重金属胁迫下硫对作物苗期根系导水率的影响

【摘要】： 土壤重金属污染导致了土壤环境质量恶化,不仅危害土壤生态系统的良性循环,而且会对植物生长产生剧烈影响。根系是感应土壤污染物的最直接器官,土壤中的重金属首先可影响根系的发育和功能,从而抑制植物的整体生长状况。铜和锌既是植物正常发育所必需的微量元素,同时过量的铜和锌也将对生物产生毒害。汞、铜和锌已成为目前导致土壤环境污染的重要因素。植物根系吸收传导水分的能力对植物的生长状况起决定作用。根系导水率表征根系运输传导水分的能力,是根系感受土壤水分变化的最直接的生理指标之一。土壤中的重金属胁迫是否也对植物根系导水率产生影响,重金属污染与根系导水率之间是否具有剂量—效应关系?这一直是土壤学及环境科学中关注的问题,但关于这方面的研究报道及其有限。硫是植物生长发育必需的重要矿质营养元素,在作物的生理活动中具有其它元素不可替代的作用。硫是胱氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸的重要组成成分,而这些含硫氨基酸是蛋白质的主要成分。缺硫将影响植物正常的生理活动,不仅使作物的产量降低,而且也会对品质以及对环境变化的适应能力产生影响。在重金属胁迫下,植物体内的有机硫化合物在抵御环境污染物中具有重要作用。那么,硫营养是否也在改善作物根系水分传导及其减轻土壤中重金属对根系的伤害过程中发挥作用?这有待进行深入的研究。本试验以玉米、小麦为材料进行水培和盆栽试验,研究了重金属胁迫条件下硫营养对作物苗期根系导水率的调节作用。试验得出如下主要结果: (1)与对照处理植株比较,Hg~(2+)、Zn~(2+)和Cu~(2+)对小麦和玉米根系导水率都有明显的抑制作用,抑制效果Hg~(2+)Cu~(2+)Zn~(2+),而且随着重金属浓度的增高抑制作用越来越显著。通常Hg~(2+)可作为蛋白抑制剂,其对水通道蛋白表达的抑制是影响植物导水的主要原因,随着Hg~(2+)浓度的增大,对导水率的影响是持续下降的。在Cu~(2+)处理中,尽管也导致了导水率迅速降低,但200μmol/L Cu与100μmol/L Cu浓度之间的差距并不明显,这反映出Cu对植物导水率的影响可能存在另外的机制。 (2)从水培实验看出,在无重金属胁迫时硫营养对根系起到的作用更倾向于提供营养;而有重金属Cu~(2+)胁迫时硫营养则起到了保护根系的效果,能够有效的减小Cu~(2+)胁迫对导水率的抑制作用,并且这种保护作用随着硫营养浓度增大而加强。 (3)胁迫时间是重金属胁迫影响根系导水率的一个重要因素。无论在哪种硫浓度下,Cu~(2+)胁迫30min后的要比相应硫浓度下胁迫10min后的降低50%左右,说明重金属胁迫的强度对根系导水的影响非常显著。然而,增加硫营养供应可以有效地减轻重金属的对根系导水率的影响,表明硫在抵御重金属污染过程中具有重要意义。 (4)由小麦盆栽实验看出,尽管Zn~(2+)胁迫可显著导致小麦根系干重大幅度的增加,使根冠比提高,但其导水率却明显比对照处理降低,并且增加硫营养后的作用并未显著看出,这表明锌胁迫可能显著改变了小麦根系的水分传导机制。 (5)盆栽实验中,低硫环境下三级农田土壤标准的重金属污染(Cu~(2+)为400mg/kg,Zn~(2+)为500mg/kg)对小麦根系导水率有明显的抑制作用,抑制率分别为34.61%和36.89%。按N∶P2O5∶K2O∶S = 0.2∶0.15∶0.3∶0.015比例加入硫肥后,Cu~(2+)和Zn~(2+)的抑制率分别为12.29%和37.71%。在铜处理中尽管导水率也较对照有明显的降低,但由于硫营养的作用可使其对导水率的抑制作用得到显著的缓解,充分表现出硫在抵御重金属胁迫中的作用。