重金属胁迫下商麦5226的富集特征

李堆淑， 魏苗苗， 顷少锟

（商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西商洛 726000）

小麦（Triticum aestivumL.）是单子叶禾本科植物，在世界上种植广泛，是主要的商品粮和储备粮［1-2］. 据统计，2019年我国小麦种植总面积为2373×104hm2，总产量约为1336×108kg［3］. 随着经济快速发展，在推动各行各业发展的同时也破坏了生态系统，使生态环境污染越来越严重. 农田土壤环境质量决定小麦的产量和质量［4］，在耕种农作物的过程中，如果施肥、灌溉不科学，农田土壤将可能受重金属污染. 农田土壤一旦被重金属污染是很难修复的，并且重金属可以在农作物体内有机化，通过食物链进行传递和富集，最终威胁人类健康［5］. 小麦种植在农田土壤中对不同重金属的吸附能力存在差异，小麦可以通过根系吸收土壤中的重金属离子，再运转到小麦各部位，同时小麦也可以通过叶片吸收大气中的重金属［6-7］. 不少研究者已研究土壤重金属污染对小麦的影响［8-11］，Xiao等［12］通过RNA测序分析，揭示了镉胁迫下低镉积累冬小麦根系显著富集硫代谢、氮代谢、谷胱甘肽代谢，但超过一定限度，镉积累对冬小麦毒害较大. Kaya等［13］研究发现，当锌浓度过高时，过量的锌积累在植物组织中，会严重影响植物碳水化合物代谢，引起植物生理变化及生长抑制，甚至降低铁、铜、锰、氮、磷等必需营养元素的含量. Feigl等［14］研究发现，过量的锌会诱导植物体细胞产生大量的氧自由基，导致植物细胞发生膜脂过氧化. Li等［15］研究发现，300 μmol/L ZnSO4处理可导致小麦幼苗中ROS和MDA含量显著增加，抑制幼苗的生长. Li等［16］研究发现，高浓度铁胁迫对小麦幼苗具有明显的毒害效应，而低浓度Zn 可缓解植物铁毒. Krohling 等［17］研究发现，当铁浓度高于500 mg/kg 时，大多数植物叶片上会出现小红棕色的斑点，表现出典型的铁中毒症状. Zn、Fe、Cu、Mn都是植物生长所需的微量元素，但该元素在植物体内积累到一定程度就会对植物产生重金属毒害作用. 在重金属污染的环境中生长的植物形态特征、生理生化特征都会受到重金属的毒害，甚至死亡［18］. 鉴于此，本研究模拟重金属污染环境，水培养商麦5226，研究商洛地区小麦对重金属Zn、Fe、Cu、Mn的富集特征，为当地小麦的种植以及土壤重金属离子浓度的控制提供借鉴作用.

1 材料与方法

1.1 供试材料

商麦5226供试种子采自商洛学院种子库.

1.2 仪器及试剂

试剂：CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、FeCl3、MnSO4、HCl、HNO3、HClO3，以上试剂均为分析纯；王水（HCl∶HNO3=3∶1）.

仪器：202-0型电热恒温干燥箱（北京科伟永鑫实验仪器设备厂）、电子天平（TP-214）（北京赛多利斯仪器系统有限公司）、控温消煮炉（KXL-1010型）（北京市通润源机电技术有限责任公司）、离心机（H2050R台式）（长沙湘仪离心机仪器有限公司）、电热恒温水浴锅（HHS型）（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）、原子吸收光谱仪（AA7002A型）.

1.3 方法

1.3.1 重金属溶液的配制 配制不同质量浓度的重金属离子溶液各100 mL，各离子浓度见表1.将配制好的四种低浓度溶液各取30 mL，混合为120 mL的低浓度混合溶液. 中浓度和高浓度也按此方法混合.

表1 商麦5226的重金属培养液浓度Tab.1 Concentration of heavy metals medium for Shangmai 5226

1.3.2 商麦5226 幼苗的培养 挑选籽粒饱满、大小一致的商麦5226 种子，清水冲洗后均匀放入发芽床（培养皿铺2 层滤纸）内，每床50 粒，向发芽床内加入15 mL 的蒸馏水（浸湿滤纸即可）；在室温（25 ℃）条件下培养，光照12 h，黑暗12 h，恒温25 ℃. 各发芽床每天补充适量蒸馏水，以保持滤纸的湿润. 待商麦5226种子发芽后，将商麦5226幼苗转入不同浓度重金属混合液中培养. 蒸馏水为对照（CK），在室温水培养，待两周后采样，备用.

