鎘脅迫對甘藍型油菜種子萌發(fā)的影響?

摘 要：以早熟100天、新都油800、南油868、美國油王88、廣源58和豐油9號這6個油菜品種為材料，研究不同濃度鎘脅迫（0～200 mg/L）對其種子萌發(fā)及根芽生長的影響。結(jié)果表明：高濃度鎘脅迫使油菜種子的萌發(fā)出現(xiàn)了滯后或抑制現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為喪失發(fā)芽活力；隨著鎘濃度的增加，不同品種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢，發(fā)芽日數(shù)呈增長趨勢；其中發(fā)芽勢、發(fā)芽率、活力指數(shù)、發(fā)芽日數(shù)、平均發(fā)芽天數(shù)受鎘脅迫影響較小的品種為廣源58和新都油800，其次為美國油王88和南油868，而早熟100天受鎘脅迫抑制較為明顯；隨鎘濃度的增加，不同油菜品種芽長、芽鮮重、芽干重、根長、根鮮重、根干重均呈下降趨勢；不同濃度Cd脅迫下，早熟100天、豐油9號受到明顯抑制，當(dāng)鎘濃度達到120 mg/L時，幾乎無可見根；南油868的芽干重降低最??；美國油王88的芽長、芽鮮重、根長、根鮮重和根干重降低幅度較小。根據(jù)試驗結(jié)果，認為美國油王88耐Cd性最強，可作為耐鎘育種研究的優(yōu)異親本材料。

關(guān)鍵詞：鎘脅迫；油菜；發(fā)芽特性；幼苗生長

中圖分類號：S565 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2023）05-0037-05

Abstract：The effects of different levels （0-200mg/L） of cadmium stress on seed germination， and radicle and plumule growth of six rape cultivars （Brassica napus L.） were studied. The results showed that the germination of rape seeds was delayed or inhibited by high level Cd stress， which was mainly characterized by loss of germination vigor. With the increase of Cd concentration， the germination potential， germination rate， vigor index and germination index of the varieties all showed a decreasing trend， and the duration for 90% germination rate showed a prolonged trend. Among the six cultivars， Guangyuan 58 and Xinduyou 800 were least affected by Cd stress in terms of germination potential， germination rate， vigor index， the duration for 90% germination rate and average germination days， then Meiyou 88 and Nanyou 868， while Early Maturing 100 was seriously inhibited by Cd stress; with the increase of Cd concentration， the plumule length， bud fresh weight， bud dry weight， radicle length， root fresh weight and root dry weight presented a downward trend. Under different levels of Cd stress， Early Maturing 100 and Fengyou 9 were inhibited obviously， and when Cd concentration reached 120 mg/L， almost no roots could be seen. The bud dry weight of Nanyou 868 decreased the least， while the bud length， bud fresh weight， root length， root fresh weight and root dry weight of Meiyou 88 decreased the least. The above results demonstrate that Meiyou 88 has the strongest tolerance to Cd， which can provide excellent parental material for Cd-tolerant breeding.

Key words：cadmium stress; Brassica napus L.; germination character; seedling growth

近年來，農(nóng)田土壤重金屬污染已成為威脅我國糧食安全生產(chǎn)的一個嚴重環(huán)境問題。鎘（Cd）是毒性最強的重金屬之一，容易在土壤—動植物—人體間富集轉(zhuǎn)移，并且在人體內(nèi)具有很長的生物半衰期（10～30 a）。人體內(nèi)積累過量的鎘元素可引發(fā)腎損傷、骨質(zhì)疏松和癌癥等多種疾病[1]。因此，耕地鎘污染受到世界各地的廣泛關(guān)注[2]。

關(guān)于鎘脅迫對植物的生理毒害作用， 國內(nèi)已經(jīng)有不少報道， 主要集中在小麥、玉米[3]、水稻[4]、谷子、糜子[5]、辣椒[6]和黑麥草[7]等植物上。有學(xué)者指出，種子萌發(fā)和苗期生長性狀是評價植物重金屬耐性的重要指標。還有研究顯示，鎘脅迫對作物種子萌發(fā)和發(fā)芽指數(shù)影響不顯著，對活力指數(shù)和根芽生長抑制作用明顯[5，8]。也有研究認為，油菜品種的根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)與地上部鎘含量及累積量呈顯著正相關(guān)，根長與鎘累積量呈顯著正相關(guān)[9]。

