不同品種小麥幼苗耐鎘差異

張 欣， 王華忠， 王 利， 岳潔瑜

(天津市動植物抗性重點實驗室/天津師范大學(xué)，天津 300387)

鎘是一種毒性較強的重金屬元素，與其他重金屬相比，鎘在土壤中移動性較強，更易被植物吸收積累[1]。而且鎘不是植物生長中的必需元素，它不參與生物的代謝活動，當(dāng)植物過量吸收時，會產(chǎn)生脅迫作用，對植物生長、發(fā)育、生理生化等都有影響[2-4]，使植物體內(nèi)代謝紊亂，生長發(fā)育遲緩，產(chǎn)量下降，甚至導(dǎo)致植物死亡[5]。

已有研究表明，鎘是目前造成農(nóng)田受污染的毒性最強、最普遍的重金屬污染之一。我國目前正遭受鎘污染的農(nóng)田區(qū)域包括11個省25個地區(qū)，如江西新余、浙江溫州、遼寧沈陽張土灌區(qū)、貴州赫章鉛鋅礦鎘污染區(qū)面積等，污染面積已超過28萬hm2。天津和廣東省廣州市郊等受鎘脅迫的區(qū)域，產(chǎn)出的含鎘超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品近150萬t/年，嚴(yán)重威脅環(huán)境、動物和人類健康[6]。對重金屬典型污染區(qū)冬小麥及土壤重金屬進行分析發(fā)現(xiàn)，冬小麥田土壤中鎘污染最嚴(yán)重，超標(biāo)4.5倍，且冬小麥果實中鎘含量可達2.17 mg/kg，遠超過GB2762—2012《食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的限值[7]。降低鎘在作物中的累積，是保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要途徑。因此，闡釋鎘離子在小麥幼苗體內(nèi)的轉(zhuǎn)運和累積的規(guī)律、解析小麥響應(yīng)鎘脅迫的生理基礎(chǔ)，可為找到減少重金屬損害小麥的有效措施和提高重金屬耐性水平的辦法提供理論基礎(chǔ)，對保障農(nóng)作物安全和人類健康，增強農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)尤為重要。

在已取得的研究成果中，關(guān)于鎘脅迫對植物形態(tài)及生理生化影響的報道居多，而且這些研究主要集中在擬南芥與水稻等傳統(tǒng)模式植物、東南景天與龍葵等超富集植物、楊樹等木本植物上[8-9]。目前，國內(nèi)外有關(guān)鎘脅迫對小麥的研究主要集中在鎘脅迫對小麥幼苗生長及抗氧化系統(tǒng)[10]、小麥植株元素分布[11]、小麥細胞染色體等細胞學(xué)水平上的影響[12]；不同基因型作物及不同品種作物在響應(yīng)重金屬脅迫中表現(xiàn)出耐性的差異，且這種耐性差異受到植物不同生育期的影響，植物的發(fā)芽期和苗期對鎘脅迫比較敏感，因為此時植物的防御機制尚未完全建立，因此出苗期和苗期可以作為對鎘脅迫進行鑒定的時期[13]。本研究以津農(nóng)6號、中麥629、揚麥158、92R137、濟麥22、山農(nóng)20、良星66、輪選519、衡觀35、河農(nóng)825、河農(nóng)6425、輪選987和京冬8號13個小麥常規(guī)品種為試材，采用苗期水培法，以空白對照組與添加100 μmol/L Cd2+的試驗組進行對比試驗，主要分析鎘處理下13個小麥品種幼苗期間的生理指標(biāo)變化，地上部分與地下部分的鎘含量、鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移能力，對比13個小麥品種對鎘脅迫的耐受性程度，為進一步研究和篩選小麥耐鎘品種提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 不同品種小麥幼苗的培養(yǎng)及處理

本試驗于2016年11月7日在天津師范大學(xué)進行。選取大小均勻一致、飽滿、色澤勻稱、表皮光滑、健康無損傷的13個常規(guī)小麥品種種子，用自來水沖洗3～4次，再將種子分別單層放于鋪有3層濕潤紗布的培養(yǎng)盆中，自來水培養(yǎng)(25 ℃)，間隔12 h換1次水，待小麥幼苗長至2葉1心時，從中篩選生長一致的麥苗，分別移栽至帶孔泡沫板上，并用脫脂棉固定，13個供試品種的80株麥苗分為對照組和處理組，分別移至含0、100 μmol/L Cd2+的1/10 Hoagland營養(yǎng)液中培養(yǎng)，每3 d更換1次營養(yǎng)液。

