Cu對離體穗培小麥干物質積累及籽粒元素含量的影響

秦雪雪，朱 顏

(隴東學院 生命科學與技術學院，甘肅 慶陽 745000)

小麥是世界性的糧食作物，約占世界糧食總產量的四分之一。在我國，小麥是僅次于水稻和玉米的第三大糧食作物，是人體微量元素的主要來源之一，提高小麥籽粒中微量元素含量具有重要意義。近年來陸續有一些相關的研究報道，比如通過育種、遺傳改良,或者水肥管理調控和使用微肥來影響小麥籽粒微量元素含量[1]，但其中的調控機制仍不完全清楚。由于大田條件下器官之間物質、能量、信息流相互交錯，在此環境中研究某一特定因素對作物微量元素含量的影響十分困難。離體穗培養技術很好地彌補了這個缺點，它可以人為控制源中同化的濃度，從而較為直觀和精確地檢測到庫的反應[2]。

近年來，由于現代工業發展帶來“三廢”的大量排放，以及農藥化肥等農用物資的過量輸入等不合理的人類活動，農田土壤遭受到不同程度的重金屬污染[3]。該污染以其難修復和危害大而成為現代環境問題研究的重點[4]。銅元素污染是其中重要的問題之一[5-7]。一方面，銅(Cu)自身就是高等植物生長發育過程中的一種重要微量元素，作為多種酶的組分之一，參與很多生理代謝過程，對作物的發育、品質、產量等有重要影響[8]，但它有累積性，過量的Cu導致植物體內的Cu毒害，也可能影響其他金屬元素在植物體內的累積，阻礙植物的生長，降低植物的產量。此外，重金屬能夠在作物體內富集，隨后進入食物鏈，最終對人類健康構成極大的威脅。另一方面，大多數研究都只關注特定金屬的濃度處理是否會影響植物對該金屬的吸收[9]，極少有研究關注一種金屬的濃度處理是否影響其他金屬元素的吸收和富集。

目前，我國Cu離子毒害的機理研究仍處于探索階段，很多機理仍然不清楚。為此，本研究采用離體穗培法，研究不同濃度的Cu處理對小麥不同時期干物質積累量與籽粒中營養元素和重金屬元素含量的影響，并分析其相關性，以期為改善小麥微量營養品質的農業實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本研究所用的小麥品種為矮抗58，于2018—2019年在蘭州大學小麥試驗田種植。在小麥抽穗期選取生長一致的植株及其同日開花的單莖掛牌標記，于花后2d將標記單莖從基部剪去，置于凈水中帶回實驗室內備用。

1.2 離體穗培養處理

以上選取的單莖從倒二節間剪斷，去除倒二葉及其葉鞘，保留旗葉、旗葉鞘、穗下節、倒二節及完整的穗部。在超凈工作臺上將離體穗的下部依次用75%乙醇溶液、0.1%HgC12溶液表面消毒，經滅菌水沖洗干凈，將離體穗插入裝有液體培養基的廣口培養瓶中，以醫用脫脂棉封口固定麥穗(液體培養基、培養瓶、醫用棉均經高壓滅菌)。每瓶10穗，培養瓶置于1-2℃淺層冷水浴中，培養室光照16L：8D，培養液根據消耗情況及時進行添加[10]。

培養液主要成分為MS(無機鹽)和B5(有機成分)。參照GB 15618-1995規定，重金屬Cu分別設0、5、15、30mg/L四個濃度，每個處理10次重復。

1.3 材料處理與含量測定

將離體穗中花后2d的籽粒和培養25d后的籽粒，從穎殼中分離，用去離子水反復清洗，烘干至恒重，粉碎。精確稱取適量樣品于石英消化杯中，加入HNO39mL，HClO43mL，置于微波消解爐中消化。消解程序為：150℃，15min，功率500W；200℃，20min，功率800W；100℃，10min，功率400W；冷卻后，樣品溶液轉移至10mL容量瓶，定容。

根據元素含量進行不同級稀釋，使用電感耦合等離子體(美國PE公司)測定籽粒中P、K、Ca、Mg、B、Na、Fe、Mn、Zn等營養元素和Cr、Cd、Pb、Hg和Cu等五種重金屬的含量。

