污水胁迫对小麦幼苗ＤＮＡ的损伤影响

陈龙 常云霞 葛红莲

摘要：采用土培的方法，研究了污水胁迫对小麦幼苗叶片和根ＤＮＡ含量及ＤＮＡ增色效应的影响。结果表明，低浓度污水处理能提高叶片及根ＤＮＡ含量，ＤＮＡ增色效应略有下降；高浓度污水使小麦叶片及根中ＤＮＡ的含量减少、ＤＮＡ增色效应显著降低。

关键词：污水胁迫；小麦幼苗；ＤＮＡ含量；ＤＮＡ增色效应

中图分类号：Ｓ５１２．１；Ｑ９４５．７８文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）16－3440-02

Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｓｅｗａｇｅ Ｗａｔｅｒ Sｔｒｅｓｓ ｏｎ ＤＮＡ Ｄａｍａｇｅ ｏｆ Ｗｈｅａｔ Ｓｅｅｄｌｉｎｇｓ

ＣＨＥＮ Ｌｏｎｇ，ＣＨＡＮＧ Ｙｕｎ－ｘｉａ，ＧＥ Ｈｏｎｇ－ｌｉａｎ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｚｈｏｕｋｏｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｏｕｋｏｕ ４６６００１，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｗａｔｅｒ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｈｙｐｅｒｃｈｒｏｍｉｃｉｔｙ ｏｆ ＤＮＡ ｉｎ ｗｈｅａｔ ｓｅｅｄｌｉｎｇｓ was investigated ｗｉｔｈ ｓｏｉｌ ｐｏｔ cultivation． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｌｏｗ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｕｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ＤＮＡ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｌｅａｖｅｓ ａｎｄ ｒｏｏｔｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｓｅｅｄｌｉｎｇｓ， ａｎｄ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｌｏｗｅｒｅｄ ｔｈｅ ｈｙｐｅｒｃｈｒｏｍｉｃｉｔｙ ｏｆ ＤＮＡ； ｗｈｉｌｅ ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ decreased ｔｈｅ ＤＮＡ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｌｅａｖｅｓ ａｎｄ ｒｏｏｔｓ ａｎｄ ｈｙｐｅｒｃｈｒｏｍｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＤＮＡ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｅｗａｇｅ ｗａｔｅｒ ｓｔｒｅｓｓ； ｗｈｅａｔ ｓｅｅｄｌｉｎｇｓ； ＤＮＡ ｃｏｎｔｅｎｔ； ＤＮＡ ｈｙｐｅｒｃｈｒｏｍｉｃｉｔｙ

我国淡水资源匮乏，分布不均，污染也较为严重，污水的资源化问题已经受到关注和重视，国内外对于污水灌溉的研究已积累了丰富的经验［１］。污水灌溉不仅提供了灌溉所需的水资源，缓解了干旱缺水地区农业用水的供需矛盾，为农业生产提供了大量的营养物质，而且还可增加土壤有机质含量，但也可能会因携带有害物质而引起土壤、作物中重金属积累和有毒有机物含量超标，农产品品质变劣，使作物生长发育受阻甚至死亡等不良后果［２，３］。小麦是我国北方干旱半干旱地区主要的粮食作物，是污水灌溉的主要对象之一。关于污水灌溉对植物的伤害效应研究较多，但研究主要集中于植物生长发育的外在表现、内部结构、过氧化胁迫、光合系统等方面［４，５］，有关污水灌溉对作物ＤＮＡ损伤效应综合影响的研究还未见报道。试验采用土培的方法，研究沙颍河污水对小麦幼苗叶片和根系ＤＮＡ提取量及增色效应的影响，以期为污水灌溉、污水改良和耐污小麦品种的培育提供理论依据。

１材料与方法

１．１材料

以河南栽培的小麦品种周麦１８（以Ｚ１８表示）和花培５号（以Ｈ５表示）为材料，种子由河南省周口市农业科学院提供。污水取自周口市川汇区内的沙颍河与贾鲁河交汇处的河水。原液即污水，清水为自来水，土壤为麦田土。

