高宝云，郭玉敏，吴秀宁，王凤娟，王新军
(商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西 商洛 726000)
【研究意义】近年来，土壤重金属污染是世界范围内污染面积最大、危害最严重的环境问题之一[1]。汞(Hg)在自然界中分布广，含量较低。土壤中的Hg大多来自生活垃圾、工业生产中的废料排放、大气沉降、含Hg化肥和农药的应用等[2]。土壤Hg含量过高会影响植物的生长发育，并对植物产生毒害作用[3]。小麦是世界上第一大粮食作物，近40%的人口以小麦为主要粮食[4]。随着近年商洛地区工业的快速发展，土壤存在重金属污染的风险，探究汞胁迫对小麦生产的影响，具有重要的现实意义。【前人研究进展】不同基因型小麦对重金属逆境的响应存在差异。目前，关于汞胁迫对小麦生长发育的影响已有较多研究报道。高大翔等[5]研究表明，汞胁迫影响小麦种子的萌发，并抑制芽和根的生长。尚宏芹等[6]用50 mg/L Hg溶液胁迫小麦幼苗后，其株高和干重呈显著下降趋势，叶片MDA和H2O2含量呈上升趋势。许跃奇[7]研究了重金属Hg在烟草中的吸收积累规律及生物炭消减效应。【研究切入点】不同地区的自然生态条件及土壤受重金属污染的风险程度存在差异，鲜见陕南地区小麦品种耐汞性的研究报道。【拟解决的关键问题】以商麦5226等3种不同基因型小麦为材料，采用水培试验方法，研究汞胁迫后小麦萌发特性和幼苗生长的变化特征，以期为环境汞污染评价及小麦生产提供科学依据。
1.1 材料
1.1.1 品种(系) 商麦5226、商麦1619和3-3。其中，商麦5226和商麦1619，为陕南麦区生产种植面积较大的小麦新品种；
3-3，为商洛学院选育的小麦新品系。
1.1.2 试剂 HgCl2，由国药集团化学试剂有限公司生产。
1.2 方法
1.2.1 种子预处理 分别选取3个品种(系)大小均匀、健康无损的小麦种子，用0.5%次氯酸钠表面消毒15 min，蒸馏水冲洗3次，去离子水浸泡24 h。将浸泡后的种子用镊子整齐摆放于铺有双层滤纸的培养皿中(小麦种子腹沟统一朝下)，每皿30粒，共计54个培养皿。一部分培养皿用于萌发期试验，另一部分用于苗期试验。
1.2.2 萌发期试验 共设3个处理，以不加入Hg溶液为对照(CK)；
处理1，Hg浓度为50 mg/L；
处理2，Hg浓度为100 mg/L。每处理3次重复。在培养皿中分别加入Hg浓度为0 mg/L(CK)、50 mg/L和100 mg/L的溶液，以没过小麦种子1/2为宜。每3天更换1次处理液，培养7 d。
以胚芽长度长至种子长度的1/2为发芽标准，用直尺测量芽长和根长，并称量地上部分和根的鲜重，于第3天计算发芽势，第7天统计发芽率。
发芽势=(第3天发芽种子总数/供试种子总数)×100%
发芽率=(第7天发芽种子总数/供试种子总数)×100%
1.2.3 苗期试验 以Hoagland营养液培养种子，至2叶1心时换成Hoagland营养液配制的Hg溶液进行胁迫处理。设3个处理，以不加入Hg溶液为对照(CK)；
处理1，Hg浓度为50 mg/L；
处理2，Hg浓度为100 mg/L。每处理3次重复。在培养皿中分别加入Hg浓度为0 mg/L(CK)、50 mg/L和100 mg/L的溶液，2～3 d更换1次处理液，培养至3叶1心时测定生理生化指标。首先，测量幼苗株高和地上部鲜重；
其次，取第1片完全展开叶，参照文献[8]的方法，采用分光光度法测定总叶绿素含量、MDA含量、POD活性和可溶性糖含量。
1.3 数据处理与分析
采用Excel 2010和SPSS 18.0对数据进行处理与分析。
2.1 汞胁迫小麦的萌发特性
2.1.1 发芽势与发芽率 从图1看出，随Hg浓度的增大，商麦5226、商麦1619和3-3的发芽势和发芽率均呈显著下降趋势。发芽势：商麦5226、商麦1619和3-3各处理均以CK最高，分别为56.67%、85.56%和85.55%；
处理2最低，分别为37.18%、37.83%和40.36%。其中，商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别降低23.86%、29.39%和37.91%；
处理2较CK分别降低34.39%、55.79%和52.83%。发芽率：商麦5226、商麦1619和3-3各处理均以CK最高，分别为94.36%、96.13%和95.14%；
处理2最低，分别为57.84%、57.83%和60.36%。其中，商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别降低22.50%、19.47%和23.14%；
