Pb胁迫对旱地冬小麦种子萌发特性的影响

吴秀宁，杨珂，柴超杰

（1.商洛学院 健康管理学院，陕西商洛 726000；2.商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西商洛 726000）

随着工业化和城镇化的推进，大量重金属随着气体沉降、灌溉及化肥不合理施用进入土壤[1]。铅（Pb）、砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）和汞（Hg）并称“五毒”重金属，广泛存在于环境中[2]。Pb可以通过植物根系或叶片进入植物体内，并在植物体内不能被降解[3]。Pb污染后不仅导致农作物产量和品质降低，还可通过食物链危害人体健康[4]。

种子萌发期是小麦生活周期的起始阶段，也是对外界环境敏感的阶段[5]。较低浓度Pb会促进小麦种子的萌发，高浓度Pb则会抑制种子萌发和幼苗芽和根的生长[6]。魏学玲等[7]研究发现，小麦幼苗叶片叶绿素含量及SOD活性在较低浓度Pb下无显著变化，高浓度Pb会使叶绿素含量明显降低，但SOD活性和脯氨酸含量显著提高。王兰兰等[8]研究认为，随着Pb胁迫强度加剧，小麦幼苗叶片相对电导率与MDA含量均呈增加趋势。巴青松等[9]以轮选988为材料，研究发现Pb胁迫后小麦幼苗株高、单株干重、根鲜重和根干重受到明显抑制。这些报道为后续研究提供了较好地借鉴和指导。陕西省冶炼铅锌等有色金属的厂区及矿区较多，存在着重金属污染的风险[10]。而有关商洛地区小麦耐Pb性研究未见报道。本研究以商麦5226、商麦1619和3-3三种旱地小麦种子为材料，研究Pb胁迫对其萌发特性的影响，以期为环境监测中Pb污染评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2021年在商洛学院生物医药与食品工程学院进行。供试品种为旱地小麦品种商麦5226、商麦1619和3-3。商麦5226和商麦1619为商洛地区旱塬地主推品种，3-3为商洛学院选育的抗旱性突出的小麦新品系。种子均由商洛市秦岭植物良种繁育中心提供。

1.2 方法

参考翟福勤等[11]的方法，人工精选小麦种子，经10 mol/L NaClO溶液消毒1 min，用自来水冲洗，蒸馏水浸泡24 h进行催芽。挑选露白种子，腹沟朝下，放置于铺有双层滤纸的培养皿内，每个培养皿放入30粒小麦种子，加入7 mL配制好的PbCl2溶液。设置Pb浓度，依次为0（CK）、250 mg/L（中度胁迫为MS） 和500 mg/L（严重胁迫为SS）。将培养皿置于恒温培养箱中（25±2）℃培养，每个处理3次重复。

1.3 测定指标

参考翟福勤等[11]的方法，第3天测定发芽势，第7天测定发芽率。随后每个培养皿挑选长势一致的幼苗，测定最大根长和芽长。按照根、种子、芽分开，称取根鲜重和芽鲜重。幼芽剪碎混合后冰浴研磨，测定叶绿素含量、可溶性糖含量、POD活性和MDA含量。

1.4 耐Pb性的评价

参考徐惠风等[12]的方法，采用耐性指数评价单个指标的耐Pb性。耐性指数=胁迫下测定值/对照测定值。参考邹成林等[13]的方法，采用隶属函数法进行消除不同性状值的纲量级差异。综合耐Pb性D值为品种所有测定指标耐性指数的平均值。

1.5 数据分析

采用Excel2003进行数据整理和图表绘制，运用SPSS18进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 Pb胁迫对旱地小麦种子发芽势和发芽率的影响

