高寶云，郭玉敏，吳秀寧，王鳳娟，王新軍

(商洛學院 生物醫(yī)藥與食品工程學院，陜西 商洛 726000)

0 引言

【研究意義】近年來，土壤重金屬污染是世界范圍內(nèi)污染面積最大、危害最嚴重的環(huán)境問題之一[1]。汞(Hg)在自然界中分布廣，含量較低。土壤中的Hg大多來自生活垃圾、工業(yè)生產(chǎn)中的廢料排放、大氣沉降、含Hg化肥和農(nóng)藥的應用等[2]。土壤Hg含量過高會影響植物的生長發(fā)育，并對植物產(chǎn)生毒害作用[3]。小麥是世界上第一大糧食作物，近40%的人口以小麥為主要糧食[4]。隨著近年商洛地區(qū)工業(yè)的快速發(fā)展，土壤存在重金屬污染的風險，探究汞脅迫對小麥生產(chǎn)的影響，具有重要的現(xiàn)實意義?！厩叭搜芯窟M展】不同基因型小麥對重金屬逆境的響應存在差異。目前，關(guān)于汞脅迫對小麥生長發(fā)育的影響已有較多研究報道。高大翔等[5]研究表明，汞脅迫影響小麥種子的萌發(fā)，并抑制芽和根的生長。尚宏芹等[6]用50 mg/L Hg溶液脅迫小麥幼苗后，其株高和干重呈顯著下降趨勢，葉片MDA和H2O2含量呈上升趨勢。許躍奇[7]研究了重金屬Hg在煙草中的吸收積累規(guī)律及生物炭消減效應?！狙芯壳腥朦c】不同地區(qū)的自然生態(tài)條件及土壤受重金屬污染的風險程度存在差異，鮮見陜南地區(qū)小麥品種耐汞性的研究報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以商麥5226等3種不同基因型小麥為材料，采用水培試驗方法，研究汞脅迫后小麥萌發(fā)特性和幼苗生長的變化特征，以期為環(huán)境汞污染評價及小麥生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 品種(系) 商麥5226、商麥1619和3-3。其中，商麥5226和商麥1619，為陜南麥區(qū)生產(chǎn)種植面積較大的小麥新品種；3-3，為商洛學院選育的小麥新品系。

1.1.2 試劑 HgCl2，由國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1 種子預處理 分別選取3個品種(系)大小均勻、健康無損的小麥種子，用0.5%次氯酸鈉表面消毒15 min，蒸餾水沖洗3次，去離子水浸泡24 h。將浸泡后的種子用鑷子整齊擺放于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中(小麥種子腹溝統(tǒng)一朝下)，每皿30粒，共計54個培養(yǎng)皿。一部分培養(yǎng)皿用于萌發(fā)期試驗，另一部分用于苗期試驗。

1.2.2 萌發(fā)期試驗 共設3個處理，以不加入Hg溶液為對照(CK)；處理1，Hg濃度為50 mg/L；處理2，Hg濃度為100 mg/L。每處理3次重復。在培養(yǎng)皿中分別加入Hg濃度為0 mg/L(CK)、50 mg/L和100 mg/L的溶液，以沒過小麥種子1/2為宜。每3天更換1次處理液，培養(yǎng)7 d。

以胚芽長度長至種子長度的1/2為發(fā)芽標準，用直尺測量芽長和根長，并稱量地上部分和根的鮮重，于第3天計算發(fā)芽勢，第7天統(tǒng)計發(fā)芽率。

發(fā)芽勢=(第3天發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

發(fā)芽率=(第7天發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

1.2.3 苗期試驗 以Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)種子，至2葉1心時換成Hoagland營養(yǎng)液配制的Hg溶液進行脅迫處理。設3個處理，以不加入Hg溶液為對照(CK)；處理1，Hg濃度為50 mg/L；處理2，Hg濃度為100 mg/L。每處理3次重復。在培養(yǎng)皿中分別加入Hg濃度為0 mg/L(CK)、50 mg/L和100 mg/L的溶液，2～3 d更換1次處理液，培養(yǎng)至3葉1心時測定生理生化指標。首先，測量幼苗株高和地上部鮮重；其次，取第1片完全展開葉，參照文獻[8]的方法，采用分光光度法測定總?cè)~綠素含量、MDA含量、POD活性和可溶性糖含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 汞脅迫小麥的萌發(fā)特性

