鎘脅迫下不同改良劑對(duì)水稻種子萌發(fā)和鎘吸收積累的影響

王丙爍，黃益宗，李 娟，龍 健，王 農(nóng)，黃永春

（1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550001；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；3.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550001）

Cd是八大土壤重金屬污染元素之首，其污染范圍廣，污染程度深，對(duì)人體健康危害大，且不易轉(zhuǎn)移、不易降解，導(dǎo)致Cd污染土壤的修復(fù)治理難度非常大。Cd污染來(lái)源可分為自然來(lái)源與人為來(lái)源兩大類，自然因素包括成土母質(zhì)、火山噴發(fā)以及巖石風(fēng)化等，人為因素包括工業(yè)采礦、金屬電鍍及冶煉、化石燃料燃燒、大氣沉降、汽車尾氣排放、生活廢水排放、農(nóng)藥化肥的不合理施用、污水灌溉等?！度珖?guó)土壤污染狀況調(diào)查報(bào)告》[1]指出，我國(guó)土壤重金屬污染嚴(yán)重，其中Cd點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%，位列第一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)受Cd污染的耕地面積已超過(guò)130 km2[2]。植物在Cd污染土壤中生長(zhǎng)，其根系活性氧增加而受到氧化損傷[3]。植物受到Cd毒害導(dǎo)致生長(zhǎng)受到抑制，同時(shí)Cd會(huì)被植物吸收積累，隨著食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)。Cd是人體非必需元素，當(dāng)人體內(nèi)Cd積累到一定量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致高血壓、骨質(zhì)疏松、肝腎功能衰竭以及引起細(xì)胞癌變、突變等，Cd中毒可患“痛痛病”，使骨骼變形或?qū)е鹿钦踇4]。可見(jiàn)，Cd污染百害無(wú)一利，因而必須對(duì)Cd污染土壤進(jìn)行修復(fù)治理。

硼酸（Orthoboric acid）作為硼（B）肥中常見(jiàn)的原料，可為植物生長(zhǎng)提供B元素。B能促進(jìn)植物體內(nèi)碳水化合物的運(yùn)輸，有利于細(xì)胞壁的合成與穩(wěn)定，并影響著蛋白質(zhì)和核酸的代謝[5]，還能緩解逆境脅迫對(duì)植物的毒害作用。褪黑素（Melatonin）是一種吲哚類激素，參與生物體內(nèi)多種調(diào)節(jié)過(guò)程。在Cd脅迫下，添加褪黑素可提高水稻體內(nèi)POD、SOD和CAT活性，降低MDA含量，促進(jìn)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)[6]，同時(shí)還能降低植物對(duì)Cd的吸收積累[7]。鉬酸鈉（Sodium molybdate dihydrate）通常作為鉬（Mo）肥和復(fù)合肥料的成分之一，為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。植物體內(nèi)含多種Mo酶，能調(diào)節(jié)多種代謝過(guò)程[8]，Mo還能提高植物抗寒[9]、抗干旱[10]、抗鹽害[11]、抗重金屬脅迫[12]的能力。硅酸鈉（Sodium silicate）作為硅（Si）肥的原料之一，近年來(lái)在修復(fù)重金屬污染土壤方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[13]。研究表明，添加硅酸鈉能顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量以及水稻籽粒中的Cd含量[14]。

以上不同改良劑對(duì)植物重金屬脅迫的緩解作用盡管已有一些研究，但其對(duì)Cd脅迫下水稻種子萌發(fā)、水稻吸收積累Cd的影響差異還未見(jiàn)報(bào)道。本文在同一生長(zhǎng)條件下比較硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉對(duì)水稻種子萌發(fā)、水稻吸收積累Cd的影響，以期篩選出有效治理Cd污染的改良劑，為Cd污染農(nóng)田大面積治理推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 水稻品種

供試水稻品種為潭兩優(yōu)83（國(guó)審稻2010002），記為T83，屬秈型兩系雜交水稻，品種來(lái)源于潭農(nóng)S和潭早183，熟期適中，產(chǎn)量高。T83在長(zhǎng)江中下游作雙季早稻種植，全生育期平均109.4 d，株型適中，株高82.7 cm，穗長(zhǎng)19.4 cm，每穗總粒數(shù)109.1粒，結(jié)實(shí)率84.4%，千粒重26.1 g（選育單位：湘潭市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所）。

