镧、硒浸种对冬小麦种子萌发及铜胁迫下幼苗生长和生理的影响

徐传婕 许文峰 施志鹏 孟贤坤 曲明芹 庄立杰 韩晓翠 周晓燕

摘    要：以‘山农24为试材，100 mg·L-1的硫酸铜模拟铜胁迫环境，采用营养液盆栽法，设硝酸镧和亚硒酸钠两个因素浸种，研究了镧、硒浸種对冬小麦种子萌发率及铜盐胁迫下小麦幼苗干物质含量、抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性、可溶性蛋白含量的影响。结果表明，铜胁迫处理降低了小麦地上干物质含量、抗氧化酶活性，提高了可溶性蛋白的含量。其中，50 mg·L-1镧元素（La3+）、30 mg·L-1硒元素（Se4+）提高冬小麦发芽率效果最佳;50 mg·L-1 La3+、20 mg·L-1 Se4+水平处理铜胁迫小麦幼苗地上干物质含量恢复最明显，较原来水平显著提高129.12%（P<0.05）;100 mg·L-1 La3+、30 mg·L-1 Se4+水平处理使小麦SOD活性较原来水平提高126.75%;100 mg·L-1 La3+、10 mg·L-1 Se4+水平处理使小麦POD活性较原有水平显著提高282.43%（P<0.05）;100 mg·L-1La3+、20 mg·L-1 Se4+水平处理使小麦CAT活性较原有水平显著提高123.85%（P<0.05）;100 mg·L-1 La3+、10 mg·L-1 Se4+处理使小麦可溶性蛋白较原有水平处理组降低86.09%。综合而言，镧、硒共同作用可有效提高冬小麦细胞清除活性氧的能力，抑制铜离子胁迫对小麦幼苗的毒害作用。

关键词：小麦;镧;硒;萌发;干物质含量;抗氧化酶;可溶性蛋白

中图分类号：S512.1          文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.11.002

Abstract： Using 'Shannong 24' as test material， 100 mg·L-1 copper sulphates simulated copper stress environment， using nutrient liquid potting method， Lan thanum nitrate and sodium selenite were used to soak seed，  and its effects on germination rate and dry matter content in the dry matter content， antioxidant enzymes （SOD， POD， CAT） activity and soluble protein content of wheat seedlings under copper stress were studied. The results showed that copper stress treatment cut the dry matter content， antioxidant enzyme activity and soluble protein content of wheat， and the wheat was poisoned by H2O2. Among them， 50 mg·L-1 La3+ and 30 mg·L-1 Se4+ improved the germination rate of winter wheat; with 50 mg·L-1 La3+， 20 mg·L-1 Se4+ level treatment of copper-stressed wheat seedlings， the recovery of dry matter content on the ground was the most obvious， and it was significantly increased by 129.12%（P<0.05）. The treatment of 100 mg·L-1 La3+ and 30 mg·L-1 Se4+ increased the SOD activity of wheat by 126.75%. The treatment of 100 mg·L-1 La3+ and 10 mg·L-1 Se4+ significantly increased the POD activity of wheat by 282.43% compared with the original level; 100 mg·L-1 La3+， 20 mg·L-1 Se4+  treatment significantly increased the CAT activity of wheat by 123.85% compared with the original level; the treatment of 100 mg·L-1 La3+ and 10 mg·L-1 Se4+ reduced the soluble protein of wheat by 86.09% compared with the original treatment group. In general， the combination of strontium and selenium can effectively remove the ability of winter wheat cells to scavenge reactive oxygen species and inhibit the toxic effects of copper ion stress on wheat seedlings.

