燕麥植株生長(zhǎng)及葉片生理活性對(duì)土壤鎘脅迫的響應(yīng)

馬鳳儀，趙寶平*，張 茹，王永寧，郭曉宇，王美玲，劉景輝

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010010；2 內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)中心，呼和浩特 010000；3 烏蘭察布市污染防治智能監(jiān)管服務(wù)與技術(shù)支持中心，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

燕麥(AvenasativaL.)是中國(guó)重要的糧、飼作物，內(nèi)蒙古是燕麥種植的最適地區(qū)之一[1]，占中國(guó)燕麥種植面積42%以上。內(nèi)蒙古西部有色金屬、黑色金屬等礦產(chǎn)具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在開(kāi)采、冶煉過(guò)程中一些重金屬污染物通過(guò)沉降、雨水和淋溶等途徑進(jìn)入土壤，造成周邊農(nóng)田土壤鎘(Cd)、鉛(Pb)等重金屬污染物超標(biāo)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全[2]。

Cd是植物非必需元素, 具有強(qiáng)生物毒性和快速遷移的特點(diǎn), 能夠?qū)е轮参餇I(yíng)養(yǎng)缺陷、葉綠素合成抑制、光合作用降低、氧化應(yīng)激等, 最終抑制植物生長(zhǎng), 甚至導(dǎo)致植物死亡[3]。研究表明，Cd脅迫能降低植物蒸騰速率，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，抑制“鈣信號(hào)”傳遞[4]，影響光合速率[5]，抑制植物葉片中葉綠素的生物合成，減少葉綠體數(shù)量，使基粒類(lèi)囊體排列紊亂，影響植物的原初光化學(xué)反應(yīng)和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ),從而引起植物體內(nèi)生理代謝紊亂，最終影響植物體的生長(zhǎng)發(fā)育[6-7]。

同種作物不同品種對(duì)Cd脅迫生理響應(yīng)存在差異，在小麥[8-9]、玉米[10]、水稻[11]、龍葵[12]等作物上已有相關(guān)報(bào)道，目前有關(guān)燕麥不同品種對(duì)Cd脅迫響應(yīng)差異研究較少。因此，本試驗(yàn)以?xún)蓚€(gè)高、低Cd積累燕麥品種為材料，探明不同Cd積累型燕麥生長(zhǎng)及葉片生理特性對(duì)Cd脅迫響應(yīng)的差異，為燕麥抗Cd機(jī)制及應(yīng)用農(nóng)藝措施降低燕麥Cd積累量與超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)內(nèi)蒙古燕麥安全、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)依據(jù)前期18個(gè)燕麥品種兩年大田篩選后結(jié)果， 選擇‘200919-7-1’(Yl)和‘燕科2號(hào)’(Yh)兩個(gè)燕麥品種為供試材料。其中，‘200919-7-1’具有籽粒低Cd積累特性，在兩年試驗(yàn)中籽粒平均Cd含量為0.122 mg/kg，種子由河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供；‘燕科2號(hào)’具有籽粒高Cd積累特性，在兩年試驗(yàn)中籽粒平均Cd含量為0.298 mg/kg，種子由內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)燕麥產(chǎn)業(yè)研究中心溫室進(jìn)行。盆栽土壤取自河套灌區(qū)試驗(yàn)地(鎘污染土壤，Cd)和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)農(nóng)場(chǎng)(對(duì)照,CK)。供試土壤Cd含量分別為0.96 mg/kg(Cd)和0.23 mg/kg(CK)，供試土壤屬輕度Cd污染土壤，基本理化性質(zhì)詳見(jiàn)表1。選擇規(guī)格為240 mm×180 mm的塑料花盆，每盆裝土5 kg，每盆播種30粒，每盆混為一個(gè)樣，每個(gè)處理重復(fù)4次，共16盆，每盆施底肥磷酸二銨3 g。抽穗期測(cè)定相關(guān)生長(zhǎng)及生理指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)于抽穗期每處理選擇5株先測(cè)定株高，然后將其用去離子水洗干凈，85 ℃下殺青30 min，于105 ℃烘至恒重后稱(chēng)重，得到整株生物量干重(DW)。

表1 盆栽試驗(yàn)供試土壤理化性質(zhì)

