Cd對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗早期生長(zhǎng)的影響

摘要：以小麥（Triticum aestivum L.）為試材，通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)皿萌發(fā)培養(yǎng)法，探討了不同程度Cd污染（Cd2+濃度分別為0、10、20、40、60 mg/L）對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗早期生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，在萌發(fā)早期，各濃度Cd2+處理對(duì)小麥種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)沒(méi)有顯著影響，但隨Cd2+濃度的提高，種子內(nèi)淀粉酶活性顯著（P<0.05）下降。Cd對(duì)小麥的影響主要體現(xiàn)在胚根和胚芽突出種皮以后植株的早期生長(zhǎng)階段，隨Cd2+濃度提高，幼苗MDA積累量不斷增加，說(shuō)明膜脂過(guò)氧化程度加劇；Cd對(duì)葉綠素的影響表現(xiàn)為低促高抑，Cd2+濃度為10 mg/L時(shí)，促進(jìn)葉綠素的合成，Cd2+濃度≥40 mg/L時(shí)，葉綠素總含量顯著（P<0.05）低于對(duì)照組；隨Cd2+濃度增加，小麥幼苗根長(zhǎng)、苗高和植株總干重顯著（P<0.05）降低，小麥生長(zhǎng)受到抑制，且以濃度 ≥40 mg/L時(shí)抑制程度加重。

關(guān)鍵詞：小麥（Triticum aestivum L.）；Cd污染；種子萌發(fā)；幼苗生長(zhǎng)；影響

中圖分類號(hào)：S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）11-2496-04

近年來(lái)，土壤-植物-食品系統(tǒng)中Cd污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻。Cd因其生物毒性大又極易被植物吸收而成為環(huán)境污染中最為危險(xiǎn)的5種物質(zhì)之一，較低質(zhì)量濃度就能對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生毒害[1]。此外，Cd污染不可逆，植物積累的Cd很容易通過(guò)食物鏈傳遞給人或動(dòng)物，并會(huì)引起生物放大作用致使人體內(nèi)Cd濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)境濃度，最終不僅使經(jīng)濟(jì)受到影響，而且人類健康也受到很大威脅[2]。在生物體內(nèi)，Cd是非必需元素，不參與生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)組成及代謝活動(dòng)，但是特別容易被植物體吸收，對(duì)植物有極強(qiáng)的毒害作用[3]。大量研究表明，Cd對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育危害很大，可抑制光合作用和呼吸作用，進(jìn)而干擾植物體內(nèi)碳代謝以及水分和無(wú)機(jī)養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)化[4-6]。

近年來(lái)，由于污水灌溉、含Cd增肥物料（污泥、粉煤灰等）使用等原因，世界范圍內(nèi)農(nóng)田Cd污染日趨嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)Cd污染農(nóng)田面積達(dá)到28萬(wàn)hm2，威脅著農(nóng)作物安全[7]。作物種子萌發(fā)及萌發(fā)時(shí)期的生長(zhǎng)狀況直接影響其后續(xù)的生長(zhǎng)和生物產(chǎn)量，因此研究作物種子在萌發(fā)階段受重金屬污染的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。小麥（Triticum aestivum L.）是世界上最主要的糧食作物之一，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。研究表明，Cd脅迫使小麥幼苗出現(xiàn)生長(zhǎng)遲緩、褪綠等中毒癥狀，最終導(dǎo)致產(chǎn)量大幅降低[8]，但是關(guān)于Cd脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗早期生長(zhǎng)的研究相對(duì)較少。為此，以小麥為供試材料，探討Cd脅迫對(duì)其種子萌發(fā)和幼苗早期生長(zhǎng)、生理的影響，以期能夠?yàn)樾←湹陌踩a(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為邯617，由邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，經(jīng)測(cè)試，其發(fā)芽率大于90%。試驗(yàn)前，精選飽滿的供試種子，以10%的H2O2溶液浸泡消毒30 min，棄表層漂浮種子，用無(wú)菌去離子水反復(fù)沖洗，用濾紙將水吸干，待用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)Cd2+（以CdSO4形式加入）溶液濃度處理，分別為0、10、20、40和60 mg/L，每個(gè)處理5次重復(fù)。選取直徑為15 cm的培養(yǎng)皿，皿內(nèi)以雙層濾紙作為發(fā)芽床，將培養(yǎng)皿滅菌處理后，加入配好的不同濃度Cd2+溶液，每皿15 mL，將消毒后的小麥種子接種于濾紙上，每皿40粒，擺放均勻，蓋好上蓋。最后將各組培養(yǎng)皿放入光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)期間溫度為（20±1） ℃、光照時(shí)間為16 h/d。培養(yǎng)期間每天用稱重法加去離子水保持恒重。試驗(yàn)周期為10 d，接種后第五天取走上蓋以保證萌發(fā)幼苗正常生長(zhǎng)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 種子萌發(fā)情況的測(cè)定 接種后，每隔24 h記錄1次種子的發(fā)芽數(shù)（胚根與種子等長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)度達(dá)到種子一半即認(rèn)為種子已經(jīng)發(fā)芽），第二天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)、第四天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，并按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

