復合重金屬脅迫對商麥生理特征的影響

李堆淑

(商洛學院 生物醫藥與食品工程學院，陜西 商洛 726000)

隨著社會經濟的迅速發展，生活垃圾、化肥、農藥、制造業及采礦業的發展造成了土壤重金屬的污染[1]，小麥是我國主要糧食作物，土壤微環境的變化直接關系到小麥的產量和品質。蘇德純等[2]研究了鎘對油菜生長的影響，李建鋼等[4]鎘脅迫對甜高粱種子萌發和幼苗生長的影響，單一重金屬在土壤環境中的遷移轉化及對作物生長的影響[3]。重金屬脅迫不僅影響植物的生長發育，而且影響植物生理特征[4]。由于土壤環境的組分較復雜，土壤環境被污染就會影響植物的正常生長[5]。適量的金屬離子可以促進農作物的生長[6]，但過量的金屬離子會降低種子的發芽率，導致糧食減產，甚至大量的重金屬在植物體內富集通過食物鏈也會給人體帶來傷害[7]。鑒于此，筆者用不同濃度的復合重金屬離子(Zn2+、Cu2+、Mn2+和Fe2+)脅迫商麥1619，研究商麥1619幼苗的過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶活性(CAT)及葉綠素、丙二醛(MDA)含量的變化。

1 材料與方法

1.1 材料

商麥1619種子：商洛學院生物醫藥與食品工程學院實驗室提供。

1.2 方法

1.2.1 金屬離子溶液的配制 準確各稱取硫酸錳0.01、0.1、0.2，硫酸亞鐵0.01 g、0.05 g、0.1 g，硫酸鋅0.01 g、0.05 g、0.1 g，硫酸銅0.01 g、0.05 g、0.1 g，分別將稱取的四種金屬鹽的低、中、高質量以蒸餾水溶解并混合定容1L，配成低濃度(≤10 mg·L-1)、中濃度、高濃度(≥100 mg·L-1)混合液，備用。

1.2.2 商麥幼苗的培養及脅迫處理 挑選籽粒飽滿、種皮光亮的商麥1619種子，先用1%次氯酸鈉消毒10 min，然后用蒸餾水沖洗3次，用濾紙吸干。再用蒸餾水浸泡24 h備用。將種子排放入培養皿進行培養(25 ℃)，每天定時加入一定量的蒸餾水，待商麥幼苗培養到四葉一心時，分別對商麥1619幼苗進行不同濃度重金屬離子溶液的脅迫處理[8～9]。蒸餾水為對照(CK)。每處理3次重復，處理后每天采樣測定相關生理指標。

1.2.3 商麥幼苗生理指標的測定 過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定[10]，過氧化物酶(POD)活性的測定參照高俊鳳方法[10]，葉綠素含量采用丙酮測定[10]，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸測定[11]。

2 結果與分析

2.1 復合重金屬離子脅迫對商麥幼苗過氧化氫酶活性的影響

過氧化氫酶(CAT)是一種抗氧化的酶，它能協同POD和SOD三者共同完成對植物體內氧化物的清除，使植物體內的自由基達到一個平衡狀態，維持植物體生理生化活動的正常進行，提高植物體對外界環境變化的抗逆性。由圖1可知，用低濃度復合金屬離子處理商麥1619幼苗的第1～3 d，商麥1619幼苗的CAT活性較對照(CK)有所提高，之后商麥1619幼苗的CAT活性接近CK。隨著復合重金屬離子濃度的升高，商麥1619幼苗的CAT活性顯著降低。說明低濃度的復合重金屬離子能促進植物體的抗逆能力提高，而高濃度復合重金屬離子將會對植物體具有毒害作用。

圖1 復合金屬離子脅迫對商麥1619CAT活性的影響

2.2 復合重金屬離子脅迫對商麥幼苗過氧化物酶活性的影響

由圖2可知，用不同濃度復合金屬離子脅迫商麥1619幼苗，隨著復合金屬離子濃度的升高商麥1619幼苗的過氧化物酶活性(POD)也呈顯著的升高，但超過一定濃度商麥幼苗POD活性顯著低于CK，可見，用低濃度復合金屬離子處理商麥1619幼苗的第1～3 d，促進商麥1619幼苗生長發育，當濃度升高到一定值時，會對商麥1619幼苗造成不可逆的傷害，導致商麥1619幼苗的POD活性顯著下降，說明商麥1619幼苗對復合金屬離子的傷害有一定的抗性，但是有限的。過氧化物酶是大多數植物體內都存在的酶類之一，它具有抗氧化作用，可以清除植物體內多余的過氧化氫，保護生物膜活性，提高小麥的抗逆能力。

