锌镉单一胁迫对小麦和稗草生理生化特性的影响

张家洋 陈丽丽 楚莉莉 孙玲玲

(新乡学院生命科学技术学院，河南 新乡 453003)

近年来，随着工农业现代化的发展，重金属以各种途径进入到土壤，常见的如矿山开采，污水、废水灌溉农田，施用劣质化肥，污染灰尘沉降等活动的加剧，都使得土壤重金属污染问题日益严重[1-2]。重金属离子被植物大量吸收后积累在体内，当体内的重金属含量超过某一阈值，就会对植物生长发育产生阻碍和毒害，严重时导致植株死亡[3]。镉 (Cd) 和锌 (Zn) 是同族元素，有类似的地球化学行为和环境特性，且均会对植物产生毒性，影响植物的产量和质量，并通过食物链进一步影响人畜健康。小麦 (Triticumaestivum) 作为主要的粮食作物，其百农矮抗58品种发芽率较高；稗草 (Beckmanniasyzigachne) 多生长在湿地且伴随小麦、水稻生长。目前相关学者多集中在对于小麦的抗逆性方面[4]，而对于重金属胁迫下小麦和稗草的生理抗性及比较方面缺乏研究。因此，本研究通过水培实验，采用不同浓度的ZnSO4、CdSO4溶液分别对小麦和稗草进行单一胁迫处理，分析小麦和稗草在萌发及两叶一心时期的生理生化特性，为探寻农作物的生理抗性和受Zn、Cd污染的土壤恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小麦种子和稗草种子均由河南科技学院提供，其中小麦种子为百农矮抗58。供试重金属元素为Zn、Cd，且均以硫酸盐 (ZnSO4、CdSO4) 溶液的形态处理。

1.2 实验设计

在新乡学院生命科学技术系植物生态学实验室开展水培试验。重金属离子以硫酸盐 (ZnSO4、CdSO4) 的形式加入，以重金属单一胁迫为旨设置7种处理水平，分别为Zn0(Zn2+0 mg/L)、Zn1(Zn2+50 mg/L)、Zn2(Zn2+100 mg/L)、Zn3(Zn2+200 mg/L)、Zn4(Zn2+400 mg/L)、Zn5(Zn2+800 mg/L)、Zn6(Zn2+1 600 mg/L)，Cd0(Cd2+0 mg/L)、Cd1(Cd2+25 mg/L)、Cd2(Cd2+50 mg/L)、Cd3(Cd2+100 mg/L)、Cd4(Cd2+200 mg/L)、Cd5(Cd2+400 mg/L)、Cd6(Cd2+800 mg/L)。共14个处理，每个处理均设3个重复。

于2016年4月15日对小麦和稗草进行水培实验，具体方法是分别挑选饱满、大小均一的供试种子经消毒后，用蒸馏水冲洗数次，然后浸泡4 h，待种子吸胀后用5%的次氯酸钠处理15 min进行催芽，然后置于放有双层滤纸的培养皿中，分别加入相应浓度的处理液各15 mL，空白处理用蒸馏水作CK，放入25 ℃，90%相对湿度的培养箱中培养。培养初期采用称重法补水，以保持处理液浓度恒定，在培养过程中，观察并记录小麦和稗草萌发期和生长期的状况 (如高矮、叶片颜色、宽度、根部生长状况等)，分别在萌发期第4、5、6天以及两叶一心期测定小麦和稗草的生理生化指标值，以此判断对幼苗生长的影响状况。

1.3 实验方法

叶绿素含量测定采用分光光度法[5]，用80%丙酮酸研磨提取后，于663.645 nm处测定光密度，计算叶绿素含量；游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[5]测定；可溶性糖含量采用蒽酮法[5]测定；过氧化物酶 (POD) 活性采用愈创木酚法测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法[6]测定；丙二醛 (MDA) 含量采用硫代巴比妥酸 (TAB) 比色法[5]测定。各生理指标的测定均进行3次重复并取平均值。

1.4 数据分析

数据分析与处理采用SPSS 19.0软件进行，通过One-Way ANOVA对各项指标均进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 锌镉单一胁迫对叶绿素含量的影响

从图1可知，在单一胁迫下，随着Zn2+、Cd2+浓度的递增，小麦和稗草叶绿素含量均呈现先升高后降低趋势。Zn胁迫下，当Zn2+浓度为200 mg/L时，小麦和稗草叶绿素含量均达到峰值，且相对于Zn0分别增大138.6%和210.0%；当Zn2+浓度为1 600 mg/L时，小麦和稗草叶绿素含量显著减少 (P< 0.05)，相对于Zn0分别降低28.7%和5.0%。Cd胁迫下，小麦在Cd2+浓度为50 mg/L时，叶绿素含量达到最大值，与Cd0相比，增大了40.2%；稗草在Cd2+浓度为25 mg/L时，叶绿素含量达到最大值，与Cd0相比，增大了271.8%。由此表明，Zn2+、Cd2+均会对小麦和稗草幼苗叶绿素含量产生影响，从而影响其生长；稗草对Cd2+的反应更为敏感，过量的重金属对叶绿素的合成有抑制作用，可抑制小麦和稗草的正常生长。

