铅对小麦幼苗光合特性及抗氧化酶活性的影响

韩红江，田琴，李维平

（西北农林科技大学生命科学学院，杨凌，712100）

铅是已知毒性最大的金属污染物之一［1］。其通过植物根系的吸附作用固定在根细胞壁中，过量的铅会破坏根系细胞膜及分生组织，进入土壤中的铅随着植物对矿质元素的吸收和其它生理过程进入植物体，从而进入食物链，最终危害人体健康［2］。

铅能阻碍植物的生长，使植物叶片的光合强度及蒸腾速率降低，叶片中的谷胺酰胺合成酶活性下降［3］。铅胁迫造成植物叶绿体超微结构的破坏和叶绿素含量的减少，从而影响光合速率［4］。重金属对植物的伤害与自由基的产生有关，大量的自由基一方面引起膜组分不饱和脂肪酸的过氧化，从而影响细胞膜的结构和功能，进而引起DNA损伤，改变RNA从细胞核向细胞质的运输；另一方面自由基的积累可直接破坏防御系统中酶的活性［5－6］。在铅胁迫下，烟草体内的活性氧增加，诱导SOD活性增强，当活性氧水平超过SOD的歧化能力时，过多的活性氧可破坏膜系统，导致SOD活性急剧下降［7］。铅胁迫下小麦幼苗过氧化物酶活性下降，MDA含量上升，抗氧化酶防御系统机能下降［8］。

作物幼苗生长阶段对于作物的形态建成和产量有着直接的影响，也是对外界逆境较为敏感的时期。本研究采用水培法培养小麦幼苗，测定不同铅浓度处理下幼苗光合特性及生理生化指标，将作物的生长状况与相关的指标联系起来，旨在为重金属对小麦的毒害机理研究提供依据，同时为控制和综合治理重金属污染提供理论依据。

1 材料与方法

1．1 材料

供试小麦为陕253，取自陕西省杨凌区西北农林科技大学农作一站试验田（34°28′N ，108°06′E）。

1．2 方法

1．2．1 植物培养

小麦种子经表面消毒后，25℃催芽24h，挑选生长一致的小麦幼苗进行1／2Hoagland营养液培养，室温下培育，定时通气，及时补充散失的水分，每3d更换1次培养液。待小麦幼苗培养至二叶一心后，进行Pb（NO3）2处理实验，浓度依次为：50、100、200和300mg／L，每一处理设3个重复，以不加Pb（NO3）2的1／2Hoagland营养液为对照。

1．2．2 测定指标及方法

1．2．2．1 铅胁迫下幼苗光合特性的测定

铅处理3d后，取小麦幼苗第3位叶片，用PP Systems TPS－2型便携式光合仪测定，选用红蓝光源在晴天的9∶00－11∶00测定叶片气体交换参数，包括叶片净光合速率（Pn，（μmol CO2／m2）／s）、蒸腾速率（Tr，（mmol H2O／m2）／s）、细胞间隙CO2浓度（Ci，（μmol／mol））、气孔导度（Gs，（μmol H2O／m2）／s）；用叶绿素计（SPAD－502型，日本）测定相对叶绿素含量（SPAD值），在测量时避开叶脉［9］。1．2．2．2 铅胁迫下幼苗膜脂过氧化作用的测定

在铅处理后1、3、5、7d后测定，取小麦幼苗第3位叶片，氮蓝四唑（NBT）光化还原法［10］测定SOD活性；CAT活性采用紫外吸收法测定［10］；POD活性采用愈创木酚法测定［10］；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法测定［10］。

2 结果与分析

2．1 铅胁迫对小麦幼苗光合特性的影响

图1为不同铅浓度对小麦叶片光合作用特性的影响。

图1 不同铅浓度对小麦叶片光合特性的影响Fig．1Effect of different Pb concentrations on photosynthetic characteristics of wheat leaves

如图1a、b、c所示，小麦叶片Pn、Tr、Gs变化趋势基本一致，随铅浓度的增大呈现先升高后降低的趋势。当铅浓度达到100mg／L时，Pn、Gs、Tr达到最大值，分别比对照提高了9．7%、14%、6．3%，铅浓度为300mg／L时，Pn、Gs、Tr最低，分别比对照下降了11．3%、7．6%、7．5%。同时Pn、Tr下降幅度均达显著差异（P＜0．05）。

图1d显示，Ci随铅浓度升高出现先降低后增大的趋势。铅浓度为100mg／L时，Ci最低，与对照相比降低了2．9%，当浓度为300mg／L时，Ci最高，与对照相比提高了2．0%。

2．2 铅胁迫对小麦叶片SPAD值的影响

由图2可见：SPAD值与叶绿素含量成正比，铅胁迫处理后，叶绿素的含量呈现先升后降的趋势，各处理之间的叶绿素SPAD值均与对照达极显著差异（P＜0．05），铅浓度为100mg／L时，叶绿素含量最高，为对照的1．23倍；从铅浓度200mg／L开始，叶绿素含量下降，最高浓度（300mg／L）处理时，叶绿素含量下降为对照的45．65%。

图2 不同铅浓度对小麦叶片SPAD的影响Fig．2Effect of different Pb concentrations on SPADof wheat leaves

2．3 铅胁迫对麦苗膜脂过氧化作用的影响

2．3．1 铅胁迫对小麦叶片SOD活性的影响

铅胁迫下小麦叶片SOD活性的变化如图3所示。

由图3可见：经过1d的处理，SOD活性较对照明显升高；经过3、5d的处理后，SOD活性开始降低，各处理间差异达极显著（P＜0．05），处理第7天时，各处理的SOD活性除50mg／L处理外，其它各浓度处理均低于对照。随着胁迫天数的增加，铅浓度为100mg／L的处理，SOD活性降低明显。