1.2 試驗方法

1.2.1 形態(tài)觀察及測定 在鎘處理小麥幼苗期間，每天觀察小麥幼苗生長狀況，每隔2 d測量1次生理指標(biāo)，每次測量每個品種的對照組和試驗組15株小麥幼苗，包括株高、葉長、葉寬、最長根長。數(shù)碼相機拍照。

1.2.2 小麥幼苗中鎘含量的測定 鎘脅迫處理小麥幼苗 14 d 后，分別收獲對照組和試驗組小麥幼苗的地上和地下部分，先后用自來水、蒸餾水和去離子水沖洗干凈，晾干表面水分，分別稱鮮質(zhì)量，再放于烘箱中45 ℃烘2 d，之后85 ℃烘干至恒質(zhì)量，分別稱量地上部和地下部干質(zhì)量，再分別研磨呈粉末狀態(tài)，用于消化分析。消化前分別稱取研磨粉末0.2 g置于潔凈的小燒杯中，緩慢加入濃硝酸5 mL浸泡過夜；再依次加入高氯酸2 mL，80 ℃加熱3 h后，再120 ℃加熱除去剩余硝酸。冷卻后再依次加入濃硝酸3 mL、高氯酸2 mL，加熱至燒杯中溶液呈橙黃色時再加入高氯酸2 mL，200 ℃加熱至燒杯中有白色晶體析出。晶體冷卻后，用稀硝酸溶液(10%)溶解和定容后，用電感耦合等離子發(fā)射光譜ICP-AES(LEEMAN LABS INC.，New Hampshire，USA)測定鎘在小麥幼苗地上部分和地下部分器官中的積累量。每個樣品重復(fù)測3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本試驗數(shù)據(jù)處理過程中所用到的公式如下：

(1)變異系數(shù)(CV，%)。

變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100%。

(2)轉(zhuǎn)移系數(shù)。

轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部分(莖葉)鎘含量/根部鎘含量[14]。

(3)根系耐性指數(shù)。

根系耐性指數(shù)=處理組根的平均長度/對照組根的平均長度[15]。

(4)含水量(%)。

含水量=(鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)/鮮質(zhì)量×100%。

(5)耐鎘指數(shù)。

耐鎘指數(shù)=鎘處理下的值/對照值[16]。

試驗中的數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007和IBM SPSS Statistics 22.0軟件進行方差分析、相關(guān)性分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘處理對小麥幼苗生長的影響

與對照組相比，鎘處理后的小麥葉長和根長均變短(圖1)，且隨著處理時間變長，抑制效果越明顯，葉片黃化并出現(xiàn)黃褐色斑點(圖1-b)，觀察葉片黃褐色斑點出現(xiàn)時間，其中92R137、中麥629、輪選519在鎘處理2 d時出現(xiàn)黃褐色斑點；津農(nóng)6號、山農(nóng)20、良星66、京冬8號、衡觀35、河農(nóng)825、河農(nóng)6425、輪選987在處理4 d時先后出現(xiàn)黃褐色斑點；濟麥22、楊麥158在處理6 d后開始出現(xiàn)黃褐色斑點。葉寬幾乎沒有差異。

試驗期間，每隔2 d測量1次小麥的生長指標(biāo)。對比各小麥生理指標(biāo)來看，津農(nóng)6號小麥在鎘處理之后一直處于生長狀態(tài)；輪選519、河農(nóng)825和輪選987小麥在鎘處理后幾乎沒有生長；其他品種小麥在鎘處理4～6 d后停止生長。變異系數(shù)分析表明，小麥幼苗葉長的變異系數(shù)變化范圍最大(表1、表2、表3)。變異程度是衡量一個性狀能否作為篩選指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，變異系數(shù)越大，說明該指標(biāo)越靈敏[17]。因此，小麥幼苗葉長可作為分析鎘脅迫效應(yīng)的生理指標(biāo)。