2 結果與分析

2.1 離體穗干物質積累的動態變化

2.1.1 離體穗干物質積累總量的動態變化

用含不同濃度Cu的培養液培養小麥離體穗后，其干物質積累量隨培養天數的增加而呈現出的變化規律存在處理間差異(表1)。在不含Cu的培養組中，總的離體穗干物質積累量隨培養天數的遞增而增加，其特點是干物質的總量雖然在增加，但增加的幅度卻很小，呈現出自然遞增的特點；在不同Cu濃度的培養組中，離體穗干物質的總量隨培養天數的遞增在不同濃度處理之間表現出不同特點。對離體穗施以5mg/L的Cu處理，隨培養天數的增加，其干物質量呈現先升高后降低再升高的變化趨勢；施以15mg/L的Cu處理，干物質量呈現明顯的增加趨勢；施以30mg/L的Cu處理，其干物質量表現出先升高后降低的變化趨勢。

表1 小麥離體穗干物質積累在不同濃度Cu培養下的動態變化(單位：g/10桿)

結果表明：培養液中含Cu與不含Cu對小麥離體穗干物質總量的積累具有不同的作用[11-12]；低濃度的Cu(5mg/L)能有效地促進小麥離體穗干物質總量的積累；而當Cu的濃度超過5mg/L后，其促進干物質積累的作用越來越弱，甚至開始抑制干物質的積累。以30mg/L的Cu處理培養穗，在培養到第12d干物質還在緩慢遞增，到第17d干物質積累量即開始降低，到第22d干物質的積累已大幅度下降，說明Cu含量超過一定濃度會明顯抑制作物的生長。

2.1.2 離體穗各器官干物質積累的動態變化

除離體穗干物質總量在不同濃度Cu培養條件下表現出不同特點外，離體穗不同器官干物質積累表現出如下特點，離體穗籽粒干物質的含量表現出與離體穗干物質總量同步變化的趨勢，籽粒干物質含量在離體穗干物質總量中占有相當大的比重，其含量遞增與遞減是導致離體穗干物質總量變化的關鍵因子。各實驗組籽粒干物質的含量隨培養天數的遞增表現出增加的趨勢。當以5mg/L的Cu處理培養穗時，籽粒干物質含量在12～17d的培養過程中明顯增加。在高濃度Cu(15mg/L)培養條件下，籽粒干物質的含量先增加后減少。結果說明：低濃度Cu促進籽粒干物質積累，高濃度Cu抑制籽粒干物質積累。

離體穗穗下節、旗葉、葉鞘、穎殼、穗軸等器官干物質積累的特點是：0～15mg/L Cu處理中，穗下節、旗葉、葉鞘中干物質量隨培養天數的增加表現出先增加后減少再增加的趨勢，而穎殼、穗軸中干物質量隨培養天數的增加表現出先減少后增加的趨勢；30mg/L Cu處理中，各器官干物質積累量均呈現先增加后減少的趨勢。這種現象的產生可能是由于器官將形成干物質的營養“流出”，同時，這種趨勢在不同濃度組之間無明顯差異，說明不同Cu濃度對穗下節等器官干物質積累無明顯作用，其原因可能是這些器官并不是離體穗干物質積累的最終場所，它們只起到“中轉站”的作用，籽粒才是干物質積累的最終場所。