Key words： wheat; lanthanum; selenium; germination; dry matter content; antioxidant enzyme; soluble protein

我國是一个耕地资源极为短缺的国家，人均耕地面积小[1]。随着农业生产的发展，农田重金属污染的情况十分严重，在生产活动中含铜除草剂、杀虫剂的过度使用以及废液、废气的大量排放，使得农田当中积累了大量的铜元素，对农业安全造成了严重影响。据统计，截至2013年我国受到重金属污染农田的面积约2 000万hm2，约占我国农田总面积的五分之一[2]。土壤中积累过多的重金属会导致农作物的产量及品质降低，并且可以通过食物链关系在生物体内积累，严重威胁食品安全[3]，农田受重金属污染问题已成为不可忽视的环境问题。

大量研究表明，铜是常见的重金属元素之一，同时也是作物生长过程中必需的微量元素。铜参与作物体内多种生理生化代谢过程，可影响作物的生长、发育以及作物品质[4]。然而，植物中积累过量的铜会抑制其光合作用、干扰细胞的代谢过程、打乱植物体中离子的平衡，导致植物生理紊乱，影响植物的生长发育[5]。

硒是植物体中的一种微量元素，微量的硒对植物的生长具有重要作用[6]。大量研究发现，硒元素在植物体中具有拮抗重金属的作用[7]。它对植物体内一些生化反应（如抗逆境胁迫、抗氧化）及生理过程（如某些蛋白代谢、呼吸作用、光合过程）有重大影响[8]。

近年来，人们对稀土农用做了大量的研究，相关结果表明，一定量的稀土元素可促进植物对营养元素的吸收、转化和利用[9]，如镧能够提高并促进水稻和小麦等禾本科植物的分蘖能力，增加其单位产量和结实率，从而提高作物的产量和品质[10];Zhao等[11]的研究表明，一定浓度的硝酸镧处理可以明显缓解重金属对植物的负面影响，从而促进大豆生长发育;陈远孟等[12]的研究表明，镧能够提高植物干物质的积累量;Shi等[13]的研究表明，镧可以增强植物的耐受性;兰雅茜[14]的研究表明，镧可增大植株叶面积、增强抗氧化酶的活性、减少质膜上丙二醛（MDA）的积累等。

虽然前人对硒和镧在农业中的应用有较多的研究，但是绝大多数研究多集中在用喷灌或施固体肥等方式探究单一的镧或硒对作物的影响，鲜有将镧和硒结合起来以浸种的方式探究二者对小麦影响的研究。因此，本文以镧、硒浸种的方式探究了镧和硒对铜胁迫小麦种子萌发和幼苗生长的影响，旨在为相关的理论研究和农业生产提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为山东农业大学提供的‘山农24;供试试剂为硝酸镧（国药集团化学试剂有限公司，AR）、亚硒酸钠（国药集团化学试剂有限公司，CP）和五水硫酸铜（天津光复化学试剂厂，AR）。

1.2 试验设计

试验采用营养液盆栽的方法，基质为蛭石，培养器皿为10 cm×10 cm×12 cm的聚乙烯塑料盆，营养液为1/2 Hoagland营养液[15]。设硝酸镧浸种和亚硒酸钠浸种2个因素，其中硝酸镧浸种处理水平分别为0（L0），50（L50），100 mg·L-1（L100）;亚硒酸钠处理水平分别为0（S0），10（S10），20（S20），30 mg·L-1（S30）;分别设为CK*、T1*、T2、T3、T4、T5、T6、T7处理组。上述试剂浓度均以成品计。试验设置平行的无铜胁迫组作为对照，共计8个处理，重复3次，每次重复10株。

1.3 试验方法

选取胚完整且饱满均匀的小麦种子，自来水冲洗2遍，用0.1% HgCl2溶液浸泡消毒10 min后，将种子取出并用蒸馏水将溶液残留冲洗干净，按上述浓度设计作浸种处理24 h，然后将种子移入铺有双层滤纸的培养皿中，在暗处（25±2） ℃条件下催芽48 h，待种子露白后，选取大小、长势一致的种子移入装有蛭石的聚乙烯塑料盆，每盆30粒种子置于光照培养箱，在（25±2） ℃、光照强度6 000 Lx条件下培养。待幼苗长至一叶一心期时选取长势相近的10株幼苗，用1/2 Hoagland营养液继续培养，20 d后，采用1/2 Hoagland营养液+100 mg·L-1硫酸铜溶液对T1至T7组的幼苗进行胁迫处理，处理72 h后进行苗期指标测定。