1.1.2 化學(xué)試劑及改良劑

試驗(yàn)所用Cd為氯化鎘，分析純；改良劑硼酸、硅酸鈉和鉬酸鈉均為分析純；褪黑素為優(yōu)級(jí)純。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 萌發(fā)試驗(yàn)

設(shè)置0、1、5 μmol·L-13個(gè)Cd濃度處理，5種改良劑處理：不添加改良劑（CK）、1 mg·L-1硼酸（B）、10 μmol·L-1褪黑素（MT）、0.5 mg·L-1鉬酸鈉（Mo）和 1 mmol·L-1硅酸鈉（Si），共15組處理，每組處理重復(fù)3次。硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉處理濃度根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)以及筆者的前期研究報(bào)道設(shè)置[6，12，15-16]。選取適量籽粒飽滿、顆粒大小相當(dāng)?shù)腡83水稻種子，用5%的過(guò)氧化氫（H2O2）浸泡15 min以消毒，用去離子水反復(fù)沖洗3～5遍，將消毒洗凈的T83種子放入28℃的恒溫電熱培育箱中避光催芽1 d。挑選露白狀況大致相同的種子均勻擺放在鋪有兩層直徑為90 mm濾紙的玻璃培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿放30粒種子，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置加入5 mL不同Cd濃度處理液和5 mL不同改良劑處理液組合（CK用去離子水代替），共45個(gè)培養(yǎng)皿，放入28℃的恒溫電熱培育箱中避光萌發(fā)。培養(yǎng)期間每日更換一次濾紙及處理液，并定期觀察記錄種子的萌發(fā)情況。

1.2.2 水培試驗(yàn)

水培試驗(yàn)與萌發(fā)試驗(yàn)中設(shè)置的Cd濃度和不同改良劑濃度均相同，即3個(gè)Cd濃度和5個(gè)改良劑處理，共15個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。選取籽粒飽滿、顆粒大小相當(dāng)?shù)腡83水稻種子若干，用5%的H2O2消毒浸泡15 min，用去離子水反復(fù)沖洗3～5遍。將種子均勻?yàn)⒃谒芰嫌绫P上，種子的間距不宜過(guò)密，以確保種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)有充足的氧氣和生長(zhǎng)空間，育苗盤中的去離子水以剛好浸沒(méi)種子為宜。將盛有種子的育苗盤放入28℃的恒溫電熱培育箱中避光催芽萌發(fā)，1 d后將露白萌發(fā)的種子轉(zhuǎn)移至人工氣候室內(nèi)（條件：溫度為28℃、濕度為95%、光照為100%）培養(yǎng)，遮光處理2 d。一周后將水稻幼苗轉(zhuǎn)移至容積為8 L的聚乙烯（PE）水培箱中繼續(xù)培養(yǎng)，用高密度凈化海綿包裹水稻幼苗進(jìn)行固定，每個(gè)孔移栽4株，每株水稻幼苗間相隔一定的距離，以保證幼苗生長(zhǎng)有足夠的空間。用pH值為5.5、濃度1/8的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液（表1）培養(yǎng)一周。待水稻幼苗長(zhǎng)至三葉一心期時(shí)，將水培箱中的溶液更換為去離子水，對(duì)水稻幼苗進(jìn)行饑餓處理1 d，再分別對(duì)幼苗進(jìn)行不同的試驗(yàn)處理。

表1 營(yíng)養(yǎng)液配方（mg·L-1）Table 1 Nutrient solution formula（mg·L-1）

挑選長(zhǎng)勢(shì)大致相同的水稻幼苗移至500 mL的PVC罐中（高14 cm、內(nèi)口徑7 cm），每罐移栽4株，每株水稻幼苗間隔一定距離，以保證幼苗生長(zhǎng)有足夠的空間。為了避免氣候室每個(gè)位置光線強(qiáng)弱差異對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響，每日變換一次PVC罐放置的位置。PVC罐中液體為Hoagland營(yíng)養(yǎng)液和不同Cd濃度處理液與不同改良劑處理液，處理液每3 d更換一次，并在第8 d和第22 d分別收取水稻樣品。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 萌發(fā)試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定

