外源调节物质对铬(Cr6+)胁迫下小麦种子萌发的缓解效应

孙淑珍，田中伟，郑巧梅，孙传蛟，孙建云

(1.南京农业大学农学院，农业农村部作物生理生态与生产管理重点实验室， 江苏南京 210095； 2.南京农业大学生命科学院，江苏南京 210095)

铬是水环境和土壤环境中最常见的重金属污染物之一。目前，我国约有0.2亿hm2耕地受铬等重金属的污染[1]。Cr6+是自然环境中最常见且稳定的形式，有很强的移动性和不可降解性，极易对植物造成伤害，并可通过食物链不断富集，进而危害人体健康，因此，Cr6+对植物的影响逐渐成为人们的研究热点[2]。

小麦是我国主要粮食作物之一，其种子萌发质量的高低是影响产量的关键因素。有研究表明，种子萌发时对Cr6+胁迫十分敏感，主要表现为种子内α-淀粉酶构象受损，活性降低[3]，糖和蛋白质代谢发生紊乱[4]，大量活性氧生成，破坏膜脂并造成氧化损伤[5]，导致种子萌发率明显下降。因此，保证小麦种子在Cr6+污染环境中正常萌发、出苗，是维持其产量平稳的前提。添加适合的外源调节物质能够提高重金属胁迫下种子的萌发率，降低重金属在其植株可食部位的积累[6]。前人已有报道证实，葡萄籽提取物(grape seed extract，GSE)[7]、氯化血红素(hematin chloride，Hemin)[8]和茉莉酸甲酯(methyl jasmonate，MeJA)[9]可有效缓解动植物重金属胁迫，但它们对Cr6+胁迫下植物生长的影响及其相应机制仍不明确。且已有研究只限于外施一种调节物质，而未比较分析多种调节物质对同一植物在Cr6+胁迫下的缓解效应及其相关机制上的差异。本研究利用水培试验在小麦种子萌发期分别添加GSE、Hemin和MeJA，探讨这3种物质对Cr6+毒害下小麦生理反应的影响，以期明确它们在缓解Cr6+毒害、提高发芽率和出苗率等方面的潜在作用。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验为三因素(小麦品种、Cr6+浓度、调节物质种类)设计。根据Xu等[10]的小麦耐Cr6+性筛选结果，选取豫麦51(敏感型)和扬麦16(耐铬型)为供试材料。小麦种子用20%的双氧水消毒10 min后，迅速用蒸馏水清洗数次，均匀摆放至铺有双层滤纸的培养皿内。Cr6+处理浓度设0和100 μmol·L-1两个水平，Cr6+以重铬酸钾(K2Cr2O7)的形式溶于蒸馏水或对应浓度调节物质中。调节物质设100 μmol·L-1GSE、50 μmol·L-1Hemin、 1 μmol·L-1MeJA三个处理，以上处理浓度均由预试验筛选得出，以蒸馏水为对照(CK)。每个处理设置10个重复(每皿50粒，一个培养皿为一个重复)，小麦种子置于 24 ℃/16 ℃(12 h/12 h)光照培养箱培养。

1.2 测定项目与方法

种子萌发3 d时，取种子鲜样测定α-淀粉酶活性。处理7 d时，统计发芽率并取鲜样和干样，同时在每个处理和每个培养皿里随机取20颗发芽的小麦种子，测定根系和芽长。

1.3 数据处理

数据采用Excel和SPSS 10.0进行统计分析。

2 结果分析

2.1 外源调节物质对Cr6+胁迫下小麦种子萌发的影响

由表1可知，在无Cr6+胁迫的情况下，添加调节物质，两品种的各指标均无明显差异。Cr6+胁迫显著抑制了小麦种子的萌发以及萌发后幼苗的生长。主要表现为，与无Cr6+胁迫处理下的对照相比，豫麦51种子萌发时的发芽率、根系干物质积累量、地上部干物质积累量、根长和株高分别降低了25.9%、37.0%、25.0%、35.8%和 29.6%；扬麦16分别下降了13.9%、27.8%、 19.0%、23.5%和21.8%。与Cr6+胁迫处理下的对照相比，分别添加GSE、Hemin和MeJA后，豫麦51和扬麦16的上述指标均显著上升，其中添加GSE后，豫麦51和扬麦16的发芽率分别上升了25.4%和10.7%，Hemin处理后分别上升了24.9%和7.3%，MeJA处理后分别上升了 15.8%和6.3%。上述结果表明，外源调节物质可减轻Cr6+胁迫对小麦种子萌发的毒害作用，促进Cr6+胁迫下小麦种子的萌发与生长。