１．２方法

１．２．１试验设计选取子粒饱满、大小均匀的小麦种子，洗净后分别放入去离子水中浸泡、催芽１ ｄ，再均匀种植于土培盘中，用不同的水浇灌培养。分别用Ｖ（清水）∶Ｖ（污水）为１∶０（对照，Ａ０）、４∶１（Ａ１）、３∶２（Ａ２）、２∶３（Ａ３）、１∶４（Ａ４）、０∶１（Ａ５）培养小麦。隔天浇水1次，浇透为止，所有处理均设３次重复。幼苗培养条件为：白天温度（２５±０．５）℃，每日光照１２ ｈ，夜晚温度（１８±０．５） ℃。培养１５ ｄ后取样测定各项指标，每种处理每个指标均对样品进行３次重复测定，取平均值。

１．２．２污水理化性质的测定采用重铬酸钾氧化法测定化学需氧量（ＣＯＤＣｒ），以过滤烘干称重法测定悬浮物（ＳＳ），全磷（ＴＰ）测定采用钼蓝比色法，氨态氮含量测定采用常规测定方法［６］；铅、镉的测定采用原子吸收分光光度法［７］；汞的测定参照文献［８］的方法；ｐＨ采用酸度计法测定。污水理化性质的测定结果见表1。

１．２．３ＤＮＡ提取及增色效应的测定ＤＮＡ提取与含量测定：ＤＮＡ提取采用ＣＴＡＢ法［９］。将提取的ＤＮＡ沉淀于１.0 ｍＬ ＴＥ中，－２０ ℃保存备用。取叶片和根ＤＮＡ样品各１００μＬ，用ＴＥ稀释到２．５ ｍＬ，在紫外可见分光光度计（日本岛津，Ｖ－５３０）上测定Ａ２６０ nm和Ａ２８０ nm，以Ａ２６０ nm估算ＤＮＡ得率，以Ａ２６０ nm／Ａ２８０ nm判断ＤＮＡ样品的纯度。

ＤＮＡ增色效应的测定：取各处理叶片和根ＤＮＡ样品各２份，每份１００ μＬ，溶于２．５ ｍＬ、０．０８ ｍｏｌ／Ｌ ＮａＣl溶液中，一份在７０℃水浴中加热，另一份置于室温（２５ ℃）下，３０ ｍｉｎ后分别测定Ａ２６０ nm，以［（Ａ２６０ nm、７０ ℃－Ａ２６０ nm、２５ ℃）／Ａ２６０ nm、２５ ℃］×１００％作为ＤＮＡ增色效应指标。

２结果与分析

２．１污水对小麦幼苗叶片和根ＤＮＡ含量的影响

由表２可知，污水对小麦幼苗叶片和根ＤＮＡ含量（以提取量表示）的影响情况相似，在较低浓度的污染状况下，小麦幼苗叶片和根ＤＮＡ提取量均有所升高，但污染程度较高时使ＤＮＡ提取量降低。在处理Ａ１时小麦幼苗叶片的ＤＮＡ提取量达到最高值，Ｈ５和Ｚ１８分别是对照（Ａ０）的１１８.0％和１２２．１％，随着污染程度加重ＤＮＡ提取量开始下降，在处理Ａ５时ＤＮＡ提取量最低，Ｈ５和Ｚ１８分别是对照的５９．３％和７１．０％；小麦幼苗根的ＤＮＡ提取量在处理Ａ２时达到最高值，Ｈ５和Ｚ１８分别是对照的１４１．５％和１４３．９％，随着污染程度加重ＤＮＡ的提取量逐渐下降，在处理Ａ５时ＤＮＡ含量最低，Ｈ５和Ｚ１８分别是对照的６０．６％和７８．９％。通过比较还可以看出，根细胞中ＤＮＡ含量比叶片中提取量低，受污染影响时ＤＮＡ提取量的变化幅度也较叶片小，表明叶片和根对于污染胁迫反应的敏感程度有一定差异。

２．２污水对小麦幼苗叶片和根ＤＮＡ增色效应影响

污水对两个小麦品种幼苗叶片ＤＮＡ增色效应的影响趋势相似，在污染胁迫较轻（Ａ１～Ａ３）时，ＤＮＡ增色效应变化幅度很小，基本维持在对照（Ａ０）的水平，严重污染胁迫（Ａ４～Ａ５）时，ＤＮＡ增色效应呈现出明显的下降现象，此时两个小麦品种幼苗叶片的ＤＮＡ增色效应均为0（图1）。污水对两个小麦品种幼苗根ＤＮＡ增色效应的影响趋势较为类似，在污染胁迫较轻（Ａ１～Ａ２）时，ＤＮＡ增色效应基本维持在对照（Ａ０）的水平；当Ａ３处理时，ＤＮＡ增色效应呈现出明显的下降现象，此时Ｈ５的ＤＮＡ增色效应为0，Ｚ１８的ＤＮＡ增色效应明显下降，污染胁迫进一步加重（Ａ４～Ａ５）时的ＤＮＡ增色效应均为0（图２）。