甘藍型油菜是一種重要的油料和多功能利用作物，其根系發(fā)達、分枝多、生物量大，具有重要的經(jīng)濟、科研和生態(tài)價值，被認為是修復(fù)土壤重金屬污染的優(yōu)良作物之一[10]。目前對油菜中Cd的運輸、分布、毒性機制以及Cd對油菜生理生化的影響研究已有一定的進展[11-12]，而甘藍型油菜種子萌發(fā)和幼苗生長狀況直接影響其后期的生長狀態(tài)及鎘積累能力。因此，以國內(nèi)廣泛種植的6份高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、分枝力強、綜合性狀優(yōu)良的油菜品種為試驗材料，通過種子萌發(fā)試驗，研究鎘脅迫對油菜種子萌發(fā)、幼苗生長的影響，以初步確定油菜生長的耐鎘范圍，為生產(chǎn)中獲得優(yōu)質(zhì)、低鎘油菜提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料共6個，分別為早熟100天（ZS100）、新都油800（XDY800）、南油868（NY868）、美國油王88（MY88）、廣源58（GY58）和豐油9號（FY9），種子均由河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所提供。試驗試劑是氯化鎘（CdCl2·5/2H2O），為分析純試劑。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置6個鎘濃度：0（CK）、40、80、120、160和200 mg/L，每個處理4次重復(fù)。先用5%的NaClO溶液浸泡種子10 min，用去離子水沖洗5～6次，然后將已消毒種子放入鋪有2層濾紙并已加入不同濃度Cd溶液的培養(yǎng)皿中（直徑9 cm，使用前均高溫高壓蒸汽120℃滅菌30 min），每個培養(yǎng)皿放50粒油菜種子。隨后將培養(yǎng)皿置于恒溫光照培養(yǎng)箱，在25℃，12 h光照/12 h黑暗的條件下進行萌發(fā)。為保持溶液濃度恒定，每隔24 h更換1次處理液和濾紙。

1.3 測定方法

按 GB/T3534.3—1995 農(nóng)作物種子檢驗規(guī)程凈度分析，于處理后第4天測定油菜種子的發(fā)芽勢，于處理后第7天統(tǒng)計發(fā)芽率。

式中：Gt為Dt與相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)；Dt為發(fā)芽日數(shù)；S為一定時期內(nèi)幼苗的長度。

發(fā)芽日數(shù)是發(fā)芽率達到90%時的天數(shù)。發(fā)芽試驗結(jié)束后，每個皿隨機選取20株，用刻度尺測定芽與根的長度；然后分別稱量每皿芽和根鮮重，烘干至恒重時再分別稱干重。

測得數(shù)據(jù)用Excel 2017和SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對油菜種子萌發(fā)的影響

在高濃度鎘脅迫下油菜種子的萌發(fā)出現(xiàn)了滯后或抑制現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為喪失發(fā)芽活力。隨著鎘濃度的增加，不同品種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢，發(fā)芽日數(shù)呈延長趨勢（圖1A～F）。鎘濃度在40～120 mg/L時，除早熟100天在鎘濃度為120 mg/L時發(fā)芽受到抑制外，其余品種均未受到印制。但隨著脅迫濃度的增加，對種子萌發(fā)的抑制作用明顯增加。其中新都油800和廣源58的發(fā)芽勢、發(fā)芽率對鎘脅迫不敏感，當(dāng)鎘濃度達到200 mg/L時，新都油800的發(fā)芽勢、發(fā)芽率降低至對照的75%和77%，廣源58的發(fā)芽勢、發(fā)芽率均降低至對照的96%；而南油868和早熟100天對鎘脅迫比較敏感，當(dāng)鎘濃度達到160 mg/L時，其發(fā)芽勢就分別下降到對照的65%和69%，發(fā)芽率分別降低至對照的72%和68%；當(dāng)鎘濃度達到160 mg/L時，美國油王88和豐油9號的發(fā)芽勢分別下降至對照的96%和94%，發(fā)芽率分別降低至對照的96%和94%；當(dāng)鎘濃度達到200 mg/L時，其發(fā)芽勢分別下降到對照的67%和57%，發(fā)芽率分別降低至對照的67%和57%。

隨著鎘濃度的增加，油菜種子活力指數(shù)急劇下降（圖1C）。當(dāng)鎘濃度達到200 mg/L時，活力指數(shù)從對照的90左右下降至10以下，最高的只有對照的8%。其中，美國油王88的活力指數(shù)始終比較高，在鎘脅迫下降的幅度也比較小。

低濃度鎘脅迫對油菜種子發(fā)芽指數(shù)的影響較小，隨著鎘濃度的增加各品種油菜種子的發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢（圖1D）。其中，新都油800和廣源58對鎘脅迫不敏感，發(fā)芽指數(shù)降低幅度較小，尤其是廣源58，當(dāng)鎘濃度達到200 mg/L時，其發(fā)芽指數(shù)僅比對照下降16%；而南油868和早熟100天對鎘脅迫很敏感，當(dāng)鎘濃度達到160 mg/L時，其發(fā)芽指數(shù)急劇下降至對照的56%和55%；而鎘濃度達到200 mg/L時，美國油王88和豐油9號的發(fā)芽指數(shù)急劇下降至對照的59%和66%。