2.1.1 發(fā)芽勢與發(fā)芽率 從圖1看出，隨Hg濃度的增大，商麥5226、商麥1619和3-3的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均呈顯著下降趨勢。發(fā)芽勢：商麥5226、商麥1619和3-3各處理均以CK最高，分別為56.67%、85.56%和85.55%；處理2最低，分別為37.18%、37.83%和40.36%。其中，商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別降低23.86%、29.39%和37.91%；處理2較CK分別降低34.39%、55.79%和52.83%。發(fā)芽率：商麥5226、商麥1619和3-3各處理均以CK最高，分別為94.36%、96.13%和95.14%；處理2最低，分別為57.84%、57.83%和60.36%。其中，商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別降低22.50%、19.47%和23.14%；處理2較CK分別降低38.71%、39.84%和36.56%。

注：不同小寫字母表示同一品種處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Note:Different lowercase letters indicate significance of difference between different treatments in the same variety at P<0.05 level.The same below.圖1 汞脅迫下3個小麥品種(系)萌發(fā)期的發(fā)芽勢與發(fā)芽率Fig.1 Germination potential and rate of three wheat varieties (lines) under Hg stressat germination stage

2.1.2 萌發(fā)期的根長與芽長 從圖2可知，隨Hg濃度的增大，商麥5226、商麥1619和3-3的根長與芽長均呈顯著下降趨勢。根長：商麥5226、商麥1619和3-3各處理均以CK最高，分別為4.93 cm、5.01 cm和4.69 cm；處理2最低，分別為0.25 cm、0.15 cm和0.23 cm。其中，商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別降低87.03%、93.73%和90.35%；處理2較CK分別降低95.01%、97.03%和95.11%。芽長：商麥5226、商麥1619和3-3各處理均以CK最高，分別為4.93 cm、4.81 cm和4.69 cm；處理2最低，分別為1.11 cm、0.85 cm和1.87 cm。其中，商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別降低46.62%、51.39%和51.06%；處理2較CK分別降低77.57%、83.07%和60.14%。

圖2 汞脅迫下3個小麥品種(系)萌發(fā)期的根長與芽長Fig.2 Root length and bud length of three wheat varieties (lines) under Hg stress at germination stage

2.1.3 根與芽的鮮重 從圖3看出，不同處理商麥5226、商麥1619和3-3根鮮重和芽鮮重的變化。根鮮重：商麥5226、商麥1619和3-3各處理均以CK最高，分別為0.019 9 g、0.033 7 g和0.0233 4 g；處理2最低，分別為0.002 8 g、0.002 0 g和0.005 3 g；商麥5226各處理間均差異顯著，商麥1619和3-3的CK顯著大于處理1和處理2，處理1與處理2間差異不顯著；商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別降低71.86%、90.91%和68.62%；處理2較CK分別降低85.76%、93.97%和77.03%。芽鮮重：商麥5226、商麥1619和3-3各處理間均差異顯著，均以CK最高，分別為0.022 1 g、0.023 8 g和0.021 5 g；處理2最低，分別為0.004 7 g、0.005 5 g和0.008 5 g；商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別降低40.48%、53.72%和41.86%；處理2較CK分別降低78.85%、76.86%和60.47%。

圖3 汞脅迫下3個小麥品種(系)萌發(fā)期根與芽的鮮重Fig.3 Fresh root and bud weight of three wheat varieties (lines) under Hg stress at germination stage