萌發(fā)試驗(yàn)階段，分別在添加處理液3 d和7 d后統(tǒng)計(jì)有效發(fā)芽的種子數(shù)，用于計(jì)算發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率。水稻種子根長(zhǎng)大于種子長(zhǎng)，且芽長(zhǎng)比種子長(zhǎng)一半大時(shí)算作有效發(fā)芽。

發(fā)芽勢(shì)=（3 d內(nèi)有效發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù)）×100%

發(fā)芽率=（7 d內(nèi)有效發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù)）×100%

處理7 d后收取樣品，用直尺測(cè)量水稻幼苗的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)，取平均值。將水稻樣品拆分為根和芽，用天平稱量水稻幼苗的根鮮質(zhì)量和芽鮮質(zhì)量，按每皿計(jì)算。分別將根和芽裝入信封中，置于80℃的烘箱中烘干至恒質(zhì)量，采用硝酸消解法進(jìn)行消解，隨后用原子吸收分光光度計(jì)-石墨爐測(cè)定水稻樣品根系和幼芽中的Cd含量。

1.3.2 水培試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定

水培試驗(yàn)階段，在添加處理液之后的第8 d和第22 d，從每個(gè)PVC罐中隨機(jī)收取2株水稻苗，將其根部放在5%的氯化鈣溶液中浸泡30 min，再用去離子水沖洗、浸泡，反復(fù)3次。將清洗好的水稻樣品拆分為根和莖葉分別裝入信封中，置于80℃的烘箱中烘干至恒質(zhì)量，采用硝酸消解法進(jìn)行消解，隨后用原子吸收分光光度計(jì)-石墨爐測(cè)定水稻樣品根系和莖葉中的Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010和SPSS 21.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)圖標(biāo)繪制，并對(duì)不同處理間的數(shù)據(jù)用單因素方差分析（ANOVA）進(jìn)行兩兩比較（Duncan多重比較）以檢驗(yàn)差異顯著性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響

2.1.1 水稻種子發(fā)芽情況

沒(méi)有Cd脅迫時(shí)，添加4種改良劑對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)無(wú)顯著影響，Cd脅迫后4種改良劑對(duì)水稻種子發(fā)芽勢(shì)均有顯著的促進(jìn)作用（圖1）。1 μmol·L-1和5 μmol·L-1Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)與CK相比分別降低22.2%和31.1%。在1 μmol·L-1Cd脅迫下，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉使水稻種子發(fā)芽勢(shì)分別比CK處理提高15.6%、16.7%、16.7%和17.8%；在5 μmol·L-1Cd脅迫下添加這4種改良劑使水稻種子發(fā)芽勢(shì)分別提高17.8%、17.8%、17.8%和22.2%，4種改良劑緩解Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)的效果相近。

圖2為Cd脅迫下不同改良劑對(duì)水稻種子發(fā)芽率的影響。如圖所示，Cd脅迫對(duì)種子發(fā)芽率也有抑制作用。1 μmol·L-1和5 μmol·L-1Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽率相比CK處理分別降低8.9%和16.7%。在1 μmol·L-1Cd脅迫下，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉使水稻種子發(fā)芽率分別比CK處理提高6.7%、7.8%、7.8%和5.6%，在5 μmol·L-1Cd脅迫下分別提高11.1%、10.0%、11.1%和10.0%。2.1.2水稻幼根和幼芽的生物量

圖1 不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響Figure 1 Effects of different amendments on germination potential of rice seeds under Cd stress

圖2 不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽率的影響Figure 2 Effects of different amendments on germination rate of rice seeds under Cd stress

從表2中可以看出，水稻幼根和幼芽生長(zhǎng)均明顯受到Cd脅迫的抑制，尤其是對(duì)根系生長(zhǎng)的抑制作用更強(qiáng)。隨著Cd濃度增加，水稻根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)相對(duì)減少。與CK處理相比，1 μmol·L-1Cd脅迫下水稻根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)分別減少1.47 cm和0.62 cm。當(dāng)Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，水稻根長(zhǎng)比CK處理減少3.01 cm，芽長(zhǎng)減少0.93 cm。添加不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻根、芽生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用。當(dāng)Cd濃度為1 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉使水稻根長(zhǎng)分別比CK提高10.2%、10.9%、12.0%和10.5%，芽長(zhǎng)除了硅酸鈉處理顯著提高11.0%外，其他改良劑處理影響不顯著。當(dāng)Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉使水稻幼根長(zhǎng)分別比CK提高41.3%、40.9%、40.1%和37.5%，芽長(zhǎng)除了硅酸鈉處理顯著提高12.6%外，其他改良劑處理影響不顯著。4種改良劑中，硅酸鈉促進(jìn)水稻幼芽生長(zhǎng)效果較好。

