吳秀寧，楊珂，柴超杰

（1.商洛學(xué)院 健康管理學(xué)院，陜西商洛 726000；2.商洛學(xué)院 生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，大量重金屬隨著氣體沉降、灌溉及化肥不合理施用進(jìn)入土壤[1]。鉛（Pb）、砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）和汞（Hg）并稱“五毒”重金屬，廣泛存在于環(huán)境中[2]。Pb可以通過(guò)植物根系或葉片進(jìn)入植物體內(nèi)，并在植物體內(nèi)不能被降解[3]。Pb污染后不僅導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低，還可通過(guò)食物鏈危害人體健康[4]。

種子萌發(fā)期是小麥生活周期的起始階段，也是對(duì)外界環(huán)境敏感的階段[5]。較低濃度Pb會(huì)促進(jìn)小麥種子的萌發(fā)，高濃度Pb則會(huì)抑制種子萌發(fā)和幼苗芽和根的生長(zhǎng)[6]。魏學(xué)玲等[7]研究發(fā)現(xiàn)，小麥幼苗葉片葉綠素含量及SOD活性在較低濃度Pb下無(wú)顯著變化，高濃度Pb會(huì)使葉綠素含量明顯降低，但SOD活性和脯氨酸含量顯著提高。王蘭蘭等[8]研究認(rèn)為，隨著Pb脅迫強(qiáng)度加劇，小麥幼苗葉片相對(duì)電導(dǎo)率與MDA含量均呈增加趨勢(shì)。巴青松等[9]以輪選988為材料，研究發(fā)現(xiàn)Pb脅迫后小麥幼苗株高、單株干重、根鮮重和根干重受到明顯抑制。這些報(bào)道為后續(xù)研究提供了較好地借鑒和指導(dǎo)。陜西省冶煉鉛鋅等有色金屬的廠區(qū)及礦區(qū)較多，存在著重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)[10]。而有關(guān)商洛地區(qū)小麥耐Pb性研究未見(jiàn)報(bào)道。本研究以商麥5226、商麥1619和3-3三種旱地小麥種子為材料，研究Pb脅迫對(duì)其萌發(fā)特性的影響，以期為環(huán)境監(jiān)測(cè)中Pb污染評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2021年在商洛學(xué)院生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院進(jìn)行。供試品種為旱地小麥品種商麥5226、商麥1619和3-3。商麥5226和商麥1619為商洛地區(qū)旱塬地主推品種，3-3為商洛學(xué)院選育的抗旱性突出的小麥新品系。種子均由商洛市秦嶺植物良種繁育中心提供。

1.2 方法

參考翟福勤等[11]的方法，人工精選小麥種子，經(jīng)10 mol/L NaClO溶液消毒1 min，用自來(lái)水沖洗，蒸餾水浸泡24 h進(jìn)行催芽。挑選露白種子，腹溝朝下，放置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，每個(gè)培養(yǎng)皿放入30粒小麥種子，加入7 mL配制好的PbCl2溶液。設(shè)置Pb濃度，依次為0（CK）、250 mg/L（中度脅迫為MS） 和500 mg/L（嚴(yán)重脅迫為SS）。將培養(yǎng)皿置于恒溫培養(yǎng)箱中（25±2）℃培養(yǎng)，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

參考翟福勤等[11]的方法，第3天測(cè)定發(fā)芽勢(shì)，第7天測(cè)定發(fā)芽率。隨后每個(gè)培養(yǎng)皿挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，測(cè)定最大根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)。按照根、種子、芽分開(kāi)，稱取根鮮重和芽鮮重。幼芽剪碎混合后冰浴研磨，測(cè)定葉綠素含量、可溶性糖含量、POD活性和MDA含量。

1.4 耐Pb性的評(píng)價(jià)

參考徐惠風(fēng)等[12]的方法，采用耐性指數(shù)評(píng)價(jià)單個(gè)指標(biāo)的耐Pb性。耐性指數(shù)=脅迫下測(cè)定值/對(duì)照測(cè)定值。參考鄒成林等[13]的方法，采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行消除不同性狀值的綱量級(jí)差異。綜合耐Pb性D值為品種所有測(cè)定指標(biāo)耐性指數(shù)的平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，運(yùn)用SPSS18進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb脅迫對(duì)旱地小麥種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響

由圖1可得，Pb脅迫后旱地小麥種子發(fā)芽勢(shì)呈增加趨勢(shì)。在中度脅迫下，商麥5226、商麥1619和3-3發(fā)芽勢(shì)依次較清水對(duì)照顯著增加了40.41%，10.53%，7.23%；在嚴(yán)重脅迫下三種小麥的發(fā)芽勢(shì)分別增加了13.21%，1.69%，2.41%。Pb脅迫后三種小麥的發(fā)芽率均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在中度脅迫下，商麥5226、商麥1619和3-3的發(fā)芽率分別較對(duì)照下降了9.21%，1.11%，1.12%；在嚴(yán)重脅迫下三種小麥的發(fā)芽率分別較對(duì)照顯著下降了8.05%，8.89%，4.43%。