处理2较CK分别降低38.71%、39.84%和36.56%。
注：不同小写字母表示同一品种处理间差异显著(P<0.05)，下同。Note:Different lowercase letters indicate significance of difference between different treatments in the same variety at P<0.05 level.The same below.图1 汞胁迫下3个小麦品种(系)萌发期的发芽势与发芽率Fig.1 Germination potential and rate of three wheat varieties (lines) under Hg stressat germination stage
2.1.2 萌发期的根长与芽长 从图2可知，随Hg浓度的增大，商麦5226、商麦1619和3-3的根长与芽长均呈显著下降趋势。根长：商麦5226、商麦1619和3-3各处理均以CK最高，分别为4.93 cm、5.01 cm和4.69 cm；
处理2最低，分别为0.25 cm、0.15 cm和0.23 cm。其中，商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别降低87.03%、93.73%和90.35%；
处理2较CK分别降低95.01%、97.03%和95.11%。芽长：商麦5226、商麦1619和3-3各处理均以CK最高，分别为4.93 cm、4.81 cm和4.69 cm；
处理2最低，分别为1.11 cm、0.85 cm和1.87 cm。其中，商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别降低46.62%、51.39%和51.06%；
处理2较CK分别降低77.57%、83.07%和60.14%。
图2 汞胁迫下3个小麦品种(系)萌发期的根长与芽长Fig.2 Root length and bud length of three wheat varieties (lines) under Hg stress at germination stage
2.1.3 根与芽的鲜重 从图3看出，不同处理商麦5226、商麦1619和3-3根鲜重和芽鲜重的变化。根鲜重：商麦5226、商麦1619和3-3各处理均以CK最高，分别为0.019 9 g、0.033 7 g和0.0233 4 g；
处理2最低，分别为0.002 8 g、0.002 0 g和0.005 3 g；
商麦5226各处理间均差异显著，商麦1619和3-3的CK显著大于处理1和处理2，处理1与处理2间差异不显著；
商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别降低71.86%、90.91%和68.62%；
处理2较CK分别降低85.76%、93.97%和77.03%。芽鲜重：商麦5226、商麦1619和3-3各处理间均差异显著，均以CK最高，分别为0.022 1 g、0.023 8 g和0.021 5 g；
处理2最低，分别为0.004 7 g、0.005 5 g和0.008 5 g；
商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别降低40.48%、53.72%和41.86%；
处理2较CK分别降低78.85%、76.86%和60.47%。
图3 汞胁迫下3个小麦品种(系)萌发期根与芽的鲜重Fig.3 Fresh root and bud weight of three wheat varieties (lines) under Hg stress at germination stage
2.2 汞胁迫小麦苗期的生长特性
2.2.1 株高与地上部鲜重 从图4可知，不同处理商麦5226、商麦1619和3-3株高和地上部鲜重的变化。株高：商麦5226、商麦1619和3-3各处理均以CK最高，分别为22.27 cm、22.79 cm和23.08 cm；
处理2最低，分别为17.51 cm、18.19 cm和13.29 cm；
商麦5226和3-3各处理间均差异显著，商麦1619的CK显著高于处理1和处理2，处理1与处理2间差异不显著；
商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别降低9.41%、11.29%和14.21%；
