Cu对离体穗培小麦干物质积累及籽粒元素含量的影响

秦雪雪，朱 颜

(陇东学院 生命科学与技术学院，甘肃 庆阳 745000)

小麦是世界性的粮食作物，约占世界粮食总产量的四分之一。在我国，小麦是仅次于水稻和玉米的第三大粮食作物，是人体微量元素的主要来源之一，提高小麦籽粒中微量元素含量具有重要意义。近年来陆续有一些相关的研究报道，比如通过育种、遗传改良,或者水肥管理调控和使用微肥来影响小麦籽粒微量元素含量[1]，但其中的调控机制仍不完全清楚。由于大田条件下器官之间物质、能量、信息流相互交错，在此环境中研究某一特定因素对作物微量元素含量的影响十分困难。离体穗培养技术很好地弥补了这个缺点，它可以人为控制源中同化的浓度，从而较为直观和精确地检测到库的反应[2]。

近年来，由于现代工业发展带来“三废”的大量排放，以及农药化肥等农用物资的过量输入等不合理的人类活动，农田土壤遭受到不同程度的重金属污染[3]。该污染以其难修复和危害大而成为现代环境问题研究的重点[4]。铜元素污染是其中重要的问题之一[5-7]。一方面，铜(Cu)自身就是高等植物生长发育过程中的一种重要微量元素，作为多种酶的组分之一，参与很多生理代谢过程，对作物的发育、品质、产量等有重要影响[8]，但它有累积性，过量的Cu导致植物体内的Cu毒害，也可能影响其他金属元素在植物体内的累积，阻碍植物的生长，降低植物的产量。此外，重金属能够在作物体内富集，随后进入食物链，最终对人类健康构成极大的威胁。另一方面，大多数研究都只关注特定金属的浓度处理是否会影响植物对该金属的吸收[9]，极少有研究关注一种金属的浓度处理是否影响其他金属元素的吸收和富集。

目前，我国Cu离子毒害的机理研究仍处于探索阶段，很多机理仍然不清楚。为此，本研究采用离体穗培法，研究不同浓度的Cu处理对小麦不同时期干物质积累量与籽粒中营养元素和重金属元素含量的影响，并分析其相关性，以期为改善小麦微量营养品质的农业实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究所用的小麦品种为矮抗58，于2018—2019年在兰州大学小麦试验田种植。在小麦抽穗期选取生长一致的植株及其同日开花的单茎挂牌标记，于花后2d将标记单茎从基部剪去，置于净水中带回实验室内备用。

1.2 离体穗培养处理

以上选取的单茎从倒二节间剪断，去除倒二叶及其叶鞘，保留旗叶、旗叶鞘、穗下节、倒二节及完整的穗部。在超净工作台上将离体穗的下部依次用75%乙醇溶液、0.1%HgC12溶液表面消毒，经灭菌水冲洗干净，将离体穗插入装有液体培养基的广口培养瓶中，以医用脱脂棉封口固定麦穗(液体培养基、培养瓶、医用棉均经高压灭菌)。每瓶10穗，培养瓶置于1-2℃浅层冷水浴中，培养室光照16L：8D，培养液根据消耗情况及时进行添加[10]。

培养液主要成分为MS(无机盐)和B5(有机成分)。参照GB 15618-1995规定，重金属Cu分别设0、5、15、30mg/L四个浓度，每个处理10次重复。

1.3 材料处理与含量测定

将离体穗中花后2d的籽粒和培养25d后的籽粒，从颖壳中分离，用去离子水反复清洗，烘干至恒重，粉碎。精确称取适量样品于石英消化杯中，加入HNO39mL，HClO43mL，置于微波消解炉中消化。消解程序为：150℃，15min，功率500W；200℃，20min，功率800W；100℃，10min，功率400W；冷却后，样品溶液转移至10mL容量瓶，定容。

根据元素含量进行不同级稀释，使用电感耦合等离子体(美国PE公司)测定籽粒中P、K、Ca、Mg、B、Na、Fe、Mn、Zn等营养元素和Cr、Cd、Pb、Hg和Cu等五种重金属的含量。

