申志強(qiáng)　亓琳　李夢(mèng)鴿　張文彥　向璐　朱超亞

摘要 ? ?為探明增溫處理對(duì)小麥（Triticum aestivum）耐銅特性的影響，本研究設(shè)置不同銅濃度（0、100、400、800 mg/kg）處理，通過(guò)土培盆栽試驗(yàn)分析覆膜增溫對(duì)小麥生長(zhǎng)、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過(guò)氧化物酶（POD）活性的影響。結(jié)果表明，銅處理顯著抑制了小麥生物量（P<0.05）;夜間增溫對(duì)小麥生物量沒(méi)有明顯的效應(yīng)（P>0.05），但在銅處理濃度逐漸升高的條件下顯著增加根的生物量（P<0.05）;夜間增溫在銅處理濃度逐步升高的條件下顯著抑制了小麥葉片SOD的活性（P<0.05）。以上結(jié)果表明，增溫作用增加了小麥的根生物量，但減弱了小麥的抗銅能力。本研究結(jié)果可為糧食安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 ? ?小麥;增溫;生物量;銅富集;抗氧化酶

中圖分類(lèi)號(hào) ? ?S512.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）13-0006-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Effect ?of ?Nighttime ?Warming ?on ?Copper ?Tolerance ?of ?Wheat

SHEN Zhi-qiang ? ?QI Lin * ? ?LI Meng-ge ? ?ZHANG Wen-yan ? ?XIANG Lu ? ?ZHU Chao-ya

（College of Agricultural，Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471023）

Abstract ? ?To find out the effect of nighttime warming on the copper tolerance of wheat，different concentrations of copper（0，100，400，800 mg/kg）was set，the effects of film mulching on wheat growth，malondialdehyde（MDA），superoxide dismutase（SOD）activity and peroxidase（POD）activity were analyzed by pot experiment in soil culture.The results showed that，copper treatment significantly inhibited wheat biomass（P<0.05）.The nighttime warming had no significant effect on wheat biomass（P>0.05），but significantly increased root biomass as copper concentration increasing（P<0.05）.The nighttime warming significantly inhibited the SOD activity of wheat leaves as copper concentration increasing（P<0.05）.These results indicated that the nighttime warming increased the root biomass and inhibited the copper tolerance of wheat.This study provides a theoretical basis for the food safety production.

Key words ? ?wheat;warming;biomass;copper enrichment;antioxidant enzyme

因溫室氣體濃度增加而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，全球氣候變暖已成為不可逆轉(zhuǎn)的事實(shí)，這無(wú)疑會(huì)使農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境發(fā)生一系列的變化，并將可能影響農(nóng)業(yè)種植決策、品種改良、農(nóng)業(yè)布局、土地利用等一系列問(wèn)題[1]。氣候變化不僅影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也將影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)安全[2]。伴隨工業(yè)發(fā)展、城市污染的加劇和農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)的使用，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，并且土壤重金屬污染物在土壤中具有移動(dòng)性差、滯留時(shí)間長(zhǎng)、不能被微生物降解的特點(diǎn)，并可經(jīng)水、植物等介質(zhì)最終影響人類(lèi)健康[3]。目前，我國(guó)被重金屬污染的耕地面積近2 000萬(wàn)hm2，約占總耕地面積的1/5，其中“三廢”污染耕地1 000萬(wàn)hm2，被污水灌溉的農(nóng)田面積達(dá)到330萬(wàn)hm2。我國(guó)平均每年因被重金屬污染而減產(chǎn)的糧食已經(jīng)超過(guò)1 000萬(wàn)t。除此之外，被重金屬污染的糧食每年也多達(dá)1 200萬(wàn)t，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失合計(jì)至少為200億元[4]。

