随着矿产资源的大量开发，农药、化肥的广泛使用以及城市污泥、污水的农用，重金属对土壤的污染越来越严重 ^{[1, 2]}。土壤中的重金属会对植物生长发育产生影响，例如铅的积累能直接影响细胞代谢作用，严重影响植物的产量和品质；缺乏铬会影响植物的正常发育，但铬在其体内积累过量又会引起毒害作用。土壤中的重金属也会通过食物链进入人体，影响人体健康^[3]。当植物遭受的重金属胁迫在其耐受范围时，植株就会启动防御机制以应对各种胁迫，如通过提高抗氧化系统功能，增加脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖等以增强渗透性调节作用来提高植株的抗逆性^[4]。对于大多数作物，种子萌发和早期幼苗阶段对环境胁迫最为敏感，在重金属的胁迫下，植物体内会产生一系列生理生化代谢的紊乱，导致植物的抗逆性降低，严重时造成植株死亡。

脯氨酸是植物蛋白质的组分之一，并可以游离状态广泛存在于植物体中，可以保护细胞膜系统，维持胞内酶的结构，减少胞内蛋白质的降解。许多植物在受到环境胁迫，如干旱、盐渍、低温、重金属等胁迫条件下，体内的脯氨酸含量会发生很大变化^{[5, 6, 7, 8]}。因此，根据脯氨酸含量的变化可以从生理的角度了解逆境对植物的危害程度和植物对逆境的抵抗能力。

小麦是我国北方的主要粮食作物，其对重金属具有一定的富集以及生物转化作用，因此小麦生产中重金属污染问题已引起国内外学者的高度重视^[9]。小麦在长期的进化过程中发展出一系列应对重金属毒害的机制，如在遭受重金属毒害时，小麦会大量积累脯氨酸以提高对重金属胁迫的抗性和适应性^{[4, 8]}。随着研究的不断深入，土壤重金属污染的重点已由单一污染转移到复合污染，而且复合污染的重金属间相互作用比较复杂，不同类型的植物对其毒害的响应机制也不甚相同^{[10, 11, 12]}。本研究以周麦22为供试材料，研究铅铬单一及其复合胁迫对小麦萌发及幼苗脯氨酸含量的影响，旨在探讨重金属胁迫对小麦的毒害效应及小麦的抗性机制，并为农田作物重金属胁迫的检测提供理论依据。

供试小麦品种为周麦22，购自河南省农业科学院。

小麦种子用清水浸泡24 h，挑选饱满程度大致相同的小麦籽粒，备用。将直径为9 cm的普通滤纸圆片平铺于底部钻孔的塑料培养皿内，将浸泡后的种子均匀平铺于培养皿中（100粒/皿），一部分种子分别用不同浓度的铬（50和100 mg/L）、铅（100和200 mg/L）以及铬铅二元胁迫8个处理溶度浸润小麦种子，以清水浸润的小麦种子为对照（CK）。处理浓度分别为：0（CK）、1（200 mg/L Pb）、2（100 mg/L Pb）、3（100 mg/L Cr）、4（50 mg/L Cr）、5（200 mg/L Pb+100 mg/L Cr）、6（200 mg/L Pb+50 mg/L Cr）、7（100 mg/L Pb+100 mg/L Cr）、8（100 mg/L Pb+50 mg/L Cr）。25℃培养7 d统计发芽率等，每个处理设3次重复。另一部分种子25℃恒温条件下培养5-7 d，挑选长势大体相同的小麦苗供试。用上述8个处理溶液进行胁迫培养，以清水处理的小麦为对照（CK）。处理1、3、5和7 d取样测定小麦幼苗脯氨酸含量。每个处理设3次重复。