2 结果与分析

2.1 离体穗干物质积累的动态变化

2.1.1 离体穗干物质积累总量的动态变化

用含不同浓度Cu的培养液培养小麦离体穗后，其干物质积累量随培养天数的增加而呈现出的变化规律存在处理间差异(表1)。在不含Cu的培养组中，总的离体穗干物质积累量随培养天数的递增而增加，其特点是干物质的总量虽然在增加，但增加的幅度却很小，呈现出自然递增的特点；在不同Cu浓度的培养组中，离体穗干物质的总量随培养天数的递增在不同浓度处理之间表现出不同特点。对离体穗施以5mg/L的Cu处理，随培养天数的增加，其干物质量呈现先升高后降低再升高的变化趋势；施以15mg/L的Cu处理，干物质量呈现明显的增加趋势；施以30mg/L的Cu处理，其干物质量表现出先升高后降低的变化趋势。

表1 小麦离体穗干物质积累在不同浓度Cu培养下的动态变化(单位：g/10杆)

结果表明：培养液中含Cu与不含Cu对小麦离体穗干物质总量的积累具有不同的作用[11-12]；低浓度的Cu(5mg/L)能有效地促进小麦离体穗干物质总量的积累；而当Cu的浓度超过5mg/L后，其促进干物质积累的作用越来越弱，甚至开始抑制干物质的积累。以30mg/L的Cu处理培养穗，在培养到第12d干物质还在缓慢递增，到第17d干物质积累量即开始降低，到第22d干物质的积累已大幅度下降，说明Cu含量超过一定浓度会明显抑制作物的生长。

2.1.2 离体穗各器官干物质积累的动态变化

除离体穗干物质总量在不同浓度Cu培养条件下表现出不同特点外，离体穗不同器官干物质积累表现出如下特点，离体穗籽粒干物质的含量表现出与离体穗干物质总量同步变化的趋势，籽粒干物质含量在离体穗干物质总量中占有相当大的比重，其含量递增与递减是导致离体穗干物质总量变化的关键因子。各实验组籽粒干物质的含量随培养天数的递增表现出增加的趋势。当以5mg/L的Cu处理培养穗时，籽粒干物质含量在12～17d的培养过程中明显增加。在高浓度Cu(15mg/L)培养条件下，籽粒干物质的含量先增加后减少。结果说明：低浓度Cu促进籽粒干物质积累，高浓度Cu抑制籽粒干物质积累。

离体穗穗下节、旗叶、叶鞘、颖壳、穗轴等器官干物质积累的特点是：0～15mg/L Cu处理中，穗下节、旗叶、叶鞘中干物质量随培养天数的增加表现出先增加后减少再增加的趋势，而颖壳、穗轴中干物质量随培养天数的增加表现出先减少后增加的趋势；30mg/L Cu处理中，各器官干物质积累量均呈现先增加后减少的趋势。这种现象的产生可能是由于器官将形成干物质的营养“流出”，同时，这种趋势在不同浓度组之间无明显差异，说明不同Cu浓度对穗下节等器官干物质积累无明显作用，其原因可能是这些器官并不是离体穗干物质积累的最终场所，它们只起到“中转站”的作用，籽粒才是干物质积累的最终场所。

