镉对不同镉积累类型小麦幼苗的影响

胡铁柱， 冯素伟， 丁位华， 姜小苓， 于红彩， 孙海燕， 杨 靖， 张自阳， 茹振钢

(河南科技学院小麦中心/河南省现代生物育种协同创新中心，河南新乡 453003)

随着工业化和现代农业的快速发展，重金属已成为农业环境和农产品的重要污染物质，我国环境重金属污染事件频繁发生，推测受重金属污染的耕地面积超过2亿hm2，每年因此造成的粮食减产达1 000万t，重金属污染的粮食达1 200万t，合计农业损失至少200亿元[1-3]。与土壤中的Cu、Zn、Al和Hg等金属元素相比，Cd在土壤中具有较强的化学活性和很强的生物毒性，更易被植物吸收积累[4-9]，一方面当植物体内Cd累积达到一定程度时，直接或间接地扰乱植物体的代谢，如改变超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等抗氧化物酶的活性，降低细胞对自由基及其产物的清除能力，导致细胞膜结构受损，叶绿素含量低，阻碍光合作用，抑制植物生长，严重时会导致植株死亡[10-11]。另一方面通过食物链富集对动物和人体健康造成威胁，如20世纪60年代日本发生的骨痛病，便是由于食用被Cd污染的土壤生产的“镉米”所致，因此，Cd一旦进入环境，就会给社会、经济发展及人类健康带来巨大的危害。因其化学行为和生态效应的复杂性以及对人类健康和社会可持续发展的严重危害，自20世纪80年代末90年代初逐渐成为研究热点[12-16]。

小麦(Triticumaestivum)是我国重要的粮食作物，Cd是小麦优质、高产、安全生产的重要威胁。近年来，关于Cd对普通小麦影响的研究主要涉及小麦种子或幼苗期的生理变化以及成株期Cd在各器官中的积累分布情况[17-19]，小麦对Cd的富集能力和耐受性存在品种间差异[20-21]，而Cd对苗期小麦必需矿质元素积累的影响尚未见报道。小麦幼苗是其成株期性状表现的基础，本研究以Cd高积累和低积累2种不同的小麦品种幼苗为材料，研究Cd对Ca、Fe、K和Mg积累、根系生长等的影响，为了解重金属的毒性效应以及解决矿质营养利用和重金属积累之间的矛盾提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为从252份材料中筛选的苗期Cd高积累小麦品种辉县红和低积累品种周麦28，由河南科技学院小麦中心提供。

1.2 小麦培养和Cd处理

将小麦种子用去离子水室温发芽，1周后挑选长势一致的幼苗移栽至装有Hoagland’s营养液的塑料筐(29.2 cm×22.4 cm×8.9 cm)中，用打孔泡沫板固定幼苗。根据GB 15618—1995《土壤环境质量标准》中为保障农林业生产和植物正常生长的二级土壤临界值标准(Cd ≤0.3 mg/kg)，根据营养液添加不同量CdCl2·2.5H2O设置3种处理：处理0(Cd含量为 0)、处理Ⅰ(折合Cd含量为0.5 mg/L)、处理Ⅱ(折合Cd 含量为1.0 mg/L)。每处理48株，每2周换1次营养液。培养8周后进行光合特性、酶活性、根系生长特性和元素含量测定。试验于2016年5月在河南科技学院小麦中心温室进行。

1.3 指标测定

1.3.1 光合作用 采用LI-6400XT测定功能叶净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率等叶片光合作用特性。测定光为自然光，每处理每重复测定3张功能叶。各参数的意义及计算参照使用手册。

1.3.2 POD、CAT活性和MDA含量测定 过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量用江苏省苏州科铭生物技术有限公司生产的试剂盒测定，取样部位为幼苗叶片，测定方法按照试剂盒说明。

1.3.3 元素含量测定 取培养8周后的2种小麦品种植株，在烘箱70 ℃烘干至恒质量，用1/1 000电子天平分别称量0.500 g地上部分干燥样品，在40 mL四氟坩埚中加入12 mL混合液(V硝酸∶V高氯酸=3 ∶1)消解12 h；电热板(不超170 ℃)上加热约4 h，冷却后用3%硝酸定容至25 mL，摇匀待用。用美国PE公司Optima 2100DV电感耦合等离子体发射光谱仪测定Cd、Ca、Fe、K和Mg元素含量。

