Ｃｄ２＋胁迫对商麦１６１９幼苗光合生理和抗氧化酶活性的影响

吴秀宁　车丽平　张军　赵永平

摘要：为研究Cd2+胁迫对小麦（Triticum aestivum L.）品种商麦1619幼苗光合生理特性的影响，同时以商麦1619和区域试验对照品种小偃15为试验材料，水培条件下测定2个品种在不同Cd2+浓度胁迫下叶绿素含量、光合生理参数和抗氧化酶活性的变化。结果表明，Cd2+胁迫后，2个小麦品种的叶绿素含量、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、过氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性均有不同程度的下降;商麦1619的过氧化氢酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量呈增加趋势，而小偃15呈下降趋势。相对而言，商麦1619的抗Cd2+胁迫能力弱于小偃15。

关键词：小麦（Triticum aestivum L.）;Cd2+胁迫;商麦1619;光合生理;抗氧化酶活性

中图分类号：S512.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）03-0029-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.03.006

Effects of Cd2+ stress on photosynthetic physiology and antioxidant

enzyme activities of Shangmai 1619 seedlings

WU Xiu-ninga，CHE Li-pingb，ZHANG Junb，ZHAO Yong-pingb

（a.College of Health Management;b.College of Biology Pharmacy and Food Engineering，Shangluo University，Shangluo 726000，Shaanxi，China）

Abstract： To explore the effects of Cd2+ stress on physiological characteristics of wheat（Triticum aestivum L.） variety Shangmai 1619 regional test control variety seedling， taking Shangmai 1619 and Xiaoyan 15 as tested materials， chlorophyll content， photosynthetic physiological parameters and antioxidant enzyme activities of wheat seeding under different Cd2+ stresses were determined under hydroponic conditions. The results showed that， after Cd2+ stress， chlorophyll content， net photosynthetic rate （Pn）， transpiration rate（Tr）， stomatal conductance（Gs）， intercellular CO2 concentration （Ci）， superoxide dismutase （SOD） activity and peroxidase（POD） activity of two wheat cultivars all decreased. Catalase（CAT） activity and malondialdehyde（MDA） content in Shangmai 1619 increased， while that of Xiaoyan 15 decreased. Comparatively speaking， Shangmai 1619 showed weaker resistance than Xiaoyan 15 under Cd2+ stress.

Key words： wheat（Triticum aestivum L.）; Cd2+ stress; Shangmai 1619; physiological characteristic; antioxidant enzyme activities

重金屬镉（Cd2+）因其生态效应的复杂性和对人类健康的严重危害，已成为全球关注的问题之一[1]。Cd2+具有较强的化学活性，与其他重金属相比，更易被作物吸收向子粒转移[2]。即使生长在非污染土壤上的小麦，子粒中Cd2+含量也在0.002～0.207 mg/kg[3]（世界卫生组织建议Cd2+安全食用上限为0.1 mg/kg）。近年来，由于工业“三废”的不合理处置及化肥的大量施用，导致农田和作物的重金属污染日趋严重[4]。据统计，中国农田Cd2+污染面积高达1.33万hm2，受污染粮食高达1 200万t[5]。为此，筛选抗Cd2+的植物品种对于净化Cd2+污染的土壤和食品安全具有重要意义。

苗期是小麦（Triticum aestivum L.）对外界环境因子最敏感的时期之一[6]。前人研究表明，Cd2+胁迫后，小麦光合生产能力下降，叶片气孔阻力增加[7]，且影响过氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）等酶的活性[8]。商麦1619是商洛学院选育并于2014年通过陕西省品种审定委员会审定的小麦新品种。该品种具有稳产、耐旱和适应性广特点。鉴于小麦抗Cd2+在品种间存在较大的差异[3]，本试验以商麦1619幼苗为材料，考察Cd2+胁迫对小麦光合生产能力及抗氧化酶活性的变化，以期为商麦1619的进一步开发利用提供参考。

