李友軍,朱志勇,黃 明
(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南洛陽471003)
Cd2+是植物生命活動(dòng)的非必需元素,但卻是毒性最強(qiáng)的重金屬之一,比其他重金屬具有更強(qiáng)的從土壤向植物遷移的能力,更易在植物體內(nèi)富集,通過食物鏈進(jìn)入動(dòng)物或人體,可引起對人體骨骼、腎、肝、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的毒害作用及其致癌、致畸、致突變作用,嚴(yán)重威脅著人類健康及生命安全[1-3]。
隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重,Cd2+污染已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[4-7]。近年來,關(guān)于Cd2+對水稻[8]、小麥[9]、玉米[10]、棉花[11]、白菜[12]等作物生長的危害及生理生化的影響都有不少的報(bào)道,但是這些報(bào)道一般多集中在作物的苗期,關(guān)于Cd2+對作物全生育期生長發(fā)育的影響報(bào)道較少。所以,研究鎘對小麥灌漿過程中一些生理特性及最終產(chǎn)量的影響具有重要的科學(xué)意義。
小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪饕霓r(nóng)作物之一,其栽培面積、總產(chǎn)量居各種作物的首位。在中國,小麥?zhǔn)莾H次于水稻的第二大作物,其產(chǎn)量和品質(zhì)是中國人民飲食水平的提高和飲食安全的保障的關(guān)鍵。目前,中國受重金屬污染的耕地面積近2 000 萬hm2,約占耕地總面積的1/5。因此,重金屬污染已經(jīng)成為中國小麥生產(chǎn)限制因子之一,在重金屬污染現(xiàn)狀還不能改善的前提下,提高小麥抗性成為保證小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、安全的重要途徑,其中,滲透調(diào)節(jié)作為表征植物抗性強(qiáng)弱重要生理機(jī)制越來越受到關(guān)注[11-14]。
滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)干旱、鹽漬、低溫、重金屬等脅迫的重要機(jī)制之一[15]。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要分兩大類:以K+為主的無機(jī)物和以脯氨酸、可溶性糖為主的有機(jī)物。脯氨酸是一種小分子的滲透物質(zhì),是一種溶解度高、水合度高的氨基酸,主要功能是提高原生質(zhì)滲透壓,防止和減少原生質(zhì)水分散失,是最為有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一。許多植物在受到逆境脅迫時(shí)都會積累大量的脯氨酸[16-17],脯氨酸可以作為一個(gè)抗逆指標(biāo)。文獻(xiàn)[18]通過對水稻研究顯示,隨著鎘濃度升高,葉片的脯氨酸含量呈上升趨勢;另有學(xué)者認(rèn)為不同植物在脅迫下脯氨酸積累各不相同,有些植物的脯氨酸含量并不增加。文獻(xiàn)[19]研究發(fā)現(xiàn),大麥在NaCl 脅迫下脯氨酸含量下降。對于重金屬脅迫對可溶性糖含量影響的報(bào)道也不盡一致,文獻(xiàn)[20]認(rèn)為,作物中可溶性糖含量隨著重金屬濃度升高而降低,而文獻(xiàn)[21]卻認(rèn)為,植物體內(nèi)的可溶性糖含量隨著重金屬濃度升高呈“N”字型的降-升-降的變化。從他們的研究結(jié)果可以看出:高濃度的重金屬處理會使植物體內(nèi)可溶性糖含量下降。本試驗(yàn)采用不同耐Cd2+性的兩個(gè)小麥品種,設(shè)置3 個(gè)Cd2+處理水平,通過大田栽培的方式,研究Cd2+脅迫對小麥灌漿期游離脯氨酸、可溶性總糖含量及籽粒產(chǎn)量的影響,分析其與小麥耐Cd2+性的關(guān)系,以期為中輕度重金屬污染區(qū)的小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和安全生產(chǎn)提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
