镉胁迫下福美双对小麦幼苗镉积累及生理特征的影响.pdf
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1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023,42(8):1685-16942023年8月高志新,米禄琪,刘烨潼,等.镉胁迫下福美双对小麦幼苗镉积累及生理特征的影响J.农业环境科学学报,2023,42(8):1685-1694.GAO Z X,MI L Q,LIU Y T,et al.Effects of thiram on Cd accumulation and physiological characteristics of wheat seedlings under Cd stress J.Journal ofAgro-Environmen
2、t Science,2023,42(8):1685-1694.镉胁迫下福美双对小麦幼苗镉积累及生理特征的影响高志新1,2,米禄琪1,2,刘烨潼3,李泊岩4,秦旭1*,孙约兵1*(1.农业农村部环境保护科研监测所,天津 300191;2.东北农业大学资源与环境学院,哈尔滨 150030;3.天津市农业科学院,天津 300381;4.天津市农业生态环境监测与农产品质量检测中心,天津 300193)Effects of thiram on Cd accumulation and physiological characteristics of wheat seedlings under Cd str
3、essGAO Zhixin1,2,MI Luqi1,2,LIU Yetong3,LI Boyan4,QIN Xu1*,SUN Yuebing1*(1.Agro-Environmental Protection Institute,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Tianjin 300191,China;2.College of Resources andEnvironment,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;3.Tianjin Academy of Agricultu
4、ral Sciences,Tianjin 300381,China;4.Agro-Ecological Environment Monitoring and Agricultural Products Quality Inspection Center of Tianjin,Tianjin 300193,China)Abstract:To investigate the effects of thiram on the cadmium(Cd)accumulation and physiological characteristics of wheat seedlings underCd str
5、ess,this study used a conventional winter wheat variety as the test crop and conducted a hydroponics experiment.High(400-timesdilution)and low(800-times dilution)thiram dosages were sprayed on wheat seedlings under stress caused by different concentrations ofCd to study the effects of thiram on Cd a
6、ccumulation and distribution and physiological characteristics such as photosynthesis and theantioxidant system.The results indicated that applying thiram increased the accumulation of Cd and S in the wheat shoots.The highestincreases were 73.8%for Cd and 151.2%for S.Under Cd stress with the same Cd
7、 concentration,as the thiram dosage increased,the Cdcontent in the various subcellular organs of wheat increased.A higher proportion of Cd was found in the cell wall,and a lower proportion收稿日期:2023-03-21录用日期:2023-05-23作者简介:高志新(1999),女,内蒙古锡林郭勒盟人,硕士研究生,主要研究方向为农田重金属污染修复与安全利用。E-mail:*通信作者:秦旭E-mail:;孙约兵E
8、-mail:基金项目:中央公益性科研单位基本科研业务费(2022-jbkyyfw-qx);中国农业科学院创新工程项目(CAAS-CXGC-AEPI-qx-2023)Project supported:The Central Public Research Institute Basic Fund for Research and Development of China(2022-jbkyyfw-qx);Program of KnowledgeInnovation of the Chinese Academy of Agricultural Sciences(CAAS-CXGC-AEPI-qx
