镉、铝互作胁迫对大麦幼苗生理代谢的影响

王元元 刘金川 胡祎瑞 金 栋 孙 皓 郭天荣

(绍兴文理学院 生命科学学院，浙江 绍兴312000)

虽然铝(Al)是酸土中限制作物生长的主要因素，事实上酸化可以引起土壤很多理化特性的改变.如酸性土壤上常表现为P、Ca和Mg等养分缺乏，Mn和B等元素有效性显著增加，养分异常也会对植物生长有抑制作用[1].同时，一些重金属的生物活性也受土壤pH的影响，如土壤中镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)等重金属的溶解性及生物活性随土壤pH值下降而上升[2,3].其中Cd与其它重金属相比，生物有效性高，极易在农产品中积累.过量活性Al和Cd等的吸收不仅造成植物枯萎、农作物减产，同时重金属经食物链在人体内积累，严重威胁人们的健康.

本研究以南方主要的冬季作物——大麦为材料，通过设置不同浓度的Cd、Al单独即互作胁迫，分析植株一些主要的生理代谢指标，以了解不同浓度的Cd、Al的互作机制.

1 材料与方法

1．1 试验材料及处理

本试验于2012年在绍兴文理学院实验基地温室内进行，以浙农大9号大麦品种为材料.种子经1.0% NaClO消毒20 min，蒸馏水清洗4次后，播于温室内经消毒处理后湿润的沙子中.当植株长到有2片叶时(约10天左右)，选择生长一致的麦苗移栽到5 L的塑料桶中.营养液成分为(mg·L-1):(NH4)2SO448.2、 MgSO465.9、K2SO415.9、 KNO318.5、Ca( NO3)259.9、KH2PO424.8、Fe-citrate 5、MnCl24H2O 0.9、ZnSO47H2O 0.11、CuSO45H2O 0.04、HBO32.9、H2MoO40.01.移栽一周后，Al以AlCl3.6H2O，Cd以CdCl2的形式加入到营养液中.Al的添加浓度为0、50、100 μmol/L，Cd的添加浓度为0、1、5 μmol/L.试验采用正交设计，形成9个处理，6次重复.每天用1 mol/L的HCl或NaOH调节pH到试验要求值.营养液用通气泵不间断的通气，每5天更换营养液一次.

1.2 测定项目与方法

于铝胁迫2周后，取完整根系α-萘胺氧化法测定根系活力，同时取功能叶测定其中的游离脯氨酸含量(酸性茚三酮显色法)、叶绿素含量(丙酮提取，含量利用分光光度计测定)和还原型谷胱甘肽含量(采用南京建成生物工程公司购买的试剂盒测定).

1.3 数据分析

用唐启义和冯明光开发的DPS软件对试验数据进行方差分析，用LSD法进行处理间的差异性比较(P<0.05)[4].

2 结果与分析

2.1 Cd、Al胁迫对叶片叶绿素含量的影响

植物铝毒害的外部症状是根尖短粗、分支多、颜色发褐卷曲、叶片失绿等.如图1所示，与对照相比，虽然1 mol/L Cd处理对叶片叶绿素含量影响不大，但5 μmol/L Cd处理及Al胁迫均导致大麦叶片叶绿素含量大幅下降，其中100 μmol/L Al比50 μmol/L Al处理对植株生长的抑制作用更大，三种胁迫下叶绿素含量分别下降为对照组的77.4%、69.5%和90.4%.Cd、Al复合处理下叶绿素含量的降幅大于相应单独Cd、Al，表明Cd、Al对植株叶绿素代谢的影响具有协同性，其中Al100+Cd5胁迫下叶绿素含量降幅最显著，仅为对照组的58.9%.胁迫处理导致大麦叶片叶绿素含量可能是由于毒害元素抑制叶绿素合成而促进其降解所致.叶绿素含量的下降，表明植物叶片光合作用功能减弱，并导致植物组织、器官衰老[5,6].