2.2 锌镉单一胁迫对游离脯氨酸含量的影响

从表1可知，在Zn胁迫下，小麦萌发期在Zn2+浓度低于100 mg/L时，游离脯氨酸含量低于Zn0值，而当Zn2+浓度高于200 mg/L时，游离脯氨酸含量随着处理浓度的增加而增加，且与其他处理呈现显著性差异 (P< 0.05)；然而，小麦在两叶一心时期游离脯氨酸含量随处理浓度的增加呈现递增状态，相对于Zn0最大增幅达到348.7%。同样，稗草萌发期在Zn2+浓度低于200 mg/L时，游离脯氨酸含量低于Zn0，当Zn2+浓度高于400 mg/L时，游离脯氨酸含量随着处理浓度的增加而增加。此外，在同一处理水平下，小麦和稗草游离脯氨酸含量均呈现出随Zn2+处理时间的持续而呈递增趋势。

不同小写字母表示差异显著 (P< 0.05)。

图1锌镉单一胁迫对小麦和稗草叶绿素含量的影响

Fig.1 Effects of single stress of Zn and Cd on chlorophyll content of T.aestivum and B.syzigachne

注：不同小写字母表示差异显著 (P< 0.05)。

在Cd胁迫下，萌发期当Cd2+浓度低于200 mg/L时，小麦游离脯氨酸含量随处理浓度的增加呈递减趋势，且与Cd0呈现显著性差异 (P< 0.05)。然而当Cd2+浓度高于400 mg/L时，游离脯氨酸含量高于Cd0且呈递增趋势。与小麦不同的是，稗草在Cd2+浓度低于100 mg/L时，体内游离脯氨酸含量低于Cd0值。在Cd2+浓度高于200 mg/L时，游离脯氨酸含量高于Cd0且呈递增趋势。两叶一心期，小麦和稗草游离脯氨酸含量均随处理浓度的增加而增加。此外，在同一处理水平下，小麦和稗草游离脯氨酸含量均呈现出随Cd2+处理时间的持续而呈递增趋势。

2.3 锌镉单一胁迫对可溶性糖含量的影响

由表2可知，Zn胁迫下，小麦在Zn2+浓度低于100 mg/L时，可溶性糖含量呈现上升趋势，而当Zn2+浓度高于200 mg/L时，可溶性糖含量又呈现下降趋势。对于稗草而言，在Zn2+浓度处理浓度为50 mg/L时，可溶性糖含量大于Zn0。萌发第4、5、6天，两叶一心期分别为Zn0的1.05，1.14，1.13，1.42倍。然而当Zn2+浓度大于50 mg/L时，稗草可溶性糖含量呈持续下降趋势，萌发第4、5、6天，两叶一心期最大降幅分别为51.8%，45.6%，40.2%，55.4%。表明低浓度的Zn2+有助于小麦和稗草可溶性糖的累积，而高浓度的Zn2+对小麦和稗草产生胁迫作用，不利于可溶性糖的积累。

表2 锌镉单一胁迫对小麦和稗草可溶性糖含量的影响Table 2 Effects of single stress of Zn and Cd on souble sugar content of T.aestivum and B.syzigachne mmol/L

注：不同小写字母表示差异显著 (P< 0.05)。

Cd胁迫下，小麦萌发期第4、5、6天可溶性糖含量均呈现先下降后增加趋势，当Cd2+浓度为100 mg/L时，最大降幅分别为52.8%，37.9%，29.8%。稗草与小麦类似，萌发期第4、5、6天可溶性糖含量也呈现先下降后增加趋势，最大降幅分别为43.6%，56.9%，42.5%。另外，稗草和小麦在两叶一心期，随Cd2+处理浓度的增加均呈现持续下降趋势。在同一处理水平下，小麦可溶性糖含量随着培养时间的持续呈递增趋势，而稗草总体呈现递减趋势。

2.4 锌镉单一胁迫对可溶性蛋白含量的影响

从表3可知，Zn胁迫下，小麦在萌发期或两叶一心时期体内可溶性蛋白含量均随处理浓度的增加而呈现先上升后下降的趋势。相对于Zn0，萌发第4、5、6天，两叶一心期最大增幅分别为3.5%，29.2%，75.8%，90.2%。与小麦类似，稗草可溶性蛋白含量也呈现相似规律，萌发第4、5、6天，两叶一心期最大增幅分别为4.4%，46.5%，175.3%，23.9%。在同一处理水平下，随着萌发期的持续，小麦和稗草可溶性蛋白含量均呈现递减趋势，而延长至两叶一心时期，体内可溶性蛋白含量呈回升状态。与Zn胁迫类似，Cd胁迫下小麦和稗草可溶性蛋白含量也随着处理浓度的增加而呈现先升高后降低变化态势。研究结果表明，低浓度的重金属有利于小麦和稗草可溶性蛋白的累积，而高浓度会产生胁迫作用，导致可溶性蛋白含量下降。

