夜间增温对小麦耐铜特性的影响

申志强　亓琳　李梦鸽　张文彦　向璐　朱超亚

摘要    为探明增温处理对小麦（Triticum aestivum）耐铜特性的影响，本研究设置不同铜浓度（0、100、400、800 mg/kg）处理，通过土培盆栽试验分析覆膜增温对小麦生长、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性的影响。结果表明，铜处理显著抑制了小麦生物量（P<0.05）;夜间增温对小麦生物量没有明显的效应（P>0.05），但在铜处理浓度逐渐升高的条件下显著增加根的生物量（P<0.05）;夜间增温在铜处理浓度逐步升高的条件下显著抑制了小麦叶片SOD的活性（P<0.05）。以上结果表明，增温作用增加了小麦的根生物量，但减弱了小麦的抗铜能力。本研究结果可为粮食安全生产提供理论依据。

关键词    小麦;增温;生物量;铜富集;抗氧化酶

中图分类号    S512.1        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）13-0006-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Effect  of  Nighttime  Warming  on  Copper  Tolerance  of  Wheat

SHEN Zhi-qiang    QI Lin *    LI Meng-ge    ZHANG Wen-yan    XIANG Lu    ZHU Chao-ya

（College of Agricultural，Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471023）

Abstract    To find out the effect of nighttime warming on the copper tolerance of wheat，different concentrations of copper（0，100，400，800 mg/kg）was set，the effects of film mulching on wheat growth，malondialdehyde（MDA），superoxide dismutase（SOD）activity and peroxidase（POD）activity were analyzed by pot experiment in soil culture.The results showed that，copper treatment significantly inhibited wheat biomass（P<0.05）.The nighttime warming had no significant effect on wheat biomass（P>0.05），but significantly increased root biomass as copper concentration increasing（P<0.05）.The nighttime warming significantly inhibited the SOD activity of wheat leaves as copper concentration increasing（P<0.05）.These results indicated that the nighttime warming increased the root biomass and inhibited the copper tolerance of wheat.This study provides a theoretical basis for the food safety production.

Key words    wheat;warming;biomass;copper enrichment;antioxidant enzyme

因溫室气体浓度增加而产生的温室效应，全球气候变暖已成为不可逆转的事实，这无疑会使农业生态环境发生一系列的变化，并将可能影响农业种植决策、品种改良、农业布局、土地利用等一系列问题[1]。气候变化不仅影响经济发展，也将影响农业生态系统安全[2]。伴随工业发展、城市污染的加剧和农用化学物质的使用，土壤重金属污染日益严重，并且土壤重金属污染物在土壤中具有移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康[3]。目前，我国被重金属污染的耕地面积近2 000万hm2，约占总耕地面积的1/5，其中“三废”污染耕地1 000万hm2，被污水灌溉的农田面积达到330万hm2。我国平均每年因被重金属污染而减产的粮食已经超过1 000万t。除此之外，被重金属污染的粮食每年也多达1 200万t，由此造成的经济损失合计至少为200亿元[4]。

重金属铜（Cu）是植物生长发育必需的矿质元素，参与植物重要的生物过程，比如光合作用、呼吸作用、氧化超氧化物清除和木质化等。适量的铜对植物生长发育有益，但过量铜会对植物生长发育产生危害。植物体内富集铜之后，多表现为受害症状，对植物体产生氧化胁迫，破坏细胞膜的结构和功能，干扰植物代谢，导致植物生长量减少、生长发育迟缓，甚至萎蔫和坏死等[5-7]。小麦形态上主要表现为根和幼苗等生长受到抑制，生理生化方面主要是叶绿素含量下降、光合作用降低、细胞膜受到严重损害等[8]。大量试验证明，微量的铜能维持生物体内电解质平衡，但过量的铜具有一定的毒性，这种双重作用显示出了铜在生物学功能和效应中的复杂性[9]。研究表明，小麦不同部位富集重金属铜的能力存在差异，主要富集在根部[10]。重金属铜对小麦的幼苗根系伤害较叶片大，会显著降低小麦幼苗中叶绿素含量。在有氧呼吸和光合作用电子传递过程中，植物产生具有氧化性质的超氧自由基，损伤细胞膜，破坏蛋白质和核酸功能，导致细胞死亡[11]。小麦根系超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等活性能够反映植物在重金属胁迫下的抗逆能力[12]。