表2 不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響Table 2 Effects of different amendments on root and shoot length of rice under Cd stress

表3為不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻根鮮質(zhì)量和芽鮮質(zhì)量的影響，在Cd脅迫下，水稻根鮮質(zhì)量和芽鮮質(zhì)量均有所下降。Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，水稻根鮮質(zhì)量比CK處理降低0.08 g，幼芽鮮質(zhì)量降低0.09 g。Cd濃度為1 μmol·L-1時(shí)，添加硅酸鈉使水稻根鮮質(zhì)量和芽鮮質(zhì)量分別比CK顯著提高23.8%和15.2%，添加其他改良劑處理影響效果不顯著。Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，添加硅酸鈉后水稻根鮮質(zhì)量和芽鮮質(zhì)量分別比CK顯著提高38.9%和16.1%，添加其他改良劑處理影響也不顯著（MT處理的芽鮮質(zhì)量除外）。

表3 不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻根鮮質(zhì)量和芽鮮質(zhì)量的影響（g）Table 3 Effects of different amendments on root and shoot fresh weight of rice under Cd stress（g）

2.1.3 種子萌發(fā)過(guò)程中水稻幼根和幼芽的Cd含量

Cd脅迫下不同改良劑對(duì)水稻幼根中Cd含量的影響如圖3所示，可以看出不同改良劑均顯著降低了水稻根系Cd含量（P＜0.05）。當(dāng)Cd濃度為1 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉使水稻幼根Cd含量分別比CK處理降低53.1%、53.6%、54.6%和48.5%；當(dāng)Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，水稻幼根Cd含量分別降低50.1%、51.3%、47.0%和38.6%。

圖4為水稻幼芽中的Cd含量。當(dāng)Cd濃度為1 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉后水稻幼芽Cd含量分別比CK處理顯著降低21.5%、24.6%、30.7%和23.2%；當(dāng)Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，水稻幼芽Cd含量分別顯著降低36.9%、41.1%、39.3%和39.5%。

圖3 Cd脅迫下不同改良劑對(duì)種子萌發(fā)過(guò)程水稻幼根Cd含量的影響Figure 3 Effects of different amendments on Cd concentrations of rice root during seed germination under Cd stress

圖4 Cd脅迫下不同改良劑對(duì)種子萌發(fā)過(guò)程水稻幼芽Cd含量的影響Figure 4 Effects of different amendments on Cd concentrations in shoot of rice during seed germination under Cd stress

2.2 水培實(shí)驗(yàn)中不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻吸收積累Cd的影響

圖5 為水培試驗(yàn)處理8 d后不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻根系Cd含量的影響。當(dāng)Cd濃度為1 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉使水稻根系Cd含量分別比CK處理降低32.6%、38.3%、47.0%和72.5%（P＜0.05）；當(dāng)Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)分別降低4.3%、21.0%、20.2%和23.3%。4種改良劑中，硅酸鈉處理效果最明顯。

當(dāng)Cd濃度為1 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸、褪黑素和鉬酸鈉對(duì)水稻莖葉Cd含量影響不顯著（P>0.05），但是硅酸鈉處理使水稻莖葉Cd含量比CK顯著降低75.1%（圖6）；當(dāng)Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸對(duì)水稻莖葉Cd含量影響不顯著，但是添加褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉使水稻莖葉Cd含量分別比CK處理顯著降低31.9%、27.9%和63.1%，硅酸鈉處理效果最顯著，硼酸處理效果最差。