圖2 復合金屬離子脅迫對商麥POD活性的影響

2.3 復合重金屬離子脅迫對商麥幼苗葉綠素含量的影響

植物通過葉綠體進行光合作用，葉綠體內囊體膜上有葉綠素，它能將光能通過生理生化活動轉化為化學能，是植物體進行正常的物質代謝和能量代謝的基礎，對植物體的生長發育至關重要[12]。由圖3可知，用低濃度復合金屬離子處理商麥1619幼苗的第1～3 d，低濃度復合金屬離子能促進商麥1619幼苗葉綠素的生成，隨后商麥1619幼苗葉綠素含量有所下降。中濃度和高濃度復合金屬離子會破壞商麥1619幼苗葉綠素的生成，葉綠素含量明顯降低，光合作用減弱。

圖3 復合金屬離子脅迫對商麥1619的葉綠素含量的影響

2.4 復合重金屬離子脅迫對商麥幼苗丙二醛含量的影響

MDA是脂膜過氧化作用的最終產物[13]，它的含量表征了生物膜系統的受損程度。由圖4可知，MDA含量會隨著復合金屬離子的濃度升高而升高。低濃度復合重金屬離子對商麥1619幼苗MDA含量的變化與對照(CK)相比相差不太顯著，中濃度和高濃度復合金屬離子對商麥1619幼苗MDA含量的變化顯著高于CK，說明高濃度復合金屬離子對商麥1619幼苗的細胞脂膜完整性受到破壞，細胞的通透性增加，有毒物質可以自由出入細胞，導致商麥1619幼苗的生理生化反應失調。

圖4 復合金屬離子脅迫對商麥1619MDA的影響

3 結論與討論

商麥1619幼苗體內的POD、SOD、CAT等保護酶能夠共同協作完成逆境的脅迫，平衡植物體內活性氧代謝系統，使活性氧自由基的代謝平衡，維持正常的生理變化，使商麥1619幼苗在一定程度上忍耐、抵抗逆境脅迫，減慢或延緩所受的傷害。本研究發現，在復合重金屬脅迫下，商麥1619幼苗體內的POD、CAT的活性，呈現先上升后下降的趨勢。在低濃度金屬離子脅迫下，處理后第第1～3 d，對商麥1619幼苗POD、CAT的活性有促進作用，抵抗活性氧對植物的破壞，從而減弱了復合重金屬離子脅迫對商麥1619幼苗的傷害。在中度和重度復合重金屬離子脅迫下，商麥1619幼苗POD、CAT的活性受到了嚴重傷害，酶活力降低，雖然POD、CAT具有一定的抵抗性，但是有限的，商麥1619幼苗體內的活性氧大量增加，使商麥1619幼苗正常生長發育受到影響。

在不同濃度復合重金屬離子脅迫下商麥1619幼苗葉綠素含量，呈現先上升后下降的趨勢。用低濃度復合金屬離子處理商麥1619幼苗的第1～3 d，促進了商麥1619幼苗生成葉綠素，從而增強了植物的代謝活動；在中度和重度金屬離子的脅迫下，商麥1619幼苗葉綠素含量隨著濃度的增加而降低。可見高濃度重金屬離子被商麥1619幼苗吸收后，抑制了商麥1619幼苗酶的活性和阻礙了葉綠素的合成。

丙二醛的含量隨著復合重金屬離子濃度的升高而升高，表明了商麥1619幼苗受到復合重金屬離子脅迫造成的傷害也越重。丙二醛是脂膜過氧化的重要產物之一，其含量可用以表示膜脂在遭受外界條件脅迫時的破壞程度。MDA的積累受自動氧化速率的影響，氧化速率越大，MDA含量積累越多，表明生物膜系統受到的破壞越大，植物的環境脅迫的保護能力越弱。