锑胁迫对高抗白粉病小麦根系生长发育的生理影响

李桂萍，陈思晓，林梦杰，巴青松

(淮北师范大学生命科学学院，淮北 235000)

锑(Sb)的化学性质与砷(As)相似，是一种具有潜在毒性和致癌性的类金属元素，在工业领域和医疗领域具有比较重要的作用[1-2]。我国是产锑大国，锑矿的储量位居世界第一名[3]。近年来由于不合理利用锑矿，导致土壤、水以及大气中的锑浓度急剧上升[4-6]。

对于植物生长发育来说，锑不是必需的营养元素，但植物可以吸收土壤中的溶解态锑，当锑一旦进入植物体内就会与必要的代谢物竞争。锑的生物累积影响了植物中其他元素的浓度，如钾、铜等。植物中钾的减少会使叶片边缘变黄，降低光合速率；铜是光合系统的功能组成部分，在叶绿体中存在着细胞色素光氧化酶，并且铜蛋白具有与细胞色素光氧化酶相同的特性，进一步说明了铜在光合作用中的特定功能。而锑的累积影响着钾、铜等元素的吸收，这势必会影响植物的光合作用[7]。

前人研究发现，锑胁迫抑制植物发芽率和发芽势，破坏细胞膜的结构和渗透性，并破坏PSII的结构和功能，叶绿素合成受阻，降低光合速率[8-10]。锑不仅会影响植物生长发育，还会通过食物链进入人体，干扰体内蛋白质及糖的代谢，对粘膜产生刺激作用[11]。有关锑胁迫对小麦根系生长影响的研究相对较少，因此本研究以高抗白粉病的小麦-簇毛麦易位系92R137为试材，采用水培法研究了不同浓度(0、5、10、20、40、80、120、160 mg·L-1)的Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)对小麦根系生长和生理生化特性的影响，以探究高抗白粉病的小麦-簇毛麦易位系92R137对锑的耐受性，为抗逆小麦品种选育和生产利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为高抗白粉病的小麦-簇毛麦易位系92R137。Sb(III)和Sb(V)分别以酒石酸锑钾(KSbC4H4O7，分析纯)和焦锑酸钾(K2H2Sb2O7·4H2O，分析纯)的形式加入，均购自Sigma公司。

选取均匀饱满的小麦种子，用0.1%HgCl2消毒8 min，再用蒸馏水冲洗3次并用清水浸泡12 h后，置于培养皿中(提前放有滤纸)。培养皿置于光照培养箱(培养条件为25 ℃/20 ℃、14 h/10 h、200 μmol·m-2·s-1)中，每天3次加入适量去离子水进行培养。培养7 d后，分别用酒石酸锑钾和焦锑酸钾配制不同浓度、不同价态的锑溶液(0、5、10、20、40、80、120、160 mg·L-1)进行培养，以锑浓度0 mg·L-1为对照组(CK)。每个处理3次重复，处理7 d后进行相关指标的测定。

1.2 根系生理指标的测定

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 21.0软件进行方差分析和差异显著性检验，采用SigmaPlot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)胁迫对小麦幼苗根系生长的影响

从图1可以看出，在Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)胁迫下，随着处理水平升高，小麦幼苗根系的根长、根鲜重和根干重都表现为先升高后下降的趋势。当Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)浓度为40 mg·L-1时，根长和根鲜重与对照相比均达到显著差异。

图1锑胁迫对小麦幼苗生长的影响

2.2 锑胁迫对小麦幼苗抗氧化酶活性的影响

从图2可以看出，随着Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)浓度升高，小麦幼苗的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)三种抗氧化酶活性均呈现先升高后下降的趋势，表明小麦对其毒性有一定的耐受范围。在Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)处理下，锑胁迫浓度为120 mg·L-1时，三种抗氧化酶的活性均达到了最高值，当胁迫浓度为160 mg·L-1时，三种抗氧化酶活都开始呈现出下降趋势。在两种不同价态锑处理下，POD和CAT活性差异较小，而SOD的活性差异较大，表现出Sb(Ⅲ)试验组显著高于Sb(Ⅴ)试验组，说明Sb(Ⅲ)的毒性要比Sb(Ⅴ)大。

图2Sb (Ⅲ)和Sb (Ⅴ)胁迫对小麦根系抗氧化酶活性的影响

2.3 锑胁迫对小麦幼苗丙二醛含量、超氧阴离子含量和过氧化氢含量的影响

丙二醛(MDA)作为膜脂过氧化的产物，当植物受到重金属等逆境胁迫时往往会发生积累。从图3可以看出，在Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)胁迫下，随着处理水平升高，MDA含量表现出先上升后降低的趋势；当Sb(Ⅲ)浓度为10 mg·L-1、Sb(Ⅴ)浓度为40 mg·L-1时，MDA含量与对照组相比差异达到显著水平。表明较低浓度的Sb(Ⅲ)就能对小麦根系造成膜脂过氧化作用，引起细胞膜的损伤，说明Sb(Ⅲ)的毒性要比Sb(Ⅴ)大。

图3Sb (Ⅲ)和Sb (Ⅴ)胁迫对小麦根系和H2O2含量的影响

3 结 论

本研究结果可以看到，随着胁迫处理浓度的升高，小麦幼苗受到的伤害越来越严重，导致POD、CAT、SOD活性逐渐升高以缓解Sb的胁迫，但当处理浓度增大到160 mg·L-1时，抗氧化酶活性开始下降[18]。分析原因主要是重金属离子在机体内积累量加大，从而对植物的毒害加剧，重金属胁迫使植物细胞内产生的活性氧超过抗氧化酶系统的清除能力时，就会导致自由基在细胞内大量积累，从而诱导对植物细胞的过氧化损伤，表明重金属胁迫条件下植物体内活性氧清除系统对植物细胞的保护作用是有一定限度的[19]。从本研究结果还可以看到两种价态Sb对小麦根系的损伤程度是不同的，Sb(Ⅲ)比Sb(Ⅴ)对小麦根系的毒性更大。