圖1 不同Pb濃度對(duì)小麥種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響

2.2 Pb脅迫對(duì)旱地小麥種子最大根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響

由圖2可得，隨著Pb脅迫強(qiáng)度的加劇，旱地小麥種子最大根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)均顯著性下降。在中度脅迫下，商麥5226、商麥1619和3-3的最大根長(zhǎng)較清水對(duì)照依次顯著下降了89.81%，88.59%，90.06%；芽長(zhǎng)依次顯著下降了47.35%，50.81%，42.80%。在嚴(yán)重脅迫下，商麥5226、商麥1619和3-3的最大根長(zhǎng)較對(duì)照分別下降了93.83%，92.68%，93.87%；芽長(zhǎng)依次下降了59.42%，61.30%，58.91%。

圖2 不同Pb濃度對(duì)小麥種子根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響

2.3 Pb脅迫對(duì)旱地小麥種子根鮮重和芽鮮重的影響

單株根系鮮重和芽鮮重在Pb脅迫后表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律（圖3）。隨著Pb脅迫強(qiáng)度的加劇，商麥5226和商麥1619的根系鮮重整體呈先減后增的變化趨勢(shì)。在中度脅迫下，商麥5226、商麥1619和3-3的根系鮮重分別顯著低于對(duì)照 78.69%，83.29%，69.02%;在嚴(yán)重脅迫下，商麥5226和商麥1619的根系鮮重分別高于中度脅迫62.99%和21.30%，而3-3的根系鮮重則下降了28.11%。三種小麥的芽鮮重均隨著Pb濃度的增加顯著性下降。

2.4 Pb脅迫對(duì)旱地小麥幼苗葉綠素含量和可溶性糖含量的影響

由圖4可得，Pb脅迫后三種供試旱地小麥葉綠素含量和可溶性糖含量表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。隨著Pb脅迫強(qiáng)度加劇，三種供試小麥品種幼苗葉綠素含量極顯著下降。其中，在中度脅迫下，商麥5226、商麥1619和3-3的葉綠素含量分別較對(duì)照下降了22.87%，24.54%，42.36%；商麥5226、商麥1619和3-3的可溶性糖含量隨著Pb濃度增加而顯著增加。其中，在中度脅迫下三種小麥幼苗可溶性糖含量依次較對(duì)照增加了121.76%，99.17%，32.27%。

2.5 Pb脅迫對(duì)旱地小麥幼苗POD活性和MDA含量的影響

由圖5可得，Pb脅迫后小麥幼苗POD活性變化因品種而異。商麥5226幼苗POD活性隨著Pb濃度增加而顯著增加，3-3和商麥1619其值在中度脅迫下分別較對(duì)照顯著增加了75.84%和3.83%，在嚴(yán)重脅迫下分別較中度脅迫下降了72.95%和6.71%。小麥幼苗MDA含量隨著Pb濃度增加表現(xiàn)出先減后增的變化趨勢(shì)，在中度脅迫下商麥5226、商麥1619和3-3幼苗MDA含量分別低于對(duì)照49.03%，56.09%，34.83%，在重度脅迫下其值依次顯著高于對(duì)照203.71%，76.52%，94.72%。

圖5 不同Pb濃度對(duì)小麥幼苗POD活性和MDA含量的影響

2.6 耐性指數(shù)間相關(guān)性

由表1和表2可得，Pb脅迫后三種小麥的各指標(biāo)耐性指數(shù)間存在不同程度相關(guān)性。以中度Pb脅迫下小麥部分指標(biāo)為例，發(fā)芽勢(shì)的耐性指數(shù)與發(fā)芽率的耐性指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)、與可溶性糖的耐性指數(shù)顯著相關(guān)。發(fā)芽率的耐性指數(shù)與可溶性糖的耐性指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)。根長(zhǎng)的耐性指數(shù)與芽長(zhǎng)、根鮮重、芽鮮重、POD活性、MDA含量的耐性指數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)。可見(jiàn)各單項(xiàng)指標(biāo)之間存在著一定程度地信息重疊，有必要采用隸屬函數(shù)對(duì)品種的耐Pb性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表1 中度脅迫下各指標(biāo)耐性指數(shù)間相關(guān)系數(shù)

表2 重度脅迫下各指標(biāo)耐性指數(shù)間相關(guān)系數(shù)

2.7 萌發(fā)期耐Pb性綜合評(píng)價(jià)