隨著鎘濃度的增加，不同油菜品種的種子發(fā)芽日數(shù)總體呈增加趨勢（圖1E），但一部分品種的高濃度處理直至試驗結(jié)束時發(fā)芽率也未達到90%。早熟100天種子對鎘脅迫最敏感，當(dāng)鎘濃度達到120 mg/L時，發(fā)芽日數(shù)比對照增加了1倍。豐油9號和新都油800的種子對鎘脅迫比較敏感，當(dāng)鎘濃度達到160 mg/L時發(fā)芽日數(shù)均比對照增加了1倍。美國油王88和廣源58的種子對鎘脅迫不敏感，當(dāng)鎘濃度達到160 mg/L時發(fā)芽日數(shù)才明顯增加，分別比對照延長20%和13%。

隨著鎘濃度的增加，不同品種油菜種子平均發(fā)芽天數(shù)變化趨勢不一致；當(dāng)鎘濃度達到160 mg/L時，平均發(fā)芽天數(shù)均比對照增加（圖1F）。其中，早熟100天種子平均發(fā)芽天數(shù)隨鎘濃度的增加而增加；而南油868、新都油800和美國油王88的種子平均發(fā)芽天數(shù)隨鎘濃度的增加先下降后升高。當(dāng)鎘濃度達到80 mg/L時，南油868、新都油800的種子平均發(fā)芽天數(shù)開始增加；而當(dāng)鎘濃度達到160 mg/L時，美國油王88的種子發(fā)芽天數(shù)才開始增加。

2.2 鎘脅迫對油菜幼苗根和芽生長的影響

隨著鎘濃度的增加，不同油菜品種的芽長、芽鮮重、芽干重、根長、根鮮重、根干重均呈下降趨勢（圖2）。在6個品種中，美國油王88的芽長度降低幅度受鎘脅迫影響最?。ǔ?60 mg/L鎘脅迫外），其他品種的芽長降低幅度依次表現(xiàn)為新都油800＜廣源58＜南油868＜美國油王88＜早熟100天＜豐油9號（圖2A）。

美國油王88、廣源58的芽鮮重受鎘脅迫影響較小，當(dāng)鎘濃度達到200 mg/L時，美國油王88和廣源58的芽鮮重分別比對照降低了55%和58%（圖2B）；而南油868、新都油800、早熟100天的芽鮮重受鎘脅迫影響較大，當(dāng)鎘濃度達到200 mg/L時，芽鮮重比對照降低了至少70%。

廣源58、早熟100天和南油868的芽干重受鎘脅迫影響最小，當(dāng)鎘濃度達到120 mg/L時，芽干重比對照分別降低了40%、39%和37%；尤其是南油868，在各個鎘濃度脅迫下，芽干重降低幅度均最?。回S油9號芽干重受鎘脅迫影響最大，當(dāng)鎘濃度為40 mg/L時，芽干重降低到對照的19%（圖2C）。

廣源58、美國油王88的根長受鎘脅迫影響較小，當(dāng)鎘濃度達到120 mg/L時，根長分別降低到對照的11%、16%；早熟100天、豐油9號、新都油800的根長受鎘脅迫影響較大，當(dāng)鎘濃度為80 mg/L時，根長分別降低到對照的13%、15%、18%；尤其是早熟100天、豐油9號，當(dāng)鎘濃度達到120 mg/L時，幾乎無可見根（圖2D）。

早熟100天、豐油9號、新都油800的根鮮重受鎘脅迫影響較大，當(dāng)鎘濃度為80 mg/L時，根鮮重均降低至對照的25%左右（圖2E）；廣源58、美國油王88的根鮮重受鎘脅迫影響較小，當(dāng)鎘濃度達到120 mg/L時，根鮮重分別降低至對照的35%和41%。

早熟100天的根干重受鎘脅迫影響較大，當(dāng)鎘濃度為40、80 mg/L時，根干重分別降低到對照的12%、6%（圖2F）；新都油800、廣源58和美國油王88的根干重受鎘脅迫影響較小，當(dāng)鎘濃度達到120 mg/L時，根干重分別降低到對照的37%、33%和28%。