表1 外源调节物质对Cr6+胁迫下小麦种子萌发和幼苗生长的影响Table 1 Effect of exogenous regulators on seed germination and seedling growth of wheat under Cr6+ stress

2.2 外源调节物质对Cr6+胁迫下小麦种子α-淀粉酶和渗透调节物质的影响

由表2可知，Cr6+胁迫显著降低了小麦种子的α-淀粉酶活性，与无Cr6+胁迫处理下的对照相比，豫麦51降低了25.7%，扬麦16降低了 20.0%。与Cr6+胁迫处理下的对照相比，添加GSE、Hemin和MeJA均显著提高了小麦种子α-淀粉酶的活性，其中豫麦51分别提高了25.5%、 23.6%和14.5%，扬麦16分别提高了20.0%、11.7%和5.0%。表明外源调节物质可通过提高α-淀粉酶活性，诱导小麦种子在Cr6+胁迫下快速打破休眠。

在无Cr6+胁迫的情况下，添加调节物质后，两个小麦品种根系中可溶性糖含量均显著提高。Cr6+胁迫显著提高了两品种根系中可溶性糖含量，且扬麦16远高于豫麦51。而与Cr6+胁迫处理下的对照相比，分别添加GSE、Hemin和MeJA后，豫麦51可溶性糖含量分别提高了9.6%、26.0%和 27.2%；扬麦16添加Hemin后可溶性糖含量提高了13.1%，而添加GSE和MeJA分别下降了22.7%和14.9%。Cr6+胁迫处理下，两小麦品种根系中可溶性蛋白含量显著增加，添加调节物质后其含量进一步增加 。与Cr6+胁迫处理下的对照相比，添加GSE、Hemin和MeJA后，豫麦51根系中可溶性蛋白含量分别提高了 10.5%、2.5%和8.9%，扬麦16分别提高了 19.5%、14.7%和10.3%。表明外源调节物质在一定程度可增强小麦根系的渗透调节调节能力。

2.3 外源调节物质对Cr6+胁迫下小麦根系MDA及活性氧(reactive oxygen species,ROS)含量的影响

由表3可知，在无Cr6+胁迫的情况下，添加调节物质对小麦根系MDA的含量无明显影响。Cr6+胁迫显著提高了两小麦品种根系MDA的含量，其中豫麦51根系MDA含量的升高幅度显著大于扬麦16。与Cr6+胁迫处理下的对照相比，添加调节物质后，两小麦品种根系MDA的含量均显著降低。在外源添加GSE后，小麦根系MDA含量下降幅度最大，其次是Hemin，最后为MeJA。

表2 外源调节物质对Cr6+胁迫下小麦种子α-淀粉酶活性和渗透调节物质含量的影响Table 2 Effect of exogenous regulators on alpha-amylase activity and osmotic adjustment substance content of wheat seed under Cr6+ stress

表3 外源调节物质对Cr6+胁迫下小麦根系和H2O2含量的影响Table 3 Effect of exogenous regulators on and H2O2 content of wheat root under Cr6+ stress

2.4 外源调节物质对Cr6+胁迫下小麦根系抗氧化酶活性的影响

由表4可知，与无Cr6+胁迫处理下的对照相比，Cr6+胁迫显著影响了两个小麦品种根系被测抗氧化酶的活性，其中豫麦51根系的SOD和CAT活性显著降低，APX和GR活性显著增加；扬麦16根系的SOD活性也呈降低趋势，但其下降幅度低于豫麦51，根系其他抗氧化酶活性均显著增加。与Cr6+胁迫处理下的对照相比，添加GSE、Hemin和MeJA后，两个小麦品种根系的SOD、CAT、APX和GR活性均显著上升(扬麦16添加Hemin后的GR活性除外)。表明外源调节物质能够通过提高小麦根系抗氧化酶的活性，清除由Cr6+产生的过量ROS ，维持细胞内部ROS稳态，进而提高小麦种子对Cr6+胁迫的适应性。