近20年以来，国内外一些学者研究了夜间增温对小麦生长特征和生理特性的影响，夜间增温显著增加小麦产量却显著降低茎叶和地上部分总干重，铅污染表现为负效应且随污染程度增加而加大[13]。然而，关于夜间增温对小麦耐铜特性的影响尚未有明确一致的结论。因此，在“全球变暖”的背景下，研究增温对小麦耐铜特性的影响，对于耐铜小麦的选育具有理论价值和现实意义。

1    材料与方法

1.1    试验材料

小麦种子购于河南省洛阳市农资市场。试验用土采集于河南科技大学实验农场土壤表层土（0～20 cm），采用土壤农化分析方法测定土壤的基本理化性质[14]，土壤pH值8.05、有机质含量为12.85 g/kg、全氮含量为0.96 g/kg、速效磷含量为12.52 mg/kg、速效钾含量为155.13 mg/kg、铵态氮含量为2.01 mg/kg、阳离子交换量为19.23 cmol/kg。供试金属是由CuSO4·5H2O提供的Cu2+。

1.2    试验设计

1.2.1    植物培养。选择籽粒大小一致、颗粒比较圆润的小麦种子，经0.2%次氯酸钠表面消毒20 min后，用水浸种10 min，以杀灭种子表皮上的病菌，风干，每盆选20粒种子种入花盆。长到20 d后，选择性地剔除发育不好的小麦幼苗，每盆保留小麦12株。培养期间通过称重法添加自来水，以保证必要的水分供应。

1.2.2    铜处理。在小麦定株之后添加Cu溶液设置4个Cu2+浓度梯度，分别为0、100、400、800 mg/kg，其中以Cu2+浓度为0 mg/kg的土壤作对照组（CK1），各处理均设置4次重复。

1.2.3    夜间增温。共设2个温度处理，分别为增温（W）、不增温（CK2）。通过覆盖塑料薄膜增温的方式对试验系统进行增温处置。整个小麦生长期内，增温区内土壤增加温度在0.5～1.5 ℃之间，整个生育期平均温度较对照区增加约1.1 ℃。

1.3    测定指标与方法

1.3.1    植物生物量的测定。待小麦乳熟期，分别取不同铜浓度处理的小麦整株幼苗，用直尺和根系扫描仪测量小麦幼苗植株的高度和根的长度;然后在试验温度为105 ℃的条件下杀青30 min，在试验温度为55 ℃条件下烘干至恒重。将烘干的植株分为根、茎、叶、穗和籽粒，分别称取其干重。

1.3.2    抗氧化酶活性的测定。取新鲜小麦的叶片和根，测定其丙二醛含量和抗氧化酶活性。脂质过氧化水平测定采用硫巴比妥酸（TBA）法，超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用光化学氮蓝四唑（NBT）法，过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法。

1.4    数据处理

通过单因素分析法对不同温度与Cu污染因素的效应进行方差统计分析，处理之间差异的显著性在P<0.05概率水平以最小显著性差异（LSD）进行判定;数据经由SPSS软件（version13.0;SPSS Institute Chicago，IL，USA）进行统计。

2    结果与分析

2.1    铜处理对小麦生长的影响

小麦的生物量随着铜浓度的升高出现了先增加后降低的趋势（图1）。在高浓度铜处理（400、800 mg/kg）时，增温处理的小麦根生物量显著高于不增温处理（P<0.05）。小麦叶片和地上生物量在各个处理中无显著性差异。以不添加Cu（CK1）和不增温（CK2）处理的植物性状值为100%，小麦不同部位对金属铜和增温处理的响应存在差异（表1）。在高浓度铜胁迫下，小麥的地上生物量、根生物量、株高和根长均低于100%，但增温处理显著增加了小麦生物量。低浓度铜对小麦生长具有促进效应，高浓度铜显著抑制了小麦生长。

