鎘脅迫對水稻收獲種子質(zhì)量的影響

摘要：以生長在Cd脅迫處理土壤中的水稻收獲種子為材料，以未進(jìn)行Cd脅迫處理的相同品種水稻的收獲種子為對照，對各水稻種子進(jìn)行催芽萌發(fā)和水培試驗，研究了鎘脅迫對水稻收獲種子質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，Cd脅迫降低了水稻收獲種子的千粒重，隨著Cd脅迫濃度升高，下降幅度增大； Cd脅迫水稻收獲種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率以及種子萌發(fā)過程中α-淀粉酶和β-淀粉酶的活性均比對照低，下降幅度隨脅迫濃度增大而增大；Cd脅迫水稻收獲種子形成的乳苗株高、植株鮮干重、葉片葉綠素含量、光合速率、可溶性蛋白質(zhì)含量與對照相比均下降。說明鎘脅迫對水稻子代的生長發(fā)育具有一定的影響。

關(guān)鍵詞：水稻；鎘脅迫；收獲種子質(zhì)量；乳苗素質(zhì)

中圖分類號：Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）04-0773-03

Effects of Cadmium Application on the Quality of the Harvested Seeds of Rice

FANG Hui1，ZHANG Ying1，2，F(xiàn)AN Yuan-yuan1，2，CHEN Juan1，2

（1.Economic Forest Germplasm Improvement and Comprehensive Utilization of Resources of Hubei Key Laboratories， Huanggang 438000，Hubei， China； 2.College of Chemistry and Life Science， Huanggang Normal University， Huanggang 438000，Hubei， China）

Abstract： Using the seeds harvested from the rice which planted in cadmium applied soil as material， and using the seeds from the same rice variety which was planted in non-cadmium applied soil as contrast， the effect of cadmium stress on the quality of rice was studied. The results showed that cadmium stress could decrease the 1000-grain weight， the germinative force， germination percentage， and the activity of α-amylase and β-amylase， and the decrease extent increased with the increasing of cadmium concentration. Meanwhile， the height， fresh and dry weight， chlorophyll content of leaves， photosynthetic rate of leaves， and the content of soluble protein in leaves of the progeny seedling from the seeds stressed by cadmium were all lower than that from the contrast. These results indicated that cadmium stress had some negative effect on the growth and development of the rice offspring.

Key words： rice； cadmium stress； quality of the harvested seeds； progeny seedling’s quality

隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境中重金屬污染日益嚴(yán)重，不少土壤出現(xiàn)重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，其中鎘（Cd）在土壤中的超標(biāo)率最高[1]，并且鎘也是重金屬中毒性最強(qiáng)的一種[2]。較高濃度的鎘會干擾細(xì)胞的正常生理功能，引起代謝紊亂，植株生長量下降[3，4]，嚴(yán)重時會導(dǎo)致細(xì)胞和植株死亡[5，6]。鎘還可以通過影響質(zhì)膜的透性，干擾一些營養(yǎng)元素的吸收和積累，導(dǎo)致植株和種子中營養(yǎng)元素和成分改變[7]。已有研究表明，鎘的毒性主要緣于其與巰基有很強(qiáng)的親和力，與蛋白質(zhì)其他側(cè)鏈及磷酸鹽的親和力也較強(qiáng)，因此可以干擾生物體中各種酶的活性[8]。同時，過量的Cd還會在植物體內(nèi)各個部位富集，包括在種子中積累[9]。重金屬鎘對植物體的傷害已有很多研究，但是對受脅迫植株成熟后種子的質(zhì)量以及子代幼苗的生長有無影響的研究很少。葛才林[10]研究了種植在鎘處理土壤中小麥?zhǔn)斋@的種子發(fā)芽情況，結(jié)果表明，隨著鎘濃度的提高，收獲的種子發(fā)芽率降低，水解淀粉的主要酶類α-淀粉酶和β-淀粉酶活性均下降，認(rèn)為富集在種子中的鎘同樣可以干擾細(xì)胞的正常代謝，降低了淀粉酶的活性，引起發(fā)芽率下降[10]，但種子在離乳期前主要利用種子中儲存的養(yǎng)分，鎘脅迫對子代乳苗（指離乳期前的幼苗）[11]的素質(zhì)有無影響，在小麥和水稻中影響機(jī)理是否一致，鎘脅迫是否會通過降低種子養(yǎng)分的積累和改變營養(yǎng)元素成分影響子代的生長發(fā)育等還缺乏研究。利用親代生長在鎘處理土壤中的水稻種子，研究其發(fā)芽能力以及其形成的乳苗素質(zhì)，旨在進(jìn)一步闡明水稻親代積累的鎘對子代生長的毒性效應(yīng)。

