6+污染对小麦种子萌发和幼苗生理生化特性的影响'> 土壤Cr6+污染对小麦种子萌发和幼苗生理生化特性的影响

摘要：通过土培试验，研究Cr6+对小麦种子萌发和幼苗生理生化特性的影响。结果表明，低浓度Cr6+对小麦种子萌发和幼苗的生长有促进作用，叶绿素含量、过氧化物酶（POD）活性、细胞膜透性呈现上升趋势；高浓度Cr6+处理则抑制小麦种子萌发和幼芽的生长，叶绿素含量、POD活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性都下降，相反，细胞膜透性则明显增加。

关键词：Cr6+污染；小麦；种子萌发；生理生化特性

中图分类号：S512.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）23-5328-04

Effect of Cr6+ Pollution in Soil on Seed Germination and Seedling Physiological and Biochemical Characteristics of Wheat

LI Wei，MA Ke-jing

（College of Resources and Environment， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）

Abstract： Soil culture experiment was conducted to study the effect of Cr6+ on seed germination and seeding physiological and biochemical characteristics of wheat. The results showed that the wheat seed germination and shoot growth was promoted by low concentration of Cr6+； the content of chlorophyll， POD activity of seedling also increased. However， the seed germination and shoot growth was restrained distinctly under high concentration of Cr6+ while the content of chlorophyll， POD activity， POD activity was decreased； meanwhile， the permeability of cell membrane was remarkably increased by high concentration of Cr6+.

Key words： Cr6+ pollution； wheat； seed germination； physiological and biochemical characteristies

随着工业的发展，“三废”的排放日益增加，环境污染问题越来越受到人们的重视。重金属污染已成为较为突出的环境问题之一，重金属对土壤的污染越来越严重。目前，中国受重金属污染的耕地面积近2 000万hm2，约占耕地总面积的1/5，每年经济损失至少200亿元[1，2]。虽然许多重金属是生物体必需的微量元素，但是重金属过量会对生物体产生毒害作用。铬是与汞、镉、铅、砷并列的五大污染重金属之一，其化合物在工业上的应用越来越广泛，如制革、印染、电镀、化工、冶炼等行业都会有含铬的废水废渣排出，致使土壤、水体和生物遭到不同程度的污染，而且这些铬还可以随生物链进入人体，对人体造成危害[3，4]。

铬的价态多变（-2到+6），不同价态的铬对动物、植物、土壤、人体的毒害差异很大，Cr6+的毒性最大。国内外学者对铬的环境行为以及毒性进行研究，获得了较为一致的结论，即Cr6+被土壤胶体吸附较弱、移动性较强、具有较高的生态毒性，毒性比Cr3+要强100～1 000倍[5]，已被确认为是一种致畸、致癌、致突变剂。现有的研究表明，农作物从被污染的水中吸取Cr6+，作物受Cr6+污染后会严重阻碍幼苗的发育，降低产量，严重时导致植株死亡[6]。但是在重金属污染土壤中吸取Cr6+对农作物影响的详细研究较少，因此本试验就以土壤中不同浓度的Cr6+对小麦种子萌发、幼苗生长及其生理生化特性的影响为例来探讨土壤Cr6+对小麦生长的毒害作用，揭示土壤Cr6+对农作物的毒害机理，从而实现对土壤Cr6+污染的预测、评价和防治，为早期预报土壤Cr6+污染的危害和环境监测提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试小麦品种为青春553小麦品种，由兰州大学草科院提供；试验用铬为重铬酸钾（K2Cr2O7）；取学校试验田土壤若干过筛消毒备用。

1.2 培养方法

1.2.1 培养皿种子发芽试验 配制浓度分别为0（对照）、5、10、20、40、60、80 mg/kg（以Cr6+计）混入了K2Cr2O7的培养土。挑选子粒饱满、大小均匀一致的小麦种子，用5%双氧水消毒5 min后，蒸馏水冲洗数次，然后将其腹沟向下，整齐地排列在铺有不同Cr6+浓度等量培养土（20 g）的培养皿中，每皿50粒，使每粒种子之间留有均匀的间距，保证与土壤的良好接触及足够的生长空间，以防止发霉种子的相互感染。然后在培养皿中倒入蒸馏水湿透土壤但不在培养皿中积水，每个处理均为3个重复。置室温自然光照下发芽。每天早中晚按时观测记载，定时补充水分。