由图1可得，Pb胁迫后旱地小麦种子发芽势呈增加趋势。在中度胁迫下，商麦5226、商麦1619和3-3发芽势依次较清水对照显著增加了40.41%，10.53%，7.23%；在严重胁迫下三种小麦的发芽势分别增加了13.21%，1.69%，2.41%。Pb胁迫后三种小麦的发芽率均表现出下降趋势。在中度胁迫下，商麦5226、商麦1619和3-3的发芽率分别较对照下降了9.21%，1.11%，1.12%；在严重胁迫下三种小麦的发芽率分别较对照显著下降了8.05%，8.89%，4.43%。

图1 不同Pb浓度对小麦种子发芽势和发芽率的影响

2.2 Pb胁迫对旱地小麦种子最大根长和芽长的影响

由图2可得，随着Pb胁迫强度的加剧，旱地小麦种子最大根长和芽长均显著性下降。在中度胁迫下，商麦5226、商麦1619和3-3的最大根长较清水对照依次显著下降了89.81%，88.59%，90.06%；芽长依次显著下降了47.35%，50.81%，42.80%。在严重胁迫下，商麦5226、商麦1619和3-3的最大根长较对照分别下降了93.83%，92.68%，93.87%；芽长依次下降了59.42%，61.30%，58.91%。

图2 不同Pb浓度对小麦种子根长和芽长的影响

2.3 Pb胁迫对旱地小麦种子根鲜重和芽鲜重的影响

单株根系鲜重和芽鲜重在Pb胁迫后表现出不同的变化规律（图3）。随着Pb胁迫强度的加剧，商麦5226和商麦1619的根系鲜重整体呈先减后增的变化趋势。在中度胁迫下，商麦5226、商麦1619和3-3的根系鲜重分别显著低于对照 78.69%，83.29%，69.02%;在严重胁迫下，商麦5226和商麦1619的根系鲜重分别高于中度胁迫62.99%和21.30%，而3-3的根系鲜重则下降了28.11%。三种小麦的芽鲜重均随着Pb浓度的增加显著性下降。

2.4 Pb胁迫对旱地小麦幼苗叶绿素含量和可溶性糖含量的影响

由图4可得，Pb胁迫后三种供试旱地小麦叶绿素含量和可溶性糖含量表现出相反的变化趋势。随着Pb胁迫强度加剧，三种供试小麦品种幼苗叶绿素含量极显著下降。其中，在中度胁迫下，商麦5226、商麦1619和3-3的叶绿素含量分别较对照下降了22.87%，24.54%，42.36%；商麦5226、商麦1619和3-3的可溶性糖含量随着Pb浓度增加而显著增加。其中，在中度胁迫下三种小麦幼苗可溶性糖含量依次较对照增加了121.76%，99.17%，32.27%。

2.5 Pb胁迫对旱地小麦幼苗POD活性和MDA含量的影响

由图5可得，Pb胁迫后小麦幼苗POD活性变化因品种而异。商麦5226幼苗POD活性随着Pb浓度增加而显著增加，3-3和商麦1619其值在中度胁迫下分别较对照显著增加了75.84%和3.83%，在严重胁迫下分别较中度胁迫下降了72.95%和6.71%。小麦幼苗MDA含量随着Pb浓度增加表现出先减后增的变化趋势，在中度胁迫下商麦5226、商麦1619和3-3幼苗MDA含量分别低于对照49.03%，56.09%，34.83%，在重度胁迫下其值依次显著高于对照203.71%，76.52%，94.72%。

图5 不同Pb浓度对小麦幼苗POD活性和MDA含量的影响

2.6 耐性指数间相关性

由表1和表2可得，Pb胁迫后三种小麦的各指标耐性指数间存在不同程度相关性。以中度Pb胁迫下小麦部分指标为例，发芽势的耐性指数与发芽率的耐性指数呈显著负相关、与可溶性糖的耐性指数显著相关。发芽率的耐性指数与可溶性糖的耐性指数显著负相关。根长的耐性指数与芽长、根鲜重、芽鲜重、POD活性、MDA含量的耐性指数均呈极显著负相关。可见各单项指标之间存在着一定程度地信息重叠，有必要采用隶属函数对品种的耐Pb性进行综合评价。