發(fā)芽勢(shì)=2 d內(nèi)正常發(fā)芽種子數(shù)/全部供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽率=4 d內(nèi)正常發(fā)芽種子數(shù)/全部供試種子數(shù)×100%

1.3.2 種子萌發(fā)過(guò)程中淀粉酶活性的測(cè)定 Cd2+處理后第二天，對(duì)各處理小麥種子進(jìn)行隨機(jī)取樣，每個(gè)處理取3個(gè)混合樣品，參照文獻(xiàn)[9]對(duì)淀粉酶活性進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 小麥幼苗丙二醛（MDA）和葉綠素含量的測(cè)定 處理后10 d，對(duì)各處理小麥幼苗的葉片進(jìn)行隨機(jī)取樣（每皿保留10株完整植株以備生物量的測(cè)定），每個(gè)處理取3個(gè)混合樣品，采用文獻(xiàn)[10]的方法進(jìn)行MDA和葉綠素含量的測(cè)定。

1.3.4 小麥幼苗生物量的測(cè)定 對(duì)各處理未進(jìn)行破壞性取樣的小麥植株進(jìn)行生物量測(cè)定。首先，測(cè)定苗高和根長(zhǎng)，然后，將植株沖洗干凈置于烘箱中于80 ℃下殺青30 min，最后在70～80 ℃下烘干至恒重，稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS分析軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan’s法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)過(guò)程的影響

2.1.1 Cd脅迫對(duì)小麥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的影響 從表1可以看出，Cd脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)影響不大。因發(fā)芽率均大于70%，故對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反正弦轉(zhuǎn)換，以進(jìn)行方差分析。經(jīng)方差分析，各處理之間發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)差異均不顯著（P>0.05）。另?yè)?jù)試驗(yàn)日常觀察，各處理小麥種子萌發(fā)時(shí)間較集中，Cd脅迫的影響主要體現(xiàn)在胚根和胚芽突出種皮以后。小麥種子的萌發(fā)過(guò)程消耗的是種子內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，只是從外界吸收水分，加之小麥種子萌發(fā)較快，外施Cd處理對(duì)其萌發(fā)影響不大。

2.1.2 Cd脅迫對(duì)小麥種子淀粉酶活性的影響 由圖1A可以看出，當(dāng)Cd2+濃度為0～20 mg/L時(shí)，對(duì)小麥種子α-淀粉酶活性的影響不顯著，當(dāng)Cd2+濃度≥40 mg/L時(shí)，與對(duì)照相比，各處理的α-淀粉酶活性受到顯著（P<0.05）抑制。由圖1B可知，小麥種子中總淀粉酶活性隨Cd2+濃度的增加而降低，當(dāng)Cd2+濃度≥20 mg/L時(shí)，各處理之間及各處理與對(duì)照之間差異顯著（P<0.05）。由此可知，低濃度Cd對(duì)小麥種子淀粉酶活性影響不大，但是當(dāng)濃度達(dá)到一定水平會(huì)抑制其淀粉酶的活性，淀粉不能正常轉(zhuǎn)化成可溶性糖類，這樣就減少了供植物呼吸直接利用的基質(zhì)，呼吸速率大大降低，從而生長(zhǎng)受到抑制。

2.2 Cd脅迫對(duì)小麥幼苗早期生長(zhǎng)的影響

2.2.1 Cd脅迫對(duì)小麥幼苗MDA含量的影響 如圖2所示，隨Cd2+濃度增加，小麥幼苗中MDA積累量逐漸增多，當(dāng)Cd2+濃度達(dá)到40 mg/L時(shí)，MDA積累量顯著（P<0.05）增多。MDA是膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物，MDA含量增加說(shuō)明Cd脅迫下膜脂過(guò)氧化程度加劇。