2.2 汞脅迫小麥苗期的生長特性

2.2.1 株高與地上部鮮重 從圖4可知，不同處理商麥5226、商麥1619和3-3株高和地上部鮮重的變化。株高：商麥5226、商麥1619和3-3各處理均以CK最高，分別為22.27 cm、22.79 cm和23.08 cm；處理2最低，分別為17.51 cm、18.19 cm和13.29 cm；商麥5226和3-3各處理間均差異顯著，商麥1619的CK顯著高于處理1和處理2，處理1與處理2間差異不顯著；商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別降低9.41%、11.29%和14.21%；處理2較CK分別降低21.35%、20.21%和42.43%。地上部鮮重：商麥5226、商麥1619和3-3均以CK最高，分別為0.130 4 g、0.114 1 g和0.117 0 g；處理2最低，分別為0.058 3 g、0.062 3 g和0.049 8 g；3-3各處理間均差異顯著，商麥5226和商麥1619的CK顯著大于處理1和處理2，處理1與處理2間差異不顯著。商麥5226、商麥1619和3-3處理1較CK分別降低50.66%、40.64%和48.03%；處理2較CK分別降低55.24%、45.29%和57.44%。

圖4 汞脅迫下3個小麥品種(系)幼苗的株高與地上部鮮重Fig.4 Plant height and fresh aboveground part weight of three wheat varieties (lines) under Hg stress at seedling stage

2.2.2 可溶性糖與葉綠素含量 從圖5可知，不同處理商麥5226、商麥1619和3-3可溶性糖和葉綠素含量的變化?？扇苄蕴牵荷帖?226各處理為0.61～2.03 μg/g，依次為處理2>處理1>CK，CK顯著低于處理1和處理2，處理1與處理2間差異不顯著。商麥1619和3-3各處理分別為1.17～2.94 μg/g和0.68～1.36 μg/g，均為處理1>處理2>CK，CK顯著低于處理1，處理1與處理2間、CK與處理2間差異不顯著。商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別提高197.71%、151.01%和99.48%。葉綠素：商麥5226、商麥1619和3-3均以CK最高，分別為1.58 mg/g、1.17 mg/g和1.14 mg/g；處理2最低，分別為1.02 mg/g、0.68 mg/g和0.64 mg/g；商麥1619和3-3各處理間均差異顯著，商麥5226的CK顯著大于處理1和處理2，處理1與處理2間差異不顯著。商麥5226、商麥1619和3-3處理1較CK分別降低31.91%、22.82%和23.83%；處理2較CK分別降低35.13%、42.36%和43.47%。

圖5 汞脅迫下3個小麥品種(系)幼苗葉片的可溶性糖及葉綠素含量Fig.5 Soluble sugar and chlorophyll content in leaves of three wheat varieties (lines) under Hg stress at seedling stage

2.2.3 POD活性與MDA含量 從圖6看出，不同處理商麥5226、商麥1619和3-3 POD活性與MDA含量的變化。POD活性：商麥5226，各處理為354.53～490.92 U/g W，依次為處理2>處理1>CK，各處理間差異顯著。商麥1619和3-3各處理分別為228.61～405.92 U/g W和291.87～412.53 U/g W，均為處理1>處理2>CK；商麥1619的CK顯著低于處理1和處理2，處理1與處理2間差異不顯著；3-3的CK顯著低于處理1，處理1與處理2間、CK與處理2間差異不顯著。商麥5226、商麥1619和3-3的處理1較CK分別提高197.71%、151.01%和99.48%。MDA含量：商麥5226，各處理為4.42～7.13 μmol/g，依次為處理2>CK>處理1，各處理間差異顯著。商麥1619和3-3各處理分別為3.56～5.62 μmol/g和3.90～4.96 μmol/g，均為處理2>CK>處理1，處理1顯著低于CK和處理2，CK與處理2間差異不顯著。商麥5226、商麥1619、3-3葉片MDA含量處理1較CK分別降低10.28%、34.19%和7.87%。

圖6 汞脅迫下3個小麥品種(系)幼苗葉片的POD活性及MDA含量Fig.6 POD activity and MDA content in leaves of three wheat varieties (lines) under Hg stress at seedling stage