1  材料与方法

1.1  材料

供试品种为商麦1619和小偃15。商麦1619目前在陕西省及周边旱塬地有一定面积的推广种植，小偃15为商洛市小麦区域试验对照品种。种子均由商洛学院秦岭植物良种繁育中心提供。

选取子粒饱满、大小均匀的种子，15%的NaClO溶液杀菌5～10 min，去离子水冲洗3次，放置于培养皿中，加去离子水，室温下浸泡24 h。将露白种子放入水培篮中，Hogland营养液培养至一叶一心时进行Cd2+胁迫处理，Cd2+胁迫溶液用Hogland营养液溶解CdCl2而成。设置4个CdCl2浓度水平，分别为0（CK）、40、80、120 mg/L。培养待用。

1.2  测定指标

处理3 d后取小麦第一片叶进行指标测定。采用Li-6400光合仪（美国）测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci），流速设定为500 μmol/s，光合辐射量为600 μmol/（m2·s），开放式气路，CO2浓度约为350 μmol/L。叶绿素含量采用乙醇丙酮混合液法测定[9];SOD活性测定采用氮蓝四唑（NBT）光还原法[9];POD活性测定采用愈创木酚法[9];CAT活性测定采用紫外分光光度法[9];MDA含量测定采取硫代巴比妥酸显色法。所有数据为3次重复的平均值。

1.3  数据分析

利用Excel 2003进行数据处理和作图，利用SAS软件进行显著性检验。

2  结果与分析

2.1  Cd2+胁迫对幼苗叶绿素含量的影响

由表1可得，2个供试品种叶绿素含量随着Cd2+浓度增加呈下降趋势。其中，在Cd2+浓度为80、120 mg/L时商麦1619中叶绿素含量与对照差异显著，分别下降了48.15%和72.84%;小偃15中叶绿素含量在各Cd2+浓度下均显著低于对照，分别降低了31.52%、48.91%和64.13%。可见重金属Cd对2个小麦品种幼苗已造成了不同程度的伤害。

2.2  Cd2+胁迫对幼苗光合作用指标的影响

由图1可得，Cd2+胁迫后2个小麦品种净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）比对照均有不同程度的下降，且均达到显著水平。

2.3  Cd2+胁迫对幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影响

由图2A至图2C可知，Cd2+胁迫后抗氧化酶活性在2个品种间变化趋势不同。其中，两品种叶片中SOD活性和POD活性随Cd2+的加入均呈显著下降趋势。而CAT活性商麦1619随Cd2+浓度增加先增加后降低，但均显著高于对照，其中Cd2+浓度为40、80、120 mg/L处理分别比对照增加25.01%、34.91%和23.76%;小偃15的CAT活性则表现为下降趋势，降幅依次为16.69%、36.33%和41.46%。

Cd2+胁迫后MDA含量在2个供试品种间变化规律不同（图2D）。其中，Cd2+胁迫后商麦1619的MDA含量比对照显著增加，浓度为40、80、120 mg/L时增幅分别为65.78%、108.39%和149.06%;小偃15的MDA含量则表现为下降趋势，降幅依次为9.87%、41.65%和29.94%。

3  讨论

Cd2+胁迫后，原葉绿素酸酯还原酶和氨基-7-酮戊酸的合成受阻，导致叶绿素合成受阻，叶片叶绿素总量和叶绿素a/b下降[10]。本试验中Cd2+胁迫后2个供试品种的叶片叶绿素含量均有不同程度的下降。另外，Cd2+能造成小麦叶绿体基粒减少、基粒分布不均和部分外围双层膜破裂等毒害作用[11]。在叶绿素含量下降和叶绿体结构遭到破坏的双重作用下，最终导致植物光合作用的进行。本试验中2个小麦品种的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）在Cd2+胁迫后较对照呈下降趋势，且下降幅度随着胁迫强度的增加而增大。