2.2.2 Cd脅迫對(duì)小麥幼苗葉片葉綠素含量的影響 由圖3可知，Cd對(duì)小麥幼苗葉綠素a（圖3A）、葉綠素b（圖3B）和葉綠素總含量（圖3C）的影響表現(xiàn)為低促高抑，Cd2+濃度為10 mg/L時(shí)，3者含量均有所提高；Cd2+濃度為20 mg/L時(shí)，小麥葉片中各葉綠素含量與對(duì)照沒(méi)有顯著差異；當(dāng)Cd2+濃度達(dá)到40 mg/L時(shí)，葉綠素a和葉綠素總含量顯著（P<0.05）低于對(duì)照。葉綠素含量隨Cd2+濃度先增高后降低，這可能是由于Cd2+濃度較低時(shí)，植株會(huì)啟動(dòng)自身的防御系統(tǒng)，生成相應(yīng)的解毒物質(zhì)，使葉綠素的傷害降低或合成速度加快，從而使葉綠素的含量呈上升趨勢(shì)；但是隨著Cd2+濃度進(jìn)一步加大，超過(guò)植物的防御能力時(shí)，進(jìn)入植物體的Cd2+會(huì)破壞生物膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉綠體、線粒體及細(xì)胞核等重要器官損傷，影響光合作用，且抑制效應(yīng)與濃度成正相關(guān)。

2.2.3 Cd脅迫對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)的影響 由圖4可知，Cd抑制了小麥的生長(zhǎng)，表現(xiàn)為苗高（圖4A）、根長(zhǎng)（圖4B）和植株總干重（圖4C）均隨Cd2+濃度的增加而顯著降低。此外，根據(jù)日常觀察，Cd2+濃度≥40 mg/L時(shí)，小麥植株變黃，生長(zhǎng)不良。Cd是一種毒害作用很大的物質(zhì)，它會(huì)使植物體內(nèi)酶系統(tǒng)紊亂，膜脂過(guò)氧化程度加劇，破壞蛋白質(zhì)、核酸和一些其他物質(zhì)的合成，而生物量是植物體內(nèi)生理生化過(guò)程變化綜合結(jié)果的體現(xiàn)，因此生物量的變化是反映脅迫處理效應(yīng)的有效指標(biāo)。

3 討論

有研究表明，Cd對(duì)農(nóng)作物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)有一定程度影響，Cd脅迫下，水稻發(fā)芽率降低，且芽和根的伸長(zhǎng)受到抑制[11]；而秦普豐等[12]研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫對(duì)棉花種子萌發(fā)的影響較小，但是嚴(yán)重抑制其幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育。可見，不同作物對(duì)Cd2+脅迫的響應(yīng)不同。本研究結(jié)果表明，0～60 mg/L的Cd對(duì)小麥種子萌發(fā)率和發(fā)芽勢(shì)沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響，但是降低了萌發(fā)過(guò)程中淀粉酶的活性，種子中儲(chǔ)存的淀粉向可溶性糖轉(zhuǎn)化的過(guò)程受阻，因而胚根胚芽突破種皮后的生長(zhǎng)必然受到抑制，表現(xiàn)為葉綠素含量降低、MDA積累量增加以及生物量降低。Cd對(duì)葉片葉綠素的影響表現(xiàn)為低促高抑，當(dāng)Cd濃度為10 mg/L時(shí)，葉綠素含量有所增加；但當(dāng)Cd濃度≥40 mg/L時(shí)，葉綠素含量顯著降低；隨Cd濃度增加MDA積累量持續(xù)增加，根長(zhǎng)、株高以及干重均逐漸降低。此外，根據(jù)日常觀察，Cd濃度大于40 mg/L時(shí)，小麥植株變黃，生長(zhǎng)不良。

綜合而言，Cd脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響不大，其影響主要表現(xiàn)在胚根突破種皮以及胚芽伸長(zhǎng)以后的幼苗生長(zhǎng)階段，導(dǎo)致其膜脂過(guò)氧化程度加重、葉綠素代謝受阻并造成其生長(zhǎng)障礙，且當(dāng)濃度≥40 mg/L時(shí)抑制作用加強(qiáng)。

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