表1 中度胁迫下各指标耐性指数间相关系数

表2 重度胁迫下各指标耐性指数间相关系数

2.7 萌发期耐Pb性综合评价

由表3可得，各指标对Pb胁迫的响应在供试品种间不一致。其中，在中度胁迫和严重胁迫下，三种小麦的根长隶属函数值均最小，可见根长对Pb胁迫最为敏感。在中度胁迫下，商麦5226和商麦1619的可溶性糖含量、3-3的POD活性隶属函数值最大，表现出较强的耐Pb性。在严重胁迫下商麦5226和3-3的MDA含量、商麦1619的可溶性糖含量隶属函数值最大，表现出对Pb胁迫较强的耐性。通过D值可知，在中度胁迫和严重胁迫下，三种小麦在萌发期的耐Pb性均表现为3-3＞商麦5226＞商麦1619。

表3 萌发期耐Pb性综合评价

3 讨论与结论

植物在种子萌发期对外界环境比较敏感，发芽势、发芽率、最大根长、苗高、不同部位鲜重等是衡量种子萌发期抗逆性的重要指标[6,8,14-15]。本研究在Pb胁迫下三种供试品种发芽势均有不同程度地增加，且在中度胁迫下较对照增加呈显著水平。这可能与低浓度Pb刺激了淀粉酶的活性及萌发素的产生有关[6]。而随着萌发进程的推进，发芽率、根长、芽长、芽鲜重在Pb胁迫后表现出下降趋势，且相同浓度下对根长的抑制要强于对芽长的抑制。种子吸水萌发时，胚根最先突破种皮，使得遭受Pb胁迫时间要比芽长，最终表现为根对Pb的受害程度要重于芽，这与魏学玲等[7]的研究结果基本一致。根系生长受阻，进而影响细胞分裂素的合成，表现为地上部芽的生长也减缓。此外，本研究中，商麦1619和3-3在重度胁迫下，根系鲜重较中度胁迫有所增加，可能与二者对Pb较强地富集能力有关。

作物的抗逆性是一个复杂的生物学特性，除形态指标外，体内生理代谢也会对逆境胁迫做出积极响应[16]。陈红玲等[17]研究发现，Pb胁迫后萌发期小麦幼苗叶绿素含量均有所下降，MDA含量表现出先增后减的变化趋势。本研究中，幼苗MDA含量表现出相同的变化趋势，重金属与叶绿体蛋白质的-SH结合或取代Fe2+、Mg2+等离子导致叶绿体结构破坏，致使叶绿素分解[18]，亦可能是Pb胁迫降低了叶绿素酸酯还原酶的活性，从而导致叶绿素含量下降[19]。逆境胁迫下可溶性糖含量[20]和保护酶活性[21]的增加，有助于清除逆境条件下植物体内活性氧，避免质膜过氧化。本研究中，Pb胁迫下小麦幼苗可溶性糖含量显著增加，这可能与可溶性糖作为渗透调节物质和信号分子的双层功能有关[20,22]。而POD活性在严重胁迫下有不同程度地下降，表明POD清除活性氧的能力存在一个阈值，超过这个阈值酶活性下降[21]。也有研究认为POD存在双重作用，在逆境初期为保护效应，而逆境后期参与活性氧的生成和叶绿素的讲解，并引发质膜过氧化作用，表现为伤害效应[23]。

多个指标可从不同角度反映作物抗逆性，模糊数学隶属函数法可综合多个指标，得到的D值是介于[0,1]区间上的无量纲的纯数，使得品种间抗逆性具有可比性[24]，通过D值可将供试品种抗逆性进行排序。聂婷宇等[14]利用隶属函数分析将尾穗苋萌发期耐Cd性分为三类。本研究条件下，三种品种在萌发期的耐Pb性表现为3-3＞商麦5226＞商麦1619。而在生育中后期的耐Pb性需要在大田试验中进一步验证。