1.3.3 样品的预处理 将采集的商麦5226幼苗测量根长、苗高后，用自来水冲洗干净，再用蒸馏水冲洗3遍，自然晾干，称其鲜重，然后再经105 ℃杀青10 min，将植株按照实验要求进行分割（分为根、苗），在80 ℃烘箱中烘至恒重，烘干后装袋. 将烘干样品粉碎，通过100目尼龙筛后进行编号，称其干重，设三次重复.

1.3.4 商麦5226重金属的测定

1）商麦5226 的消解：称取0.1 g 样品于消化管内，加5 mL HNO3，2 mL HClO3浸泡过夜（10 h 左右），加热前加1.5 mL HCl，消解温度为100 ℃，1 h 后，将温度调为120 ℃，再过1 h 后，然后将温度调为150 ℃继续加热.若管内溶液低于2 mL，加HNO3直至消解无色，澄清. 若消解液仍有淡黄色，需水浴加热赶酸. 待消解管冷却至室温时，分别将所有消解液转至离心管，4000 r/min，5 min，将上清液定容10 mL容量瓶，待测.

2）重金属含量的测定：火焰-原子吸收分光光度法测定Cu、Zn、Fe、Mn含量.1.3.5 生物富集系数与生物转运系数

式中：C地上部为某种金属在植物地上部分的含量；C水溶液为该重金属在植物培养的水溶液中含量.

式中：C地上部为某种金属在植物地上部分的含量；C根部为该植物根部同一重金属含量.

2 结果与分析

2.1 重金属对商麦5226生长的影响

商麦5226各植株在不同浓度重金属混合液中的苗高和根长，见表2.

由表2可见，随着混合液重金属浓度的增加，商麦5226 幼苗的苗高和根长均是先升高再降低. 蒸馏水（CK）培养的商麦5226幼苗的苗和根均与重金属混合液培养商麦5226幼苗的苗和根呈现出显著性差异（P<0.05）. 蒸馏水（CK）培养商麦5226幼苗的苗分别比用低浓度、中浓度和高浓度重金属混合液培养商麦5226幼苗的苗高52.89%、13.22%和54.55%，其根分别比用低浓度、中浓度和高浓度重金属混合液培养商麦5226植株的根长93.83%、85.19%和86.41%. 但通过观察商麦5226幼苗在培养液中的长势发现，商麦5226幼苗虽然在蒸馏水中生长得较高，但幼苗颜色偏黄；用低浓度和中浓度混合液培养商麦5226幼苗生长得比较健壮，幼苗颜色是翠绿色，尤其用中浓度混合液培养商麦5226幼苗生长得最健壮，幼苗颜色更翠绿，根也是最壮、最长的；用高浓度混合液培养商麦5226幼苗由于受到重金属离子的胁迫，幼苗的苗黄且弯曲生长，根也是弯曲且干枯的.可见，中浓度混合液更适合商麦5226幼苗生长，能为商麦5226幼苗提供营养物质.

表2 重金属胁迫下商麦5226幼苗的长势Tab.2 Growth of Shangmai 5226 seedlings under heavy metals stress

2.2 商麦5226的重金属含量

各样品中4种重金属的含量，见表3.

表3 重金属胁迫下商麦5226不同部位重金属的含量Tab.3 Content of heavy metals in different parts of Shangmai 5226 under heavy metals stress

由表3可见，根据蒸馏水（CK）培养的商麦5226幼苗显示，商麦5226幼苗不管苗还是根本身Zn含量显著高于Fe、Cu和Mn含量（P<0.05）. 除低浓度混合液培养商麦5226幼苗的根中Zn含量稍低于CK外，商麦5226幼苗对重金属的富集均随着重金属浓度的增加呈现递增趋势，尤其商麦5226幼苗的苗和根对Zn的富集能力显著高于Fe、Cu和Mn. 低浓度和中浓度混合液培养商麦5226幼苗中Zn、Fe、Cu和Mn浓度均为根>苗，而高浓度混合液培养商麦5226幼苗的苗中Zn、Fe、Cu和Mn浓度均显著高于其根（P<0.05），并且高浓度混合液培养商麦5226 幼苗的苗和根中Zn、Fe、Cu 和Mn 含量均显著高于其他处理，且商麦5226 幼苗的苗中Zn 为8.374 mg/kg，Cu为3.494 mg/kg，高浓度混合液培养商麦5226幼苗中重金属含量为Zn>Cu>Fe>Mn.