表1鎘處理不同時間對小麥幼苗株高的影響

表2鎘處理不同時間對小麥幼苗葉長生長情況

表3鎘處理不同時間對小麥幼苗最長根長生長情況

2.2 含水量

水分是植物的重要組成部分，含水量能在一定程度上顯示其生長狀況，自由水含量越大，代謝越旺盛[18]。對照組小麥幼苗根部平均含水量為93%，地上部分平均含水量89%，均高于其他處理組小麥含水量。由圖2可知，揚麥158和92R137這2個品種小麥的根部含水量和地上部分含水量均高于其他品種，生長活性高于其他品種小麥，河農(nóng)6425的地上部分含水量僅為71%，葉片枯黃，受鎘脅迫嚴(yán)重。

2.3 鎘含量、鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)與根系耐鎘指數(shù)

不同品種小麥鎘轉(zhuǎn)移能力差異較大，13個品種的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)總的變化范圍為0.31～0.68，13個品種小麥的鎘轉(zhuǎn)移能力由高到低依次為濟麥22>輪選987>92R137>良星66>輪選519>揚麥158>河農(nóng)825>中麥629>衡觀35>京冬8號>山農(nóng)20>津農(nóng)6號，鎘轉(zhuǎn)移能力強的品種能將較多的鎘轉(zhuǎn)運至莖葉等地上部分，說明其體內(nèi)可能存在較好的鎘運輸和解毒方式。濟麥22根中鎘含量最少，轉(zhuǎn)移系數(shù)最高；津農(nóng)6號、山農(nóng)20和河農(nóng)8425的根中鎘含量較多但轉(zhuǎn)移系數(shù)??；京冬8號根中鎘含量最高，但轉(zhuǎn)移系數(shù)較低。92R137、揚麥158、濟麥22、輪選987和津農(nóng)6號的耐性較高，但是結(jié)合根部吸收鎘的總量來看，輪選987、揚麥158和濟麥22吸收量較少，而92R137和津農(nóng)6號在鎘吸收量比較多的情況下仍保持較高耐性，所以92R137和津農(nóng)6號的耐鎘性較好，92R137轉(zhuǎn)移系數(shù)大于津農(nóng)6號，而根系耐性指數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)沒有表現(xiàn)出相關(guān)性(圖3、圖4)。

2.4 不同品種間小麥幼苗耐鎘指數(shù)的相關(guān)性分析

由表4可知，6個耐鎘指數(shù)的變異系數(shù)為1.98%～15.98%，相對根長的變異系數(shù)最大，表明相對根長對鎘毒害反應(yīng)敏感。由表5可知， 相對株高和相對葉長之間存在極顯著正相關(guān)；相對根長和根含水量之間亦存在極顯著正相關(guān)；相對地上部分含水量與相對株高和相對根長呈顯著正相關(guān)。

表4100 μmol/L 鎘處理14 d后13個供試品種小麥幼苗耐鎘指數(shù)的描述性統(tǒng)計

表5100 μmol/L鎘處理14 d后13個品種小麥幼苗耐鎘指數(shù)的相關(guān)性分析

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平差異顯著。

根據(jù)相對根長和相對葉長的耐鎘指數(shù)對13個不同小麥品種進行聚類分析(圖5)可知，依據(jù)耐鎘指數(shù)，13個供試小麥品種可分成耐鎘型、較耐鎘型、鎘較敏感型、鎘敏感型4種類型。其中耐鎘型品種包括中麥629、92R137、揚麥158、河農(nóng)825、衡觀35、良星66和津農(nóng)6號；較耐鎘型品種包括濟麥22和輪選987；鎘較敏感型品種包括山農(nóng)20、輪選519、京冬8號；鎘敏感型品種包括河農(nóng)6425。

3 討論與結(jié)論

鎘污染是植物生長過程中遭受逆境脅迫中最普遍的重金屬污染之一。鎘離子在土壤中的高度移動性致使其容易進入植物體內(nèi)，累積到一定程度，擾亂植物新陳代謝過程，從而對植物產(chǎn)生毒害[19]。鎘對植物的毒害首先直觀地表現(xiàn)在生物量的降低、植物變矮、葉片黃化、根的生長受到抑制等。本研究表明，100 μmol/L鎘處理對13個小麥品種幼苗生長均表現(xiàn)出抑制效應(yīng)，且鎘處理時間越長，抑制效應(yīng)越明顯。不同品種的小麥在鎘脅迫下亦表現(xiàn)出明顯的差異[20]，通過對13種小麥的耐鎘性分析可為進一步篩選耐鎘品種提供參考。

