害的综合反映，也是植物对逆境胁迫的直接体现[21]。有研究表明，一定浓度的Cd2+抑制小麦幼苗生长，使其株高、根长和干质量降低[22-23]。本研究结果发现，50 mg/L Cd2+处理抑制2个品种小麦幼苗生长，使2个品种小麦幼苗的株高、地上部鲜质量和根鲜质量下降，这与常云霞等的研究结果[24]一致。叶面喷施一定浓度EBR可以促进小麦幼苗生长，使小麦幼苗的株高、地上部鲜质量和根鲜质量增加，以EBR浓度为0.100 mg/L效果较好。这与殷欣等研究发现喷施一定浓度EBR可以缓解镉对大豆幼苗生长毒害的结果[25]一致，所需EBR浓度不同可能是因为试验材料不同。本研究还发现，50 mg/L Cd2+处理使2个品种小麦幼苗的根数显著增加，说明Cd2+处理刺激小麦幼苗产生了更多的侧根，这可能是小麦幼苗为了更好地在逆境中吸收养分。叶面喷施不同浓度EBR对Cd2+处理下小麦幼苗根数影响不大，说明EBR不能促进小麦侧根的形成。

光合作用是植物重要的基础生理活动，光合色素是光合作用的重要色素分子，叶绿素是最主要的光合色素[26]。有研究表明，过量镉胁迫导致植物叶绿体及色素解体[15]，本研究结果表明，50 mg/L Cd2+处理后2个品种小麦幼苗叶片的叶绿素含量无显著变化，说明2个品种小麦幼苗叶片的叶绿素合成变化不大，这可能是因为50 mg/L Cd2+不能抑制或促进这2个品种小麦的叶绿素合成。叶面喷施0.001～0.010 mg/L 的EBR对“良星77”和“济麦22”小麦幼苗的叶绿素含量影响不大，但叶面喷施0.100～1.000 mg/L的EBR使“良星77”小麦幼苗的叶绿素含量显著增加，1.000 mg/L的EBR使“济麦22”小麦幼苗的叶绿素含量显著降低，说明不同小麦品种对高浓度EBR的反应不同。但“济麦22”的叶绿色含量始终高于“良星77”。

植物根系是非常活跃的吸收和合成器官，根的活力水平和生长情况直接影响地上部的营养状况及产量，因此，根系活力是表征植物根系优劣的关键指标之一[27]。本研究表明，不同品种小麦幼苗的根系活力对50 mg/L Cd2+处理的反应也不同，“良星77”小麦幼苗的根系活力显著下降，“济麦22”小麦幼苗的根系活力无显著变化，说明“济麦22”小麦幼苗根系对Cd2+胁迫的耐性更强。叶面喷施一定浓度的EBR后，“良星77”小麦幼苗的根系活力先下降后升高，在EBR浓度为0.100、1.000 mg/L时显著增加，说明叶面喷施0.100～1.000 mg/L 的EBR可以提高“良星77”小麦幼苗的根系活力。“济麦22”小麦幼苗的根系活力在EBR浓度为0.010～1.000 mg/L时显著增加，说明浓度为0.010～1.000 mg/L的EBR可以提高Cd2+处理下“济麦22”小麦幼苗的根系活力。

渗透调节是植物为适应逆境胁迫而产生的生理应答反应，可溶性蛋白和可溶性糖是重要的渗透调节物质[21]。本研究发现，单独50 mg/L Cd2+处理抑制了“良星77”小麦幼苗的可溶性蛋白的合成，促进了“济麦22”小麦幼苗可溶性蛋白的合成，说明不同品种小麦对Cd2+胁迫的敏感性不同。叶面喷施不同浓度的EBR后，2个品种小麦幼苗的可溶性蛋白含量基本呈先增加后减少趋势，在EBR浓度为0.100 mg/L时达最大，说明一定浓度EBR可以促进Cd2+胁迫下小麦幼苗的可溶性蛋白合成。本研究表明，50 mg/L Cd2+处理促进了2个品种小麦幼苗体内可溶性糖的合成，使2个品种的可溶性糖含量均增加。叶面喷施不同浓度EBR不能促进“良星77”小麦幼苗的可溶性糖含量增加，而促进了“济麦22”的可溶性糖含量的增加，在EBR浓度为0.100 mg/L时为宜，说明不同品种小麦幼苗体内的可溶性糖合成对EBR的敏感性不同。