圖7為水培處理22 d后不同改良劑對(duì)水稻根系Cd含量的影響。當(dāng)Cd濃度為1 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸對(duì)水稻根系Cd含量影響不顯著（P>0.05），但是褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉處理使水稻根系Cd含量分別比CK顯著降低17.7%、25.7%和33.7%；當(dāng)Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉使水稻根系Cd含量分別比CK處理顯著降低6.7%、13.8%、13.1%和14.4%。對(duì)于水稻莖葉而言（圖8），當(dāng)Cd濃度為1 μmol·L-1時(shí)，添加硼酸和褪黑素對(duì)水稻莖葉Cd含量影響不顯著（P>0.05），但是鉬酸鈉和硅酸鈉處理使水稻莖葉Cd含量分別比CK顯著降低44.2%和41.5%；當(dāng)Cd濃度為5 μmol·L-1時(shí)，硼酸和鉬酸鈉降低Cd含量效果不明顯，但是褪黑素和硅酸鈉使水稻莖葉Cd含量分別比CK顯著降低33.1%和50.5%（P＜0.05）。

表4為不同改良劑對(duì)5 μmol·L-1Cd脅迫下水稻根系到莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響。與沒(méi)有添加任何改良劑的CK處理相比，添加4種改良劑均能降低水稻的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，但是除了硅酸鈉處理達(dá)到顯著水平（P＜0.05）外，其余3種改良劑均不存在顯著差異。從表4中可以看出，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，Cd從水稻根系到莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在增大，這種現(xiàn)象在不同改良劑處理下保持一致。從處理8 d到處理22 d，不添加改良劑時(shí)水稻轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提高了0.04，添加硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉處理時(shí)水稻轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別增加了0.02、0.01、0.02和0.02。

圖5 水培試驗(yàn)中不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻根系Cd含量的影響（8 d）Figure 5 Effects of different amendments on Cd concentrations of rice roots under Cd stress in solution culture（8 d）

圖6 水培試驗(yàn)中不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻莖葉Cd含量的影響（8 d）Figure 6 Effects of different amendments on Cd concentrations of rice stem and leaf under Cd stress in solution culture（8 d）

圖7 水培試驗(yàn)中不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻根系Cd含量的影響（22 d）Figure 7 Effects of different amendments on Cd concentrations of rice root under Cd stress in solution culture（22 d）

圖8 水培試驗(yàn)中不同改良劑對(duì)Cd脅迫下水稻莖葉Cd含量的影響（22 d）Figure 8 Effects of different amendments on Cd concentrations of rice stem and leaf under Cd stress in solution culture（22 d）

表4 水培試驗(yàn)中不同改良劑對(duì)5 μmol·L-1Cd脅迫下水稻轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響Table 4 Effects of different amendments on translocation factors of rice under 5 μmol·L-1Cd stress in solution culture

3 討論

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，尤其在南方地區(qū)普遍種植水稻，而我國(guó)南方地區(qū)農(nóng)田Cd污染問(wèn)題比較嚴(yán)重，這不僅影響水稻生長(zhǎng)與稻米產(chǎn)量，更會(huì)危害人體健康。Cd對(duì)水稻萌發(fā)及生長(zhǎng)有抑制作用，且不同水稻品種對(duì)Cd的耐受性有所不同[17]。陳京都等[18]發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫不僅影響水稻產(chǎn)量，還會(huì)抑制水稻對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素Mg、P和K的吸收。本研究結(jié)果表明，Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率顯著降低，水稻根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量和芽鮮質(zhì)量均明顯減少。隨著水稻培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，水稻根系向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)的Cd會(huì)逐漸增多，表明水稻品種T83具有較強(qiáng)的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力，這與胡瑩等[19]的研究中秈稻品種對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)情況一致。由于水稻籽粒Cd含量與根系向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Cd存在顯著正相關(guān)關(guān)系[20]，因此可推測(cè)T83可能存在水稻籽粒Cd含量較高的風(fēng)險(xiǎn)。