1.4 指标测定及方法

1.4.1 形态指标 按照国家标准，在浸种处理后的第3天测定种子的发芽势，浸种处理后第7天测定种子发芽率。在进行铜胁迫72 h后测定幼苗株高及根长。

1.4.2 干物质含量 铜胁迫处理72 h后，每个处理随机选取5株幼苗，用蒸馏水清洗后，将幼苗的地上和地下部分分开，105 ℃杀青30 min，85 ℃烘干2 h，称质量。

1.4.3 其他生理指标的测定 超氧化物歧化酶（SOD）采用NBT法测定，过氧化物酶（POD）采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶（CAT）采用紫外吸收法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定。以上方法均参照杨淑慎等[16]的方法进行，稍作改进。

酶液提取方法如下：称取小麦幼苗倒二叶0.2 g，加入2 mL提取液（提取液的配制：称取0.018 6 g EDTA，5 g聚乙烯吡咯烷酮，用50 mmol·L-1磷酸缓冲液溶解后定容至500 mL），加入少量石英砂后液氮研磨，匀浆倒入EP管，在12 000 g，4 ℃条件下离心20 min，上清液即为酶提取液，4 ℃保存备用。

1.5 数据处理

使用WPS表格对数据进行整理，使用SPSS 19.0对数据进行统计分析，使用Origin 9.5绘图。采用单因素方差分析（one-way ANOVA）对各处理进行统计比较，以筛选出最佳处理并采用最小显著差异法（LSD）法进行多重比较（α=0.05）。结果用平均值（mean）±标准差（SD）表示。

2 结果与分析

2.1 镧、硒浸种对冬小麦种子萌发的影响

不同处理下小麦种子的发芽率见表1。从表1可以看出，与CK*组相比，一定浓度的镧、硒浸种提高了小麦种子的发芽率。其中表现为，在同一Se4+浓度水平下随着La3+浓度的增加，小麦种子的发芽率反而下降，说明50 mg·L-1较100 mg·L-1时促进小麦种子萌发效果更好;通过对比同一La3+浓度水平下不同Se4+水平的处理组表明，随着Se4+浓度的升高，小麦种子的发芽率逐渐升高，在D5处理组，小麦种子发芽率达到最高，达到96%，较CK*组升高了8个百分点。

2.2 镧、硒浸种对铜胁迫下小麦幼苗生长的影响

从表2可以看出，除T2、T5、T7处理组与T1*处理组差异不显著外，其他处理组均较T1*处理组显著提高了小麦幼苗的干物质含量（P<0.05），一定程度了缓解了铜胁迫对小麦干物质含量的抑制作用。说明一定程度的镧、硒处理可以缓解铜离子对生长的抑制作用。当T4处理组，小麦幼苗地上部分干物质含量恢复最明显，且较T1*处理组显著升高129.12%。

2.3 镧、硒浸种对铜胁迫小麦幼苗抗氧化酶及可溶性蛋白含量的影响

镧和硒对铜胁迫小麦幼苗抗氧化酶及可溶性蛋白含量的影响见图1。从图1可知，无论是增加Se4+或者La3+的含量，小麦幼苗的SOD活性总体呈现出先降低后上升趋势，且T7处理组较T1*处理组升高126.75%。说明镧和硒的复合影响对小麦中重金属毒性表现为拮抗作用。

各处理组小麦的POD活性都有不同程度的升高。说明La和Se的共同作用可以缓解重金属铜对小麦的毒害作用。其中T3处理组较T1*处理组升高282.43%，达到显著水平。通过对比同一La3+浓度水平下的不同亚硒酸钠水平的处理组可表明，随着Se4+浓度的升高，小麦幼苗的POD活性表现为升高。随着La3+浓度的升高，POD活性表现为整体降低。说明硒离子提高了小麦对镧的耐受能力。

一定程度的镧、硒复合处理可以缓解铜元素对小麦CAT活性的抑制作用。通过T7处理组的数据可得，镧、硒复合处理可稍缓解这一现象，但镧、硒浓度过高时会加剧对小麦CAT活性的抑制影响。表现最显著的是T5处理组，较T1*处理组小麦CAT活性升高123.85%。