由表3可得，各指標(biāo)對(duì)Pb脅迫的響應(yīng)在供試品種間不一致。其中，在中度脅迫和嚴(yán)重脅迫下，三種小麥的根長(zhǎng)隸屬函數(shù)值均最小，可見(jiàn)根長(zhǎng)對(duì)Pb脅迫最為敏感。在中度脅迫下，商麥5226和商麥1619的可溶性糖含量、3-3的POD活性隸屬函數(shù)值最大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐Pb性。在嚴(yán)重脅迫下商麥5226和3-3的MDA含量、商麥1619的可溶性糖含量隸屬函數(shù)值最大，表現(xiàn)出對(duì)Pb脅迫較強(qiáng)的耐性。通過(guò)D值可知，在中度脅迫和嚴(yán)重脅迫下，三種小麥在萌發(fā)期的耐Pb性均表現(xiàn)為3-3＞商麥5226＞商麥1619。

表3 萌發(fā)期耐Pb性綜合評(píng)價(jià)

3 討論與結(jié)論

植物在種子萌發(fā)期對(duì)外界環(huán)境比較敏感，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、最大根長(zhǎng)、苗高、不同部位鮮重等是衡量種子萌發(fā)期抗逆性的重要指標(biāo)[6,8,14-15]。本研究在Pb脅迫下三種供試品種發(fā)芽勢(shì)均有不同程度地增加，且在中度脅迫下較對(duì)照增加呈顯著水平。這可能與低濃度Pb刺激了淀粉酶的活性及萌發(fā)素的產(chǎn)生有關(guān)[6]。而隨著萌發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)，發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、芽鮮重在Pb脅迫后表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且相同濃度下對(duì)根長(zhǎng)的抑制要強(qiáng)于對(duì)芽長(zhǎng)的抑制。種子吸水萌發(fā)時(shí)，胚根最先突破種皮，使得遭受Pb脅迫時(shí)間要比芽長(zhǎng)，最終表現(xiàn)為根對(duì)Pb的受害程度要重于芽，這與魏學(xué)玲等[7]的研究結(jié)果基本一致。根系生長(zhǎng)受阻，進(jìn)而影響細(xì)胞分裂素的合成，表現(xiàn)為地上部芽的生長(zhǎng)也減緩。此外，本研究中，商麥1619和3-3在重度脅迫下，根系鮮重較中度脅迫有所增加，可能與二者對(duì)Pb較強(qiáng)地富集能力有關(guān)。

作物的抗逆性是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)特性，除形態(tài)指標(biāo)外，體內(nèi)生理代謝也會(huì)對(duì)逆境脅迫做出積極響應(yīng)[16]。陳紅玲等[17]研究發(fā)現(xiàn)，Pb脅迫后萌發(fā)期小麥幼苗葉綠素含量均有所下降，MDA含量表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)。本研究中，幼苗MDA含量表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，重金屬與葉綠體蛋白質(zhì)的-SH結(jié)合或取代Fe2+、Mg2+等離子導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)破壞，致使葉綠素分解[18]，亦可能是Pb脅迫降低了葉綠素酸酯還原酶的活性，從而導(dǎo)致葉綠素含量下降[19]。逆境脅迫下可溶性糖含量[20]和保護(hù)酶活性[21]的增加，有助于清除逆境條件下植物體內(nèi)活性氧，避免質(zhì)膜過(guò)氧化。本研究中，Pb脅迫下小麥幼苗可溶性糖含量顯著增加，這可能與可溶性糖作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和信號(hào)分子的雙層功能有關(guān)[20,22]。而POD活性在嚴(yán)重脅迫下有不同程度地下降，表明POD清除活性氧的能力存在一個(gè)閾值，超過(guò)這個(gè)閾值酶活性下降[21]。也有研究認(rèn)為POD存在雙重作用，在逆境初期為保護(hù)效應(yīng)，而逆境后期參與活性氧的生成和葉綠素的講解，并引發(fā)質(zhì)膜過(guò)氧化作用，表現(xiàn)為傷害效應(yīng)[23]。

多個(gè)指標(biāo)可從不同角度反映作物抗逆性，模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法可綜合多個(gè)指標(biāo)，得到的D值是介于[0,1]區(qū)間上的無(wú)量綱的純數(shù)，使得品種間抗逆性具有可比性[24]，通過(guò)D值可將供試品種抗逆性進(jìn)行排序。聶婷宇等[14]利用隸屬函數(shù)分析將尾穗莧萌發(fā)期耐Cd性分為三類。本研究條件下，三種品種在萌發(fā)期的耐Pb性表現(xiàn)為3-3＞商麥5226＞商麥1619。而在生育中后期的耐Pb性需要在大田試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。