图1 胁迫处理下大麦幼苗叶片叶绿素含量

2.2 Cd、Al胁迫对根系活力的影响

根系是植物对重金属胁迫反应最敏感的器官，毒害胁迫将使根尖细胞的分裂和伸长受到严重抑制，从而木质素的积累显著增加，细胞过早老化，营养运输能力受到限制，根系吸收能力也减弱，最终表现为作物根系的生物氧化还原能力下降[7,8].由图2可见，除1 μmol/L Cd处理对根系活力略促进外，5 μmol/L Cd处理及Al胁迫均导致植株根系活力大幅下降.复合胁迫对植株根系活力的抑制比相应单独Cd、Al处理更强，其中Al100+Cd5胁迫下根系活力的降幅最显著，仅为对照组的30.1%.

图2 胁迫处理下大麦幼苗根系活力

2.3 Cd、Al胁迫对叶片游离脯氨酸含量的影响

植物处于逆境如盐害和干旱胁迫时，体内都会积累游离脯氨酸[9,10].本试验发现，与对照相比，除1 μmol/L Cd处理外，大麦植株处于试验所设的胁迫逆境时，叶片游离脯氨酸含量均增加，且随胁迫程度增强，叶片内脯氨酸含量急剧上升.Cd、Al复合处理时增加幅度更大，尤其是Al100+Cd5胁迫时增幅最大，达到对照组的1.77倍.胁迫处理下大麦叶片游离脯氨酸含量增加可能是大麦植株受Cd、Al毒害的一种症状，这与Galvez等[11]报道，铝胁迫下高粱根系积累游离脯氨酸不具有胁迫专一性的特点，同时认为这是植株对铝胁迫的一种反应，而不是植物的一种耐铝机制的结论一致.

2.4 Cd、Al胁迫对叶片GSH含量的影响

还原型谷胱甘肽(GSH)是抗氧化系统中重要的非酶系统，可与抗氧化酶协同作用去除细胞中由于环境胁迫诱导的自由基，自身则转化为氧化型谷胱甘肽(GSSH)[12].由图2可见，低浓度的Cd(1 μmol/L)、Al(50 μmol/L)时促进大麦叶片GSH积累.这可能是由于低胁迫这一信号诱导植物通过各种生理、生化途径产生更多GSH来消解氧自由基的结果.当提高Cd、Al处理水平时，叶片中GSH的积累量下降.复合胁迫下GSH积累量下降幅度更大，Al100+Cd5处理下叶片GSH含量仅为对照组的60.5%.胁迫程度增强导致GSH含量增加可能是由于GSH生成量低于消耗量所致.

图4 胁迫处理下大麦幼苗叶片GSH含量

3 结论

(1)1 μmol/L Cd单独处理对大麦幼苗生长无毒害，反而可适度促进植株生长.

(2)5 μmol/L Cd及50和100 μmol/L Al处理均严重紊乱大麦幼苗代谢，表现为叶片叶绿素含量和根系活力下降，游离脯氨酸含量上升，虽然50 μmol/L Al处理促进叶片GSH积累，但5 μmol/L Cd和100 μmol/L Al处理下叶片中GSH的积累量显著下降.

(3)Cd、Al复合胁迫对大麦幼苗代谢的影响强于单一Cd、Al处理，Al100+Cd5处理对植株的毒害作用最强.

参考文献：

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Abstract： The hydroponic experiments were focused on the effect of single and combined stress of cadmium and aluminum on the content of chlorophyll, free proline and glutathione in barley leaves, as well as the root activity. The results show that except for 1.0 μmol/L Cd single treatments, all the stresses seriously disordered the physiological metabolisms of barley plants, thus, leaf chlorophyll content, root activity significantly decreased while free proline content markedly increased. The stresses of both 5.0 μmol/L Cd and 100 μmol/L Al notably decreased GSH content though 50 μmol/L Al stress increased. Binary metal stress caused more serious metabolisms disorder, especially for the combined stress of Al 100+Cd 5.

Keywords：cadmium; aluminum; stress; barley; physiological index