鎘脅迫對(duì)小麥、玉米種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

張 珂，厲萌萌1，劉德權(quán)1，陳飛虎1，馬 闖

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.中國(guó)輕工業(yè)污染治理與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000；3.環(huán)境污染治理與生態(tài)修復(fù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000)

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和人類生產(chǎn)活動(dòng)的加快，越來(lái)越多的重金屬通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤環(huán)境，特別是農(nóng)田中，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]。2014年環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，主要重金屬污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛，其中，鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%，居于主要重金屬污染的首位[3]。

工業(yè)生產(chǎn)中“三廢”的大量排放及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥的大量施用等是導(dǎo)致土壤重金屬鎘污染的主要原因[4]。由于其半衰期長(zhǎng)、不易降解、污染范圍廣、易積累、不可逆、毒性大等特性，鎘被認(rèn)為是最具危害性的重金屬之一[4-6]。鎘不是植物所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，當(dāng)進(jìn)入植物體內(nèi)的鎘積累到一定程度時(shí)，通過(guò)抑制植物的呼吸作用和光合作用、減弱植物體中的酶活性、降低植物可溶性蛋白和可溶性糖的含量等途徑對(duì)植物具有明顯的毒害作用，主要表現(xiàn)為植株生長(zhǎng)緩慢、矮小、葉片黃化、物候期延遲等，從而影響植物的正常生長(zhǎng)并嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量、品質(zhì)和安全[7-9]。農(nóng)田土壤中的鎘又可通過(guò)食物鏈的生物放大給人類及其他動(dòng)物健康帶來(lái)潛在危害[10-11]。

對(duì)種子植物而言，種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)不僅是植物生活周期的起點(diǎn)，也是植物感知外界環(huán)境的最初生命階段。種子萌發(fā)時(shí)期的生長(zhǎng)狀況將直接影響植物以后的生長(zhǎng)。因此，研究植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)受重金屬鎘脅迫的影響顯得尤為重要。目前，較多的研究已關(guān)注重金屬鎘對(duì)作物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)影響，并發(fā)現(xiàn)鎘脅迫對(duì)植物種子萌發(fā)的影響規(guī)律不盡相同[5,12]。本研究以小麥、玉米種子為研究對(duì)象，研究不同濃度鎘脅迫對(duì)小麥、玉米種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，了解作物對(duì)重金屬鎘脅迫的抵抗性，以期為選育耐鎘作物物種及鎘污染農(nóng)田的作物安全生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

小麥、玉米種子均來(lái)源于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。其中，小麥種子選用矮抗58，玉米種子選用提純958。

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著 (p<0.05)。下同。圖1 鎘脅迫下小麥、玉米種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率

1.2 方 法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用分析純CdCl2配制濃度分別為5，10，20，50，100，150，200 mg·L-1的鎘溶液，以去離子水為對(duì)照。

分別取籽粒飽滿、大小一致的小麥、玉米種子，用0.5%的次氯酸鈉溶液浸泡30 min后，用去離子水沖洗數(shù)次。將洗好后的種子浸泡在去離子水中24 h后，取出種子用濾紙吸干種子表面的水分。分別將小麥、玉米種子均勻擺放于鋪有2層濾紙的直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中。其中，小麥種子在每個(gè)培養(yǎng)皿中放入60粒，每組處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，共32個(gè)培養(yǎng)皿；玉米種子在每個(gè)培養(yǎng)皿放入15粒，每組處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共24個(gè)培養(yǎng)皿。將培養(yǎng)皿置于溫度為25 ℃、光暗比為12 h/12 h的光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。每天觀察并記錄種子的發(fā)芽數(shù)，培養(yǎng)7 d后測(cè)定生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.2.2測(cè)定指標(biāo)及方法

以胚芽長(zhǎng)到種子的二分之一作為萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，記錄小麥、玉米種子每天的發(fā)芽種子數(shù)，連續(xù)記錄7 d。于第3天計(jì)算發(fā)芽勢(shì)，于第7天計(jì)算發(fā)芽率，并用刻度尺測(cè)幼苗根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)，計(jì)算發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的抑制率。

