重金屬脅迫下商麥5226的富集特征

李堆淑， 魏苗苗， 頃少錕

（商洛學(xué)院生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

小麥（Triticum aestivumL.）是單子葉禾本科植物，在世界上種植廣泛，是主要的商品糧和儲(chǔ)備糧［1-2］. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國小麥種植總面積為2373×104hm2，總產(chǎn)量約為1336×108kg［3］. 隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在推動(dòng)各行各業(yè)發(fā)展的同時(shí)也破壞了生態(tài)系統(tǒng)，使生態(tài)環(huán)境污染越來越嚴(yán)重. 農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量決定小麥的產(chǎn)量和質(zhì)量［4］，在耕種農(nóng)作物的過程中，如果施肥、灌溉不科學(xué)，農(nóng)田土壤將可能受重金屬污染. 農(nóng)田土壤一旦被重金屬污染是很難修復(fù)的，并且重金屬可以在農(nóng)作物體內(nèi)有機(jī)化，通過食物鏈進(jìn)行傳遞和富集，最終威脅人類健康［5］. 小麥種植在農(nóng)田土壤中對不同重金屬的吸附能力存在差異，小麥可以通過根系吸收土壤中的重金屬離子，再運(yùn)轉(zhuǎn)到小麥各部位，同時(shí)小麥也可以通過葉片吸收大氣中的重金屬［6-7］. 不少研究者已研究土壤重金屬污染對小麥的影響［8-11］，Xiao等［12］通過RNA測序分析，揭示了鎘脅迫下低鎘積累冬小麥根系顯著富集硫代謝、氮代謝、谷胱甘肽代謝，但超過一定限度，鎘積累對冬小麥毒害較大. Kaya等［13］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋅濃度過高時(shí)，過量的鋅積累在植物組織中，會(huì)嚴(yán)重影響植物碳水化合物代謝，引起植物生理變化及生長抑制，甚至降低鐵、銅、錳、氮、磷等必需營養(yǎng)元素的含量. Feigl等［14］研究發(fā)現(xiàn)，過量的鋅會(huì)誘導(dǎo)植物體細(xì)胞產(chǎn)生大量的氧自由基，導(dǎo)致植物細(xì)胞發(fā)生膜脂過氧化. Li等［15］研究發(fā)現(xiàn)，300 μmol/L ZnSO4處理可導(dǎo)致小麥幼苗中ROS和MDA含量顯著增加，抑制幼苗的生長. Li等［16］研究發(fā)現(xiàn)，高濃度鐵脅迫對小麥幼苗具有明顯的毒害效應(yīng)，而低濃度Zn 可緩解植物鐵毒. Krohling 等［17］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵濃度高于500 mg/kg 時(shí)，大多數(shù)植物葉片上會(huì)出現(xiàn)小紅棕色的斑點(diǎn)，表現(xiàn)出典型的鐵中毒癥狀. Zn、Fe、Cu、Mn都是植物生長所需的微量元素，但該元素在植物體內(nèi)積累到一定程度就會(huì)對植物產(chǎn)生重金屬毒害作用. 在重金屬污染的環(huán)境中生長的植物形態(tài)特征、生理生化特征都會(huì)受到重金屬的毒害，甚至死亡［18］. 鑒于此，本研究模擬重金屬污染環(huán)境，水培養(yǎng)商麥5226，研究商洛地區(qū)小麥對重金屬Zn、Fe、Cu、Mn的富集特征，為當(dāng)?shù)匦←湹姆N植以及土壤重金屬離子濃度的控制提供借鑒作用.

1 材料與方法

1.1 供試材料

商麥5226供試種子采自商洛學(xué)院種子庫.

1.2 儀器及試劑

試劑：CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、FeCl3、MnSO4、HCl、HNO3、HClO3，以上試劑均為分析純；王水（HCl∶HNO3=3∶1）.

儀器：202-0型電熱恒溫干燥箱（北京科偉永鑫實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備廠）、電子天平（TP-214）（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）、控溫消煮爐（KXL-1010型）（北京市通潤源機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司）、離心機(jī)（H2050R臺(tái)式）（長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司）、電熱恒溫水浴鍋（HHS型）（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）、原子吸收光譜儀（AA7002A型）.

1.3 方法

1.3.1 重金屬溶液的配制 配制不同質(zhì)量濃度的重金屬離子溶液各100 mL，各離子濃度見表1.將配制好的四種低濃度溶液各取30 mL，混合為120 mL的低濃度混合溶液. 中濃度和高濃度也按此方法混合.