处理2较CK分别降低21.35%、20.21%和42.43%。地上部鲜重：商麦5226、商麦1619和3-3均以CK最高，分别为0.130 4 g、0.114 1 g和0.117 0 g；
处理2最低，分别为0.058 3 g、0.062 3 g和0.049 8 g；
3-3各处理间均差异显著，商麦5226和商麦1619的CK显著大于处理1和处理2，处理1与处理2间差异不显著。商麦5226、商麦1619和3-3处理1较CK分别降低50.66%、40.64%和48.03%；
处理2较CK分别降低55.24%、45.29%和57.44%。
图4 汞胁迫下3个小麦品种(系)幼苗的株高与地上部鲜重Fig.4 Plant height and fresh aboveground part weight of three wheat varieties (lines) under Hg stress at seedling stage
2.2.2 可溶性糖与叶绿素含量 从图5可知，不同处理商麦5226、商麦1619和3-3可溶性糖和叶绿素含量的变化。可溶性糖：商麦5226各处理为0.61～2.03 μg/g，依次为处理2>处理1>CK，CK显著低于处理1和处理2，处理1与处理2间差异不显著。商麦1619和3-3各处理分别为1.17～2.94 μg/g和0.68～1.36 μg/g，均为处理1>处理2>CK，CK显著低于处理1，处理1与处理2间、CK与处理2间差异不显著。商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别提高197.71%、151.01%和99.48%。叶绿素：商麦5226、商麦1619和3-3均以CK最高，分别为1.58 mg/g、1.17 mg/g和1.14 mg/g；
处理2最低，分别为1.02 mg/g、0.68 mg/g和0.64 mg/g；
商麦1619和3-3各处理间均差异显著，商麦5226的CK显著大于处理1和处理2，处理1与处理2间差异不显著。商麦5226、商麦1619和3-3处理1较CK分别降低31.91%、22.82%和23.83%；
处理2较CK分别降低35.13%、42.36%和43.47%。
图5 汞胁迫下3个小麦品种(系)幼苗叶片的可溶性糖及叶绿素含量Fig.5 Soluble sugar and chlorophyll content in leaves of three wheat varieties (lines) under Hg stress at seedling stage
2.2.3 POD活性与MDA含量 从图6看出，不同处理商麦5226、商麦1619和3-3 POD活性与MDA含量的变化。POD活性：商麦5226，各处理为354.53～490.92 U/g W，依次为处理2>处理1>CK，各处理间差异显著。商麦1619和3-3各处理分别为228.61～405.92 U/g W和291.87～412.53 U/g W，均为处理1>处理2>CK；
商麦1619的CK显著低于处理1和处理2，处理1与处理2间差异不显著；
3-3的CK显著低于处理1，处理1与处理2间、CK与处理2间差异不显著。商麦5226、商麦1619和3-3的处理1较CK分别提高197.71%、151.01%和99.48%。MDA含量：商麦5226，各处理为4.42～7.13 μmol/g，依次为处理2>CK>处理1，各处理间差异显著。商麦1619和3-3各处理分别为3.56～5.62 μmol/g和3.90～4.96 μmol/g，均为处理2>CK>处理1，处理1显著低于CK和处理2，CK与处理2间差异不显著。商麦5226、商麦1619、3-3叶片MDA含量处理1较CK分别降低10.28%、34.19%和7.87%。
图6 汞胁迫下3个小麦品种(系)幼苗叶片的POD活性及MDA含量Fig.6 POD activity and MDA content in leaves of three wheat varieties (lines) under Hg stress at seedling stage
