不同濃度鎘（Cd）對水稻幼苗生長的影響

鄭欣怡

摘?要：探究水稻幼苗植株對鎘（Cd）的適應能力，為水稻的重金屬防治提供理論基礎(chǔ)。利用瓊脂培養(yǎng)條件模擬濕地環(huán)境，研究在不同Cd濃度條件下水稻幼苗植株生長、Cd含量及生理指標的所受影響及其對Cd的適應能力。結(jié)果表明：水稻幼苗內(nèi)Cd元素含量隨添加的Cd濃度升高而升高，根系中的Cd含量遠高于地上部，當Cd濃度≥2.5 mg· L-1時，水稻幼苗鮮重、干重、株高和根長的抑制均達到了顯著程度。瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中的鎘濃度在0～20 mg· L-1范圍內(nèi)，富集系數(shù)在Cd濃度為10.0 mg·L-1時達到最小，隨后趨于平穩(wěn);轉(zhuǎn)運系數(shù)呈先增長后趨于平穩(wěn)的趨勢。綜上說明水稻幼苗在Cd濃度≥2.5 mg· L-1時生長受到顯著抑制，水稻幼苗對Cd具有一定的富集和轉(zhuǎn)運能力。

關(guān)鍵詞：鎘（Cd）;水稻;瓊脂培養(yǎng)基質(zhì);植株生長

中圖分類號：S511?文獻標志碼：A?文章編號：0253-2301（2020）10-0022-05

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2020.10.004

Abstract： The adaptability of rice seedlings to cadmium （Cd） was explored in this paper， in order to provide theoretical basis for the prevention and control of heavy metals in rice. The effects of different cadmium concentrations on the plant growth， cadmium content and physiological indexes of rice seedlings and their adaptability to cadmium were studied by using the agar culture medium to simulate the wetland environment. The results showed that the content of cadmium in rice seedlings increased with the increase of the concentration of cadmium， and the content of cadmium in the root was much higher than that in the aboveground parts. When the concentration of cadmium ≥2.5 mg·L-1， the inhibition of fresh weight， dry weight， plant height and root length of rice seedlings reached a significant degree. The concentration of cadmium in the agar culture medium ranged from 0 to 20 mg· L-1， and the concentration coefficient reached the minimum when the concentration of cadmium was 10.0 mg·L-1 and then leveled off;while the transfer coefficient increased first and then tended to be stable. In conclusion， the growth of rice seedlings was significantly inhibited when the concentration of cadmium ≥2.5 mg·L-1， and the rice seedlings had certain enrichment and transport capacity to cadmium.

Key words： Cadmium （Cd）;Rice;Agar culture medium;Plant growth

鎘（Cd）是一種具有很強毒性的金屬物質(zhì)，土壤中的鎘有較強的向植物根系遷移的能力，因此植物往往容易富集鎘[1-2]。植物受鎘毒害的程度因植物種類、鎘濃度以及植物受脅迫的發(fā)育階段不同而存在較大差異[3-4]。水稻是世界第二大糧食作物，也是我國第一大糧食作物，因此稻谷的品質(zhì)與人們的健康密切相關(guān)。科學研究發(fā)現(xiàn)鎘污染在水稻中表現(xiàn)得尤為突出[5]。目前針對Cd脅迫下水稻的生長、Cd積累特征的研究多是從重金屬復合脅迫等角度入手且大多限于對水稻形態(tài)指標的考查和分析[6-8]。但單一重金屬Cd對水稻幼苗生長及生理特性的影響，顯著影響水稻幼苗生長和生理指標的Cd脅迫濃度，及轉(zhuǎn)運規(guī)律尚待進一步明確。有研究表明，生長在瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中的水稻所形成的形態(tài)和結(jié)構(gòu)與生長在厭氧的濕地環(huán)境中相似[9]。本試驗選用瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)模擬水稻厭氧的濕地環(huán)境，研究在接近水稻生長的實際環(huán)境中，不同濃度Cd對水稻幼苗生長的影響和Cd在水稻幼苗體內(nèi)的轉(zhuǎn)運富集情況，可為Cd低積累水稻品種的選育提供信息，也為水稻的重金屬Cd污染防治提供理論參考，對稻米的安全生產(chǎn)和環(huán)境保護具有重要意義。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