3 討論

小麥早期生長階段對外界環(huán)境脅迫較為敏感，逆境脅迫后植物體內(nèi)會積累活性氧自由基，同時植物體內(nèi)存在清除自由基和活性氧的酶類和非酶類物質(zhì)[9]。細胞膜受氧自由基毒害程度大小可由MDA含量高低反映[10]?？扇苄蕴堑姆e累是植物在逆境下的自我保護方式，一定程度上積累量可反映植物的滲透調(diào)節(jié)能力的強弱[11]。葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，重金屬致使植物葉綠體含量降低[12]，進而對其光合作用產(chǎn)生影響。Hg對小麥的生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用，可能是重金屬脅迫抑制種子淀粉酶、酸性磷酸酶和蛋白酶等活性[13]，從而影響種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量，致使發(fā)芽勢和發(fā)芽率顯著下降。

研究結(jié)果表明，隨著Hg濃度增加，商麥5226、商麥1619和3-3萌發(fā)期的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、芽長、根鮮重和芽鮮重，以及苗期的株高、地上部鮮重、葉片葉綠素含量均呈下降趨勢；苗期葉片MDA含量呈先升后降趨勢；苗期葉片可溶性糖含量和POD活性變化趨勢因品種而異。其中，商麥5226、商麥1619和3-3的發(fā)芽勢，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低23.86%、29.39%和37.91%，100 mg/L Hg溶液較CK分別降低34.39%、55.79%和52.83%；發(fā)芽率，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低22.50%、19.47%和23.14%，100 mg/L Hg溶液較CK分別降低38.71%、39.84%和36.56%；根長，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低87.03%、93.73%和90.35%，100 mg/L Hg溶液較CK分別降低95.01%、97.03%和95.11%；芽長，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低46.62%、51.39%和51.06%，100 mg/L Hg溶液較CK分別降低77.57%、83.07%和60.14%；根長受汞脅迫抑制程度大于芽長，與何剛等[14]的研究結(jié)果相近。根鮮重，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低71.86%、90.91%和68.62%，100 mg/L Hg溶液較CK分別降低85.76%、93.97%和77.03%；芽鮮重，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低40.48%、53.72%和41.86%，100 mg/L Hg溶液較CK分別降低78.85%、76.86%和60.47%；株高，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低9.41%、11.29%和14.21%，100 mg/L Hg溶液較CK分別降低21.35%、20.21%和42.43%；地上部鮮重，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低50.66%、40.64%和48.03%；100 mg/L Hg溶液較CK分別降低55.24%、45.29%和57.44%；可溶性糖含量，50 mg/L Hg溶液較CK分別提高197.71%、151.01%和99.48%；在汞脅迫后3個小麥品種(系)可溶性糖含量提高，表明較高強度的汞脅迫對小麥已產(chǎn)生毒害，嚴重影響其生長；葉綠素含量，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低31.91%、22.82%和23.83%，100 mg/L Hg溶液較CK分別降低35.13%、42.36%和43.47%，葉綠素含量呈下降趨勢，可能與重金屬脅迫后原葉綠素酸酯還原酶和氨基-7-酮戊酸的合成受阻，導致葉綠素合成受阻有關(guān)[15]；POD活性，50 mg/L Hg溶液較CK分別提高197.71%、151.01%和99.48%，商麥1619和3-3的100 mg/L Hg溶液POD活性低于50 mg/L Hg溶液，可能是活性氧自由基的生成速率超過保護酶活性所致；MDA含量，50 mg/L Hg溶液較CK分別降低10.28%、34.19%和7.87%；100 mg/L Hg溶液MDA含量達最高，表明汞脅迫已打破小麥活性氧的代謝平衡。

4 結(jié)論

隨著Hg濃度增加，商麥5226、商麥1619和3-3萌發(fā)期的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、芽長、根鮮重和芽鮮重，以及苗期的株高、地上部鮮重、葉片葉綠素含量均呈下降趨勢；苗期葉片MDA含量呈先降后升趨勢，可溶性糖含量和POD活性變化趨勢因品種而異。汞脅迫明顯抑制小麥種子的萌發(fā)和幼苗生長。