2.3 商麦5226中重金属的富集及转运

由表4可见，商麦5226幼苗不同部位对Zn、Fe、Cu和Mn的吸收积累能力之间存在差异（P<0.05），不同浓度培养商麦5226幼苗Zn的富集系数均大于0.5，说明其对水培养液中的Zn积累能力均较高；而Fe、Cu和Mn的富集系数均小于0.5，则反之. 不同浓度培养商麦5226幼苗中Fe、Cu、Mn的生物富集系数均为低浓度>高浓度>中浓度，而不同浓度培养商麦5226幼苗中Zn的生物富集系数呈现出显著性差异（P<0.05），即低浓度>中浓度>高浓度. 但不同浓度培养商麦5226幼苗中Fe、Cu生物富集系数均小于0.1，说明Fe、Cu富集能力较小. 生物转运系数（TF）与植物的酶系统有关［20］，不同浓度培养商麦5226幼苗中Zn、Fe、Cu和Mn生物转运系数（TF）均大于0.5，表现出一定的重金属转运能力. 尤其高浓度混合液培养商麦5226幼苗中Zn、Fe、Cu、Mn的TF>1，且Cu的TF为1.876，还有CK中Cu的TF>1，说明Cu在商麦5226幼苗中的转运能力较强.

表4 商麦5226的生物富集系数和生物转运系数Tab.4 Biological enrichment coefficient and transport coefficient of Shangmai 5226

3 结论与讨论

本研究发现，不同浓度重金属混合液培养商麦5226幼苗的苗高和根长均显著低于CK（P<0.05），但随着培养液浓度的增加，商麦5226幼苗的苗和根的变化趋势均为先升高再降低. 且中浓度混合液培养商麦5226幼苗比其他处理的幼苗更健壮、更翠绿，而高浓度混合液严重胁迫商麦5226幼苗生长，说明商麦5226幼苗生长所需要的金属离子浓度是一定的，如果浓度过大，小麦生长反而被重金属毒害. 不同浓度混合液培养商麦5226幼苗不同部位中Zn含量显著高于Fe、Cu和Mn含量（P<0.05），尤其高浓度混合液培养商麦5226幼苗的重金属含量为Zn>Cu>Fe>Mn，且高浓度混合液培养商麦5226幼苗的苗中Zn、Fe、Cu和Mn含量均显著高于其根（P<0.05）. Zn、Fe、Cu、Mn都是小麦生长所需的微量元素，缺一不可. 锌能维持小麦细胞膜结构的稳定性，并参与光合作用、基因表达和调控、核酸代谢、蛋白质合成等，缺锌会导致小麦发育畸形，但高锌胁迫会使小麦细胞膜氧化损伤，抑制光合色素的合成，抑制苗和根系发育. 铁参与光合作用过程，缺铁会严重影响小麦的叶绿素合成，但铁过高时，游离铁将会促使小麦产生过量的活性氧，小麦会出现典型的铁中毒症状.低浓度Cu可以促进小麦分泌可溶性蛋白，而Cu过量严重影响小麦分蘖成穗. 锰参与小麦酶活性调节、叶绿素形成以及光合作用等，锰过高小麦会发生锰中毒，严重影响小麦生长发育. Zn、Fe、Cu、Mn过高，均能促进小麦细胞内活性氧生成和积累，活性氧含量过高，会引起细胞氨基酸、蛋白质含量下降，造成氧化损伤，导致植物生长发育受到抑制.

生物富集系数和生物转运系数能综合反映植物对重金属的吸收转移能力. 生物富集系数越大，说明植物对土壤或水培养液中该重金属吸收能力越强. 当TF>1 时，说明该重金属在植物中转运能力较强；而当TF<1 时，说明重金属在植物中转运能力较弱，从而减少对植物的毒害［21］. 本研究发现，不同浓度混合液培养商麦5226幼苗中Zn的富集系数均大于0.5，说明商麦5226幼苗对Zn富集能力较强；高浓度混合液培养商麦5226幼苗中Zn、Fe、Cu、Mn的TF均大于1，且Cu的TF最高，为1.876，CK中Cu的TF也大于1，说明高浓度的金属离子溶液对植物的毒害作用较大. 因此，从人类健康考虑，种植农作物的土壤及种子一定要达到食品安全国家标准.