試驗(yàn)在河南科技大學(xué)開元校區(qū)進(jìn)行,選取前期通過水培試驗(yàn)篩選的不同耐Cd2+性的兩個(gè)小麥品種:新麥21(耐Cd2+性強(qiáng))和百農(nóng)矮抗58(耐Cd2+性弱)[22],Cd2+處理設(shè)置對照、低Cd2+處理和高Cd2+處理3 個(gè)水平,處理濃度分別為0 mg/kg(CK)、10 mg/kg(CL)、100 mg/kg(CH),供試鎘試劑為分析純CdCl2·2.5H2O,施于地表,然后翻土,使CdCl2·2.5H2O 均勻分布于0 ~40 cm 的耕作層之中。2009 年10 月21 日播種,隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3 次,小區(qū)為3 m×3 m,基本苗2.4 ×106株/hm2。常規(guī)管理,氮肥50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))作底肥,50%在拔節(jié)期隨水追入,磷鉀肥作底肥一次性施入。
取試驗(yàn)田0 ~40 cm 的土壤測定土壤理化性質(zhì),土壤Cd2+本底值為0.18 mg/kg,土壤含水量為10.38%。其他理化性質(zhì)見表1。
表1 試驗(yàn)田土壤的理化性質(zhì)
在各小區(qū)選擇同天開花、表現(xiàn)一致且生長良好的穗掛牌標(biāo)記足量,以后每隔5 d 取樣1 次至收獲,每區(qū)每次取20 個(gè)穗,105 ℃殺青后70 ℃下烘干,用于測定籽??扇苄蕴呛?。取穗同時(shí)每小區(qū)取旗葉20 片,10 片烘干稱重,用于測定可溶性總糖含量,另外10 片經(jīng)液氮速凍30 min 后置于-70 ℃冰箱保存,用于游離脯氨酸含量的測定。小麥成熟后到收獲前這段時(shí)間選取代表性植株10 株進(jìn)行考種。
旗葉和籽粒的可溶性總糖含量測定采用蒽酮比色法,游離脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮比色法,產(chǎn)量去除邊行和兩頭各50 cm 實(shí)收計(jì)產(chǎn)。
采用DPS7.05 和Excel 分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖1 為Cd2+脅迫對新麥21 和百農(nóng)矮抗58游離脯氨酸含量的影響,由圖1 可看出:兩個(gè)小麥品種脯氨酸含量在整個(gè)灌漿時(shí)期呈上升趨勢,其中,在開花期和花后5 d 時(shí),新麥21 和百農(nóng)矮抗58 的脯氨酸含量的順序是CH >CL >CK;從花后5 d 開始,兩個(gè)品種CH 的脯氨酸含量呈下降趨勢,在花后10 d 以后新麥21 和百農(nóng)矮抗58 的脯氨酸含量的順序變?yōu)镃L >CK >CH,且這個(gè)順序一直保持到小麥成熟,這個(gè)順序的改變說明脯氨酸含量未必與脅迫程度成正相關(guān),嚴(yán)重脅迫條件下,脯氨酸含量可能降低。其原因可能是高Cd2+處理下,大量重金屬積累,嚴(yán)重破壞了作物的細(xì)胞質(zhì)膜,抑制脯氨酸的積累,使小麥自身的調(diào)節(jié)能力大大下降或者喪失。
圖1 Cd2+脅迫對新麥21(左)和百農(nóng)矮抗58(右)游離脯氨酸含量的影響
表2 為花后旗葉脯氨酸的平均凈積累量,從表2 可以看出:兩個(gè)小麥品種花后5 ~10 d 的脯氨酸凈積累量都出現(xiàn)了負(fù)數(shù),這可能與花后0 ~5 d 這段時(shí)間溫度較高有關(guān),高溫脅迫一定程度上刺激脯氨酸的含量劇增;數(shù)據(jù)顯示,CL 水平下新麥21 和百農(nóng)矮抗58 的脯氨酸凈累積量分別比各自CK 值提高了42.7%和20.6%,而CH 水平下卻分別降低了49.4%和52.7%。由此可以得出兩點(diǎn)結(jié)論:一是在輕度Cd2+脅迫下,脯氨酸的調(diào)節(jié)機(jī)制對小麥正常開花、灌漿起著重要的作用;二是脯氨酸累積量的高低作為反應(yīng)作物Cd2+脅迫性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。在此,試驗(yàn)驗(yàn)證了新麥21 耐Cd2+性大于百農(nóng)矮抗58。