表3 锌镉单一胁迫对小麦和稗草可溶性蛋白含量的影响Table 3 Effects of single stress of Zn and Cd on souble protein content of T.aestivum and B.syzigachne mg/g

2.5 锌镉单一胁迫对POD活性的影响

从表4可知，Zn胁迫下小麦和稗草随着处理浓度的增加而呈现先升高后降低趋势。尤其在小麦萌发期第4 d处理时，POD活性最大增幅为260.5%，稗草萌发期第6天处理时，POD活性最大增幅为48.5%。说明低浓度的Zn处理时，POD对防止植物伤害起到了保护作用，而随着Zn浓度的升高，超过植物的耐受性时，POD活性受到了抑制。

Cd2+胁迫下，当Cd2+浓度小于200 mg/L时，小麦过氧化物酶活性随着处理浓度的增加呈持续增加趋势，显示了小麦清除氧自由基能力增强，而当Cd2+浓度大于400 mg/L时，其活性开始下降，小麦对过氧化物酶抗性保护能力有一定限度。然而对于稗草而言，随着处理浓度的增加，各个时期的过氧化物酶活性都是持续降低的。表明稗草与小麦相比，其对于硫酸镉的耐受性更差，受重金属的毒害作用更为明显。

2.6 锌镉单一胁迫对MDA含量的影响

由表5可知，无论Zn单一胁迫还是Cd单一胁迫，小麦和稗草MDA含量总体呈现出随处理浓度的升高而升高趋势。在Zn胁迫下，小麦和稗草MDA含量分别高于Zn0为174.6%～523.2%和6.3%～63.4%；在Cd胁迫下，小麦和稗草MDA含量分别高于Cd0为43.9%～740.6%和36.5%～48.9%，表明在重金属胁迫条件下，随着处理浓度的增加，小麦和稗草的生长受到一定的抑制。在同一处理水平下，由萌发期至两叶一心时期，小麦和稗草MDA含量总体呈现上升趋势，表明随着培养时间的持续，细胞膜脂过氧化伤害程度加剧，清除活性氧的能力有所降低。

表4 锌镉单一胁迫对小麦和稗草POD活性的影响Table 4 Effects of single stress of Zn and Cd on POD content of T.aestivum and B.syzigachne U/(g·min)

表5 锌镉单一胁迫对小麦和稗草MDA含量的影响Table 5 Effects of single stress of Zn and Cd on MDA content of T.aestivum and B.syzigachne μmol/L

3 结论与讨论

叶绿素是植物光合作用的主要色素，其含量高低直接反映植物光合作用能力的强弱，叶片中叶绿素含量低，光合作用弱，不利于植物的生长，而植物受到逆境胁迫后也可以导致叶绿素含量降低[7]。有研究表明，重金属的胁迫对植物的光合作用会有抑制作用，植物受到重金属胁迫后，细胞内叶绿体的合成受到影响，叶绿素的提取量下降，不利于植物光合作用，同时也会导致叶绿体膜系统破坏而使得叶绿素降解和失活，加速植物的老化，叶片会慢慢变黄[8-9]。本研究表明，在Zn2+和Cd2+单一胁迫下，小麦和稗草叶绿素含量均同步呈现先升高后降低趋势，在轻度Zn2+或Cd2+胁迫下，叶绿素含量却高于CK，对叶绿素的合成具有一定的促进作用，说明小麦和稗草均对轻度的Zn2+或Cd2+胁迫具有一定耐性，然而随着时间的延续，重金属对小麦和稗草中叶绿素的合成具有一定的破坏作用，抑制其体内叶绿素的合成。

游离脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质之一，各种不良环境造成的逆境胁迫如干旱胁迫、盐碱胁迫等都会导致植物体内的游离脯氨酸含量发生明显变化。本研究表明，在重金属Zn2+和Cd2+单一胁迫下，小麦和稗草体内游离脯氨酸含量随着处理浓度的增加均呈现先下降后上升趋势，这与田小霞等[10]对长穗偃麦草、朱志国等[11]对芦竹的研究结果一致，分析产生这种变化的原因是在低浓度胁迫条件下，游离脯氨酸的生物合成来源于谷氨酸，游离脯氨酸的不断更新需要碳水化合物的供应，在短时间胁迫之后，由于碳水化合物供应受阻，将会影响谷氨酸的形成，进而影响脯氨酸的合成[12]。随着外界处理浓度的增加，外界渗透势较低，植物会发生失水现象，植物细胞为避免渗透失水伤害会主动吸收一些无机盐和可溶性溶质来降低细胞内渗透势，胁迫作用使得植物的物质代谢发生改变，细胞内生成或积累一些渗透调节物质，一些大分子物质 (如淀粉、蛋白质) 分解成小分子物质 (如糖、氨基酸)，这些小分子物质具有较强的亲水性，可以稳定胶体性质，在植物组织代谢中，使得植物细胞免受伤害或减轻伤害[13]。