發(fā)芽勢(shì)(%)=(3 d萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；發(fā)芽率(%)=(7 d萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，Gt為第t天的萌發(fā)數(shù)，Dt為發(fā)芽日數(shù)；活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù) ×(根長(zhǎng)+芽長(zhǎng))；根長(zhǎng)抑制率(%)=[(對(duì)照組根長(zhǎng)-處理組根長(zhǎng))/對(duì)照組根長(zhǎng)]×100%；芽長(zhǎng)抑制率(%)=[(對(duì)照組芽長(zhǎng)-處理組芽長(zhǎng))/對(duì)照組芽長(zhǎng)]×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件和Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)小麥、玉米種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響

小麥、玉米種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率對(duì)不同濃度鎘脅迫的響應(yīng)不同(圖1)。隨著鎘脅迫濃度的增加，小麥種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率表現(xiàn)出先增加的趨勢(shì)，在鎘脅迫濃度為20 mg·L-1和50 mg·L-1時(shí)，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均為最大，但0，5，10，20，50，100 mg·L-1鎘脅迫處理間無(wú)顯著差異(p> 0.05)；在鎘脅迫濃度為150 mg·L-1和200 mg·L-1時(shí)，小麥種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均顯著降低(p<0.05)，但兩處理間無(wú)顯著差異(p> 0.05)。隨鎘脅迫濃度的增加，玉米種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但各處理間均無(wú)顯著差異(p> 0.05)。

圖2 鎘脅迫下小麥、玉米的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

圖3 鎘脅迫下小麥、玉米的根長(zhǎng)+芽長(zhǎng)

2.2 鎘脅迫對(duì)小麥、玉米種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

從發(fā)芽指數(shù)看，小麥種子發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率呈一致的變化規(guī)律，即在低濃度鎘脅迫(5，10，20，50 mg·L-1)時(shí)表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，在高濃度鎘脅迫(150，200 mg·L-1)時(shí)發(fā)芽指數(shù)則顯著降低(p<0.05)(圖2 a)。隨鎘脅迫濃度的增加，小麥活力指數(shù)逐漸降低，且在高濃度鎘脅迫(150 mg·L-1和200 mg·L-1)時(shí)表現(xiàn)出顯著降低(p<0.05)(圖2 b)。

隨鎘脅迫濃度的增加，玉米發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率也呈一致的變化規(guī)律，即玉米發(fā)芽指數(shù)呈降低趨勢(shì)，但各處理間無(wú)顯著差異(p>0.05)；玉米活力指數(shù)則顯著降低(p<0.05)(圖2 c，d)。

2.3 鎘脅迫對(duì)小麥、玉米根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響

由圖3可見(jiàn)，隨鎘脅迫濃度的增加，小麥、玉米種子萌發(fā)后幼苗的根長(zhǎng)+芽長(zhǎng)顯著降低(p<0.01)。

由表1 可見(jiàn)，隨鎘脅迫濃度的增加，鎘對(duì)小麥、玉米根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)抑制率均顯著增加，且對(duì)根長(zhǎng)的抑制率均高于芽長(zhǎng)的抑制率。其中，在鎘脅迫濃度為200 mg·L-1時(shí)，小麥根長(zhǎng)的抑制率為72.14%，芽長(zhǎng)抑制率為54.07%；在鎘脅迫濃度高于100 mg·L-1時(shí)，玉米根長(zhǎng)的抑制率為100%，玉米芽長(zhǎng)的抑制率在鎘脅迫濃度為200 mg·L-1時(shí)最高，為76.27%。

表1 鎘脅迫對(duì)小麥、玉米根和芽的抑制 單位：%

鎘濃度/(mg·L-1) 小麥 玉米 根長(zhǎng)芽長(zhǎng)根長(zhǎng)芽長(zhǎng)00000513.7318.0325.2616.611016.9919.1846.2429.792022.9821.9953.1737.215043.7826.9577.3244.7810055.1720.0910059.1115065.2326.3510073.0920072.1454.0710076.27