小麥灌漿過程中,葉片中貯存的光合產(chǎn)物開始大量向穗部運(yùn)送,籽粒中的糖也大量轉(zhuǎn)化為淀粉[23],旗葉是小麥重要的光合器官,旗葉中可溶性糖含量是籽??扇苄蕴呛?、淀粉積累量及千粒重的主要影響因素之一[24],而旗葉可溶性總糖凈積累量則反映了可溶性糖內(nèi)在的合成速率與轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸速率。
圖2 是鎘脅迫下,兩個(gè)小麥品種在灌漿過程中旗葉可溶性總糖含量變化趨勢。兩個(gè)品種在3 個(gè)處理下旗葉的可溶性糖含量均呈單峰曲線的變化趨勢,旗葉可溶性總糖含量的高峰均出現(xiàn)在花后20 d。新麥21 旗葉中可溶性總糖含量在花后0 ~10 d 順序?yàn)镃L >CK >CH,而花后10 d 到成熟期順序則為CK >CL >CH;百農(nóng)矮抗58 旗葉可溶性總糖含量一直保持著CL >CK >CH。和CK 相比,CH 對旗葉可溶性總糖積累一直表現(xiàn)為抑制作用,高Cd2+處理使旗葉可溶性糖含量降低的原因可能是因?yàn)楦逤d2+處理損害葉片膜系統(tǒng),抑制了PSⅡ活性,導(dǎo)致其光合速率降低,使旗葉的光合同化產(chǎn)物積累量減少,或無足夠的同化物轉(zhuǎn)化形成其他蔗糖、可溶性糖等糖類,說明Cd2+脅迫破壞了小麥碳水化合物代謝途徑[25-26]。
由圖2 可知:整個(gè)灌漿過程中,在CK、CL、CH 這3 個(gè)水平下,新麥21 和百農(nóng)矮抗58 旗葉中可溶性總糖凈積累量的平均值分別為0.53 mg/d、0.31 mg/d、0.21 mg/d 和0.55 mg/d、0.62 mg/d、0.28 mg/d。方差分析顯示,同一品種不同處理間的可溶性總糖凈積累量差異性極顯著(P <0.01),說明Cd2+脅迫抑制了小麥旗葉中可溶性糖的合成;在CL 或CH 水平下,不同品種的可溶性糖凈積累量差異性極顯著(P <0.01),百農(nóng)矮抗58 凈積累量大于新麥21 的凈積累量,這可能是因?yàn)槟虲d2+性強(qiáng)的新麥21 旗葉中的可溶性糖往穗部的轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸速率比百農(nóng)矮抗58 高。
表2 花后旗葉脯氨酸的平均凈積累量 μg/d
小麥籽粒中可溶性糖含量,一方面標(biāo)志著葉源端的同化物供應(yīng)能力;另一方面也能反映出籽粒對同化物的轉(zhuǎn)化、利用能力[26]。圖3 為鎘脅迫對新麥21 和百農(nóng)矮抗58 籽??扇苄钥偺呛康挠绊懀瑥膱D3 可以看出:兩個(gè)小麥品種籽粒中可溶性總糖含量在花后10 ~15 d 迅速下降,這是因?yàn)榛ê?0 ~15 d 籽粒中大量的可溶性糖類轉(zhuǎn)化為淀粉;花后10 d 到成熟期這段時(shí)間總體呈下降趨勢,但是較平緩,這是因?yàn)榛ê?0 d 以后,植株的光合能力開始下降,光合同化物含量下降,葉源端同化物供應(yīng)能力逐漸降低,進(jìn)而導(dǎo)致籽粒中可溶性糖含量下降。
圖2 鎘脅迫對新麥21(左)和百農(nóng)矮抗58(右)旗葉可溶性總糖含量的影響
從圖3 中還可以看出:與CK 相比,CH 處理的籽??扇苄蕴欠e累受抑制,這可能是鎘脅迫導(dǎo)致旗葉的可溶性糖往穗部運(yùn)轉(zhuǎn)受阻造成。數(shù)據(jù)顯示:整個(gè)灌漿過程中,新麥21 和百農(nóng)矮抗58 籽粒中的可溶性總糖含量平均值的相對值(相對值=鎘處理值/對照值,相對值可以消除不同品種間固有的生物差異性)在CL 和CH 水平下分別為1.012、0.934 和0.919、0.910,相對值越大表示籽粒中可溶性糖積累量越高,所以鎘脅迫下新麥21 籽粒中可溶性總糖積累量比百農(nóng)矮抗58 高,這也恰好驗(yàn)證了鎘脅迫下耐鎘性強(qiáng)的新麥21 葉源端可溶性總糖轉(zhuǎn)運(yùn)速率比耐鎘性弱的百農(nóng)矮抗58 高這一觀點(diǎn)。