1.3.2 葉片抗氧化酶活性和MDA含量取燕麥中上部葉片，依據(jù)《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》[13]方法測(cè)定葉片中超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3.3 葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用CIRAS-3光合儀測(cè)定旗葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間 CO2濃度(Ci)和氣孔導(dǎo)度(Gs)，以及光下最小熒光(Fo′)、光下最大熒光(Fm)、光適應(yīng)下最大可變熒光(Fv′)，并計(jì)算PSⅡ反應(yīng)中心的激發(fā)能捕獲效率(Fv′/Fm′)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、實(shí)際光化學(xué)效率(φPSⅡ)、電子傳遞速率(ETR)，測(cè)量時(shí)將葉片夾于葉室中部，每個(gè)處理重復(fù)3次；采用SPAD-502型葉綠素儀測(cè)定旗葉的相對(duì)葉綠素含量(SPAD)值，每個(gè)處理重復(fù)3次。葉綠素?zé)晒鈪?shù)計(jì)算公式如下：

Fv′/Fm′ =(Fm′ -Fo′)/Fm′；

qP =(Fm′ -Fs)/(Fm′ -Fo′)；

φPSⅡ=(Fm′ -Fs)/Fm′

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)處理和繪圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對(duì)兩個(gè)類(lèi)型燕麥品種植株生長(zhǎng)的影響

表2顯示，與CK相比，兩個(gè)燕麥品種的株高、各器官(根、莖、葉、穎殼)干重、單株干重在Cd脅迫下均顯著降低，Yl品種(籽粒低Cd積累)降幅分別為28.5%、31.8%、38.3%、55.3%、26.4%、40.8%，Yh品種(籽粒高Cd積累)降幅則分別為27.3%、25.9%、37.3%、57.6%、34.6%、38.2%(P<0.05)。在相同處理下，兩品種的株高沒(méi)有顯著差異，單株干重則表現(xiàn)為Yh品種顯著高于Yl品種，在CK和Cd脅迫下分別顯著提高40.1%和47.8%。說(shuō)明兩類(lèi)型燕麥品種的生長(zhǎng)在鎘脅迫下均受到顯著抑制，但籽粒高Cd積累品種受到的抑制程度較小，尤其以單株干重的表現(xiàn)更為突出。

表2 Cd脅迫下兩個(gè)類(lèi)型燕麥株高及單株干重

2.2 Cd脅迫對(duì)兩個(gè)類(lèi)型燕麥品種葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素含量的影響

圖1顯示，兩個(gè)燕麥品種葉片的Pn、Gs和SPAD在Cd脅迫條件下均比相應(yīng)CK顯著降低，Yh的降幅分別為35.0%、28.4%和16.4%，Yl的降幅分別為57.1%、71.3%和14.8%(P<0.05)，其余指標(biāo)則無(wú)顯著變化；同時(shí)，Yl葉片的Ci也比CK顯著降低13.6%，而Yh葉片的Ci以及兩品種的Tr均無(wú)顯著變化。在CK處理?xiàng)l件下，Yh葉片的Pn較Yl顯著提高24.3%，其Ci則比Yl顯著降低5.4%，而其余指標(biāo)與Yl均無(wú)顯著差異；在Cd脅迫條件下， Yh的Pn和Gs較Yl分別顯著升高100%和143.6%，而其Ci、Gs和SPAD與Yl均無(wú)顯著差異。結(jié)果說(shuō)明Cd脅迫顯著抑制了兩燕麥品種葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量，但Yl品種受到的影響更大；Yh品種的Pn在相同處理?xiàng)l件下均顯著高于Yl品種。

2.3 Cd脅迫對(duì)兩種類(lèi)型燕麥品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

圖2顯示，在Cd脅迫條件下，燕麥品種Yh葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)僅光下最小熒光(Fo′)比CK顯著提高3.0%，而燕麥品種Yl葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)僅Fo′和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)分別比對(duì)照顯著降低14.4%和27.3%(P<0.05)，而其余參數(shù)原初光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)、PSⅡ反應(yīng)中心的激發(fā)能捕獲效率(Fv′/Fm′)、實(shí)際光化學(xué)效率(φPSⅡ)和電子傳遞速率(ETR)均與對(duì)照差異不顯著。在CK處理下，Yh品種的Fo′、φPSⅡ、qP和ETR分別較Yl品種顯著提高6.6%、23.6%、30.1%和23.7%，其Fv/Fm和Fv′/Fm′均與Yl品種無(wú)顯著差異；在Cd脅迫條件下， Yh品種葉片的Fo′、φPSⅡ、qP、ETR較Yl品種分別顯著提高22.4%、29.2%、40.4%和29.2%，而Yl品種的Fv′/Fm′卻較Yh品種顯著提高15.0%(P<0.05)，而兩品種間的Fv/Fm無(wú)顯著差異。可見(jiàn)，在鎘脅迫條件下，兩燕麥品種的葉綠素?zé)晒鈪?shù)與對(duì)照相比大多無(wú)顯著變化，而除Fv/Fm外，其余參數(shù)在品種間均存在顯著差異。