重金屬銅（Cu）是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的礦質(zhì)元素，參與植物重要的生物過(guò)程，比如光合作用、呼吸作用、氧化超氧化物清除和木質(zhì)化等。適量的銅對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有益，但過(guò)量銅會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生危害。植物體內(nèi)富集銅之后，多表現(xiàn)為受害癥狀，對(duì)植物體產(chǎn)生氧化脅迫，破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，干擾植物代謝，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)量減少、生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，甚至萎蔫和壞死等[5-7]。小麥形態(tài)上主要表現(xiàn)為根和幼苗等生長(zhǎng)受到抑制，生理生化方面主要是葉綠素含量下降、光合作用降低、細(xì)胞膜受到嚴(yán)重?fù)p害等[8]。大量試驗(yàn)證明，微量的銅能維持生物體內(nèi)電解質(zhì)平衡，但過(guò)量的銅具有一定的毒性，這種雙重作用顯示出了銅在生物學(xué)功能和效應(yīng)中的復(fù)雜性[9]。研究表明，小麥不同部位富集重金屬銅的能力存在差異，主要富集在根部[10]。重金屬銅對(duì)小麥的幼苗根系傷害較葉片大，會(huì)顯著降低小麥幼苗中葉綠素含量。在有氧呼吸和光合作用電子傳遞過(guò)程中，植物產(chǎn)生具有氧化性質(zhì)的超氧自由基，損傷細(xì)胞膜，破壞蛋白質(zhì)和核酸功能，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[11]。小麥根系超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）等活性能夠反映植物在重金屬脅迫下的抗逆能力[12]。

近20年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者研究了夜間增溫對(duì)小麥生長(zhǎng)特征和生理特性的影響，夜間增溫顯著增加小麥產(chǎn)量卻顯著降低莖葉和地上部分總干重，鉛污染表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)且隨污染程度增加而加大[13]。然而，關(guān)于夜間增溫對(duì)小麥耐銅特性的影響尚未有明確一致的結(jié)論。因此，在“全球變暖”的背景下，研究增溫對(duì)小麥耐銅特性的影響，對(duì)于耐銅小麥的選育具有理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗(yàn)材料

小麥種子購(gòu)于河南省洛陽(yáng)市農(nóng)資市場(chǎng)。試驗(yàn)用土采集于河南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)土壤表層土（0～20 cm），采用土壤農(nóng)化分析方法測(cè)定土壤的基本理化性質(zhì)[14]，土壤pH值8.05、有機(jī)質(zhì)含量為12.85 g/kg、全氮含量為0.96 g/kg、速效磷含量為12.52 mg/kg、速效鉀含量為155.13 mg/kg、銨態(tài)氮含量為2.01 mg/kg、陽(yáng)離子交換量為19.23 cmol/kg。供試金屬是由CuSO4·5H2O提供的Cu2+。

1.2 ? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 ? ?植物培養(yǎng)。選擇籽粒大小一致、顆粒比較圓潤(rùn)的小麥種子，經(jīng)0.2%次氯酸鈉表面消毒20 min后，用水浸種10 min，以殺滅種子表皮上的病菌，風(fēng)干，每盆選20粒種子種入花盆。長(zhǎng)到20 d后，選擇性地剔除發(fā)育不好的小麥幼苗，每盆保留小麥12株。培養(yǎng)期間通過(guò)稱重法添加自來(lái)水，以保證必要的水分供應(yīng)。

1.2.2 ? ?銅處理。在小麥定株之后添加Cu溶液設(shè)置4個(gè)Cu2+濃度梯度，分別為0、100、400、800 mg/kg，其中以Cu2+濃度為0 mg/kg的土壤作對(duì)照組（CK1），各處理均設(shè)置4次重復(fù)。

1.2.3 ? ?夜間增溫。共設(shè)2個(gè)溫度處理，分別為增溫（W）、不增溫（CK2）。通過(guò)覆蓋塑料薄膜增溫的方式對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行增溫處置。整個(gè)小麥生長(zhǎng)期內(nèi)，增溫區(qū)內(nèi)土壤增加溫度在0.5～1.5 ℃之間，整個(gè)生育期平均溫度較對(duì)照區(qū)增加約1.1 ℃。

