铜胁迫对小麦幼苗的毒性效应

第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集2 0 0 7 年7 月 铜胁迫对小麦幼苗的毒性效应 肖昕1 冯启言1季丽英1 2孟庆俊1薛建斌 ( 1 中同矿业大学，江苏徐州2 2 1 0 0 8 12 上海工会管理职业学院) 摘要：本文用水培实验研究了不同浓度c u 2 + 对小麦幼苗的毒性效应及其在植株中的分布结果表明：铜对小麦种 子出芽厦幼苗生长和幼苗植株中c u “的含量均显著性相关( P 叶绿素a 叶绿素a b 总 叶绿素 株高) 发芽率 鲜重 根伸长 叶绿素b 干重；植株中C u l + 的含量对培养基质中c u 的敏感性最高。 关键词：小麦幼苗；C u ；生态毒性；敏感性 T o P o i t yo fC o p p e rS t r e s st ot h eW h e a tS e e dG e r m i n a t i o na n dS e e d l i n gG r o w t h X I A O X i n ，F E N G Q i y a n l ，J I l l - y i n g “2 ，M E N G Q i n g - j u n l ，X U EJ i a n b i n g ( 1 C h i n a U n i v e r s i t yo f M i n i n ga n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 0 0 8 C h i n a ；2 S h a n g h a iT r a d e U n i o nP o l y t e c h n i c ) A b s t r a c t ：T o x i c i t yo ft h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fC u “t ot h ew h e a ts f = e d i n ga n di t sd i s t r i b u t i o ni nt h ep l a n tw e r es t u d i e db y s o l u t i o ne u h u r e 。r h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：T h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n t e n to fC ri nm e d i u ma n dt h eg e r m i n a t i o na n dt h e g r o w t ho ft h es e e d l i n g si ss i g n i f i c a n tf R n 叭) T h ee f f e c to fC u “t ot h eg e r m i n a t i o n ，p l a n th e i g h t ，f r e s hw e t g h t ，d r i e dw e i g h ta n d t h ec h l o r o p h y l la m o u n to ft h ew h e a ts e e d l i n g ”s t i m u l a t i o nu n d e rl o w e rc o n c e n t r a t i o no fC n “m i di n h i b i t i o nu n d e rh i g l l e r c o n c e n t r a t i o n T h eg e r m i n a t i o na n dg r o w t ho ft h ew h e a ts e e d l i n g sw a 8p r o m o t e du n d e rf i r ec o n d i t i o no fl o w e rc o n c e n t r a t i o na f C u 2 + W i t ht h ei n c r e a s eo f t h eC u 2 + c o n c e n t r a t i o ni nt h ec u l t u r e - s o l u t i o n , t h eg e r m i n a t i o na n d 铲o w t ho f t h es e e d l i n g sw i n h i b i t e d T h ep e r f e c tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb o _ w e e nt h eC u “c o n t e n ti nt h ep l a n ta n di nt h ec u l t u r es o l u t i o nw a sn m e d M o s to fC u “W a S C O n c e n t r a t e