2.4 Cd脅迫對(duì)兩種類(lèi)型燕麥品種葉片抗氧化酶活性和MDA含量的影響

由圖3可知，兩種類(lèi)型燕麥品種葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量在Cd脅迫下均比CK不同程度提高，但僅SOD 活性和MDA 含量增幅達(dá)到顯著水平；其中，Yl品種的增幅分別為44.9%和22. 2%，Yh品種增幅則分別為41.9%和18.1%(P<0.05)。在CK和Cd脅迫條件下，Yh品種的SOD活性較Yl分別顯著提高36.8%和22.8%，而其MDA含量則較Yl顯著降低27.1%和30.8%(P<0.05)，POD和CAT活性在兩品種間均差異不顯著。可見(jiàn)，鎘脅迫均能誘導(dǎo)兩個(gè)類(lèi)型燕麥品種葉片SOD活性和MDA含量顯著提高，而Yl的MDA含量增幅高于Yh， Yl受到的Cd脅迫危害更大。

2.5 燕麥幼苗生長(zhǎng)與生理指標(biāo)之間關(guān)系

Cd脅迫下，燕麥通過(guò)不同機(jī)制共同作用來(lái)減輕Cd的毒害作用。相關(guān)性分析(表3)結(jié)果顯示，燕麥根、莖、葉的干重和單株的干重與Pn呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，同時(shí)，根的干重與qP、ETR和φPSⅡ也呈顯著正相關(guān)關(guān)系；根的干重與MDA呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與CAT活性呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；穎殼的干重與CAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表3 燕麥幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)與生理指標(biāo)之間的相關(guān)性

3 討 論

本研究以高Cd積累燕麥品種‘燕科2號(hào)’(Yh)和低Cd積累燕麥品種‘200919-7-1’(Yl)為試驗(yàn)材料，初步比較分析了Cd脅迫下兩個(gè)品種的生長(zhǎng)和生理差異。已有研究表明，Cd脅迫條件下植物生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，導(dǎo)致各器官生物量會(huì)降低[14-15]，且相較于低Cd積累品種，高Cd積累品種對(duì)Cd的耐受力較強(qiáng)，生長(zhǎng)受抑制的程度較小[16]。在本研究中，與CK處理相比，高、低Cd積累燕麥品種株高及各器官生物量在Cd脅迫下均顯著下降，各器官生物量均與其葉片Pn呈正相關(guān)關(guān)系；Yh品種的生物量在Cd脅迫下高于Yl，表明兩品種的生長(zhǎng)均受到鎘脅迫的顯著抑制，但Yh對(duì)Cd脅迫有較強(qiáng)的耐受力。

同時(shí)，植物的光合作用也會(huì)受到Cd脅迫的抑制，導(dǎo)致光合作用降低的因子包括氣孔限制和非氣孔限制，Ci是評(píng)判的依據(jù)；當(dāng)Pn、Gs、Ci同時(shí)降低時(shí)，表明光合作用是受氣孔限制因素的影響；當(dāng)Pn的降低伴隨著Ci的升高，則表明光合作用是受非氣孔因素限制[17-18]。周姣等[12]研究表明龍葵和少花龍葵光合作用的降低是氣孔限制和非氣孔限制綜合作用的結(jié)果；董袁媛等[19]研究表明鎘脅迫下氣孔限制降低了黃麻的光合作用。此外，郭佳佳等[16]報(bào)道，低Cd積累小麥品種光合作用的降低部分原因是氣孔限制因素引起的，另有原因可能是由葉綠素含量及相關(guān)酶活性等非氣孔限制因素引起的。本研究結(jié)果表明，在Cd脅迫條件下，燕麥品種Yl和Yh葉片的Pn、Gs和Ci較CK處理均同時(shí)呈下降趨勢(shì)，表明Cd脅迫下兩個(gè)品種光合作用的降低可能是受氣孔限制因素的影響；此外，燕麥品種根、莖、葉的干重和單株的干重均與Pn呈顯著正相關(guān)，而與CAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)，表明Cd脅迫下光合作用的降低可能與有關(guān)抗氧化酶活性等非氣孔限制因素密切相關(guān)。

