镉胁迫对小麦生长和生理特性的影响

刘 凤，魏雨蒙，刘霜平，张凤娇，赵晓芸，刘楚汉，赵梦霞，张 莹，卓秀丽，褚天龙

(吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136000)

镉胁迫对小麦生长和生理特性的影响

刘 凤，魏雨蒙，刘霜平，张凤娇，赵晓芸，刘楚汉，赵梦霞，张 莹，卓秀丽，褚天龙

(吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136000)

镉(Cd)是非必需的有毒元素，是农业环境和农产品的重要污染物，因此，Cd的毒性效应已成为国内外研究的热点。小麦作为毒性实验推荐的标准物种之一，了解其对Cd 的吸收过程及其致毒机理具有重要意义。采用SPSS和Origin进行统计分析得出，小麦生长指标与对照相比差异显著，且呈现明显的剂量-效应关系，根长降低幅度较大，Cd对于根的毒性作用较强，根对于污染胁迫响应较敏感。抗氧化酶活性显著性升高，这是Cd2+胁迫下小麦的一种防御机制。本研究通过显著性差异分析得出株高和鲜重的无可见效应浓度和最低可见效应浓度值分别为1.12 mg/L和5.62 mg/L。

镉胁迫；重金属；小麦；抗氧化系统

近年来，随着以工业“点源”及以农业源为主的“面源”重金属污染的加剧，土壤镉(Cd)污染越来越引起人们的高度重视。据报道，我国每年由于土壤Cd 污染导致的 Cd 超标的农产品达 14.6 亿 kg[1]。Cd 是生物毒性最强的重金属之一。研究表明，Cd 可以干扰植物的许多生理生化过程，如光合作用、呼吸作用、氮和蛋白质代谢以及营养吸收等[2-3]。Cd 毒害阻碍植物根系生长，抑制养分的吸收，引起一系列生理代谢紊乱，并最终导致植物产量减少，同时通过食物链危害人类健康[4-5]。小麦是世界上最重要的粮食作物，也是我国仅次于水稻的第二大粮食作物，是OECD(2003)毒性测试标准推荐的受试生物之一[6]，降低小麦籽粒中有毒重金属的积累,已日益引起关注。因此，研究Cd 对小麦的毒害机理及小麦对Cd 的抗性机理对于农业生产、环境治理及生态保护都具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选择大小一致、饱满、健康的种子，1%H2O2消毒20min，再用蒸馏水洗净残余的消毒液，放于温箱中催芽，选取大小一致、生长健壮的幼苗，用含镉的Hoagland培养液，置于全智能人工气候室(型)内，培养参数为：光暗周期为12 h/12 h、有效光量子密度为270 μmol/m2/s，昼夜温度(25±1)℃、相对湿度(75±5)%，每个处理3次重复。每天调节营养液pH值使之维持在5.5～6.0范围，更换营养液的周期为2天，7天处理后测各项指标。加预冷的PBS缓冲液(到放有0.5g小麦组织的研钵中)，4℃冰浴研磨，低温高速离心后取上清液做酶活性分析。可溶性蛋白含量，用考马斯亮蓝法测定；总抗氧化力用南京建成生物工程研究所提供的试剂盒测定。

1.2 数据处理

试验数据采用Excel软件和SPSS软件进行统计分析，并用Origin软件进行绘图。

2 结果与讨论

2.1 Cd 胁迫下小麦生物量的变化

不同浓度Cd2+处理下小麦外观指标变化情况见图1。试验结果表明，实验组处理的根长均显著低于对照(P<0.001)，且随Cd2+浓度的升高，根长渐次降低，浓度越高抑制作用越明显。当Cd2+浓度≤0.01mmol/L时，株高和鲜重相对于空白组没有显著性差异，但0.05 mmol/L和0.1 mmol/L Cd2+浓度处理组显著性抑制了小麦的株高、鲜重，其中株高分别比空白组减少了和9.50%和11.73%，鲜重的抑制率分别为20.50%和16.55%。

图1 不同浓度Cd2+处理下小麦株高(A)、根长(B)、鲜重(C)Fig.1 Plant height (A),root length (B),fresh weight (C) of wheat under different concentrations of Cd2+

2.2 无可见效应浓度值和最低可见效应浓度值

EC50是广泛应用的生态毒理学指标，但在实际应用中也存在一定的局限性，不能用作安全暴露浓度。OECD曾推荐的安全暴露基准浓度值，可以用NOEC来表示。No Observed Effect Concentrations，简称为NOEC，即毒性效应与对照组相比，无显著差异的最大处理浓度。有研究指出，以NOEC为安全暴露基准时，应给出最小可以观察的毒性效应值，即 Lowest Observed Effect concentrations(LOEC)，与对照组有显著差异的最小浓度[7]。研究污染物的NOEC、LOEC，更能真实的、客观的反映其毒性。本研究以各实验组株高和鲜重与对照组相比进行显著性差异分析，得出Cd2+对小麦株高和鲜重的NOEC和LOEC值，分别为1.12 mg·L-1和5.62 mg·L-1(表1)。

表1 不同浓度 Cd2+处理下小麦外观指标差异(P<0.05)Table 1 Difference of appearance indexes of wheat under different Cd2+concentration (mmol/L) treatments(P<0.05)