发芽率（%）=7 d内发芽种子数/种子总数×100%；

相对发芽率（%）=处理发芽率/对照发芽率×100%；

发芽指数=∑（G^t/D^t）（G^t指在t时间内的发芽数；D^t指发芽天数）；

相对发芽指数（%）=处理发芽指数/对照发芽指数×100%。

酸性茚三酮显色法测脯氨酸含量^[13]。

脯氨酸含量值用GraphPad Instat 3.00数据处理软件对其进行差异显著性分析。

不同浓度的铅铬溶液处理后小麦种子的发芽率、相对发芽率、发芽指数和相对发芽指数与对照相比均呈下降趋势，尤以处理5和处理7下降趋势最为明显（P<0.05，表 1）。表 2显示，除了处理2，其余各处理的小麦株高均显著低于对照，且差异达极显著水平（P<0.01）；不同浓度的铅铬溶液处理后小麦的根长均显著低于对照，且差异达极显著水平（P<0.01）；处理3和处理7小麦的鲜物质量和干物质量显著低于对照，且差异达极显著水平（P<0.01），其余各处理小麦的鲜物质量和干物质量与对照相比无显著差异。说明铅铬抑制了小麦的萌发和生长，而且小麦幼苗对铬胁迫较敏感。

表 1 铅铬胁迫对小麦种子萌发率的影响

表选项

表 2 铅铬胁迫对小麦幼苗生长的影响

表选项

处理后1 d，除复合胁迫处理组处理7小麦苗的脯氨酸含量显著升高，较对照升高32.81%外，其余各处理组小麦苗的脯氨酸含量与对照相比差异均不显著。说明铅铬单一胁迫在短时间内不足以对小麦造成严重危害，因此小麦体内脯氨酸含量的积累尚不明显。

图 1 铅铬胁迫1 d 对小麦幼苗脯氨酸含量的影响

图选项

处理后3 d，处理3、处理4、处理5和处理7四个处理组的小麦苗脯氨酸含量较对照显著升高，分别为对照的2.7倍、2.0倍、2.1倍和2.5倍，其余各处理脯氨酸含量与对照相比差异不显著。说明随着时间的延长，铅铬对小麦幼苗毒害效应增大，小麦体内脯氨酸大量积累，以缓解重金属胁迫对小麦幼苗的毒害。铬单一胁迫下，浓度越高，脯氨酸含量积累越多，而铅铬复合胁迫下的脯氨酸含量介于单一铅铬胁迫处理之间，说明铅铬共存，弱化了二者的作用。

图 2 铅铬胁迫3 d 对小麦幼苗脯氨酸含量的影响

图选项

铅铬处理后5 d，与对照相比，处理3、处理4、处理5和处理7四个处理组的小麦脯氨酸含量依然显著升高，分别为对照的3.3倍、2.8倍、2.7倍和3.5倍，其余各处理脯氨酸含量与对照相比差异不显著。单一胁迫下，铬的毒害作用随着浓度的升高而增大，小麦脯氨酸含量也随之升高。复合胁迫组处理的小麦脯氨酸含量依然介于单一铅铬胁迫处理之间。说明随着时间的延长，铬和铅共存，彼此抑制，弱化了二者的毒害作用。

图 3 铅铬胁迫5 d 对小麦幼苗脯氨酸含量的影响

图选项

铅铬处理后7 d与处理后5 d脯氨酸含量变化趋势相同，处理3、处理4、处理5和处理7四个处理组的小麦脯氨酸含量分别为对照的6.2倍、3.6倍、3.1倍和4.6倍，其余各处理脯氨酸含量与对照相比差异不显著。

图 4 铅铬胁迫7 d 对小麦幼苗脯氨酸含量的影响

图选项

植物在种子萌发和幼苗阶段对环境胁迫相对比较敏感，周希琴等^[14]研究发现铬毒害降低玉米种子发芽率，抑制玉米幼苗生长，降低植株鲜重和干重，且不同品种间存在显著或极显著差异。镉和锌能明显抑制番茄种子的发芽势、发芽率和根的伸长，降低植株高度^[15]。我们的研究也发现不同浓度的铅铬溶液处理后小麦种子的发芽率、相对发芽率、发芽指数和相对发芽指数与对照相比均呈下降趋势，而且小麦的株高、根长、鲜物质量和干物质量明显降低。说明重金属胁迫对植物的萌发和生长有明显的抑制作用。