图3 不同铅浓度对小麦叶片SOD活性的影响Fig．3Effect of different Pb concentrations on SOD activities of wheat leaves

2．3．2 铅胁迫对小麦叶片CAT活性的影响

图4显示：在不同浓度铅胁迫下CAT活性呈先升高后降低的变化趋势，但均显著高于对照（P＜0．05）。胁迫第3天时，铅浓度100mg／L的处理，CAT活性为对照的1．8倍，铅浓度200mg／L的处理，CAT活性为对照的1．5倍。

图4 不同铅浓度对小麦叶片CAT活性的影响Fig．4Effect of different Pb concentrations on CAT activities of wheat leave

2．3．3 铅胁迫对小麦叶片POD活性的影响

由图5可见：胁迫第1天时，POD活性显著升高（P＜0．05），铅浓度为50mg／L的处理，POD 活性为对照的1．9倍，随着胁迫时间的增加，POD活性呈现降低趋势，但均显著高于对照（P＜0．05）。

2．3．4 铅胁迫对小麦叶片MDA含量的影响

MDA是细胞膜脂过氧化的直接产物，其含量的高低可以反映植物遭受逆境伤害的程度［12－13］。

低浓度处理（50、100mg／L）对小麦叶片相对透性影响不大，幼苗叶片MDA含量呈现升高的趋势（图6），但与对照差异均未达到显著水平（P＞0．05），只有在200、300mg／L时才逐渐增大，这种增大随着胁迫时间的延长而显著增大（P＜0．05）。胁迫第7天时，200mg／L的相对膜透性为对照的4．5倍，300mg／L的相对膜透性为对照的5．8倍。

图6 不同铅浓度对小麦叶片MDA含量的影响Fig．6Effect of different Pb concentrations on MDA content of wheat leaves

3 讨论

由本研究的结果可以得出，铅会对植物的光合作用产生影响。植物光合作用能力变化的原因既有气孔因素也有非气孔因素［14］，气孔因素主要受气孔数量、气孔孔径、气孔开度等的影响［15－16］；非气孔因素主要受内部的酶活力和光合组分控制［17］。

本研究结果表明，引起光合作用下降的原因是气孔因素和非气孔因素共同作用的结果［18］。因为低浓度铅处理下（50、100mg／L）小麦的Pn、Gs都略有上升，Ci略有下降（图1），SPAD 值升高（图2），说明此时的气孔导度在低浓度铅下仍维持着正常的光合作用，这可能是由于在低浓度条件下铅对小麦的光合系统未造成伤害，光合作用的各个阶段还未受到影响。高浓度铅处理下（200、300mg／L）小麦叶片的SPAD值、Pn等都表现出下降的趋势，说明高浓度铅对Pn表现出了一定的抑制效应，此时小麦叶片光合作用的下降是非气孔因素所致。

叶绿素是绿色植物进行光合作用的基础物质［19］，植物受到逆境胁迫时，各种生理过程均会受到影响。本研究的结果表明，在铅浓度为50、100 mg／L时，叶绿素总量分别比对照增加了2．78%和2．64%，说明低浓度的铅促进了叶绿素的形成，同时还促进小麦叶片气孔开放，增加了气孔导度，因而增加了叶片的净光合速率。当铅浓度为200、300mg／L时，叶绿素总量、净光合速率及气孔导度开始下降，说明叶绿素含量和光合能力受到抑制，导致这一结果的原因可能是高浓度的铅促使叶绿体酶活性失调，叶绿体分解加快，有研究表明，重金属胁迫可使植物叶绿素含量的下降［20－21］，本实验进一步验证了这一结论。

重金属对植物的伤害与自由基的产生有关，生物体主要通过抗氧化酶系统防御自由基损伤，此酶系统包括SOD、CAT、POD等。此外，一些抗氧化剂，如维生素E等也在自由基损伤防御系统中起作用［19］。过量的重金属可以引发植物体内活性氧自由基大量产生并积累，引起脂质过氧化反应，导致膜结构和功能的破坏［22］。

本研究的结果显示，随着处理时间的延长，SOD的活性先升高后降低，说明铅污染破坏了活性氧产生和清除之间的平衡。在铅胁迫下，小麦幼苗体内所具有的活性氧清除酶系统被诱导而加快，SOD在此诱导下，其活性逐渐增加，以消除过多的超氧阴离子自由基。随着铅浓度的继续增加，超氧阴离子自由基的增加超过了正常的歧化能力，使酶活性急剧或缓慢下降［8，23］。小麦幼苗的CAT和POD活性呈现先升高后降低的变化趋势，但均显著高于对照（P＜0．05），这有利于植物清除由于金属毒害产生的活性氧自由基。

本研究结果表明，低浓度处理（50、100mg／L）对小麦叶片相对透性影响不大，这表明浓度50、100 mg／L胁迫对小麦幼苗叶片细胞膜均未造成显著的氧化伤害。只有在200、300mg／L高浓度时才逐渐增大，这种增大随着胁迫时间的延长而显著增大（P＜0．05），这说明铅浓度超过一定范围时，植株的细胞膜系统受到损伤。因此，通过测定MDA含量可以了解膜脂过氧化的程度，以间接测定膜系统的受损程度及小麦对铅污染的抗逆性。

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