2.3 可溶蛋白含量

试验表明，5种浓度镉处理下，小麦的根中可溶性蛋白含量随着Cd2+浓度的升高明显降低(图2)，当Cd2+浓度为0.001 mmol/L时抑制作用不显著，但 0.05 mmol/L≤Cd2+浓度≤0.1 mmol/L时，根长的变化均为显著性降低(P<0.001)，相比于空白组依次减少了42.53%、45.91%、63.66%和67.32%。

图2 不同浓度Cd2+处理下小麦可溶性蛋白含量Fig.2 Soluble protein content of wheat under different concentrations of Cd2+

2.4 淀粉酶(AMS)活力

由图3可见，5种浓度镉处理下，小麦AMS含量与空白组相比，均有显著性差异(P<0.001)，变化总体趋势为升高，0.005、0.01、0.05、0.1mmol/LCd2+处理的AMS活力，分别比对照组增加了150.79%、203.17%、288.21%和315.42%。表明Cd2+对AMS活性有促进作用，其活性的增强，能增强小麦体内储存物质的分解代谢能力，为植株的生长提供物质、能量。

图3 不同浓度Cd2+处理下小麦AMS活性Fig.3 AMS activity of wheat under different concentrations of Cd2+

2.5 过氧化物酶(POD)活力

由图4可以看出，Cd2+胁迫诱导小麦POD活性明显升高，Cd2+处理组POD活力相对于对照组有显著性差异，0.05 mmol/LCd2+浓度处理时，POD活力最高，比空白组提高了158.29%(P<0.001)。由此可见，Cd2+胁迫能够显著提高小麦抗氧化酶系统的防御能力，可能通过减少小麦体内活性氧积累来降低膜脂的过氧化程度。有研究指出，保护酶中的POD对胁迫处理反应比较敏感，可能在小麦防御活性氧伤害中起主要作用[8]。

图4 不同浓度Cd2+处理下小麦POD活性Fig. 4 POD activity of wheat under different concentrations of Cd2+

3 结论

随Cd2+浓度的升高，株高、可溶性蛋白含量和鲜重渐次降低，呈现明显的剂量效应关系。根长降低幅度较大，根对于污染胁迫响应较敏感。POD活性显著性升高，这是Cd2+胁迫下小麦的一种防御机制。本研究通过显著性差异分析得出株高和鲜重的NOEC和LOEC值分别为1.12 mg/L和5.62 mg/L。

[1] 宋文恩.土壤镉污染对不同品种水稻的毒性阈值及其物种敏感性分布[D].北京:中国农业科学院,2015:1-30.

[2] Marinari S,Carbone S,Vittori Antisari L,et al.Microbial activity and functional diversity in Psamment soils in a forested coastal dune-swale system[J].Geoderma,2012,173-174:249-257.

[3] 张芬琴,沈振国,徐朗莱.Cd 胁迫下绿豆和箭舌豌豆叶片抗氧化系统的变化[J].农业环境科学学报,2012,31(1):7-16.

[4] 李 冰,王昌全,李 枝,等.Cd 胁迫下杂交水稻对Cd 的吸收及其动态变化[J].生态环境学报,2014,23(2):312-316.

[5] 张 军,吴秀宁,王新军.镉胁迫对兰黑粒小麦幼苗光合生理特性的影响[J].陕西农业科学,2016,62(4): 6-8,19.

[6] 李丹丹,周东美,汪 鹏,等.小麦根对镉离子的吸收机制及镉的亚细胞分布[J].生态毒理学报,2010,5(6):857-861.

[7] 刘 凤.南京市典型工业区土壤健康风险评价及生态毒理诊断[D].南京:南京大学,2013:41-50.

[8] 韩 超,申海玉,叶 嘉,等.外源脱落酸对小麦幼苗抗镉胁迫能力的影响[J].西北植物学报,2012,32(4):745-750.

(本文文献格式：刘 凤，魏雨蒙，刘霜平，等.镉胁迫对小麦生长和生理特性的影响[J].山东化工,2017,46(3):24-26.)

Effects of Cadmium Stress on the Seedlings Growth and Physiological Characteristics of Wheat

LiuFeng,WeiYumeng,LiuShuangping,ZhangFengjiao,ZhaoXiaoyun,LiuChuhan,ZhaoMengxia,ZhangYing,ZhuoXiuli,ChuTianlong

(College of Environmental Science and Engineering,Jilin Normal University,Siping 136000,China)

Cadmium (Cd) is non-essential but toxic element. It is an important agricultural pollutant in environment and farm product.Therefore,toxicity effect of Cd has become a hot research at home and abroad. Wheat is one of the recommended standard species for toxicity experiments.It is of great significance to understand the absorption process and toxic mechanism of Cd.Using SPSS and Origin for statistical analysis,we find that the growth indexes are significantly different compared to the control,and show a clear dose-response relationship between Cd pollution and toxicity.Among these indexes,root length changes by a big margin,indicating that it is more sensitive.Antioxidant enzyme activity increased significantly,which is a defense mechanism of wheat under Cd2+stress.No-observed-effect concentration and the lowest-observed-effect concentration of plant height and fresh weight of wheat introduced by Cd2+are 1.12mg/L and 5.62 mg/L,respectively.

Cadmium stress; heavy metal; wheat; antioxidant system

2016-12-21

2016年国家级大学生创新创业训练计划项目(G2016-35 );吉林师范大学第十五批大学生科研基金(15321)

刘 凤(1987—)，女，河北保定人，讲师，研究方向：环境污染与健康评价。

S512.1

A

1008-021X(2017)03-0024-03