1.3 ? ?測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 ? ?植物生物量的測(cè)定。待小麥乳熟期，分別取不同銅濃度處理的小麥整株幼苗，用直尺和根系掃描儀測(cè)量小麥幼苗植株的高度和根的長(zhǎng)度;然后在試驗(yàn)溫度為105 ℃的條件下殺青30 min，在試驗(yàn)溫度為55 ℃條件下烘干至恒重。將烘干的植株分為根、莖、葉、穗和籽粒，分別稱取其干重。

1.3.2 ? ?抗氧化酶活性的測(cè)定。取新鮮小麥的葉片和根，測(cè)定其丙二醛含量和抗氧化酶活性。脂質(zhì)過(guò)氧化水平測(cè)定采用硫巴比妥酸（TBA）法，超氧化物歧化酶（SOD）活性測(cè)定采用光化學(xué)氮藍(lán)四唑（NBT）法，過(guò)氧化物酶（POD）活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法。

1.4 ? ?數(shù)據(jù)處理

通過(guò)單因素分析法對(duì)不同溫度與Cu污染因素的效應(yīng)進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)分析，處理之間差異的顯著性在P<0.05概率水平以最小顯著性差異（LSD）進(jìn)行判定;數(shù)據(jù)經(jīng)由SPSS軟件（version13.0;SPSS Institute Chicago，IL，USA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?銅處理對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響

小麥的生物量隨著銅濃度的升高出現(xiàn)了先增加后降低的趨勢(shì)（圖1）。在高濃度銅處理（400、800 mg/kg）時(shí)，增溫處理的小麥根生物量顯著高于不增溫處理（P<0.05）。小麥葉片和地上生物量在各個(gè)處理中無(wú)顯著性差異。以不添加Cu（CK1）和不增溫（CK2）處理的植物性狀值為100%，小麥不同部位對(duì)金屬銅和增溫處理的響應(yīng)存在差異（表1）。在高濃度銅脅迫下，小麥的地上生物量、根生物量、株高和根長(zhǎng)均低于100%，但增溫處理顯著增加了小麥生物量。低濃度銅對(duì)小麥生長(zhǎng)具有促進(jìn)效應(yīng)，高濃度銅顯著抑制了小麥生長(zhǎng)。

2.2 ? ?增溫和銅處理對(duì)小麥抗性的影響

SOD酶活性隨著銅處理濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)（圖2）。在無(wú)Cu添加（CK1）處理時(shí)，增溫顯著降低了超氧化物歧化酶（SOD）活性（P<0.05）。SOD酶活性在其他處理之間無(wú)顯著差異（P>0.05）。SOD酶活性在銅濃度100 mg/kg處理時(shí)達(dá)到最大。由表2可知，以不增溫（CK2）和無(wú)Cu添加（CK1）處理中的小麥性狀值為100%，增溫和Cu處理降低了丙二醛（MDA）的含量，都低于100%;在無(wú)Cu添加（CK1）處理中，增溫降低了SOD酶活性，生物響應(yīng)系數(shù)減少了23.02個(gè)百分點(diǎn);增溫條件下，過(guò)氧化物酶（POD）活性在銅濃度0～400 mg/kg時(shí)低于100%，在銅濃度800 mg/kg時(shí)高于100%。

3 ? ?結(jié)論與討論

夜間增溫系統(tǒng)主要是通過(guò)截留地面夜晚長(zhǎng)波輻射達(dá)到對(duì)土壤-植物系統(tǒng)溫度增加的目的。張明乾等[15]也觀測(cè)到夜間增溫能增加土壤溫度。在本研究中，增溫減輕了重金屬對(duì)小麥的毒性效應(yīng)，增加了小麥的生物量。生物量對(duì)評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用，植物生物量是評(píng)價(jià)植物在逆境中受到的脅迫程度和植物抗逆能力的重要指標(biāo)[16]。有研究表明，氣溫升高會(huì)使植物的生長(zhǎng)速率加快，增強(qiáng)植物的光合作用和水分利用率等，有利于干物質(zhì)的積累，土壤溫度升高會(huì)促進(jìn)微生物的分解進(jìn)程從而使植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收增強(qiáng)，導(dǎo)致生物量增加[17-18]。黃錦文等[19]研究表明，溫度的升高還增進(jìn)了植物體的新陳代謝和植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。溫度是影響小麥籽粒灌漿的主要因素之一，溫度不僅影響其灌漿強(qiáng)度，而且還影響其灌漿時(shí)間。有研究認(rèn)為，小麥籽粒灌漿期的長(zhǎng)短主要決定于溫度，溫度升高可以加快灌漿進(jìn)程，縮短灌漿時(shí)間，并產(chǎn)生一系列負(fù)面影響，如造成粒重下降[20]。