di nt h er o o t a n do n l yas m a l la m o u n tw 8 8m i F a t e dt ot h ea b o v e - g r o u n dp a r to ft h ew h e a ls e e d l i n g T h ea m o u n to f C u “i nt h eu n d e r g r o u n dp a r tw a s1 2t o2 4t i m e sh i g h e rt h a t i nt h ea b e v e g s o u n dp a r t T h es e n s i t i v i t y0 fe a c hi n d e xt ot h ec o p p e r w a sr a n k e da sf o l l o w s ：t h eC I 产c o n t e n ti nt h ep l a n t c l d o m p h y l l - a t h er a t i oo fe h l o r o p h y l l - at o c h l o r o p h y l l _ b t o t a l c h 】0 f o p h y l l p l a n th e i g h t g e r m i n a t i o n s hw e t g h t r o o te l o n g a t i o n c h l o r o p h y l l b d r i e Aw e i g I l LT h eC u “c o n t e n ti nt h e w h e a tp l m RW a gt h em o s ts e n s i t i v ei n d e xt ot h e C u 2 + c o n c e n t r a t i o ni nt h ee u h u n es o l u t i o n K e y w o r d s ：w h e ms e e d l i n g ；c o p p e r ；, t o x i c i t y ；s e n s i t i v i t y 在土壤一植物系统中，重金属污染具有多源性、 隐蔽性、一定程度上的长距离传输性，重金属不仅会 对植物的生长及生理生化过程产生影响，还是影响 我国持续农业和生态环境质量的重要因素。因此，对 污染土壤进行毒理诊断和生态风险评价已成为环境 科学工作者研究的焦点之一。 作者简介：自昕E - m a i l ：p a s s e r , x 唧a h o o e o mq f f l 铜是植物生长所必需的微量元素，参与光合作 用和呼吸作用中的电子传递，是多种调节蛋白和氧 化还原酶的组成成分“，但过量的铜却有很高的植物 毒性。V i n i t - D u n a n dF 等发现过量c u 能显著提高过氧 化氢酶和愈创木酚过氧化物酶活性，促进含氧自由基 的产生，同时还能降低谷胱甘肽S 一转移酶、谷胱甘肽 还原酶、抗坏血酸过氧化物酶等抗性酶的活性，使叶 绿体膜脂过氧化，叶绿体内膜结构遭破坏，叶绿素的 2 0 0 7 年7 月第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集 2 7 氧化分解加快。S f i v a m a v aPC 等发现铜还能引起植 物根系细胞质膜损伤，膜脂过氧化作用增强，透性增大， 钾离子的渗出明显增加，还能抑制氨基酸的合成。 本文以小麦为受试材料，研究不同浓度c u “溶液 处理下小麦种子萌发用幼苗生长过程中一些生理指 标的变化及植株中c u 的分布情况，以期为探讨铜对高 等植物的毒性机制提供一定的科学参考，也为监测环 境中锕污染预警与评价提供理论指导。 1 材料与方法 1 1 实验材料 选择徐州地区广泛种植的小麦品种“烟农1 9 ”进 行实验，供试种子购于徐州市种子公司； 1 2 实验方法 1 2 1 材料培养 依照种子发芽试验标准( G B 5 5 2 0 8 5 ) ，挑选大 小比较均匀，颗糙饱满的种子经表面消毒后用去离 子水冲洗多次，先将种子用清水浸泡1 2h ，然后将 滤纸铺于直径12 0 0m m 的玻璃培养皿中，并分别用 1 0 m L 去离子水，5 、1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 m g L 1 的C u S 0 4 溶液浸泡，每个培养1 3 0 粒麦种，每个处 理重复3 次。将小麦种子胚朝上，均匀放于滤纸上， 置于光照培养箱，控制培养条件为光照1 2h ，光照 强度为3 6 t o o l m s ，白天温度2 0 ，晚上温 度为1 5 ，每天加水保湿，并记录种子发芽数， 小麦出芽7d 后，逐一测定小麦幼苗生长状况和部分 生理指标，并分析幼苗植株中重金属含量。 