添加1 mg·L-1硼酸處理使水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率、水稻根長(zhǎng)顯著提高，降低種子萌發(fā)過(guò)程中水稻幼根和幼芽Cd含量，說(shuō)明B肥對(duì)水稻Cd污染防治有一定作用，與前人的研究結(jié)果相一致[21]。植物吸收的B大部分靠土壤提供，而我國(guó)許多省份耕層土壤中B元素含量不足，土壤中的B可能隨淋溶過(guò)程流失，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)過(guò)程中B素缺乏，因此B肥的施用尤為重要。對(duì)于重金屬污染農(nóng)田土壤而言，適量施加B肥不僅能提高作物的產(chǎn)量，還能緩解重金屬對(duì)植物的脅迫作用，降低作物食用部分的重金屬含量。研究表明，B可通過(guò)絡(luò)合膜組分來(lái)穩(wěn)定質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，與酚類物質(zhì)結(jié)合從而保護(hù)細(xì)胞膜免受毒害，這可能是B抗逆境脅迫的機(jī)制之一[22]。拉飛克等[21]研究表明，添加0.5 mg·L-1的B能顯著減緩Cd脅迫下植物POD、SOD和CAT活性的下降，降低O-2·產(chǎn)生速率，使植物的抗氧化能力得到提高，同時(shí)植物體內(nèi)葉綠素和可溶性蛋白含量顯著增加，從而提高了槐葉萍抵抗Cd脅迫的能力。葉綠素影響著植物的光合作用，可溶性蛋白能調(diào)節(jié)水平衡，可溶性糖能調(diào)節(jié)滲透性，脯氨酸可對(duì)細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)起到保護(hù)作用，并參與活性氧自由基的清除，這些物質(zhì)對(duì)植物抵抗重金屬的迫害都有一定的幫助，這也可能是B有抗逆性的原因之一。還有可能是B與重金屬之間存在拮抗作用和競(jìng)爭(zhēng)吸收，因而添加B能夠減少水稻對(duì)重金屬的吸收[15]。

本研究中，在 5 μmol·L-1Cd 脅迫下，添加 10 μmol·L-1褪黑素處理使水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率分別提高17.8%和10%，種子萌發(fā)過(guò)程中水稻幼根和幼芽Cd含量分別降低51.3%和41.1%，說(shuō)明褪黑素緩解Cd污染脅迫下水稻生長(zhǎng)的效果顯著，這與劉仕翔等[6]的研究結(jié)果一致。褪黑素是目前發(fā)現(xiàn)的抗氧化作用最強(qiáng)的自由基清除劑，能有效緩解Cd對(duì)植物胚芽和生殖組織的氧化損傷[23]。在萌發(fā)試驗(yàn)中，褪黑素促進(jìn)了水稻根芽生長(zhǎng)，根系作為水稻吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，直接反映了Cd毒害作用對(duì)水稻的影響。Sarropoulou等[23]證明，褪黑素確實(shí)具有促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)的作用。Posmyk等[24]研究表明，在Cu2+脅迫條件下，經(jīng)褪黑素預(yù)處理后的紅花甘藍(lán)種子發(fā)芽率顯著提高。黃佳璟等[7]發(fā)現(xiàn)，噴施褪黑素能夠提高Cd脅迫下的蘿卜生物量、抗氧化酶活性、可溶性蛋白含量、葉綠素含量等，同時(shí)，還能降低植物中的Cd含量，促進(jìn)蘿卜生長(zhǎng)。唐懿等[25]研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素浸種對(duì)植物有生長(zhǎng)調(diào)節(jié)作用，能促進(jìn)豌豆幼苗生長(zhǎng)，提高葉綠素含量，增強(qiáng)光合作用，緩解了Cd對(duì)豌豆幼苗的毒害。褪黑素緩解重金屬脅迫的機(jī)制可能是因?yàn)橥屎谒啬軌蚝徒饘匐x子進(jìn)行螯合，形成毒性較低或無(wú)毒的物質(zhì)從而降低重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的毒害[26]。