1.2.2 培养钵幼苗生长试验 在不同试验钵中分别加入100 g浓度分别为0（对照）、5、10、20、40、60、80 mg/kg（以Cr6+计）混入K2Cr2O7的育苗土。然后向装有等量土壤的试验钵播种20粒小麦种子，浇灌蒸馏水直到每个处理钵内土壤湿透但不在培养钵内积水为止，每个处理设置3个重复。每天按时给每个试验钵补充蒸馏水若干使钵内保持原含水状态。至幼苗出土形成叶片后（约25 d），测定叶绿素﹑细胞膜透性、过氧化物酶（POD）及超氧化物歧化酶（SOD） 活性4项指标。

1.3 测定方法

1.3.1 发芽及生长测定 当小麦种子开始萌动后，每日观察发芽与出苗情况，并按下列公式计算发芽、出苗指标。在处理第三天测定发芽势，发芽势=（第三天正常发芽的种子数/供试种子数）×100%。当幼苗长到第七天测定发芽率，且测定芽长（以每皿随机挑选10株计算平均值），发芽率=（第七天正常发芽的种子数/供试种子数）×100%。

1.3.2 叶绿素含量测定 采用分光光度法，以80%丙酮研磨提取测定，用Arnon法计算叶绿素含量[7]。

1.3.3 细胞膜透性测定 采用电导法[7]，以电导率 （μS/cm）表示膜透性的大小。

1.3.4 SOD活性测定 按照参考文献[8]的方法，以每单位时间内抑制光化还原50%的氮蓝四唑（NBT）为一个酶活性单位。

1.3.5 POD活性测定 用愈创木酚氧化法[9]，以470 nm波长下每分钟每克材料的光密度变化表示酶活性大小。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Cr6+对小麦种子萌发和幼芽生长的影响

由表1可知，土壤中不同浓度的Cr6+对小麦种子发芽和幼芽生长的影响不同。低浓度Cr6+对小麦萌发、幼芽的生长有促进作用，当Cr6+浓度为10 mg/kg时芽长达到最大值，为对照的105.0%。而Cr6+浓度大于10 mg/kg时，则由促进作用逐渐转为抑制作用，且Cr6+浓度越高抑制作用越明显，浓度为40 mg/kg时芽长为对照的83.3%，80 mg/kg时为对照的45.0%，统计分析反映3种浓度的处理小麦种子与对照相比差异极为明显。试验结果说明低浓度的Cr6+可促进小麦发芽率、发芽势的提高，是因为Cr6+作为小麦的营养物质，能促进小麦的生长。但是随着Cr6+浓度的增加，对小麦生长的促进作用逐渐转为抑制作用。

高浓度Cr6+导致，细胞膜破坏， 高尔基体结构松散或消失，细胞核异固，线粒体嵴大量减少，功能下降，不能产生足够的能量，细胞合成作用受到严重的抑制[10]。最终影响细胞分裂和生长，干扰营养物质的吸收和分配，从而抑制小麦的生长。

2.2 不同浓度Cr6+对小麦叶片叶绿素含量的影响

由表2可知，土壤中不同浓度Cr6+对叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b及叶绿素a/b有不同的影响。当土壤中Cr6+浓度低于10 mg/kg，与对照组相比，叶绿素含量呈现增加趋势，这表示低浓度的重金属有促进叶绿素合成的作用。但如果处理浓度很高时（大于10 mg/kg），重金属的毒害作用就会显现出来，叶绿素含量下降，这种下降趋势与重金属Cr6+的浓度成明显的负相关关系，并且叶绿素a的含量下降比叶绿素b要快，表现在叶绿素a/b比值下降。叶绿素a/b的值是衡量植物光合作用的一个指标。Cr6+对叶绿素a/b值的影响表现为低浓度时上升，高浓度时下降。也就是说叶绿素a的含量变化比叶绿素b的含量变化快，即叶绿素a对外界环境反应较叶绿素b敏感。这是因为叶绿素a与叶绿素b相比，它既是光反应的中心色素（具有将光能转化成电能的作用），又是天线色素（吸收光能和传递光能的作用），因而它对光合作用更为重要。