2.2    增温和铜处理对小麦抗性的影响

SOD酶活性随着铜处理浓度的增加呈现先增加后降低的趋势（图2）。在无Cu添加（CK1）处理时，增温显著降低了超氧化物歧化酶（SOD）活性（P<0.05）。SOD酶活性在其他处理之间无显著差异（P>0.05）。SOD酶活性在铜浓度100 mg/kg处理时达到最大。由表2可知，以不增温（CK2）和无Cu添加（CK1）处理中的小麦性状值为100%，增温和Cu处理降低了丙二醛（MDA）的含量，都低于100%;在无Cu添加（CK1）处理中，增温降低了SOD酶活性，生物响应系数减少了23.02个百分点;增温条件下，过氧化物酶（POD）活性在铜浓度0～400 mg/kg时低于100%，在铜浓度800 mg/kg时高于100%。

3    结论与讨论

夜间增温系统主要是通过截留地面夜晚长波辐射达到对土壤-植物系统温度增加的目的。张明乾等[15]也观测到夜间增温能增加土壤温度。在本研究中，增温减轻了重金属对小麦的毒性效应，增加了小麦的生物量。生物量对评价生态系统有着至关重要的作用，植物生物量是评价植物在逆境中受到的胁迫程度和植物抗逆能力的重要指标[16]。有研究表明，气温升高会使植物的生长速率加快，增强植物的光合作用和水分利用率等，有利于干物质的积累，土壤温度升高会促进微生物的分解进程从而使植物对营养物质的吸收增强，导致生物量增加[17-18]。黄锦文等[19]研究表明，温度的升高还增进了植物体的新陈代谢和植物体内蛋白质的合成。温度是影响小麦籽粒灌浆的主要因素之一，温度不仅影响其灌浆强度，而且还影响其灌浆时间。有研究认为，小麦籽粒灌浆期的长短主要决定于温度，温度升高可以加快灌浆进程，缩短灌浆时间，并产生一系列负面影响，如造成粒重下降[20]。

由于植物在苗期对周围的生态环境非常敏感，植物幼苗生长状况可以反映植物对核素的耐受性[21]。当铜处理浓度 <400 mg/kg时，小麦各部分性状未出现生长抑制的症状，而在400 mg/kg时出现茎叶失绿等现象，且小麦的生物量在800 mg/kg时显著下降。在铜浓度低于400 mg/kg时，增温对小麦的生长无影响;在400、800 mg/kg时，与不增温处理相比，显著增加了小麦根的生物量，说明增温在高浓度铜处理下促进了小麦根的生长。植物根部是吸收矿质离子（包括重金属离子）和营养元素的主要器官，植物根部生物量的增加会增强植物吸收和转移重金属至地上部分的可能性。

小麦地上部、茎、叶中Cu含量在增温与常温环境中均随着Cu污染加重而加增加。高浓度的铜导致活性氧在植物细胞内累积，造成氧化损伤，加剧脂质过氧化程度。植物叶片组织中的MDA含量用来衡量脂质过氧化水平，脂质过氧化会产生超氧负离子，破坏细胞膜结构。本研究中，MDA含量随着Cu浓度的增加出现了下降趋势。“低促高抑”的现象在金属离子致毒机制中普遍存在，研究表明，铜浓度越大，中毒症状越明显，产量越低[22]。黄五星等[23]用铜胁迫植物商陆，研究其生理响应与金属积累特性，相关试验中结果与此试验相同。本研究中，小麦的地上部分和根部对金属铜的响应一致。当铜处理浓度低于400 mg/kg时，对小麦的生长起促进作用，且在100 mg/kg时小麦的生物量最高。在高浓度铜处理（800 mg/kg）时，铜离子促进生长的作用减弱，且显著低于对照，表明高浓度的铜对小麦生长产生抑制作用。

植物体内的抗氧化体系在保护机体免受自由基损害的过程当中起到重要作用。当遭受重金属伤害时，小麦启动体内抗氧化系统超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）来抵御重金属伤害[24]。在本研究中，在铜处理情况下，增温对SOD活性无明显影响;而在无铜添加处理中，增温显著降低了SOD酶活性，说明增温减弱了小麦的抗逆能力。

综上所述，夜间增温在高浓度Cu处理（400、800 mg/kg）显著增加了小麦根生物量，抑制了小麦叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性。夜间增温有可能增加小麦根部对Cu的吸收以及Cu由根部向地上部分转移的能力，减弱小麦叶片对Cu的耐受能力。

4    参考文献

[1] 李秀存.温室效应与农业生产的相互影响及其对策的探讨[J].广西农学报，1997（4）：33-36.