3 討 論

農(nóng)作物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)等是衡量種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)，活力指數(shù)是反映種子品質(zhì)的重要參數(shù)[13]。已有的研究[14-15]表明，重金屬對(duì)植物種子萌發(fā)具有“低促高抑”的影響，即低濃度重金屬在一定程度上可以提高種子胚的生理活性，促進(jìn)種子萌發(fā)；高濃度重金屬則對(duì)種子胚、芽等產(chǎn)生毒害作用，并抑制種子的代謝過(guò)程，從而抑制種子萌發(fā)。本研究中，在種子萌發(fā)特征上，小麥、玉米對(duì)不同濃度鎘脅迫的響應(yīng)不同。其中，低濃度鎘脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用，且在鎘脅迫濃度為20 mg·L-1和50 mg·L-1時(shí)促進(jìn)作用最大，高濃度鎘脅迫對(duì)小麥種子具有顯著的抑制作用，說(shuō)明重金屬鎘對(duì)小麥種子萌發(fā)具有“低促高抑”的作用，這與何俊瑜等[16]、金海燕等[17]及慈恩等[18]的研究結(jié)果一致。然而，不同濃度鎘脅迫對(duì)玉米種子萌發(fā)均有一定的抑制作用，但各處理間無(wú)顯著差異，這一方面體現(xiàn)了不同物種種子對(duì)鎘響應(yīng)的差異性，同時(shí)說(shuō)明在高濃度鎘脅迫下，玉米種子萌發(fā)受鎘的影響相對(duì)較小。此外，李鴻宇等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鎘脅迫濃度為30～50 mg·L-1時(shí)對(duì)玉米種子萌發(fā)的抑制作用最明顯，并提出該濃度可作為篩選耐鎘玉米品種的濃度，而本研究中玉米種子萌發(fā)對(duì)5～200 mg·L-1鎘脅迫濃度的響應(yīng)并不顯著，表明同一物種不同品種對(duì)鎘的耐受程度不同，也進(jìn)一步說(shuō)明研究重金屬脅迫對(duì)不同物種及其不同品種的影響的必要性。

種子萌發(fā)后根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的變化是鑒定幼苗抗逆性的重要指標(biāo)。本研究中，隨鎘脅迫濃度的增加，小麥、玉米的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)受到的抑制作用均顯著增加，這與李國(guó)良[20]、杜喬娣等[12]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明相比于種子萌發(fā)特征，幼苗生長(zhǎng)受鎘脅迫的影響更為顯著。不同濃度鎘脅迫對(duì)幼苗根長(zhǎng)較高的抑制率說(shuō)明鎘對(duì)幼苗根系的抑制作用較大，這可能是由于在種子吸脹萌發(fā)時(shí)，胚根通過(guò)快速吸收水伸長(zhǎng)并最先突破種皮，導(dǎo)致鎘在根系的積累量及鎘離子對(duì)根系的脅迫時(shí)間上均大于芽。同時(shí)，根系在重金屬離子的脅迫下產(chǎn)生逆境乙烯，并向上輸導(dǎo)，逆境乙烯對(duì)細(xì)胞有很強(qiáng)的傷害作用，而且這種傷害首先發(fā)生在根部，從而表現(xiàn)為幼苗根對(duì)重金屬脅迫的反應(yīng)更直接、敏感[12,21]。此外，相比于玉米根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的抑制率，鎘脅迫對(duì)小麥根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的抑制率較低，表明玉米幼苗對(duì)鎘脅迫的敏感性高于小麥幼苗。由此說(shuō)明，即使同一物種，其種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)階段對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)也不一致。

4 結(jié) 論

本研究中，小麥種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)均隨鎘脅迫濃度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，且在鎘脅迫濃度為20 mg·L-1和50 mg·L-1時(shí)，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)為最大；隨鎘脅迫濃度的增加，玉米種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但各處理間均無(wú)顯著差異。隨鎘脅迫濃度的增加，小麥種子活力指數(shù)逐漸降低，且在鎘濃度為150 mg·L-1和200 mg·L-1時(shí)表現(xiàn)最為顯著；玉米活力指數(shù)則顯著降低。鎘對(duì)小麥、玉米根長(zhǎng)的抑制率均高于芽長(zhǎng)的抑制率，且鎘脅迫對(duì)玉米幼苗的抑制率較高。