小麦早期生长阶段对外界环境胁迫较为敏感，逆境胁迫后植物体内会积累活性氧自由基，同时植物体内存在清除自由基和活性氧的酶类和非酶类物质[9]。细胞膜受氧自由基毒害程度大小可由MDA含量高低反映[10]。可溶性糖的积累是植物在逆境下的自我保护方式，一定程度上积累量可反映植物的渗透调节能力的强弱[11]。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，重金属致使植物叶绿体含量降低[12]，进而对其光合作用产生影响。Hg对小麦的生长发育产生抑制作用，可能是重金属胁迫抑制种子淀粉酶、酸性磷酸酶和蛋白酶等活性[13]，从而影响种子萌发所需的物质和能量，致使发芽势和发芽率显著下降。
研究结果表明，随着Hg浓度增加，商麦5226、商麦1619和3-3萌发期的发芽势、发芽率、根长、芽长、根鲜重和芽鲜重，以及苗期的株高、地上部鲜重、叶片叶绿素含量均呈下降趋势；
苗期叶片MDA含量呈先升后降趋势；
苗期叶片可溶性糖含量和POD活性变化趋势因品种而异。其中，商麦5226、商麦1619和3-3的发芽势，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低23.86%、29.39%和37.91%，100 mg/L Hg溶液较CK分别降低34.39%、55.79%和52.83%；
发芽率，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低22.50%、19.47%和23.14%，100 mg/L Hg溶液较CK分别降低38.71%、39.84%和36.56%；
根长，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低87.03%、93.73%和90.35%，100 mg/L Hg溶液较CK分别降低95.01%、97.03%和95.11%；
芽长，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低46.62%、51.39%和51.06%，100 mg/L Hg溶液较CK分别降低77.57%、83.07%和60.14%；
根长受汞胁迫抑制程度大于芽长，与何刚等[14]的研究结果相近。根鲜重，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低71.86%、90.91%和68.62%，100 mg/L Hg溶液较CK分别降低85.76%、93.97%和77.03%；
芽鲜重，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低40.48%、53.72%和41.86%，100 mg/L Hg溶液较CK分别降低78.85%、76.86%和60.47%；
株高，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低9.41%、11.29%和14.21%，100 mg/L Hg溶液较CK分别降低21.35%、20.21%和42.43%；
地上部鲜重，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低50.66%、40.64%和48.03%；
100 mg/L Hg溶液较CK分别降低55.24%、45.29%和57.44%；
可溶性糖含量，50 mg/L Hg溶液较CK分别提高197.71%、151.01%和99.48%；
在汞胁迫后3个小麦品种(系)可溶性糖含量提高，表明较高强度的汞胁迫对小麦已产生毒害，严重影响其生长；
叶绿素含量，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低31.91%、22.82%和23.83%，100 mg/L Hg溶液较CK分别降低35.13%、42.36%和43.47%，叶绿素含量呈下降趋势，可能与重金属胁迫后原叶绿素酸酯还原酶和氨基-7-酮戊酸的合成受阻，导致叶绿素合成受阻有关[15]；
POD活性，50 mg/L Hg溶液较CK分别提高197.71%、151.01%和99.48%，商麦1619和3-3的100 mg/L Hg溶液POD活性低于50 mg/L Hg溶液，可能是活性氧自由基的生成速率超过保护酶活性所致；
MDA含量，50 mg/L Hg溶液较CK分别降低10.28%、34.19%和7.87%；
100 mg/L Hg溶液MDA含量达最高，表明汞胁迫已打破小麦活性氧的代谢平衡。
随着Hg浓度增加，商麦5226、商麦1619和3-3萌发期的发芽势、发芽率、根长、芽长、根鲜重和芽鲜重，以及苗期的株高、地上部鲜重、叶片叶绿素含量均呈下降趋势；
苗期叶片MDA含量呈先降后升趋势，可溶性糖含量和POD活性变化趋势因品种而异。汞胁迫明显抑制小麦种子的萌发和幼苗生长。