此外，葉綠素?zé)晒鈪?shù)是評(píng)價(jià)植物生理指標(biāo)變化和光能利用的一種較好檢測(cè)方法[20-21]。Fo′與光合作用的光反應(yīng)無(wú)關(guān)，與葉綠素濃度有關(guān)，其變化可以說(shuō)明PSⅡ反應(yīng)中心受到了逆境脅迫的抑制或者傷害[22]；Fv′/Fm′反映在逆境脅迫下植物光合機(jī)構(gòu)的損傷程度，通常用來(lái)判斷植物是否受到光抑制影響[23]；qP用來(lái)表達(dá)PSⅡ反應(yīng)中心能量被色素所吸收之后的轉(zhuǎn)化率，也可以表示PSⅡ開(kāi)放中心的數(shù)目，其值越高說(shuō)明光系統(tǒng)Ⅱ具有的電子傳遞活性越高，電子傳遞速率越快，相反qP值越低表明光系統(tǒng)Ⅱ開(kāi)放比例減小，為光合作用提供的能量也降低[24-25]；ETR反映在實(shí)際光照強(qiáng)度下的表觀電子傳遞速率[26]。在本試驗(yàn)的Cd脅迫條件下，燕麥品種Yh葉片的Fo′值增加幅度較Yl高，說(shuō)明Cd脅迫對(duì)品種Yh的葉綠素濃度影響較大；品種Yl的Fv′/Fm′值提升幅度顯著高于Yh，且Yl的qP降幅較Yh高，這與Cd脅迫下POD、CAT活性有關(guān)，說(shuō)明燕麥品種Yl葉片光合機(jī)構(gòu)損傷程度較Yh更嚴(yán)重，對(duì)光合作用的影響更大。

另外，MDA 是細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物，它的積累可作為植物葉片的細(xì)胞膜遭受破壞程度的指標(biāo)[27]，SOD、POD和CAT共同組成植物體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng)，有效清除植物體內(nèi)的自由基和過(guò)氧化物[16]，Cd脅迫下POD和CAT活性的增加與活性氧的加速產(chǎn)生有關(guān)[28]。本研究結(jié)果表明，在Cd脅迫條件下，兩個(gè)燕麥品種CAT活性增加，燕麥品種Yl的MDA含量增加幅度高于Yh，且品種Yl葉片的SOD活性和MDA含量均顯著高于品種Yh，說(shuō)明相比于品種Yh，品種Yl受Cd脅迫誘導(dǎo)的過(guò)氧化傷害較大。品種Yl葉片的MDA含量較Yh高可能是因?yàn)閅l的POD活性較低所致。孫亞莉等[11]研究表明，2個(gè)水稻品種隨著Cd濃度增加，其MDA 含量以及SOD、POD 和 CAT 等抗氧化酶活性均隨著鎘脅迫處理濃度的升高而增強(qiáng)，且Cd脅迫處理下耐Cd品種 MDA 含量與各抗氧化酶活性較對(duì)照的相對(duì)增加值小于鎘敏感品種；邵國(guó)勝等[29]研究表明，Cd耐受性強(qiáng)的水稻抗氧化酶活性顯著高于Cd敏感品種，而MDA含量則低于Cd敏感品種。本研究中燕麥品種Yl葉片的SOD、POD活性均低于品種Yh，而MDA含量均顯著高于品種Yh，這些結(jié)果表明Yl對(duì)Cd較敏感，而Yh對(duì)Cd的耐受性較高。

4 結(jié) 論

Cd脅迫顯著抑制了高、低Cd積累燕麥品種生長(zhǎng)和葉片光合氣體交換參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)特性，誘導(dǎo)增強(qiáng)了兩個(gè)品種的葉片SOD、POD 和 CAT等抗氧化酶活性，尤其是SOD活性得到顯著增強(qiáng)；與低Cd積累燕麥品種(200919-7-1)相比，高Cd積累燕麥品種(‘燕科2號(hào)’)具有更高的生物量和抗氧化酶活性，光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的表現(xiàn)也更優(yōu)。綜合研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高Cd積累燕麥品種(‘燕科2號(hào)’)因具有優(yōu)良的抗氧化和光合生理活性，從而對(duì)土壤Cd的耐受性較低Cd積累燕麥品種更強(qiáng)。