脯氨酸是植物体内抵抗逆境胁迫的重要性渗透物质，在逆境胁迫条件下，植物会积累大量的脯氨酸以保护其免受渗透胁迫伤害的作用。脯氨酸的积累量与植物对逆境环境的抗性有关^[16]，脯氨酸的积累也是植物在逆境胁迫下产生的一种适应性反应。张浩等^[17]研究的不同土壤类型重金属胁迫对烟叶脯氨酸含量的影响发现，烟叶脯氨酸含量随重金属Pb浓度的增加而增加，而Cd、Hg、As对烟叶脯氨酸含量表现为低浓度时的抑制作用和高浓度时的积累作用。王晓兰等^[18]以弯囊苔草（Carex dispalata）为材料研究证明该植物可通过调节体内游离脯氨酸的含量来抵抗Cu²⁺胁迫。覃光球等^[19]研究发现，秋茄幼苗叶片中的脯氨酸含量均随着Cd胁迫浓度的增加出现不同程度先升后降的趋势，脯氨酸可以作为秋茄对Cd污染的检测指标。本研究结果表明，铅铬单一及复合污染胁迫下，小麦体内脯氨酸大量积累，这对缓解重金属对小麦幼苗的毒害具有重要意义，脯氨酸含量的变化可以作为监测铅铬胁迫的指标之一。这也说明植物对重金属的抗性机理不仅与植物和重金属的种类有关，而且与胁迫的重金属的质量浓度以及胁迫时间有关，铅铬污染胁迫对小麦不同品种以及不同作物的影响也将作进一步的研究，以丰富重金属复合污染胁迫的相关理论，为铅铬胁迫的植物修复奠定基础。

研究发现，铅铬单一胁迫下，铬处理组小麦苗中脯氨酸含量变化幅度明显比铅处理组大，而且随着铬浓度的增加和胁迫时间的延长，小麦体内脯氨酸含量也随之增高。实验所用铅用量明显高于铬用量，但铬对小麦萌发和生长以及脯氨酸含量的影响却远远大于铅对其的影响，说明小麦幼苗对铬胁迫较为敏感，这可能是因为环境中毒性较强的Cr（VI）迁移能力强，而且具有较高的活性，进入植物体内干扰了离子间原有的平衡系统，致使植物代谢过程紊乱；而铅进入植物细胞后，与细胞中过剩的非蛋白巯基结合，形成不溶性络合物，或者以铅晶体缓慢地积累在细胞壁上，呈密布的微粒沉积下来，而微粒中的铅在生理上的作用是惰性的，因而在实验条件下显示的影响较小^[20]。以往的研究也有相同的结论，认为可能是由于Pb的移动性较差，进入植物根部后较快淀积而失去活性^{[21, 22, 23]}。

重金属复合污染对植物的影响是一种综合效应，植物对重金属元素的吸收受共存元素影响的大小取决于共存元素的浓度，元素间的加和、拮抗或协同作用取决于元素的浓度组合，在某一点上共存元素对重金属元素的拮抗或协同作用最强^[22]。我们的研究发现铅铬复合胁迫处理的小麦脯氨酸含量介于单一铅铬胁迫处理之间，在实验所设条件下铅铬共存为何会产生拮抗作用还需要深入研究。

铅铬单一及复合胁迫均使得小麦种子萌发率降低，幼苗株高、根长降低，鲜物质量和干物质量减少；铅铬处理1 d后，仅复合胁迫100 mg/L Pb+100 mg/L Cr处理组小麦脯氨酸含量较对照显著升高，而铅铬处理3、5和7 d后，100 mg/L Cr、50 mg/L Cr、200 mg/L Pb+100 mg/L Cr、100 mg/L Pb+100 mg/L Cr这4个处理组的小麦脯氨酸含量较对照均显著升高。小麦幼苗对铬胁迫较敏感，脯氨酸含量的变化可以作为监测植物铅铬胁迫的指标之一。