鲁先文等[6]研究认为叶绿素含量降低的原因为：一是重金属抑制原叶绿素酸酯还原酶；二是影响了氨基-γ-酮戊酸的合成。而这两种物质又是叶片合成叶绿素所必需的酶和原料，从而使叶绿素含量下降，所以叶片的直观表现为叶片退绿。从表2可以看出，低浓度的Cr6+作为小麦的营养物质，能够促进小麦叶片叶绿素的合成，特别是在10 mg/kg的浓度下尤为显著。但随着其浓度的升高，Cr6+对小麦的危害逐渐加重，抑制了合成叶绿素所必需的酶和原料从而使小麦叶片叶绿素的含量及组成降低。

2.3 不同浓度Cr6+对小麦幼苗细胞膜透性的影响

细胞膜是一种选择性透过膜，它能控制和调节细胞内外物质的运输和交换，其透性是评定植物对污染物反应的生理指标之一。由图1可知，小麦幼苗经不同浓度Cr6+处理后对细胞膜透性影响不同。低浓度Cr6+对植物细胞膜透性影响不大，随Cr6+浓度的增加，细胞膜透性呈现增加趋势，说明Cr6+污染促进了小麦幼苗叶片物质的外渗，增加了细胞膜的透性。当Cr6+浓度为10 mg/kg时，膜透性上升至134 μS/cm；当Cr6+浓度为80 mg/kg时，膜透性上升至424 μS/cm，说明Cr6+处理超过一定浓度后，细胞膜迅速受到破坏，导致膜透性变大。

2.4 不同浓度的Cr6+对小麦幼苗SOD和POD活性的影响

由图2可知，低浓度Cr6+对小麦幼苗SOD活性的促进作用不是很明显，高浓度Cr6+表现为抑制作用。当Cr6+浓度低于10 mg/kg时，SOD 活性差异不明显。随着Cr6+处理浓度的增加，SOD 活性明显下降；当Cr6+浓度为80 mg/kg 时，SOD活性仅为对照的70.49%。但是小麦幼苗经过不同浓度Cr6+处理后，POD 活性则是随着Cr6+浓度的升高，表现为先升后降的趋势。当低浓度Cr6+胁迫下，POD活性呈现出明显的增幅，当Cr6+浓度为40 mg/kg时，POD活性明显下降，但仍略高于对照；当Cr6+浓度为80 mg/kg时，POD活性明显低于对照，为对照的74.60%。

SOD是重要的活性氧清除酶，当外来胁迫导致大量超氧自由基产生时，它能及时有效地清除自由基，保护细胞免受活性氧胁迫的伤害；而POD是植物体内重要的抗氧化剂，能有效地清除H2O2[11]。植物在逆境胁迫下，植物体内会直接或间接地形成过量的超氧自由基，而超氧自由基对细胞膜系统、脂类、蛋白质和核酸等大分子具有强烈破坏作用[12]。相应地，植物体内也有一套复杂的活性氧清除系统，其中SOD、POD是植物体内酶促防御系统的两个重要保护酶，它们协同起来可以保护植物细胞免受超氧自由基的损伤。试验Cr6+浓度低时（≤10 mg/kg），对SOD活性无明显差异，说明低浓度Cr6+溶液对SOD活性影响不明显。Cr6+浓度逐渐升高，SOD活性逐渐降低，而且降低的幅度逐渐增大。说明小麦幼苗细胞对Cr6+污染具有一定的抵抗作用，但这种抵抗作用随着Cr6+浓度的升高而逐渐消失。随着处理浓度的增加，体内SOD活性下降，POD活性呈现先升后降的趋势。说明POD对Cr6+胁迫的适应性比较强。