1 材料與方法

水稻（Oryza sativa L.）品種為鄂早18，第一年進(jìn)行盆栽種植。選用無Cd污染的土壤（含有機(jī)質(zhì)28.4 g/kg、有效氮 98.8 mg/kg、速效磷 29.5 mg/kg和速效鉀 65.6 mg/kg），風(fēng)干后過篩，并將土壤分成兩組，然后向兩組土壤中加不同量的CdCl2，使土壤中Cd分別為50 mg/kg（T1）和100 mg/kg（T2），以不加Cd的處理為對照（CK）。土壤準(zhǔn)備好以后分別加入塑料盆內(nèi)，盆缽口徑30 cm、底徑20 cm、高30 cm，每盆裝土15 kg。秧苗移栽前，盆缽?fù)撩嫔媳３?～3 cm水層1個月，使土壤與加入的Cd進(jìn)行平衡[12]。秧苗移栽后，常規(guī)施肥管理，收獲種子并測量千粒重。第二年選取飽滿的子粒浸種催芽，浸種結(jié)束后第三天觀察發(fā)芽勢，第六天觀察發(fā)芽率，第四天采用參考文獻(xiàn)[13]的方法測定胚乳淀粉酶的活性。將萌發(fā)后的種子放在紗布上在室內(nèi)用曝氣自來水培養(yǎng)，晝夜溫度28 ℃/20 ℃，每天光照12 h，光照度為5 000 lx左右，培養(yǎng)后第12天隨機(jī)取30株幼苗測量株高和植株鮮、干重；用乙醇丙酮法測定葉片葉綠素含量[14]；用氧電極法測定葉片的光合速率，用考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白質(zhì)含量[15]。所有試驗3次重復(fù)，求平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對水稻收獲種子千粒重和發(fā)芽的影響

測定收獲種子的千粒重、發(fā)芽勢和發(fā)芽率。結(jié)果（表1）表明，兩種含量Cd脅迫處理均顯著降低了水稻種子的千粒重，且脅迫濃度高的千粒重下降幅度更大。與對照（CK）相比，50 mg/kg鎘處理（T1）和100 mg/kg鎘處理（T2）的分別下降5.10%和7.65%，差異顯著性分析表明差異均達(dá)極顯著水平；種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率也受到了嚴(yán)重影響，發(fā)芽勢與對照相比，T1和T2分別下降14.45%和27.19%，發(fā)芽率比對照分別下降12.05%和24.73%，且差異均達(dá)極顯著水平。相關(guān)分析表明，千粒重與發(fā)芽勢和發(fā)芽率之間均存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.998 2和0.984 3。

同時α-淀粉酶和β-淀粉酶活性測定結(jié)果（表1）也顯示，T1和T2兩種處理α-淀粉酶活性分別比對照下降20.23%和23.16%，β-淀粉酶活性分別比對照下降17.97%和19.92%，差異顯著性分析表明差異均達(dá)極顯著水平。相關(guān)分析表明，α-淀粉酶活性和β-淀粉酶活性均與發(fā)芽率呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.923 1和0.912 1。

2.2 鎘脅迫對水稻收獲種子萌發(fā)后乳苗素質(zhì)和相關(guān)生理指標(biāo)的影響

對發(fā)芽后的種子進(jìn)行水培，并測定植株的株高、鮮重、干重、葉片葉綠素含量、光合速率和可溶性蛋白質(zhì)含量。結(jié)果（表2）表明，兩種Cd脅迫處理的水稻子代乳苗上述指標(biāo)均比對照下降，且高含量脅迫處理（T2）各指標(biāo)下降幅度比低含量脅迫處理（T1）下降幅度更大。