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明:新麥21 和百農(nóng)矮抗58 各個(gè)處理在灌漿進(jìn)程中籽粒可溶性糖平均日凈積累量分別為12.2 mg/(g·d)、11.6 mg/(g·d)、11.1 mg/(g·d)和12.3 mg/(g·d)、9.3 mg/(g·d)、9.5 mg/(g·d),由于灌漿過程中籽粒中的大量可溶性糖轉(zhuǎn)化為淀粉,所以本試驗(yàn)認(rèn)為:鎘脅迫下,高耐鎘性新麥21 籽粒中可溶性糖轉(zhuǎn)化為淀粉能力比低耐鎘性的百農(nóng)矮抗58 強(qiáng)。
表3 為鎘脅迫對兩個(gè)小麥品種產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量的影響,從表3 可以看出:Cd2+脅迫通過影響小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重成產(chǎn)三因素進(jìn)而影響小麥的產(chǎn)量。和CK 相比,CL 處理的有效穗數(shù)升高,CK 水平有效穗數(shù)則降低,這可能是因?yàn)榈虲d2+處理促進(jìn)小麥苗期的分蘗,而高Cd2+處理則使小麥幼苗分蘗受阻;CL 處理下新麥21穗粒數(shù)較CK 高,但是不顯著,百農(nóng)矮抗58 穗粒數(shù)顯著降低,CH 處理下兩個(gè)品種的穗粒數(shù)較CK都減少了;Cd2+處理對兩個(gè)小麥品種籽粒千粒重都呈現(xiàn)為抑制作用,這可能是因?yàn)镃d2+脅迫抑制了籽粒中的糖類轉(zhuǎn)化為淀粉的轉(zhuǎn)化效率造成的,對百農(nóng)矮抗58 抑制更顯著,這也驗(yàn)證了Cd2+脅迫下高耐鎘性新麥21 籽粒中可溶性糖轉(zhuǎn)化為淀粉能力比低耐鎘性的百農(nóng)矮抗58 強(qiáng)的觀點(diǎn);分析最終產(chǎn)量可得出:新麥21 在CL 和CH 處理下的平均產(chǎn)量比CK 下降94.67 kg/hm2,百農(nóng)矮抗58 下降了134.67 kg/hm2,Cd2+脅迫下耐鎘性較強(qiáng)的新麥21 產(chǎn)量比耐鎘性較弱的百農(nóng)矮抗58 產(chǎn)量高。所以,在實(shí)際生產(chǎn)中,重金屬輕度污染區(qū)可以通過選用耐性品種和農(nóng)藝措施提高小麥穗粒數(shù)和千粒重,從而保證小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。
圖3 鎘脅迫對新麥21(左)和百農(nóng)矮抗58(右)籽??扇苄钥偺呛康挠绊?/p>
表3 鎘脅迫對兩個(gè)小麥品種產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量的影響
(1)鎘脅迫下,低鎘濃度促進(jìn)了葉片脯氨酸含量的積累,且隨著灌漿過程的進(jìn)行葉片的脯氨酸含量呈增加趨勢,脯氨酸的調(diào)節(jié)作用保證了小麥輕度鎘脅迫下能正常開花和灌漿;高鎘濃度下由于大量重金屬積累,嚴(yán)重破壞了小麥的細(xì)胞質(zhì)膜,從而抑制脯氨酸的累積,影響了籽粒的正常灌漿;苗期耐鎘性強(qiáng)的新麥21 在鎘脅迫下表現(xiàn)出更強(qiáng)的自身調(diào)節(jié)作用。
(2)鎘脅迫下,Cd2+破壞了小麥碳水化合物代謝途徑,抑制了旗葉中可溶性糖的合成,阻礙了旗葉光合同化物往穗部的轉(zhuǎn)運(yùn),進(jìn)而影響了小麥籽??扇苄蕴堑姆e累,同時(shí)鎘脅迫抑制籽粒中可溶性糖轉(zhuǎn)化成為淀粉;苗期耐鎘性強(qiáng)的新麥21 在碳水化合物合成轉(zhuǎn)運(yùn)過程中,受破壞程度較輕。
(3)鎘脅迫下,高鎘濃度導(dǎo)致小麥減產(chǎn),其中,苗期耐鎘性強(qiáng)的新麥21 受影響程度較輕。
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