3 小结与讨论

1）土壤中不同浓度Cr6+污染对小麦种子的萌发和芽长均有明显的影响，总的来说，Cr6+污染对小麦种子的萌发具有明显的抑制作用，虽然低浓度时的发芽率有一定的提高，但是从整体的发芽结果来看，随着Cr6+浓度的增大，Cr6+污染的毒害作用越来越明显，对小麦种子的萌发和芽长的抑制作用越来越强。

2）土壤中低浓度Cr6+污染对小麦叶片叶绿素合成具有一定的促进作用。高浓度Cr6+污染使小麦叶片叶绿素含量明显降低，并影响其组成。Cr6+导致叶绿素含量下降，可能是由于Cr6+与相关酶作用，抑制叶绿素前体的合成，促进叶绿素分解，或直接破坏叶绿体结构，从而降低叶绿素含量。关于重金属Cr6+污染对叶绿素组成的影响，试验结果表明叶绿素a/b值随着Cr6+处理浓度的升高而降低，有学者认为，叶绿素a/b值随着叶片衰老而下降，可以作为叶片衰老的指标。因此，Cr6+污染具有加速叶片衰老的作用。

3）正常情况下，植物细胞内外物质交换处于动态平衡状态，在逆境条件下，细胞膜内外物质交换会打破平衡，从而破坏膜结构。低浓度Cr6+污染对植物细胞膜透性影响不大，随着Cr6+污染浓度的增大，细胞膜透性增加。Cr6+污染超过一定浓度后，细胞膜迅速受到破坏，导致膜透性变大。

4）低浓度Cr6+污染时，Cr6+对小麦幼苗SOD活性无明显差异，Cr6+对小麦的生长无抑制作用。而POD活性则明显增加，说明小麦对Cr6+污染具有一定的耐性。随着Cr6+浓度的逐渐增加，SOD活性下降，而POD活性先升高而后降低。SOD活性下降可能与Cr6+胁迫下产生过量的超氧自由基对酶蛋白的破坏所致，而POD活性升高表明其对Cr6+胁迫的适应性比较强，暗示POD在抗Cr6+胁迫的过程中起关键性的作用。高浓度的Cr6+胁迫下保护酶系统对活性氧的清除能力大大削弱，已不能阻止自由基在细胞内的积累，使膜发生膜脂过氧化，导致膜功能受损，引起细胞的衰老和死亡，从而对小麦产生毒害作用。

参考文献：

[1] 肖鹏飞，李法云，付宝荣，等.土壤重金属污染及植物修复研究[J].辽宁大学学报，2004，31（3）：279-283.

[2] 刘春香，赵俊丽.铬对黄瓜幼苗的毒害研究[J].潍坊学院学报，2007，7（6）：66-69.

[3] 徐衍忠，秦绪娜，刘祥红，等.铬污染及其生态效应[J].环境科学与技术，2002，25（S1）：8-9.

[4] 郑爱珍.重金属Cr6+污染对辣椒幼苗生理生化特性的影响[J].农业环境科学学报，2007，26（4）：1343-1346.

[5] 蔡少华，和文祥，梁艳茹，等.六价铬污染土壤后形态变化及其对土壤脲酶活性的影响[J].农业环境科学学报，2009，28（2）：251-255.

[6] 鲁先文，余 林，宋小龙，等.重金属铬对小麦叶绿素合成的影响[J].安徽农学通报，2007，13（14）：101-102.

[7] 张志良.植物生理学实验指导[M].北京：高等教育出版社，2003. 67-70.

[8] 郝建军.植物生理学实验技术[M].北京：化学工业出版社，2007. 155-158.

[9] 李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2000.165-167.

[10] 杨顶田，施国新，尤文鹏，等.Cr6+污染对莼菜冬芽茎尖细胞超微结构的影响[J].南京师大学报（自然科学版），2000，23（3）：91-95.

[11] 王启明.重金属Cr6+胁迫对玉米幼苗生理生化特性的影响[J].河南农业科学，2006（8）：37-39.

[12] BECANA M. Reactive oxygen species and antioxidants in legume nodules[J]. Phsiol Plant，2000，109（4）：372-381.