[2] 金鑒明.全球变暖对农业生态的影响[J].环境保护，1990（2）：8-9.

[3] 崔德杰，张玉龙.土壤重金属污染现状与修复技术研究进展[J].土壤通报，2004，35（3）：366-370.

[4] 顾继光，周启星，王新.土壤重金属污染的治理途径及其研究进展[J].应用基础与工程科学学报，2003，11（2）：143-151.

[5] 王狄，李锋民.铜的植物毒性与植物蓄积的关系[J].生态环境学报，2000，9（2）：146-148.

[6] 公勤，康群，王玲，等.重金属铜对植物毒害机理的研究现状及展望[J].南方农业学报，2018，49（3）：469-475.

[7] DRAZKIEWICZ M，SK？魷RZYNSKA-POLIT E，KRUPA Z.Copper-indu-ced oxidative stress and antioxidant defence in Arabidopsis thaliana[J].Biometals，2004，17（4）：379-387.

[8] 张艳英，刘鹏，徐根娣，等.铜胁迫对烟草幼苗生长和生理特征的影响[J].贵州农业科学，2009，37（3）：32-35.

[9] 田晔.里氏木霉FS10-C强化修复铜污染土壤的研究[D].合肥：安徽理工大学，2012.

[10] 张双，杨政连，白兴雷，等.重金属铜在小麦中的富集特征[J].环境科技，2008，21（1）：1-3.

[11] 王伟，徐跃进，万正杰.黄瓜衰老过程中叶绿素降解相关酶基因cDNA片段的克隆与表达初步研究[D].武汉：华中农业大学，2011.

[12] 王美娥，周启星.重金属Cd，Cu对小麦（Triticum aestivum）幼苗生理生化过程的影响及其毒性机理研究[J].环境科学学报，2006，26（12）：2033-2038.

[13] 寇太记，侯宇朋，王俪睿，等.夜间增温对小麦吸持铅素的影响[J].土壤学报，2018（1）：139-147.

[14] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.

[15] 张明乾，陈金，郭嘉.夜间增温对冬小麦根系生长和土壤养分有效性的影响[J].应用生态学报，2013，24（2）：445-450.

[16] 李玲.球毛壳菌ND35菌株对作物抗逆性影响[D].泰安：山东农业大学，2016.

[17] 吴杨周，陈健，胡正华，等.水分减少与增温处理对冬小麦生物量和土壤呼吸的影响[J].环境科学，2016，37（1）：280-287.

[18] 赵鸿，王润元，王鹤龄，等.半干旱雨养区苗期土壤温湿度增加对马铃薯生物量积累的影响[J].干旱气象，2013（2）：290-297.

[19] 黄锦文，林争春，陈冬梅，等.间增温对冬小麦根系生长和土壤养分有效性的影响[J].应用生态学报，2013，24（2）：445-450.

[20] 李世清，邵明安，李紫燕，等.小麦籽粒灌浆特征及影响因素的研究进展[J].西北植物学报，2003，23（11）：2031-2039.

[21] 何磊.土壤酸胁迫下幼苗对邻体植物的响应[D].杭州：浙江大学，2015.

[22] 杨清.不同施铜水平对小麦生长的影响[J].中国土壤与肥料，1993（6）：25-27.

[23] 黄五星，高境清，黄宇，等.商陆对镉锌铜胁迫的生理响应与金属积累特性[J].环境科学与技术，2010，33（1）：77-79.

[24] 张志雯，秦素平，陈于.硅对铬、铜胁迫下小麦幼苗生理生化指标的影响[J].华北农学报，2014，29（增刊1）：229-233.