1.3.4 根系生长特性测定 将不同处理的小麦幼苗培养至3叶1心后，分别取长势一致的小麦幼苗10株，并用Epson Perfection 4990 Photo扫描仪对幼根进行扫描，用WinRHIZO Pro 2007d根系分析软件分析总根长、平均根直径、总根表面积和总根体积。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2013和SAS 8.01进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 Cd对小麦幼苗光合参数的影响

Cd对辉县红和周麦28光合作用的影响不同。如表1所示，辉县红的4个光合参数随Cd2+浓度增加呈降低趋势，均在处理Ⅱ最低，与处理0相比净光合速率降低59.22%；周麦28净光合速率与辉县红变化相同，处理Ⅱ与处理0相比净光合速率降低49.19%。结果表明，Cd对高积累和低积累小麦光合作用均有抑制作用，周麦28的气孔导度和蒸腾速率在3种Cd2+浓度条件下变化不显著，而胞间CO2浓度在处理Ⅱ最高，与辉县红相反。

表1 Cd对辉县红和周麦28幼苗光合参数的影响

注：同列数据后不同小写字母表示同品种不同处理间在0.05水平差异显著。表3同。

2.2 Cd对小麦幼苗MDA含量、POD和CAT活性的影响

MDA作为植物体内膜脂过氧化的最终产物，其含量水平通常可反映植株遭受氧化胁迫的程度[22]。由表2可知，辉县红幼苗叶片MDA含量随培养液Cd2+浓度增加呈增加趋势，处理Ⅰ高于处理0但未达到显著水平，处理Ⅱ显著高于处理Ⅰ，这表明处理Ⅱ中Cd已对辉县红幼苗叶片细胞膜造成了氧化伤害。周麦28幼苗叶片MDA含量在处理Ⅰ最大，处理0和处理Ⅱ差异不显著，表现出适应性。CAT作为植物应答氧化胁迫反应中重要的酶[23]，本研究2个品种CAT活性的变化与MDA一致。

表2 Cd对辉县红和周麦28幼苗POD活性、MDA含量和CAT活性的影响

POD是活性氧自由基清除系统中重要的保护酶，在受到环境胁迫时POD会发挥其重要的解毒功能，但当植物细胞长时间处于胁迫状态时，其活性会下降[24]。本研究中辉县红的POD活性随Cd2+浓度增加呈降低趋势，处理Ⅰ和处理Ⅱ差异不显著；周麦28的POD活性随Cd2+浓度增加而升高，两者变化相反，说明这2种Cd积累类型品种的抗氧化系统有较大差异。

2.3 Cd对Ca、Fe、K和Mg元素积累的影响

如表3所示，在CdCl2·2.5H2O处理培养液中，辉县红中Ca、Fe和Mg的含量随着Cd2+浓度的增加而增加，K含量则先升高后降低，处理Ⅰ、Ⅱ差异不显著，但均高于处理0，Cd促进了对这4种矿质元素的吸收。周麦28中Cd对Ca、Fe、K和Mg元素积累的影响则较复杂：Ca含量在处理Ⅰ时最高，处理Ⅱ最低，表现低浓度促进、高浓度抑制；Fe含量在处理Ⅰ时最低，处理Ⅱ最高，表现低浓度抑制、高浓度促进；K和Mg含量在处理Ⅰ和处理Ⅱ中含量均低于处理 0，表现为抑制了对这2种元素的积累，但在处理Ⅱ中又高于处理Ⅰ，表现为低浓度抑制、高浓度促进；与处理0相比，表现为促进了Fe、抑制了K和Mg元素的积累。

表3 不同Cd处理下辉县红和周麦28中Ca、Fe、K和Mg元素含量

2.4 Cd 对小麦幼苗根系生长的影响

在不含Cd2+的培养液中，辉县红与周麦28的总根长、总表面积、平均根直径和根体积差异不显著，而在不同Cd2+浓度的培养液中，辉县红的总根长和总表面积均大于周麦28，而平均根直径小于周麦28(表4)。Cd对辉县红的总根长影响不显著，使总表面积、平均根直径和根体积显著降低，但处理Ⅰ和处理Ⅱ差异不显著。Cd使周麦28的平均根直径增加，在处理Ⅰ最大，使总根长、总表面积和根体积显著降低(图1)。