3 討論

1）鎘脅迫降低了水稻收獲種子中貯藏物質(zhì)的積累可能是降低種子的發(fā)芽率和乳苗素質(zhì)的原因之一。水稻種子的萌發(fā)和乳苗的生長，主要靠種子中的胚乳提供養(yǎng)分，前人研究表明，大粒飽滿的種子養(yǎng)分豐富，發(fā)芽勢和發(fā)芽率高，播后生根快，立苗早，容易達(dá)到齊苗壯苗[16，17]。水稻子粒中淀粉含量占90%以上，蛋白質(zhì)含量占6%～8%，大粒飽滿的種子養(yǎng)分豐富主要是指胚乳中淀粉和蛋白質(zhì)的含量豐富，能給乳苗的生長提供充足的C源和N源。C是種子發(fā)芽和乳苗生長時C架形成的前提，N是蛋白質(zhì)、核酸以及磷脂等生物大分子的主要成分，在生命活動中起著關(guān)鍵的作用，并且還是許多酶和輔酶以及葉綠素等的構(gòu)成元素，與許多代謝反應(yīng)和光合作用等密切相關(guān)，N素供應(yīng)量的多少直接影響細(xì)胞的分裂和生長[11]。

試驗結(jié)果表明，Cd脅迫降低了水稻收獲種子的千粒重，即降低了子粒中營養(yǎng)物質(zhì)的積累量，包括淀粉和蛋白質(zhì)的含量，因此，能給乳苗提供的C源和N源的量減少了，可能是限制種子發(fā)芽和乳苗生長的因素之一。相關(guān)分析也表明，收獲種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率均與種子的千粒重具有正相關(guān)關(guān)系。

2）淀粉水解酶的活性的降低是引起種子的發(fā)芽率和乳苗素質(zhì)下降的重要因素。種子胚乳內(nèi)的養(yǎng)分需經(jīng)過水解才能為種子的萌發(fā)和乳苗的生長提供物質(zhì)和能量。孫園園等[18]研究表明，通過種子引發(fā)手段促進(jìn)可溶性總糖和蛋白質(zhì)降解，加快稻種內(nèi)部糖代謝進(jìn)程以及提高可溶性脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)的含量可以提高種子的發(fā)芽率和幼苗的素質(zhì)。種子養(yǎng)分中淀粉的水解和隨后的呼吸代謝是物質(zhì)和能量供給的最主要來源，種子萌發(fā)時淀粉酶的活性高低直接與種子的發(fā)芽率和乳苗素質(zhì)相關(guān)。作物體內(nèi)的淀粉酶主要有α-淀粉酶（E.C.3.2.1.1）和β-淀粉酶（E.C.3.2.1.2），研究表明，這兩類淀粉酶均由多個同工酶組成，且不同作物中這兩類酶的含量有較大差異，兩者的活性也受到環(huán)境條件的影響[10]。葛才林[10]研究表明，鎘脅迫對小麥子代種子萌發(fā)時α-淀粉酶和β-淀粉酶活性均有明顯的抑制作用；何俊瑜等[19]發(fā)現(xiàn)，水稻種子在不同濃度鎘溶液浸種后，α-淀粉酶和β-淀粉酶活性也受到了顯著的抑制，且α-淀粉酶活性受抑制程度大于β-淀粉酶。此次研究表明，不同濃度鎘脅迫水稻收獲種子萌發(fā)時，α-淀粉酶和β-淀粉酶活性也比對照顯著下降，α-淀粉酶活性下降程度略高于β-淀粉酶。可能是由于生長在鎘污染土壤中的水稻種子中積累的鎘在種子萌發(fā)過程中同樣造成了細(xì)胞代謝的紊亂，降低了α-淀粉酶和β-淀粉酶的活性，同時α-淀粉酶和β-淀粉酶含Ca2+，種子積累的鎘離子可能會取代這兩種淀粉酶中的Ca2+或者使Ca2+與酶之間發(fā)生解離，或引起這兩種酶空間構(gòu)型的改變使酶活性降低[18，19]。α-淀粉酶和β-淀粉酶活性降低使種子萌發(fā)所需物質(zhì)和能量供應(yīng)不足，從而降低了種子的發(fā)芽率和乳苗的素質(zhì)。

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