在評價植物響應(yīng)鎘脅迫的眾多生物學(xué)指標(biāo)中，轉(zhuǎn)移系數(shù)可反映鎘在植物不同器官中的轉(zhuǎn)移規(guī)律。轉(zhuǎn)移系數(shù)可以用植物體內(nèi)重金屬含量與培養(yǎng)液中重金屬含量的比值來計算。已有研究表明，轉(zhuǎn)移系數(shù)可以用來評價植物由下至上轉(zhuǎn)移重金屬的能力[21-23]。轉(zhuǎn)移系數(shù)高說明植物能在鎘脅迫環(huán)境下，將吸收的鎘較多地運輸?shù)降厣喜课弧Ｑ芯勘砻?，植物能將根部積累的鎘運輸?shù)降厣锨o、葉中，植物體在重金屬鎘脅迫下可能存在較好的運輸和解毒機制，可利用自身的解毒機制減少鎘產(chǎn)生的危害[14]。本研究中13個小麥品種幼苗對鎘的轉(zhuǎn)移能力差異顯著，如濟麥22根中鎘含量最少，轉(zhuǎn)移系數(shù)最高；津農(nóng)6號、山農(nóng)20和河農(nóng)825根中鎘含量較多，但轉(zhuǎn)移系數(shù)??；京冬8號根中鎘含量最高，轉(zhuǎn)移系數(shù)較低。進一步分析13個品種小麥幼苗的生長、含水量等6個耐性指數(shù)，結(jié)果表明，92R137、揚麥158、濟麥22、輪選987和津農(nóng)6號的鎘耐性較高，但是結(jié)合根部吸收鎘的總量來看，輪選987、揚麥158和濟麥22吸收量較少，而92R137和津農(nóng)6號在吸收量比較多的情況下仍保持較高耐性，所以92R137和津農(nóng)6號的耐鎘性較好，92R137轉(zhuǎn)移系數(shù)大于津農(nóng)6號，根系耐性指數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)沒有表現(xiàn)出相關(guān)性。

在重金屬脅迫下，植物根系對重金屬產(chǎn)生吸收或排斥作用，有研究表明，重金屬在植物根中的累積可導(dǎo)致植物根尖分生區(qū)細胞有絲分裂過程異常，表現(xiàn)為植物的生理生化過程改變，阻礙其正常生長發(fā)育進程[24-25]。敏感型小麥在重金屬脅迫下，易受重金屬影響，會導(dǎo)致植物生長緩慢，抑制根系生長；耐鎘型小麥則受重金屬影響較小?？捎酶的托灾笖?shù)來評價植物耐受重金屬脅迫能力的大小[26]。本研究中的根系耐性指數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)沒有表現(xiàn)出相關(guān)性，因此轉(zhuǎn)移系數(shù)不能作為篩選耐鎘性小麥品種的依據(jù)。

植物生長在受到鎘脅迫之后，生長指標(biāo)最先發(fā)生變化，如根、莖、葉等生物量都會受到影響[7]。研究表明，13個小麥品種幼苗的生長均受到鎘脅迫的抑制，表現(xiàn)為不同程度的損傷。其中相對葉長在生長指標(biāo)的測量中變異系數(shù)最大，表明相對葉長對鎘處理反應(yīng)比較敏感，可以作為篩選耐鎘性品種的指標(biāo)之一。在耐鎘指數(shù)的相關(guān)性分析中表明，相對根長對于鎘處理反應(yīng)敏感，也可作為篩選耐鎘品種的指標(biāo)。本研究結(jié)果與蔡保松等研究在鎘污染下小麥根的長度對鎘毒害反應(yīng)的結(jié)果[27]一致。李惠英等研究也表明，作物根系對重金屬元素反應(yīng)很敏感，也可以在一定程度上反映出對重金屬的忍耐能力[19]。因此，本研究中的聚類分析以各品種小麥的相對葉長和相對根長作為分析根據(jù)。分析結(jié)果表明，根系耐性指數(shù)和耐鎘指數(shù)分析結(jié)果基本一致，可以作為篩選依據(jù)。

綜上所述，在濃度為100 μmol/L的鎘處理下，13種小麥幼苗表現(xiàn)出不同程度的耐鎘性。根據(jù)小麥幼苗耐鎘指數(shù)，可將13個小麥品種分為4種類型，包括耐鎘型、較耐鎘型、鎘較敏感型和鎘敏感型。13個小麥品種中中麥629、92R137耐性較強，河農(nóng)6425耐性最弱。

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