表1 商麥5226的重金屬培養(yǎng)液濃度Tab.1 Concentration of heavy metals medium for Shangmai 5226

1.3.2 商麥5226 幼苗的培養(yǎng) 挑選籽粒飽滿、大小一致的商麥5226 種子，清水沖洗后均勻放入發(fā)芽床（培養(yǎng)皿鋪2 層濾紙）內(nèi)，每床50 粒，向發(fā)芽床內(nèi)加入15 mL 的蒸餾水（浸濕濾紙即可）；在室溫（25 ℃）條件下培養(yǎng)，光照12 h，黑暗12 h，恒溫25 ℃. 各發(fā)芽床每天補(bǔ)充適量蒸餾水，以保持濾紙的濕潤. 待商麥5226種子發(fā)芽后，將商麥5226幼苗轉(zhuǎn)入不同濃度重金屬混合液中培養(yǎng). 蒸餾水為對照（CK），在室溫水培養(yǎng)，待兩周后采樣，備用.

1.3.3 樣品的預(yù)處理 將采集的商麥5226幼苗測量根長、苗高后，用自來水沖洗干凈，再用蒸餾水沖洗3遍，自然晾干，稱其鮮重，然后再經(jīng)105 ℃殺青10 min，將植株按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行分割（分為根、苗），在80 ℃烘箱中烘至恒重，烘干后裝袋. 將烘干樣品粉碎，通過100目尼龍篩后進(jìn)行編號，稱其干重，設(shè)三次重復(fù).

1.3.4 商麥5226重金屬的測定

1）商麥5226 的消解：稱取0.1 g 樣品于消化管內(nèi)，加5 mL HNO3，2 mL HClO3浸泡過夜（10 h 左右），加熱前加1.5 mL HCl，消解溫度為100 ℃，1 h 后，將溫度調(diào)為120 ℃，再過1 h 后，然后將溫度調(diào)為150 ℃繼續(xù)加熱.若管內(nèi)溶液低于2 mL，加HNO3直至消解無色，澄清. 若消解液仍有淡黃色，需水浴加熱趕酸. 待消解管冷卻至室溫時(shí)，分別將所有消解液轉(zhuǎn)至離心管，4000 r/min，5 min，將上清液定容10 mL容量瓶，待測.

2）重金屬含量的測定：火焰-原子吸收分光光度法測定Cu、Zn、Fe、Mn含量.1.3.5 生物富集系數(shù)與生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

式中：C地上部為某種金屬在植物地上部分的含量；C水溶液為該重金屬在植物培養(yǎng)的水溶液中含量.

式中：C地上部為某種金屬在植物地上部分的含量；C根部為該植物根部同一重金屬含量.

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬對商麥5226生長的影響

商麥5226各植株在不同濃度重金屬混合液中的苗高和根長，見表2.

由表2可見，隨著混合液重金屬濃度的增加，商麥5226 幼苗的苗高和根長均是先升高再降低. 蒸餾水（CK）培養(yǎng)的商麥5226幼苗的苗和根均與重金屬混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗的苗和根呈現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05）. 蒸餾水（CK）培養(yǎng)商麥5226幼苗的苗分別比用低濃度、中濃度和高濃度重金屬混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗的苗高52.89%、13.22%和54.55%，其根分別比用低濃度、中濃度和高濃度重金屬混合液培養(yǎng)商麥5226植株的根長93.83%、85.19%和86.41%. 但通過觀察商麥5226幼苗在培養(yǎng)液中的長勢發(fā)現(xiàn)，商麥5226幼苗雖然在蒸餾水中生長得較高，但幼苗顏色偏黃；用低濃度和中濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗生長得比較健壯，幼苗顏色是翠綠色，尤其用中濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗生長得最健壯，幼苗顏色更翠綠，根也是最壯、最長的；用高濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗由于受到重金屬離子的脅迫，幼苗的苗黃且彎曲生長，根也是彎曲且干枯的.可見，中濃度混合液更適合商麥5226幼苗生長，能為商麥5226幼苗提供營養(yǎng)物質(zhì).

表2 重金屬脅迫下商麥5226幼苗的長勢Tab.2 Growth of Shangmai 5226 seedlings under heavy metals stress

2.2 商麥5226的重金屬含量

各樣品中4種重金屬的含量，見表3.

表3 重金屬脅迫下商麥5226不同部位重金屬的含量Tab.3 Content of heavy metals in different parts of Shangmai 5226 under heavy metals stress

由表3可見，根據(jù)蒸餾水（CK）培養(yǎng)的商麥5226幼苗顯示，商麥5226幼苗不管苗還是根本身Zn含量顯著高于Fe、Cu和Mn含量（P<0.05）. 除低濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗的根中Zn含量稍低于CK外，商麥5226幼苗對重金屬的富集均隨著重金屬濃度的增加呈現(xiàn)遞增趨勢，尤其商麥5226幼苗的苗和根對Zn的富集能力顯著高于Fe、Cu和Mn. 低濃度和中濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗中Zn、Fe、Cu和Mn濃度均為根>苗，而高濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗的苗中Zn、Fe、Cu和Mn濃度均顯著高于其根（P<0.05），并且高濃度混合液培養(yǎng)商麥5226 幼苗的苗和根中Zn、Fe、Cu 和Mn 含量均顯著高于其他處理，且商麥5226 幼苗的苗中Zn 為8.374 mg/kg，Cu為3.494 mg/kg，高濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗中重金屬含量為Zn>Cu>Fe>Mn.