2.2 Cu對籽粒中營養元素含量的影響

為了探討Cu對籽粒中營養元素含量的影響，測定了不同Cu濃度處理下，籽粒中P、K、Ca、Mg、Fe、B、Na、Zn、Mn等9種營養元素的含量，結果見表2和圖1。由表2和圖1分析可知：不同濃度Cu對籽粒中營養元素積累有一定的影響。大多數營養元素以離子的形式被小麥吸收以后在體內不斷積累，不同的金屬元素表現出多樣的變化趨勢。比較不同Cu濃度處理組會發現，不同的營養元素在籽粒中的含量在不同Cu濃度處理中表現出不同的變化趨勢。隨Cu濃度增加，籽粒中P、K、Ca、Mg等營養元素呈現出增加的趨勢；Fe呈現出降低的趨勢；B只在最高的Cu濃度下含量才略微地下降；Na表現出先增加后降低的變化趨勢；Zn和Mn則表現出先降低后增加的趨勢。這說明Cu濃度越低越有利于Fe元素在離體穗中的積累，Cu濃度越高越有利于P、K、Ca、Mg等元素在離體穗中的積累，而B、Na等營養元素則是15mg/L的Cu最能促進其積累，超過或低于這個濃度的Cu對B、Na的積累均不如15mg/L作用明顯。另外，低濃度Cu(0～15mg/L)會抑制Zn和Mn的積累，尤其對Zn的抑制作用最為明顯。

表2 不同濃度處理后小麥籽粒中營養元素的含量(ug/g)

圖1 不同Cu濃度籽粒中營養元素的變動趨勢(ug/g)

2.3 Cu對籽粒中重金屬元素含量的影響

同時測定了不同Cu濃度處理下，小麥籽粒中重金屬元素的含量，結果見表3、圖2。分析可知：

表3 籽粒中重金屬元素的含量(ug/g)

圖2 籽粒中重金屬元素的含量(ug/g)

Cu對籽粒中重金屬元素含量有一定的影響。比較不同Cu濃度處理組發現，籽粒中不同重金屬的含量在不同處理中表現出不同的變化趨勢。隨Cu濃度的增加，Cu含量迅速增加；Hg迅速減少；Cr基本保持穩定；Cd和Pb則表現出先增加后減少的趨勢。結果表明：0～15mg/L的Cu濃度最有利于Cd和Pb元素在籽粒中的積累；而高濃度的Cu抑制Hg的積累，同時也對Cd和Pb在籽粒中的積累有抑制作用；Cr在籽粒中的積累則與Cu的濃度無直接關系；籽粒中Cu含量的迅速上升則是培養液中Cu濃度升高的直接原因，但Cu的濃度過高時，這種上升轉變為下降趨勢。

3 結論與討論

離體穗培養作為一種試驗方法很早就被采用，該方法可以避免穗與其他器官的相互作用，同時在新的“源”(培養基)—“庫”(穗器官)系統中，“源”可以得到有效的控制，這對于研究營養物質、激素和環境因子對穗粒發育的影響具有重要價值。許多學者利用穗培養方法研究了C和N的物質供給對小麥籽粒生長的影響，取得了整株條件下難以取得的效果[13]。

本實驗研究結果表明：

(1)用含不同Cu濃度的培養液培養小麥離體穗后，小麥離體穗干物質積累量隨培養天數的增加而呈現出的變化規律存在處理間差異。在不含Cu的培養組中，總的離體穗干物質積累量隨培養天數的遞增先增加后減少。除離體穗干物質總量在不同濃度Cu培養條件下表現出不同特點外，離體穗不同器官干物質的積累也表現出一些特點，說明低濃度Cu促進離體穗干物質積累，而高濃度Cu抑制干物質的積累。

(2)Cu對籽粒中營養元素積累有一定的影響。Cu濃度越低越有利于Fe元素在離體穗中的積累，Cu濃度越高越有利于P、K、Ca、Mg等元素在離體穗中的積累，而B、Na等營養元素則是15mg/L的Cu最能促進其積累，超過或低于這個濃度的Cu對B、Na的積累均不如15mg/L作用明顯。另外，低濃度Cu(0～15mg/L)會抑制Zn和Mn的積累，尤其對Zn的抑制作用最為明顯[14]。

(3)Cu對籽粒中重金屬元素含量有一定的影響。0～15mg/L的Cu濃度最有利于Cd和Pb元素在籽粒中的積累；而高濃度的Cu抑制Hg的積累，同時也對Cd和Pb在籽粒中的積累有抑制作用；Cr在籽粒中的積累則與Cu的濃度無直接關系；籽粒中Cu含量的迅速上升則是培養液中Cu濃度升高的直接原因，但Cu的濃度過高時，這種上升轉變為下降趨勢,其作用機理有待進一步研究。