逆境胁迫后植物体内会积累活性氧自由基。同时植物体内存在清除自由基和活性氧的酶类和非酶类物质[12]。SOD、POD、CAT等被认为是清除活性氧过程中最主要的抗氧化酶类。本试验中Cd2+胁迫后SOD活性和POD活性有较大程度的下降。类似研究结果在蓝黑粒小麦中也有报道[13]。可见Cd2+进入植物体内后，结合功能蛋白，占据酶的活性中心，致使酶活性受到抑制[14]。当活性氧的产生速率大于抗氧化酶的清除速率时，质膜发生过氧化。本试验中商麦1619的MDA含量在Cd2+胁迫后有不同程度的增加。这可能因其SOD和POD不能与CAT协同清除自由基，进而导致质膜氧化产物积累所致。

综上所述，Cd2+胁迫后，2个小麦品种的叶绿素含量、光合生产能力和抗氧化酶活性有不同程度的下降。相同Cd2+胁迫强度下，商麦1619的降幅相对较大，且MDA积累较多，表明其苗期的抗Cd2+胁迫能力弱于小偃15。

参考文献：

[1] 张  丽，赵忠涛，李祖祥，等.土壤中重金属镉污染对润草1号生理生化指标的影响[J].湖北农业科学，2016，55（19）：4952-4955.

[2] GONZ？魣LEZ A，GIL-D？魱AZ M，LOBO M C. Response of two barley cultivars to increasing concentrations of cadmium or chromium in soil during the growing period[J].Biological trace element research，2015，163（1-2）：235-243.

[3] 程  杰，高压军.镉毒害对小麦生理生态效应的研究进展[J].水土保持研究，2006，13（6）：218-221，227.

[4] 李惠英，田魁祥，赵欣胜.不同小麦品系耐镉能力对比研究[J].农业系统科学与综合研究，2001，17（4）：279-282.

[5] 李彦娥，赵秀兰.植物镉积累和耐性差异研究进展[J].微量元素与健康研究，2004，21（3）：53-56.

[6] SEREGIN I V，IVANOV V B. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants[J].Russian journal of plant physiology，2001，48（4）：523-544.

[7] 慈敦伟，姜  东，戴廷波，等.镉毒害对小麦幼苗光合及叶绿素荧光特性的影响[J].麦类作物学报，2005，25（5）：88-91.

[8] GE C L，DING Y，WANG Z G，et al. Responses of wheat seedlings to cadmium，mercury and trichlorobenzene stresses[J].Journal of environmental sciences，2009，21（6）：806-813.

[9] 中国科学院上海植物生理研究所，上海市植物生理学会.现代植物生理学实验指南[M].北京：科学出版社，1999.123-124.

[10] K？譈PPER H，SPILLER M. Environmental relevance of heavy metal-substituted chlorophylls using the example of water plants[J].Journal of experimental botany，1996，47（295）：259-266.

[11] 杨其伟，郝泗城，孙建华，等.镉对冬小麦叶细胞叶绿体超微结构的影响[J].生物学杂志，1993，53（3）：17-18.

[12] 王树刚，王振林，王  平，等.不同小麦品种对低温胁迫的反应及抗冻性评价[J].生态学报，2011，31（4）：1064-1072.

[13] 张  军，王新军，吴秀宁，等.镉胁迫对兰黑粒小麦幼苗叶片生理特性的影响[J].商洛学院学报，2016，30（2）：65-69.

[14] VAN A F，CLIJSTERS H. Effects of metal on enzyme activity in plants[J].Plant cell environment，1990，13：195-206.

收稿日期：2019-05-28

基金项目：商洛市科技创新团队项目（SK2017-45）;商洛学院秦岭植物良种繁育中心专项

作者简介：吴秀宁（1987-），女，山东嘉祥人，讲师，主要从事高产栽培与耕作模式优化研究，（電话）15291670608（电子信箱） wuxiuning1988@163.com。