供試水稻品種為Y兩優(yōu)911，種子購于福建省種子公司。

Hogland溶液：購于福州飛凈生物科技有限公司。

1.2?試驗方法

1.2.1?試驗處理?選取籽粒飽滿的水稻種子，以30% H2O2浸泡15 min，用去離子水沖洗后置于培養(yǎng)皿中，恒溫避光催芽。

配制不同Cd濃度的瓊脂基質(zhì)（Hogland溶液）。將瓊脂粉煮沸1 h，其間不斷攪拌，待至室溫時再加入Hogland溶液混勻，然后加入CdCl2·2H2O，配成不同Cd濃度梯度的瓊脂溶液，將制好的瓊脂溶液置于聚氯乙烯盆（直徑9 cm、高12 cm）中，每盆500 mL。

待水稻幼苗長至1葉1心時，選擇長勢優(yōu)良、植株情況相近的幼苗分別移植至處理好的瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中，設(shè)置6個Cd濃度梯度（0、1.0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0 mg·L-1），其中以不添加Cd為對照（CK），每個處理3次重復，每次重復3株植株。每5 d更新1次瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)。處理10 d后測定Cd對水稻幼苗的影響。

1.2.2?測定指標及方法?水稻幼苗的植株高度、植株根部及地上部分的鮮重和干重、植株中元素（Cd、As、Pb）含量、轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)。

其中幼苗的株高以游標卡尺測定;植株不同部位的鮮重及干重使用電子天平測定，干重先105℃下殺青10 min，再在60℃下烘干至恒重[10];Cd元素含量使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定;轉(zhuǎn)移系數(shù)是指水稻幼苗地上部分與地下部分Cd含量的比值[11];富集系數(shù)是指水稻幼苗地上部分鎘含量與瓊脂基質(zhì)中鎘含量的比值[12]。

1.3?數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)圖表采用Excel 2013軟件處理，多重差異顯著性采用SPSS 21軟件分析，有效數(shù)據(jù)使用Duncan′s新復極差法進行多重比較分析。試驗結(jié)果為3次測定結(jié)果的平均值。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同濃度Cd對水稻幼苗生長的影響

由表1可知，隨鎘濃度的增加水稻幼苗的生長受到一定影響。與不添加Cd的對照組CK相比，瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中添加Cd濃度為1.0 mg·L-1時，株高略有下降但差異不顯著（P>0.05），說明較低濃度的鎘脅迫對水稻幼苗植株長勢的影響不大;而當瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中Cd濃度≥2.5 mg·L-1時，隨著Cd濃度的增加，株高及植株生長狀態(tài)均受到明顯抑制（P<0.05）;與CK組相比，Cd濃度為2.5、5.0、10.0 mg·L-1時，植株高度依次下降，且伴有越來越明顯的葉根系褐變、植株發(fā)育不良、葉尖呈現(xiàn)褐色壞死斑、葉色變黃現(xiàn)象（圖1）;當Cd濃度≥15 mg·L-1時，15 d后大部分水稻植株萎蔫干枯甚至停止生長。

2.2?不同濃度Cd對水稻幼苗生長量的影響

由圖2可知，隨Cd濃度的增加水稻幼苗的生長量受鎘危害影響明顯。與不添加Cd的對照組CK相比，瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中添加Cd濃度為1.0 mg· L-1時，植株不同部位的鮮重略有下降，不同部位的干重基本不變;當瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中Cd濃度≥2.5 mg· L-1時，隨著Cd濃度的增加，植株不同部位的鮮、干重均呈現(xiàn)顯著抑制（P<0.05）;與CK相比，Cd濃度為2.5、5.0、10.0 mg· L-1時，植株葉、根因受鎘為害難越來越難以萌發(fā)，導致植株鮮重依次下降34.18%、50.63%和58.23%，植株干重依次下降22.22%、33.33%和33.33%;當Cd濃度≥15.0 mg· L-1時，植株各項生長量為試驗最低，且存活植株試驗結(jié)束后全部死亡。