2.3 商麥5226中重金屬的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)

由表4可見，商麥5226幼苗不同部位對Zn、Fe、Cu和Mn的吸收積累能力之間存在差異（P<0.05），不同濃度培養(yǎng)商麥5226幼苗Zn的富集系數(shù)均大于0.5，說明其對水培養(yǎng)液中的Zn積累能力均較高；而Fe、Cu和Mn的富集系數(shù)均小于0.5，則反之. 不同濃度培養(yǎng)商麥5226幼苗中Fe、Cu、Mn的生物富集系數(shù)均為低濃度>高濃度>中濃度，而不同濃度培養(yǎng)商麥5226幼苗中Zn的生物富集系數(shù)呈現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05），即低濃度>中濃度>高濃度. 但不同濃度培養(yǎng)商麥5226幼苗中Fe、Cu生物富集系數(shù)均小于0.1，說明Fe、Cu富集能力較小. 生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）與植物的酶系統(tǒng)有關(guān)［20］，不同濃度培養(yǎng)商麥5226幼苗中Zn、Fe、Cu和Mn生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）均大于0.5，表現(xiàn)出一定的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)能力. 尤其高濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗中Zn、Fe、Cu、Mn的TF>1，且Cu的TF為1.876，還有CK中Cu的TF>1，說明Cu在商麥5226幼苗中的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng).

表4 商麥5226的生物富集系數(shù)和生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Tab.4 Biological enrichment coefficient and transport coefficient of Shangmai 5226

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度重金屬混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗的苗高和根長均顯著低于CK（P<0.05），但隨著培養(yǎng)液濃度的增加，商麥5226幼苗的苗和根的變化趨勢均為先升高再降低. 且中濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗比其他處理的幼苗更健壯、更翠綠，而高濃度混合液嚴(yán)重脅迫商麥5226幼苗生長，說明商麥5226幼苗生長所需要的金屬離子濃度是一定的，如果濃度過大，小麥生長反而被重金屬毒害. 不同濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗不同部位中Zn含量顯著高于Fe、Cu和Mn含量（P<0.05），尤其高濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗的重金屬含量為Zn>Cu>Fe>Mn，且高濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗的苗中Zn、Fe、Cu和Mn含量均顯著高于其根（P<0.05）. Zn、Fe、Cu、Mn都是小麥生長所需的微量元素，缺一不可. 鋅能維持小麥細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并參與光合作用、基因表達(dá)和調(diào)控、核酸代謝、蛋白質(zhì)合成等，缺鋅會(huì)導(dǎo)致小麥發(fā)育畸形，但高鋅脅迫會(huì)使小麥細(xì)胞膜氧化損傷，抑制光合色素的合成，抑制苗和根系發(fā)育. 鐵參與光合作用過程，缺鐵會(huì)嚴(yán)重影響小麥的葉綠素合成，但鐵過高時(shí)，游離鐵將會(huì)促使小麥產(chǎn)生過量的活性氧，小麥會(huì)出現(xiàn)典型的鐵中毒癥狀.低濃度Cu可以促進(jìn)小麥分泌可溶性蛋白，而Cu過量嚴(yán)重影響小麥分蘗成穗. 錳參與小麥酶活性調(diào)節(jié)、葉綠素形成以及光合作用等，錳過高小麥會(huì)發(fā)生錳中毒，嚴(yán)重影響小麥生長發(fā)育. Zn、Fe、Cu、Mn過高，均能促進(jìn)小麥細(xì)胞內(nèi)活性氧生成和積累，活性氧含量過高，會(huì)引起細(xì)胞氨基酸、蛋白質(zhì)含量下降，造成氧化損傷，導(dǎo)致植物生長發(fā)育受到抑制.

生物富集系數(shù)和生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)能綜合反映植物對重金屬的吸收轉(zhuǎn)移能力. 生物富集系數(shù)越大，說明植物對土壤或水培養(yǎng)液中該重金屬吸收能力越強(qiáng). 當(dāng)TF>1 時(shí)，說明該重金屬在植物中轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)；而當(dāng)TF<1 時(shí)，說明重金屬在植物中轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱，從而減少對植物的毒害［21］. 本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗中Zn的富集系數(shù)均大于0.5，說明商麥5226幼苗對Zn富集能力較強(qiáng)；高濃度混合液培養(yǎng)商麥5226幼苗中Zn、Fe、Cu、Mn的TF均大于1，且Cu的TF最高，為1.876，CK中Cu的TF也大于1，說明高濃度的金屬離子溶液對植物的毒害作用較大. 因此，從人類健康考慮，種植農(nóng)作物的土壤及種子一定要達(dá)到食品安全國家標(biāo)準(zhǔn).