9、-2023)摘要:为探明Cd胁迫下喷施杀菌剂福美双对小麦幼苗Cd积累及生理特征的影响,本研究以常规冬小麦品种为供试作物,采用水培法,在不同浓度Cd胁迫下,于小麦苗期分别喷施高(400倍稀释液)、低(800倍稀释液)两个剂量的福美双制剂,研究福美双对小麦幼苗Cd积累、分布以及抗氧化系统和光合作用等生理特征的影响。结果显示:在Cd积累方面,施用福美双提高了小麦地上部Cd和S的含量,最高增幅分别为73.8%和151.2%。同一Cd浓度胁迫下,随着福美双施用剂量的提高,Cd在小麦亚细胞各器官中的含量增加,在细胞壁中的占比升高,在细胞可溶性组份中的占比减少;Cd由氯化钠提取态向乙醇提取态和水提取态转变。
10、喷施福美双对麦苗地上部鲜质量和根系长度无显著影响。在光合作用方面,Cd胁迫下喷施福美双提高了小麦叶片光合速率、叶绿素a和叶绿素b含量,最高增幅分别为62.7%、36.0%和89.5%。在抗氧化作用方面,Cd胁迫下喷施福美双提高了小麦叶片MDA、H2O2和CAT含量,最高增幅分别为27.1%、123.6%和464.3%;SOD含量下降,最大降幅为20.1%。研究表明,施用福美双促进了小麦幼苗地上部Cd积累,提高了植株的光合作用,但降低了植株的抗氧化能力并加剧了Cd胁迫,高剂量条件下的施药效应更加显著,建议在镉污染麦田防治病害尽量不施用或少施用福美双。关键词:小麦幼苗;福美双;镉积累;光合作用;抗
11、氧化系统中图分类号:S512.1;X53;X173文献标志码:A文章编号:1672-2043(2023)08-1685-10doi:10.11654/jaes.2023-0208农业环境科学学报第42卷第8期镉(Cd)是植物非必需的重金属元素,极易污染土壤和水源,并通过生物富集作用在植物体内积累,对植物的生长发育表现出很高的毒性,形态上表现为植株矮小和产量下降,生理上则会引起作物的光合能力下降以及氧化胁迫1-2。而含有过量Cd的作物被食用后容易对人体造成危害,严重威胁身体健康3。小麦(Triticum aestivum L.)是世界三大粮食作物之一。国家统计局 2022 年粮食产量数据的公告显
12、示,我国是世界上最大的小麦生产国和消费国,年产量达1.38亿t。然而由于麦田Cd污染,我国小麦中Cd超标现象时有出现。Liu等4在甘肃白银抽样调查中发现,部分地区春小麦籽粒中 Cd 的平均含量高达1.88 mgkg-1,是我国食品安全国家标准限量的17.81倍。在河南新乡部分麦田监测点位中,有近100%的冬小麦籽粒 Cd 含量超标5。所以麦田 Cd 污染问题需要引起重视。小麦的Cd吸收行为受多种因素影响,如土壤理化性质、金属螯合剂、有机质、耕作方式及小麦品种等,其中土壤pH是最重要因素6。Cd通过根系进入小麦体内后,根系分泌物会改变根际土壤pH值,影响Cd有效态含量,改变小麦可吸收Cd的比例,
13、根系分泌物还可与Cd2+形成络合物,从而影响小麦对Cd的吸收。小麦茎秆中的Cd积累取决于Cd从根系向地上部的转运,籽粒中Cd的积累取决于根向茎的转移和茎中木质部到韧皮部的运输7。韧皮部中蒸腾作用和木质部运输的改变会导致Cd累积的变化,所以Cd可以通过韧皮部和蒸腾作用在小麦植株内进行再分配8。种植小麦需要喷施多种农药来保障其顺利生长发育。福美双(又名二硫化四甲基秋兰姆,分子式C6H12N2S4)是麦田常用的广谱高效保护性杀菌剂,被广泛用于防治条锈病、赤霉病和纹枯病等各种小麦病害9-10。福美双主要作用于病菌呼吸系统中的乙酰辅酶A,使其失去活性,并抑制线粒体呼吸作用,最终影响能量代谢。也可以作用于
14、其他辅酶,抑制丙酮酸脱氢酶等多种酶的活性,从而影响病菌的正常生理代谢从而起到防治病害的作用11。另外,福美双在一定温度下可以释放出活性硫或含硫自由基,而硫(S)是植物第四大必需营养元素,不仅在含硫氨基酸和蛋白质的合成、光合作用、呼吸作用、脂类合成、生物固氮和糖代谢等生理生化过程中发挥重要作用12,还在植物的生长发育和逆境生存中发挥重要作用13。有研究显示,福美双可以与重金属Cd产生一定的毒性协同作用,比如二者共存时可诱导酵母细胞线粒体发生突变,而二者单独存在时则无此现象14。另外Adamczyk-Szabela等15的研究显示,福美双还可以影响植物对Cd的吸收和积累。导致Cd的转移系数和富集系
15、数显著下降。这既与施用福美双改变了土壤菌群结构从而导致Cd有效态含量变化有关,也和福美双可以与土壤中的Cd形成螯合物从而阻碍了植物吸收有关。另外,他们还发现施用福美双促进了蒲公英的生长并阻碍蒲公英对Cd等重金属的吸收和转运16。但施用福美双对小麦等粮食作物Cd吸收和Cd耐性的影响还未见相关报道。本研究以冬小麦幼苗为供试材料,采用水培方法,探讨Cd胁迫下福美双对小麦生理特性以及对Cd分配和积累的影响及其可能的作用机制,为研究施用农药这种常规农艺措施对Cd污染麦田安全生产的影响提供有益探索和理论支持。1材料与方法1.1 材料小麦品种:百农AK58,为市场常见冬小麦品种,was observed i
16、n the cell-soluble components.Furthermore,Cd shifted from being extractable by chloride to be extractable by ethanol andwater.The foliar application of thiram did not significantly affect the fresh weight of the wheat seedling shoots or the root length.However,in terms of photosynthesis,under Cd str
17、ess,the foliar application of thiram increased the photosynthetic rate and the contents of chlorophylla and chlorophyll b in wheat leaves;the highest increases were 62.7%,36.0%,and 89.5%,respectively.Regarding antioxidant activity,under Cd stress,the foliar application of thiram increased the conten