2.3?不同濃度Cd對水稻幼苗重金屬分布的影響

由表2可知，水稻幼苗中不同部分的Cd含量均隨瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中不同Cd濃度的增加而上升，Cd分布規(guī)律為根系大于地上部。在整個植株中，水稻幼苗根部對鎘具有較強的吸收與積累能力，其中當Cd濃度為20.0 mg·L-1時，地上部和地下部Cd含量分別達到最大值，為24.532 mg·kg-1和265.509 mg·L-1;伴隨著植株中Cd含量的增加，水稻幼苗中富集的砷（As）及鉛（Pb）含量呈現(xiàn)逐漸增大的吸收和富集趨勢，當幼苗地下部Cd含量達到最大值時，相同部位富集的As及Pb含量也達到了最大值，分別為0.010 mg·L-1和0.120 mg·L-1，這部分As及Pb可能來自配置Cd溶液藥品中的雜質(zhì)，這說明水稻幼苗中富集的重金屬存在一定協(xié)同吸收作用。

2.4?水稻幼苗對Cd富集和轉(zhuǎn)移的情況

由圖3可知，試驗水稻幼苗對鎘的富集能力在不同Cd濃度的瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)處理中差異顯著。在低濃度Cd處理時其富集能力高于高濃度 Cd處理。供試水稻幼苗的富集系數(shù)隨瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中Cd濃度的增加而呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的趨勢。結(jié)合表1和圖3可知，高濃度Cd處理植株的根部由于受Cd毒害而難以萌發(fā)，導致干重較小，影響了其對瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中鎘的吸收能力。當Cd濃度為10 mg· L-1時，富集系數(shù)達到最小，伴隨Cd濃度繼續(xù)遞增，富集系數(shù)呈平穩(wěn)趨勢。在瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中的Cd濃度在0～20 mg· L-1范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)運系數(shù)呈先增長后趨于平穩(wěn)的趨勢，由于供試品種的轉(zhuǎn)運系數(shù)普遍較?。?.092～0.142） ，可知Cd被根系吸收后，大部分被富集于水稻幼苗根部，只有少量的Cd被轉(zhuǎn)運至地上部分。這與周全等[13]、王新等[14]研究認為的Cd在水稻體內(nèi)積累的一般規(guī)律為根部>地上部分具有一致性。

3?結(jié)論與討論

水稻幼苗植株在瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中受Cd毒害的表現(xiàn)為植株發(fā)育不良、生長矮小、葉片黃化和新根難以萌發(fā)甚至死亡現(xiàn)象，說明Cd對水稻幼苗的脅迫會抑制水稻的生長發(fā)育，傷害植株根系，使植株葉片中的葉綠素含量降低，影響水稻幼苗正常的光合作用。本研究結(jié)果表明，不同Cd濃度處理對水稻幼苗根長的抑制作用都明顯大于苗長和苗鮮重，且隨著Cd濃度的增加逐漸加強。當Cd濃度≥2.5 mg· L-1時，水稻幼苗鮮重、干重、株高和根長的抑制均達到了顯著程度，這必將對水稻幼苗后續(xù)生長和作物產(chǎn)量造成不利影響。通過比較分析發(fā)現(xiàn)當水稻幼苗富集Cd含量達到最大值時植株富集的As及Pb含量也達到了最大值，說明水稻幼苗中富集的重金屬存在一定協(xié)同吸收作用，且對水稻幼苗的鮮重、干重、株高和根長影響趨勢是一致的。這對于研究該水稻品種對復合重金屬污染的抗性具有一定的參考價值。

本研究中水稻幼苗對Cd的富集能力隨瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中Cd濃度的增加而呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的趨勢，結(jié)合高濃度Cd對水稻幼苗生長形態(tài)的影響，認為植株發(fā)育由于受Cd毒害抑制，影響了植株莖葉對瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中鎘的富集能力。在本試驗設(shè)置的Cd濃度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)運系數(shù)普遍較小，說明Cd被根系吸收后大部分被富集于水稻幼苗根部，盡管高濃度Cd脅迫對水稻幼苗的根長和干重的抑制均達到了顯著程度，但對根系轉(zhuǎn)移瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)中鎘的能力影響不大。

采用瓊脂培養(yǎng)基培育法可減少其他因素影響，目標影響因子易控，是一種優(yōu)良的水稻幼苗重金屬耐受性品種篩選培育方法。但由于實際水稻種植時土壤中影響因素眾多，土壤微生物、pH、土壤類型等均會對水稻幼苗耐鎘性產(chǎn)生一定影響，因此應用瓊脂培養(yǎng)基培育法和土壤培育法在水稻幼苗對Cd耐受性的品種篩選試驗中的區(qū)別和聯(lián)系還需進一步探索。

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（責任編輯：林玲娜）