3 結(jié)論與討論

該研究中，重金屬Cd對南油868、廣源58和豐油9號這3個油菜品種的種子萌發(fā)存在較低濃度下的輕微促進效應(yīng)，而對6個供試油菜品種的種子萌發(fā)均表現(xiàn)出高濃度下的抑制效應(yīng)。6個供試油菜品種的種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨鎘脅迫濃度的增加而降低，這與已報道的重金屬對植物種子萌發(fā)具有“低促高抑”的研究結(jié)果相似[13-14]，但可能因試驗設(shè)置的鎘脅迫濃度梯度間距較大，所以低濃度鎘的促進效應(yīng)不明顯。在不同濃度鎘脅迫處理下，廣源58和新都油800的發(fā)芽勢、發(fā)芽率對鎘脅迫不敏感；南油868、早熟100天對鎘脅迫比較敏感；美國油王88對鎘脅迫中等敏感，但其活力指數(shù)始終比較高。隨著鎘脅迫濃度的增加，6個供試油菜品種幼苗的芽長、芽鮮重、芽干重、根長、根鮮重、根干重均呈現(xiàn)下降趨勢。美國油王88的芽長、芽鮮重、根長、根鮮重和根干重均受鎘脅迫影響較小，早熟100天和豐油9號受鎘脅迫影響較大，當(dāng)鎘濃度達到120 mg/L時，幾乎無可見根；而南油868，在各個鎘濃度脅迫下，芽干重降低幅度均最小。這與已報道的植物受到重金屬脅迫時通常會出現(xiàn)植株生長緩慢、矮小、生物量降低、根系受到抑制，甚至出現(xiàn)“無根苗”等外在表現(xiàn)[15]相一致。

研究表明，在一定濃度鎘脅迫下，南油868等6個油菜品種的耐受能力存在差異。早熟100天、豐油9號的耐鎘能力較差，而美國油王88的耐鎘能力最強。因此，篩選出耐Cd性最強的油菜種質(zhì)美國油王88為耐鎘育種研究提供優(yōu)異親本材料。

參考文獻：

[1] CLEMENS S，MA J F. Toxic heavy metal and metalloid accumulation in crop plants and foods[J]. Annual Review of Plant Biology，2016，67：489-512.

[2] TANG L，DONG J Y，TAN L T，et al. Overexpression of OsLCT2，a low-affinity cation transporter gene，reduces cadmium accumulation in shoots and grains of rice[J]. Rice（New York，N Y），2021，14（1）：89.

[3] 孟桂元，唐 婷，周 靜，等. 不同玉米品種種子萌發(fā)期耐鎘性分析[J]. 分子植物育種，2016，14（11）：3166-3171.

[4] 孫亞莉，劉紅梅，徐慶國. 鎘脅迫對不同水稻品種種子萌發(fā)特性的影響[J]. 中國水稻科學(xué)，2017，31（4）：425-431.

[5] 張盼盼，王小林，郭亞寧，等. 40個不同糜子品種種子萌發(fā)期耐鎘性評價[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2020，29（12）：1803-1813.

[6] 龍春麗，宋拉拉，胡明文，等. 鎘脅迫對不同品種辣椒種子萌發(fā)及苗期抗性生理的影響[J]. 種子，2021，40（5）：105-109.

[7] 李美芳，張 平，李 倩，等. 鎘脅迫下兩株產(chǎn)鐵載體/解磷菌株對黑麥草種子萌發(fā)及幼苗積累鎘的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2021，41（9）：179-187.

[8] 劉文英，張東旭，張永芳，等. 不同濃度鎘脅迫對3種芥菜型油菜幼苗生理特性的影響[J]. 山西大同大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，30（4）：45-48.

[9] 高茜蕾，鄭瑞倫，李花粉. 蒸騰作用及根系特征對不同品種油菜吸收鎘的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2010，29（9）：1794-1798.

[10] COJOCARU P，GUSIATIN Z M，CRETESCU I. Phytoextraction of Cd and Zn as single or mixed pollutants from soil by rape（Brassica napus）[J]. Environmental Science and Pollution Research International，2016，23（11）：10693-10701.

[11] 丁廣大，王改麗，葉祥盛，等. 甘藍型油菜氮高效的生理與分子遺傳基礎(chǔ)研究進展[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，36（2）：130-139.

[12] 鄭本川，張錦芳，柴 靚，等. 甘藍型油菜種子萌發(fā)期耐鎘性分析及耐鎘材料篩選[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2018，34（35）：26-35.

[13] 鄭本川，李浩杰，張錦芳，等. 重金屬鎘對甘藍型油菜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，29（10）：2312-2318.

[14] 羅巧玉，周連玉，蔣禮玲，等. Cd脅迫對11個青稞品種種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[J]. 分子植物育種，2021，19（11）：3709-3719.

[15] 鮮靖蘋，柴澍杰，王 勇，等. 鎘脅迫對草地早熟禾生長與生理代謝的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報，2019，33（1）：176-186.

（責(zé)任編輯：肖彥資）