由于植物在苗期對(duì)周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境非常敏感，植物幼苗生長(zhǎng)狀況可以反映植物對(duì)核素的耐受性[21]。當(dāng)銅處理濃度 <400 mg/kg時(shí)，小麥各部分性狀未出現(xiàn)生長(zhǎng)抑制的癥狀，而在400 mg/kg時(shí)出現(xiàn)莖葉失綠等現(xiàn)象，且小麥的生物量在800 mg/kg時(shí)顯著下降。在銅濃度低于400 mg/kg時(shí)，增溫對(duì)小麥的生長(zhǎng)無(wú)影響;在400、800 mg/kg時(shí)，與不增溫處理相比，顯著增加了小麥根的生物量，說(shuō)明增溫在高濃度銅處理下促進(jìn)了小麥根的生長(zhǎng)。植物根部是吸收礦質(zhì)離子（包括重金屬離子）和營(yíng)養(yǎng)元素的主要器官，植物根部生物量的增加會(huì)增強(qiáng)植物吸收和轉(zhuǎn)移重金屬至地上部分的可能性。

小麥地上部、莖、葉中Cu含量在增溫與常溫環(huán)境中均隨著Cu污染加重而加增加。高濃度的銅導(dǎo)致活性氧在植物細(xì)胞內(nèi)累積，造成氧化損傷，加劇脂質(zhì)過(guò)氧化程度。植物葉片組織中的MDA含量用來(lái)衡量脂質(zhì)過(guò)氧化水平，脂質(zhì)過(guò)氧化會(huì)產(chǎn)生超氧負(fù)離子，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。本研究中，MDA含量隨著Cu濃度的增加出現(xiàn)了下降趨勢(shì)?！暗痛俑咭帧钡默F(xiàn)象在金屬離子致毒機(jī)制中普遍存在，研究表明，銅濃度越大，中毒癥狀越明顯，產(chǎn)量越低[22]。黃五星等[23]用銅脅迫植物商陸，研究其生理響應(yīng)與金屬積累特性，相關(guān)試驗(yàn)中結(jié)果與此試驗(yàn)相同。本研究中，小麥的地上部分和根部對(duì)金屬銅的響應(yīng)一致。當(dāng)銅處理濃度低于400 mg/kg時(shí)，對(duì)小麥的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，且在100 mg/kg時(shí)小麥的生物量最高。在高濃度銅處理（800 mg/kg）時(shí)，銅離子促進(jìn)生長(zhǎng)的作用減弱，且顯著低于對(duì)照，表明高濃度的銅對(duì)小麥生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。

植物體內(nèi)的抗氧化體系在保護(hù)機(jī)體免受自由基損害的過(guò)程當(dāng)中起到重要作用。當(dāng)遭受重金屬傷害時(shí)，小麥啟動(dòng)體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）來(lái)抵御重金屬傷害[24]。在本研究中，在銅處理情況下，增溫對(duì)SOD活性無(wú)明顯影響;而在無(wú)銅添加處理中，增溫顯著降低了SOD酶活性，說(shuō)明增溫減弱了小麥的抗逆能力。

綜上所述，夜間增溫在高濃度Cu處理（400、800 mg/kg）顯著增加了小麥根生物量，抑制了小麥葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性。夜間增溫有可能增加小麥根部對(duì)Cu的吸收以及Cu由根部向地上部分轉(zhuǎn)移的能力，減弱小麥葉片對(duì)Cu的耐受能力。

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