1 2 2 分析方法 根长与株高的测定逐一用直尺测量每个处 理中各植株的根长和株高，统计培养皿中3 0 个数据 的集中趋势最大似然比的估计值，然后计算3 次重 复的平均值； 生物量的测定：分别测定植物幼苗的鲜重和干 重作为生物量的值； 叶绿素含量的测定：采用丙酮和乙醇混合液 法”； 植株中重金属的测定：采用原子吸收分光光度 法，仪器型号为T A S 一9 8 6 1 2 3 统计方法 用s p s s 统计软件进行方差分析和回归分析。抑 制率( ) = ( 1 一瑚1 0 0 ，其中，为对照组的测定值，z 为处理组的测定值。 2 结果与分析 2 1 C u 对小麦种子发芽和幼苗株高、根长的毒性效 应 铜对小麦种子出芽和幼苗的株高及根伸长的抑 制率均有显著性相关( P O 0 1 ) 。少量的铜对小麦的 出芽和植株的生长有一定的促进作用，2 0m g L - 1 和5 m g L - 1 的c u “处理下小麦种子出芽率和株高较对照 样有不同程度的提高，而随着培养液中c u 2 + 浓度的升 高，会抑制种子内酶的活性，降低贮存物质的分解速 度，从而抑制了小麦种子的出工和幼苗的生长。2 0 m g L - 1 以上c u “对小麦种子发芽反应出持续的抑制 作用，并在2 0 0m g L - 1 时达到1 0 0 的抑制率；c u 2 + 对根伸长的抑制作用最强，即使是5m g L - l 的C u “胁 迫小麦幼苗的根伸长的抑制率也有2 6 6 ，根端形态 发生变化，扭曲变形，随着处理浓度的增大，根系生 长受阻甚至于5 0m g L - 1 根系停止生长；而1 0m g L - 1 以上的C u 2 + 处理下都显示出抑制作用( 抑制率为 1 8 7 ) 。这说明c u 2 + 对植物幼苗的根系生长有显著 的抑制作用，重金属首先作用于植物的根系，使根系 扭曲变形，只有当植物根系受到严重的损伤时，地上 部分才受到损伤，这与齐雪梅等的研究结果相一致。 c u “对小麦幼苗发芽，株高和根长的抑制率与c u “浓 度之间的回归方程如下： 脚= - - 0 1 2 6 + 0 0 0 7 x - 9 6 2 1 0 1 y ( F = 0 9 6 4 ，P O 0 1 ) 豫 1 4 9 + 0 0 0 6 x - 9 4 8 l 矿f ( 厅= O 8 5 5 ，P O 0 1 ) m * * - - - 0 4 7 4 + 0 0 0 5 x - 7 1 9 1 0 ( 仔= 0 5 1 0 ，t 5 9 0 0 5 ) 式中曲各因素的抑制率，妫c u 2 + 的浓度。可见 小麦幼苗的根伸长抑制率对培养基质中c u 2 + 浓度最 敏感，其次为株高抑制率，而小麦出芽抑制率对浓度 最不敏感。 * 0 5 磊 熏 0 - 4 ) 5 功 I _ r 。：。 一出芽 卜根长 一叶长 浓度m g L _ l 图1铜对小麦种子发芽及幼苗株高、根长的影响 F i g u r e1 E f f e c to f d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f C uo n g e r m i n a t i o nr a t i o p l a n th e i g h ta n dl O O te l o n g a t i o no fw h e a ts e e d l i n g 2 8 第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集 2 0 0 7 年7 月 2 。2C u 对小麦幼苗生物量的毒性效应 较低浓度c u “处理下小麦幼苗的鲜重和干重都出 现一定程度的增加1 0m g L - I c l I 处理下，小麦幼苗 的鲜重和干重都达到最大值分别为2 5 5 6g 和0 7 5 8g ， 各为对照样的1 1 7 倍和1 8 7 倍。随着培养液中c u 浓度 的增加，小麦幼苗的生物量有较大幅度的下降，到2 0 0 m g L - 1 时，小麦幼苗的鲜重和干重分别为0 0 8 9g 和 0 0 4 3g 。C u 对小麦鲜重与干重的影响具有非常显著性 意义( P 0 0 5 ) 。其回 归曲线有： 砰t = 2 5 8 9 0 0 3 0 x + 8 2 1x1 0 。1 f ( 厅= 0 9 7 0 ，P 0 0 1 ) 赡t = 0 7 0 1 e 9 ( F = 0 7 1 8 ，B O 0 5 ) 表1C u 对小麦幼苗生物量的毒性 T a b l e lC ut o x i c i t yt ob i o m a s so f w h e a ts e e d l i n g 2 3C u 对小麦幼苗叶绿素含量的影响 铜可以参与植物的光合作用等许多过程，在植 物的正常生长发育过程中起着重要的作用，低于2 0 m g L - 1 的三个生E 理浓度胁迫下小麦叶片中叶绿素n 的含量分别为0 2 4 7 、0 2 8 4 m g g - 1 和0 2 4 5 m g g - 1 ， 均高于对照样0 2 0 6m g g - 1 ；低浓度的c u 对小麦幼 苗中叶绿素b 也有一定的促进作用，低于1 0 0m g L - 1 的铜胁迫下小麦幼苗中叶绿素b 的含量均高于对照 样，且其含量在1 0 m g 屯1 处出现最高值0 1 1 6m gl g - 1 ， 是对照样的2 3 倍( 图2 ) 。