表4 不同Cd处理辉县红和周麦28幼苗根系生长比较

注：同品种不同处理数据后的不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3 讨论与结论

植物中矿质元素的吸收和运输不是孤立的，往往彼此相互影响和相互作用[25]，由于化学性质的相似性或者代谢途径的关联性，重金属往往会影响植物对矿质营养元素的吸收和利用[26-27]，因此，研究小麦中重金属对矿质营养元素间的相互作用有助于更深入地了解重金属的毒性效应，对于解决矿质营养利用和重金属积累之间的矛盾也有重要意义[28]。本研究中Cd对2种不同Cd积累类型小麦矿质元素积累的影响差异较大。对于高积累小麦品种辉县红，其幼苗中Cd、Ca、Fe、K和Mg元素含量均随着培养液Cd2+浓度的增加而增加，表现出明显的促进作用。对于Cd低积累小麦品种周麦28，尽管其幼苗中的Cd随着培养液Cd2+浓度的增加而增加，但Cd2+对Ca、Fe、K和Mg元素含量的影响比较复杂，既有抑制，也有促进，又有低浓度抑制、高浓度促进。意味着对于不同Cd积累类型的小麦，Cd2+对矿质营养元素的供给水平影响不同，必须根据品种特性采取相应措施，降低危害。对不同品种元素积累影响的不同也解释了Cd污染条件下不同小麦品种表现型不同的原因。

Cd2+能使小麦幼根的长度变短，根质量明显下降，活力指数显著降低。当Cd2+浓度大于0.5 mmol/L时会引起小麦幼根根尖褐变，呈现中毒反应[18]。本研究中除辉县红的总根长在3种Cd2+条件下变化差异不显著、周麦28的平均直径在处理Ⅱ最大外，总根长、总表面积、平均根直径和根体积变化一般随着Cd2+浓度增加呈下降趋势，与前人研究一致。有意思的是，培养液未加Cd2+的条件下，辉县红与周麦28的4个参数差异均不显著，在处理Ⅰ和处理Ⅱ中，辉县红的总根长和总表面积大于周麦28，而两者的根体积差异均不显著，这可能解释了辉县红体内Cd含量高于周麦28的原因，即在相同条件下总根长和总表面积是影响植株吸收Cd2+的主要因素。

Cd2+进入植物体内后可取代金属蛋白中的Ca、Zn、Mg和Fe等必需元素，导致生物大分子构象改变、酶活性受到抑制，干扰细胞的正常代谢过程[29]。Cd2+还可与酶中的半胱氨酸残基(—SH)结合，从而抑制酶活性，甚至使酶蛋白变性，导致N代谢紊乱等。一般过高浓度的Cd2+会引起小麦MDA含量和细胞膜透性增加[18]，以及体内活性氧自由基清除系统的功能降低。张利红等用Hoagland’s培养液研究认为，小麦幼苗POD活性随Cd2+浓度的增加而增加，MDA含量也同样呈上升趋势[30]。魏学玲等用室内Hoagland’s培养液研究发现，不同浓度Cd(NO3)2处理均使小麦品种西旱2号和宁春4号幼苗CAT、POD、抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性和MDA含量不同程度高于未添加Cd(NO3)2的对照，MDA 含量变化与对照无显著差异[31]。本研究中，Cd高积累品种辉县红幼苗叶片MDA含量随培养液Cd2+浓度增加而增加，与前人研究结果一致。而Cd低积累品种周麦28幼苗叶片MDA含量表现为先增后减，在处理Ⅰ最大，处理0和处理Ⅱ差异不显著，CAT活性在2个品种中的变化与MDA含量一致。Cd高积累品种辉县红POD活性随Cd2+浓度增加而降低，处理Ⅰ和理Ⅱ差异不显著，Cd低积累小麦品种周麦28的POD活性随Cd2+浓度增加而升高，两者变化相反，这可能因为不同遗传背景小麦品种的抗氧化系统有较大差异，对Cd的耐受性和适应性也不同。

由于不同场地的污染源、土壤等的差别，土壤污染危害具有显著的场地差别性特点。为了便于结果比较，试验采取营养液水培的方式以控制试验条件的一致性。另外，本研究仅分析了营养液条件下Cd对2个小麦品种4种矿质元素积累的影响，在土壤中的情况则须要进一步研究。

致谢：感谢河南科技学院实验中心杨理博士在元素含量分析过程中给予的帮助。