可溶性糖作为呼吸基质为作物的各种合成过程和各种生命活动提供了所需的能量。由于碳水化合物具有这些重要的作用，既是营养中最基本的物质，也是需求最多的一类。本研究表明，在Zn2+胁迫下，小麦和稗草可溶性糖含量随处理浓度的升高均呈现出先升高后降低趋势。低浓度胁迫下，小麦可溶性糖上升的原因可能是通过升高可溶性糖的含量调节细胞渗透势，细胞内大量积累可溶性糖、氨基酸等有机小分子物质，降低细胞内的水势，从而减轻外界对植物造成的伤害。随着处理浓度的升高，高浓度胁迫下植物的生理机能受到一定的破坏，可溶性糖的的产生受到一定的抑制作用。在Cd2+胁迫下，小麦和稗草随着处理浓度的升高均呈现出先下降后上升趋势，这与曹莹等[14]研究镉胁迫对玉米生理生化特征的影响结果一致，但有关具体原因有待进一步研究。

本研究表明，在Zn2+、Cd2+单一胁迫条件下，小麦和稗草可溶性蛋白和POD活性均呈现出随着处理浓度的增加而呈现先上升后下降趋势。这与李子芳等[15]研究Cd2+胁迫对小麦种子萌发幼苗生长及生理生化特征影响的结果一致。可溶性蛋白作为植物细胞的主要渗透物质之一，在受到逆境胁迫时，细胞内可溶性蛋白含量提高，增加细胞渗浓度和功能蛋白的数量，有组于维持细胞的正常生理代谢。过氧化物酶是植物处于逆境或衰老时机体作出胁迫反应的重要生理指标之一，在高等植物抗逆性及衰老中起着重要的保护作用[16]。Cd是毒性最强的重金属元素之一，Cd2+可以诱导产生活性氧造成生物膜脂的过氧化，从而破坏膜系统的结构和功能[17]。Zn作为植物必需元素，当其浓度超过一定范围也会表现出毒害作用。本实验中，低浓度的Zn2+、Cd2+单一处理下小麦和稗草体内可溶性蛋白和POD活性均表现出升高态势，有人把这种现象解释为低浓度重金属对植物积极的 “刺激作用”[18]，植物在受胁迫过程中，活性氧可作为第二信使，启动植物细胞的防御反应，但这种 “积极作用” 受到浓度和处理时间的双重因素的限制。吴月燕等[19]通过研究重金属胁迫对5种常绿阔叶树种生理生化特征的影响结果表明，重金属胁迫致使植物产生了一些对有机体有害的过氧化物，这种物质作为POD的底物，诱导POD活性逐渐增加。但在高浓度的重金属胁迫下，小麦和稗草体内生物膜脂过氧化加剧，破坏了细胞膜结构的完整性。

本实验表明，Zn2+、Cd2+单一胁迫下，小麦和稗草体内MDA含量均呈现出随处理浓度的升高而递增趋势，这与张红利等[20]的研究结果一致。MDA是植物在逆境胁迫下细胞原生质膜中不饱和脂肪酸发生氧化作用的产物，重金属时脂质过氧化的诱变剂，促进脂质过氧化物MDA的累积，通过测定MDA的积累量可在一定程度上反映膜脂过氧化程度。田小霞等[10]通过研究Cd2+、Zn2+对长穗偃麦草生理生化特性的影响及其积累能力研究结果表明，重金属Zn、Cd胁迫促进了细胞膜脂的过氧化，使得MDA含量升高。陈晶等[21]研究表明，在逆境胁迫条件下，MDA含量的升高反映了植物遭受重金属伤害的程度，植物体内活性氧产生和清除系统受到破坏，所积累的活性氧能引发生物膜脂的过氧化作用。

综合分析表明，小麦和稗草在Zn2+、Cd2+单一胁迫下，叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白和过氧化物酶活性随处理浓度升高而呈现先上升后下降，游离脯氨酸呈现先下降后上升，MDA呈现持续递增。可见，小麦和稗草在重金属单一胁迫下，能耐一定浓度的Zn2+或Cd2+胁迫。小麦和稗草作为1年生的禾本科植物，在重金属胁迫的农作物土壤中值得进一步研究和利用。