从图1可看出，除Se4+浓度为10 mg·L-1水平下，其他處理组的可溶性蛋白含量相较于CK*都不同程度地升高了。且随着Se4+浓度的升高，相对应的小麦可溶性蛋白含量也逐渐升高，说明硒浸种可以促进小麦可溶性蛋白的合成。而在T3处理组时，较CK*处理组降低86.09%。

3 结论与讨论

铜离子是小麦生长发育必需的营养微量元素，是小麦中许多重要酶的辅基[18]。然而，过量铜离子对小麦的生长发育以及生理都有一定的毒害作用，诱导能够损伤小麦DNA和蛋白质等主要生物大分子的自由基[19]。

本研究发现，在镧、硒浸种的条件下，小麦种子的发芽率有所提高。其中，D6处理组表现为最高，推测产生这种结果的机制是小麦种子在镧、硒浸种的作用下，提高了小麦种子胚乳中α-淀粉酶活力。

一定浓度铜离子对小麦幼苗的生长（地上干物质含量）和生理（抗氧化酶活性及可溶性蛋白含量）产生负作用，使小麦幼苗内的代谢发生混乱。小麦的干物质含量主要来源于光合作用有机物的积累，其地上部分的干物质含量有90%以上来自于光合作用[19]，铜离子干扰小麦体内电子传递过程，阻碍其光合作用过程[20]。在镧、硒共同作用下，可缓解铜离子对小麦幼苗产生的负作用。在La3+的浓度为50 mg·L-1和Se4+的浓度为20 mg·L-1的共同作用下显著提高了小麦幼苗地上部分的干物质含量。卢娇娇等[21]研究证明，低浓度的硝酸镧（La3+浓度<50 mg·L-1）可促进小麦叶绿体电子传递速率和光合磷酸化水平，高浓度的硝酸镧（La3+浓度>50 mg·L-1）则相反。低浓度的硝酸镧促进光合电子传递速率，进而激活具有ATP酶活性的偶联因子，光合速率增加，小麦体中有机物的积累量增加。本试验中，在Se4+浓度为20 mg·L-1水平下，不同La3+浓度处理组结果表现为“低促高抑”，这也为上述观点提供了证据。

在100 mg·L-1的铜胁迫下，小麦幼苗的SOD、POD、CAT活性与CK*处理组相比都有较大幅度下降，同时可溶性蛋白含量升高。硒是谷胱甘肽过氧化酶的组成部分，可以利用GSH将对植物有危害的过氧化物还原成对植物无害的物质。镧可以促进催化植物抗氧化酶活性[22]。适当浓度的镧（50～100 mg·L-1）和硒（10～30 mg·L-1）共同作用可以一定程度恢复铜离子对小麦幼苗生理（抗氧化酶活性及可溶性蛋白含量）的毒害作用。其中T7处理组的小麦SOD活性达到最高，T3处理组的小麦POD较T1*处理显著提高，T5处理组的小麦CAT活性达到最高，T3处理组小麦较T1*处理小麦可溶性蛋白含量显著降低，说明适当浓度的镧、硒浸种能够提高铜胁迫下小麦的抗氧化能力，抑制细胞中活性氧增加，缓解脂膜过氧化，从而阻止产生大量可溶性蛋白。王蕊等[23]对豌豆的研究中也有类似报道，指出施用适量稀土可缓解重金属铜的污染。推测其作用机理为：铜离子与小麦细胞膜蛋白及磷脂反应，导致细胞膜构象发生改变，小麦体内的O2-的产生和清除打破了原有的动态平衡状态，小麦遭到过量H2O2毒害，镧和硒的共同作用能够抑制H2O2和O2-的产生，提高小麦抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性，从而抑制脂质过氧化反应，抑制铜离子对小麦幼苗的毒害作用。

参考文献：

[1]杨辰. 我国农田土壤重金属污染修复及安全利用综述[J]. 现代农业科技，2017 （3）：164-167.

[2]黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等. 重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J]. 农业环境科学学报，2013，32（3）：409-417.