３小结与讨论

用污水处理小麦幼苗时，在低浓度时可以使ＤＮＡ含量升高，这可能是污水中含有大量Ｎ、Ｐ等元素，可促进小麦ＤＮＡ合成。高浓度的污水不仅降低了小麦幼苗叶片的ＤＮＡ提取量，也使根ＤＮＡ提取量明显降低。重金属污染会导致水稻和小麦叶片ＤＮＡ提取量降低，若在提取时加入胰蛋白酶，ＤＮＡ提取量会增加，推测重金属有促进ＤＮＡ和蛋白质交联的效应。小麦幼苗叶片和根ＤＮＡ提取量降低的效应也与污染物促进ＤＮＡ和蛋白质交联有关，也可能与其导致ＤＮＡ降解加速或ＤＮＡ合成下降等有关［１０］。

Ｋｏｃｈ等［１１］报道，增色效应可反映ＤＮＡ的解链程度，而ＤＮＡ解链程度与其链长及链间交联程度等有关，ＤＮＡ断裂会使链长变短，因而增色效应提高，ＤＮＡ链间交联则使增色效应下降，因此可以用增色效应结果判断ＤＮＡ是否断裂以及是否发生了链间交联等损伤效应。研究说明，污水对小麦幼苗叶片ＤＮＡ和根ＤＮＡ均具有一定的损伤，特别是根对其较为敏感。在高浓度的污染胁迫下两个小麦品种幼苗叶片和根ＤＮＡ增色效应均明显降低，说明污水处理导致了两个品种的ＤＮＡ发生链间交联，从而使ＤＮＡ解链温度提高，导致在加热至７０℃时ＤＮＡ仍未完全解链，因而７０℃条件下ＤＮＡ增色效应较小，甚至很低。

综合考虑污水灌溉对小麦幼苗叶片和根ＤＮＡ提取量以及损伤效应的影响，应采用清水、污水配比或者清水、污水轮灌的方式灌溉较为适宜，不宜直接用污水灌溉，更不宜长期用污水灌溉。

参考文献：

［１］ 宰松梅，王朝辉，庞鸿宾． 污水灌溉的现状与展望［Ｊ］．土壤，２００６，３８（６）：８０５-８１３．

［２］ 王立人，侯亚明．论郑州市农业污灌区土壤粮食的重金属污染问题［Ｊ］．农业环境保护，１９９１，１０（４）：１６１-１６４．

［３］ 高侠丽，王爱民，袁宗飞，等．污灌对蔬菜的生理生态指标及细胞学影响研究［Ｊ］．中国环境科学，１９９７，１７（５）：４４３-４４５．

［４］ 孟雷，左强．污水灌溉对冬小麦根长密度和根系吸水速率分布的影响［Ｊ］．灌溉排水学报，２００３，２２（４）：２５-２９．

［５］ 刘登义，王友保，张徐祥，等．污灌对小麦幼苗生长及活性氧代谢的影响［Ｊ］．应用生态学报，２００２，１３（１０）：１３１９-１３２２．

［６］ 奚旦立，孙裕生，刘秀英．环境监测［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０００．９９-ｌ０２．

［７］ ＧＢ／Ｔ ７４７５－１９８７，水质 铜、锌、铅、镉的测定 原子吸收分光光度法［Ｓ］．

［８］ ＧＢ／Ｔ ７４６９－１９８７，水质 总汞的测定 高锰酸钾-过硫酸钾消解法 双硫腙分光光度法［Ｓ］．

［９］ 王关林，方宏筠．植物基因工程［Ｍ］．第二版．北京：科学出版社，２００２．７４２-７４４．

［１０］ 葛才林，杨小勇，孙锦荷，等．重金属胁迫引起的水稻和小麦幼苗ＤＮＡ损伤［Ｊ］．植物生理与分子生物学学报，２００２，２８（６）：４１９-４２４．

［１１］ ＫＯＣＨ Ｃ Ｊ，ＧＩＡＮＤＯＭＥＮＩＣＯ Ａ Ｒ． Ｔｈｅ ａｌｋａｌｉｎｅ ｅｌｕｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ＤＮＡ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔｒａｎｄ ｂｒｅａｋｓ： ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．Ａｎａｌ Ｂｉｏｃｈｅｍ，１９９４，２２０（１）：５８-６５．