过量的c u 能够降低植物叶 片中叶绿素含量，破坏类囊体上的色素蛋白复合体 的结构，影响植物的原初光化学反应和P s 的光合电 子传输r8 - l o ) ，当c u “胁迫浓度高于1 0m g U 1 时，随 着铜离子浓度的升高，小麦幼苗中叶绿素a 和b 值均 出现下降趋势，且叶绿素a 下降更快。 铜的加入能显著降低小麦幼苗中叶绿素a b 值 ( D o 0 5 ) 且随着c u 的处理浓度的增加。两种叶绿 素的比值出现下降趋势。总叶绿素含量的变化趋势与 叶绿索a 相似。一些研究者在水稻和小麦上的测定表 明，叶绿素( a + b ) 含量和叶绿素a ，b 比值与净光合速率 之间分别呈显著的正相关和负相关“，由此可以推 断，低浓度的铜会促进小麦幼苗的生长，而过量的铜 会影, f l d , 麦的生长发育。 0 5 - 10 4 逞o3 旬02 嘏 骤0 1 古 0 05 1 02 05 01 0 0 浓度雌L _ l 圈2C u 对小麦幼苗叶绿素含量的毒性 F i g u r e2 C ut o x i c i t yt oc h l o r o p h y l lc o n t e n to f w h e a ts e e d l i n g 2 4C u 在小麦幼苗中的富集 与其他指标相比，小麦幼苗植株中c u “的含对 培养基质中铜的敏感性最大( = 3 6 5 0 9 7 ，P 0 叭) 。 随着处理的c u 浓度的增加，小麦幼苗植株中c u 的含量显著上升( 图3 ) ，在1 0 0 m g L - 1 处理的小 麦幼苗富集量达到了3 0 6 9 9m g k g ，为最大可富 集量的7 6 ，是对照样的8 8 6 倍。小麦植株中铜 的含量与培养基质中C u 2 + 的含量之间呈现出完全 正相关关系，其相关方程为：y = - 6 0 1 6 + 2 7 8 0 x ( 席= 0 9 9 7 。P 0 0 5 ) 。 ( 3 ) 低浓度的c u 2 + 对小麦幼苗中叶绿素a 和b 有一定的促进作用，过量的c u 2 + 能够降低植物叶片中 叶绿素含量，铜的加入能显著降低小麦幼苗中叶绿 素a b 值( 舢0 5 ) ，且随着C u 2 + 的处理浓度的增加 两种叶绿素的比值出现下降趋势。总叶绿素含量的变 化趋势与叶绿素a 相似。 ( 4 ) 随着处理的C u 浓度的增加，小麦幼苗植 株中C u 的含量显著上升，在1 0 0m g L 。1 处理的小 麦幼苗富集量达到了3 0 6 9 9m g tk g - 1 。小麦植株中 铜的含量与培养基质中C u “的含量之间呈现出完 全正相关，大部分铜富集在小麦幼苗的根系，只有 少量铜迁移到小麦地上部分。 参考文献 川齐雪梅，李培军，等c t 尉大麦和玉米的毒性效应 J 琅业环境科学学 报2 0 0 6 2 5 ( 2 ) ：2 8 6 2 9 0 【2 J 胡筑兵陈亚华，等铜胁迫对玉米幼苗生长、叶绿柰荧光毒数和抗氧 化酶活性的影响 J 植物学通报2 0 0 6 ，2 3 ( 2 ) ；1 2 9 1 3 7 【3 V h l i t - D u n a n dF E P m nD ，A l a o n iS e s s eB ，B a d a tP ME f e e t so fe ”p p e rO l l g r o w t ha n do i lp h o t 懈y n t h e s i so fm a m r ea n de x p a n d i n gl e a v 嗍i nc u c u m b e r p l a n t s I J 科I s ，i 慨2 吼1 6 3 ：5 3 - 5 8 H 】s 丘v 捆t g v 丑P G a p t aUcT r a c ee t e m e m si ne t o pp r o d u c t i o n 踟L e b a n o n ： S c i e n c e P o b l i s l l e m ，邶U S A 2 0 0 0 【5 B a r y l a ，L a b e r d ec M o n t i l l e tJ k H a lE v M u a f i o no f l i p i dp e m x i d a t i m f i ta t o x i c 时b i e a s s a yf o rp l a n t se l p 岫e dt oc o p p e r J E n v i n t a lP o E u O h n ， 2 0 0 0 ，1 0 9 ：1 3 1 1 3 5 1 6 W e b b e r M B 。S e h a t H T e n B 忡k a m V a n D e r M a a r e l W MT h e o f e c to f e o p l m r I o x i e i t y 叨t h e 曲n t e n t so fn i h 。g e nc o m p o u n d si nS i U e n