表4 外源调节物质对Cr6+胁迫下小麦根系抗氧化酶活性的影响Table 4 Effect of exogenous regulators on antioxidase activity of wheat root under Cr6+ stress

3 讨 论

Cr6+对土壤和水系的长期污染严重抑制了植物种子的萌发。本研究中，Cr6+胁迫对小麦种子萌发期的毒害症状主要表现为发芽率降低、干物质积累量减少等，这与Velez等[19]对鹰嘴豆的研究结论一致。Cr6+胁迫对两小麦品种根系的毒害作用远大于对芽，可能是由于Cr6+直接接触小麦根系，大量的Cr6+与细胞结合滞留于根部，导致ROS的大量生成，从而引发了细胞代谢受阻和细胞凋亡[20]。本研究发现，与Cr6+胁迫处理下的对照相比，外源同时添加调节物质后，两小麦品种发芽率、干物质积累量、根长和株高均显著增加，增加幅度依次为GSE>Hemin>MeJA。α-淀粉酶活性的高低影响种子萌发的速度。本研究发现，Cr6+胁迫显著降低了两小麦品种种子内α-淀粉酶的活性，进而使种子内淀粉水解速度变慢。原因可能是，α-淀粉酶是Ca2+依赖性酶[21]，高浓度Cr6+进入种子内部与Ca2+竞争淀粉酶活性位点，致使α-淀粉酶的构象发生变化，限制小麦种子萌发。与Cr6+胁迫处理下的对照相比，添加3种调节物质后，小麦种子的α-淀粉酶活性均有不同程度的上升，其中添加GSE的酶活性与无Cr6+胁迫处理下的对照差异最小。这可能是外源调节物质降低了Cr6+胁迫下小麦根系的氧化应激，保护膜结构，从而维持小麦生理生化稳态。

本研究发现，在无Cr6+胁迫的情况下，添加调节物质后，两小麦品种根系内可溶性糖和可溶性蛋白含量均增加(豫麦51添加GSE后的可溶性蛋白含量除外)。这表明外源调节物质有利于小麦胚乳内淀粉和蛋白质的水解，为种子萌发供应了丰富的物质合成碳架。Cr6+胁迫下小麦根系的渗透调节物质显著增加，表明小麦种子萌发对Cr6+胁迫具有自我调节能力。添加外源调节物质后，小麦根系的可溶性糖和可溶性蛋白含量进一步增加，这表明外源调节物质有利于小麦进一步提高这种自我调节能力，有助于缓解Cr6+胁迫下由于膜结构破坏而引起的渗透压不平衡，使小麦根系保持相对较低的水势，能从胁迫环境中吸收更多水分和养分，进而促进萌发后小麦幼苗的生长，这与Handa等[6]对芥菜的研究结果一致。而略有不同的是，在Cr6+胁迫下，外源添加GSE和MeJA后，扬麦16根系可溶性糖含量下降，推测是由于扬麦16的耐Cr6+性较豫麦51强，在外源添加GSE和MeJA后，渗透胁迫降低，造成根系可溶性糖含量减少，也有可能是不同缓解物质对不同品种小麦的缓解效应不同导致。

4 结 论

Cr6+胁迫通过抑制淀粉酶活性，打破植株渗透平衡和加剧氧化损伤，从而抑制了小麦种子的萌发。添加调节物质可以有效增强小麦的耐Cr6+性，主要表现在：提高小麦种子萌发期α-淀粉酶活性，增加种子萌发过程中的能量物质供应；调节小麦幼苗根系可溶性糖以及可溶性蛋白的含量，保证渗透稳态，促进小麦萌发过程中的各种代谢；提高根系抗氧化酶活性，降低氧化应激，最终缓解Cr6+胁迫。外源调节物质对Cr6+胁迫的缓解效果为GSE>Hemin>MeJA。