18、ts of MDA,H2O2,and CAT in wheat leaves;the highest increases were27.1%,123.6%,and 464.3%,respectively.However,the SOD content decreased,with a maximum decrease of 20.1%.The findingsindicated that thiram application promoted Cd accumulation in wheat seedlings and improved the photosynthesis of plants
19、;however,itdecreased the antioxidant capacity of the plants and aggravated Cd stress.The effect of thiram application under high-dose conditions wasstronger.This finding provides useful information for studying the effects of pesticides on Cd accumulation in crops and the physiologicalcharacteristic
20、s of Cd stress.Thiram application should be avoided or minimized as much as possible to control diseases in Cd-pollutedwheat fields.Keywords:wheat seedling;thiram;cadmium accumulation;photosynthesis;antioxidant system1686高志新,等:镉胁迫下福美双对小麦幼苗镉积累及生理特征的影响2023年8月购自河南省新乡市某农资商店。福美双制剂:50%可湿性粉剂(有效成分福美双占比为50%,
21、其余为农药助剂),购自山东百农思达生物科技有限公司。Cd标准溶液(1 000 mgL-1,基体为0.1%HNO3)。1.2 试验方法实验采用双因素完全组合设计。第一个因素为营养液中 Cd浓度,添加量为 0、0.1、0.5 mgL-1和 1.0mgL-1,分别记作Cd0、Cd0.1、Cd0.5和Cd1;第二个因素为福美双施药量,分别为不施药(记作F0)、低推荐剂量(800倍稀释液,记作F1)和高推荐剂量(400倍稀释液,记作 F2)。共 12 个处理:Cd0F0、Cd0.1F0、Cd0.5F0、Cd1F0、Cd0F1、Cd0.1F1、Cd0.5F1、Cd1F1、Cd0F2、Cd0.1F2、Cd0
22、.5F2和Cd1F2,每个处理3次重复。选取饱满一致的小麦种子用自来水清洗,用H2O2消毒30 min后用去离子水冲洗3遍,均匀置于育种盘上,再加入适量去离子水避光催芽,待发芽后去掉避光装置,在育种盘上生长一周左右移至Hoagland营养液中,不间断曝气。3周后转移至日光温室内的2.5 L水培盆中,每盆4株苗,在幼苗拔节初期换无S营养液并进行Cd处理,3 d和10 d后对小麦叶部各喷施一次福美双,喷施时水培装置需遮盖严密,防止药液落入营养液中对根系造成污染。末次喷施两周后采集植株样品进行测定。1.3 测定指标1.3.1 小麦叶片叶绿素含量和光合作用参数叶绿素含量采用乙醇提取法,称取鲜样 0.1
23、0 g,加入乙醇研磨过滤后,分别在波长 665、649 nm 和470 nm下比色测定,计算叶绿素含量;采用便携式光合仪(3051D,浙江托普云农),在采样之前控制光照条件下测定供试小麦叶片的光合速率、蒸腾速率、叶片气孔导度及胞间CO2浓度,每个处理设5次重复17。1.3.2 抗氧化酶活性以及脂质过氧化参数抗氧化酶活性以及脂质过氧化参数采用紫外可见分光光度法测定(UV-VIS,TU-1810PC,北京普析)。操作步骤为:样品经液氮研磨后加入4 预冷的提取液,涡旋混匀,静置提取20 min后4 下离心。取一定体积的上清液,加入相应酶促反应试剂,反应一段时间后在相应的波长下测定反应液的吸光度,最后
24、计算酶的活性或物质含量。测定波长:超氧化物歧化酶(SOD)为560 nm,过氧化物酶(POD)为470 nm,抗坏血酸过氧化物酶(APX)为 290 nm,过氧化氢酶(CAT)为240 nm,过氧化氢(H2O2)为508 nm,丙二醛(MDA)为600、532 nm和450 nm。1.3.3 重金属Cd含量将小麦植株样品分为地上部和根部,依次用自来水和去离子水洗净,称量鲜质量,液氮冷冻后-80 冰箱保存。称取1.00 g鲜样,加入8 mL浓H3NO4(优级纯),加盖浸泡12 h后置于电热板消解。消解顺序为 80 加热 1.5 h,120 加热 1.5 h,150 加热 3 h,之后打开塞子,升
25、温至175 赶酸至管内剩1 mL左右,冷却后加水定容至50 mL,加盖摇匀并用滤纸过滤,用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,ICAPQc,赛默飞科技)测定Cd含量。1.3.4 Cd的亚细胞含量测定称 3.00 g 粉碎鲜样置于 50 mL 离心管,加入 30mL提取液0.25 molL-1蔗糖+50 mmolL-1Tris-HCl缓冲液(pH 7.5)+1.0 mmolL-1二硫赤鲜糖醇,2 000 rmin-1下涡旋5 min,然后用80 m孔径的尼龙网布垫在漏斗里进行过滤,滤液接到冷冻离心专用管中进行下一步操作。残渣用超纯水少量多次冲至玻璃消煮管中,为细胞壁组分;滤液用高速冷冻离心机以
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