添加0.5 mg·L-1鉬酸鈉處理對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率也有顯著提高，種子萌發(fā)和水培實(shí)驗(yàn)中水稻植株Cd含量也顯著降低（圖3～圖5），證實(shí)鉬酸鈉也是一種緩解水稻Cd污染脅迫的有效改良劑。Mo是植物和動(dòng)物正常生長(zhǎng)必不可缺的營(yíng)養(yǎng)元素之一，植物補(bǔ)充Mo元素能夠防治葉片卷曲、枯黃等病害[26]。Babenko等[27]通過(guò)種子預(yù)處理和噴施葉面肥來(lái)激活植物中含Mo酶的活性，提高了哈薩克斯坦北部草原區(qū)牧草的產(chǎn)量，該研究發(fā)現(xiàn)，Mo處理可以增加硝酸還原酶、醛氧化酶和黃嘌呤脫氫酶的活性，從而降低植物組織的氧化損傷，改善植物健康。孫學(xué)成等[28]研究表明，施Mo能有效提高植物葉片抗氧化酶活性，提高植物抗寒能力。聶呈榮等[29]表示，經(jīng)過(guò)鉬酸鈉浸種后花生種子發(fā)芽率得到提高，有效促進(jìn)了種子胚根的生長(zhǎng)，減緩了清除活性氧能力的下降，維持了較好的自我保護(hù)能力。Mo肥對(duì)降低蔬菜中的硝酸鹽含量也有明顯的作用[30]。袁彪等[12]發(fā)現(xiàn)，添加Mo能顯著降低As脅迫下水稻根系及莖葉的As積累，增加生物量，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。本研究中，添加鉬酸鈉顯著促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)發(fā)育，有效緩解了Cd對(duì)植物的毒害，其原理可能是因?yàn)橹参镏杏卸喾N酶含Mo，施Mo后能影響含Mo酶的活性而使其發(fā)揮作用。還有可能是因?yàn)镸o是高等植物生長(zhǎng)的必需元素，它能促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，從而增加植物的抗逆性。

本研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下添加1 mmol·L-1硅酸鈉處理均使水稻種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量、芽鮮質(zhì)量比CK處理顯著提高；種子萌發(fā)和水培實(shí)驗(yàn)中水稻植株Cd含量也顯著降低，而且4種改良劑中硅酸鈉處理的效果最顯著，它是一種緩解水稻Cd污染脅迫的最有效的改良劑。已經(jīng)有大量的研究結(jié)果從促進(jìn)植物生長(zhǎng)和降低重金屬遷移性等多方面證實(shí)了Si對(duì)緩解重金屬脅迫有顯著效果，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果相一致。孫巖等[31]研究表明，Si能降低水稻中Cd的遷移性，從而緩解Cd對(duì)水稻的毒害作用。黃秋嬋等[32]研究表明，加Si能夠促進(jìn)水稻吸收Mg、Cu、Zn、Fe元素以提高光合作用產(chǎn)物。葛永紅等[33]用硅酸鈉溶液對(duì)李杏果實(shí)進(jìn)行浸泡處理，研究結(jié)果表明，硅酸鈉可以提高活性氧的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)酶活性以及苯丙烷代謝，增加果實(shí)對(duì)病害的抗性。薛高峰等[34]首次發(fā)現(xiàn)了施Si能提高由細(xì)菌引起的水稻抗白葉枯病害的能力，同時(shí)能顯著增加水稻植株的生物量。在土壤重金屬修復(fù)中，硅酸鈉是常見(jiàn)的鈍化劑，主要修復(fù)機(jī)理是提高土壤pH值、改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)等[35]。Chen等[36]研究表明，水稻葉面噴施納米Si能顯著降低籽粒中Cd的積累。向猛等[16]研究表明，加Si能明顯降低Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）在水稻根系及莖葉中的積累量，說(shuō)明Si能有效緩解重金屬對(duì)水稻的毒害作用。王怡璇等[14]發(fā)現(xiàn)，施Si不僅能增加水稻產(chǎn)量，還能促進(jìn)水稻根表鐵膜的形成，從而降低Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，減少籽粒中Cd的含量。史新慧等[37]通過(guò)對(duì)Si結(jié)合蛋白的定位表示，抑制質(zhì)外體途徑的運(yùn)輸量從而降低了Cd向莖葉的運(yùn)輸。

4 結(jié)論

（1）萌發(fā)試驗(yàn)中，4種改良劑硼酸、褪黑素、鉬酸鈉和硅酸鈉均顯著提高Cd脅迫下水稻種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，促進(jìn)水稻種子根芽生長(zhǎng)，降低水稻對(duì)Cd的吸收積累，對(duì)水稻Cd毒害起到了一定的緩解作用。

（2）水培實(shí)驗(yàn)中，4種改良劑也能不同程度地降低水稻根系和莖葉中的Cd含量，其中硅酸鈉的處理效果最明顯，其次是鉬酸鈉和褪黑素，硼酸的效果稍差。本研究結(jié)果顯示，硅酸鈉能更有效地緩解Cd毒害，下一步可在Cd污染農(nóng)田進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從而在農(nóng)田Cd污染治理中推廣應(yīng)用。