2.2 Cu对籽粒中营养元素含量的影响

为了探讨Cu对籽粒中营养元素含量的影响，测定了不同Cu浓度处理下，籽粒中P、K、Ca、Mg、Fe、B、Na、Zn、Mn等9种营养元素的含量，结果见表2和图1。由表2和图1分析可知：不同浓度Cu对籽粒中营养元素积累有一定的影响。大多数营养元素以离子的形式被小麦吸收以后在体内不断积累，不同的金属元素表现出多样的变化趋势。比较不同Cu浓度处理组会发现，不同的营养元素在籽粒中的含量在不同Cu浓度处理中表现出不同的变化趋势。随Cu浓度增加，籽粒中P、K、Ca、Mg等营养元素呈现出增加的趋势；Fe呈现出降低的趋势；B只在最高的Cu浓度下含量才略微地下降；Na表现出先增加后降低的变化趋势；Zn和Mn则表现出先降低后增加的趋势。这说明Cu浓度越低越有利于Fe元素在离体穗中的积累，Cu浓度越高越有利于P、K、Ca、Mg等元素在离体穗中的积累，而B、Na等营养元素则是15mg/L的Cu最能促进其积累，超过或低于这个浓度的Cu对B、Na的积累均不如15mg/L作用明显。另外，低浓度Cu(0～15mg/L)会抑制Zn和Mn的积累，尤其对Zn的抑制作用最为明显。

表2 不同浓度处理后小麦籽粒中营养元素的含量(ug/g)

图1 不同Cu浓度籽粒中营养元素的变动趋势(ug/g)

2.3 Cu对籽粒中重金属元素含量的影响

同时测定了不同Cu浓度处理下，小麦籽粒中重金属元素的含量，结果见表3、图2。分析可知：

表3 籽粒中重金属元素的含量(ug/g)

图2 籽粒中重金属元素的含量(ug/g)

Cu对籽粒中重金属元素含量有一定的影响。比较不同Cu浓度处理组发现，籽粒中不同重金属的含量在不同处理中表现出不同的变化趋势。随Cu浓度的增加，Cu含量迅速增加；Hg迅速减少；Cr基本保持稳定；Cd和Pb则表现出先增加后减少的趋势。结果表明：0～15mg/L的Cu浓度最有利于Cd和Pb元素在籽粒中的积累；而高浓度的Cu抑制Hg的积累，同时也对Cd和Pb在籽粒中的积累有抑制作用；Cr在籽粒中的积累则与Cu的浓度无直接关系；籽粒中Cu含量的迅速上升则是培养液中Cu浓度升高的直接原因，但Cu的浓度过高时，这种上升转变为下降趋势。

3 结论与讨论

离体穗培养作为一种试验方法很早就被采用，该方法可以避免穗与其他器官的相互作用，同时在新的“源”(培养基)—“库”(穗器官)系统中，“源”可以得到有效的控制，这对于研究营养物质、激素和环境因子对穗粒发育的影响具有重要价值。许多学者利用穗培养方法研究了C和N的物质供给对小麦籽粒生长的影响，取得了整株条件下难以取得的效果[13]。

本实验研究结果表明：

(1)用含不同Cu浓度的培养液培养小麦离体穗后，小麦离体穗干物质积累量随培养天数的增加而呈现出的变化规律存在处理间差异。在不含Cu的培养组中，总的离体穗干物质积累量随培养天数的递增先增加后减少。除离体穗干物质总量在不同浓度Cu培养条件下表现出不同特点外，离体穗不同器官干物质的积累也表现出一些特点，说明低浓度Cu促进离体穗干物质积累，而高浓度Cu抑制干物质的积累。

(2)Cu对籽粒中营养元素积累有一定的影响。Cu浓度越低越有利于Fe元素在离体穗中的积累，Cu浓度越高越有利于P、K、Ca、Mg等元素在离体穗中的积累，而B、Na等营养元素则是15mg/L的Cu最能促进其积累，超过或低于这个浓度的Cu对B、Na的积累均不如15mg/L作用明显。另外，低浓度Cu(0～15mg/L)会抑制Zn和Mn的积累，尤其对Zn的抑制作用最为明显[14]。

(3)Cu对籽粒中重金属元素含量有一定的影响。0～15mg/L的Cu浓度最有利于Cd和Pb元素在籽粒中的积累；而高浓度的Cu抑制Hg的积累，同时也对Cd和Pb在籽粒中的积累有抑制作用；Cr在籽粒中的积累则与Cu的浓度无直接关系；籽粒中Cu含量的迅速上升则是培养液中Cu浓度升高的直接原因，但Cu的浓度过高时，这种上升转变为下降趋势,其作用机理有待进一步研究。