鎘脅迫對小麥、玉米種子萌發及幼苗生長的影響

張 珂，厲萌萌1，劉德權1，陳飛虎1，馬 闖

(1.鄭州輕工業學院材料與化學工程學院，河南 鄭州 450000；2.中國輕工業污染治理與資源化重點實驗室，河南 鄭州 450000；3.環境污染治理與生態修復河南省協同創新中心，河南 鄭州 450000)

隨著現代工農業的迅速發展和人類生產活動的加快，越來越多的重金屬通過各種途徑進入土壤環境，特別是農田中，對農業生態環境和人類健康構成嚴重威脅[1-2]。2014年環境保護部和國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤總的點位超標率為16.1%，耕地土壤點位超標率為19.4%，主要重金屬污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛，其中，鎘的點位超標率為7.0%，居于主要重金屬污染的首位[3]。

工業生產中“三廢”的大量排放及農業生產中磷肥的大量施用等是導致土壤重金屬鎘污染的主要原因[4]。由于其半衰期長、不易降解、污染范圍廣、易積累、不可逆、毒性大等特性，鎘被認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養元素，當進入植物體內的鎘積累到一定程度時，通過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植物具有明顯的毒害作用，主要表現為植株生長緩慢、矮小、葉片黃化、物候期延遲等，從而影響植物的正常生長并嚴重影響作物產量、品質和安全[7-9]。農田土壤中的鎘又可通過食物鏈的生物放大給人類及其他動物健康帶來潛在危害[10-11]。

對種子植物而言，種子萌發和幼苗生長不僅是植物生活周期的起點，也是植物感知外界環境的最初生命階段。種子萌發時期的生長狀況將直接影響植物以后的生長。因此，研究植物種子萌發及幼苗生長受重金屬鎘脅迫的影響顯得尤為重要。目前，較多的研究已關注重金屬鎘對作物種子萌發及幼苗生長影響，并發現鎘脅迫對植物種子萌發的影響規律不盡相同[5,12]。本研究以小麥、玉米種子為研究對象，研究不同濃度鎘脅迫對小麥、玉米種子萌發和幼苗生長的影響，了解作物對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田的作物安全生產提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

小麥、玉米種子均來源于河南省農業科學院。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、玉米種子的發芽勢和發芽率

1.2 方 法

1.2.1試驗設計

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的培養皿中。其中，小麥種子在每個培養皿中放入60粒，每組處理設4個重復，共32個培養皿；玉米種子在每個培養皿放入15粒，每組處理設3個重復，共24個培養皿。將培養皿置于溫度為25 ℃、光暗比為12 h/12 h的光照培養箱中進行培養。每天觀察并記錄種子的發芽數，培養7 d后測定生長指標。

1.2.2測定指標及方法

以胚芽長到種子的二分之一作為萌發的標準，記錄小麥、玉米種子每天的發芽種子數，連續記錄7 d。于第3天計算發芽勢，于第7天計算發芽率，并用刻度尺測幼苗根長和芽長，計算發芽指數、活力指數及根長和芽長的抑制率。

發芽勢(%)=(3 d萌發種子數/供試種子總數)×100%；發芽率(%)=(7 d萌發種子數/供試種子總數)×100%；發芽指數=∑(Gt/Dt)，Gt為第t天的萌發數，Dt為發芽日數；活力指數=發芽指數 ×(根長+芽長)；根長抑制率(%)=[(對照組根長-處理組根長)/對照組根長]×100%；芽長抑制率(%)=[(對照組芽長-處理組芽長)/對照組芽長]×100%。

1.3 數據分析

采用SPSS 16.0統計軟件和Origin 8.5軟件進行數據分析和差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對小麥、玉米種子發芽勢和發芽率的影響

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

圖2 鎘脅迫下小麥、玉米的發芽指數和活力指數

圖3 鎘脅迫下小麥、玉米的根長+芽長

2.2 鎘脅迫對小麥、玉米種子發芽指數和活力指數的影響

從發芽指數看，小麥種子發芽指數與發芽勢和發芽率呈一致的變化規律，即在低濃度鎘脅迫(5，10，20，50 mg·L-1)時表現出增加趨勢，在高濃度鎘脅迫(150，200 mg·L-1)時發芽指數則顯著降低(p<0.05)(圖2 a)。隨鎘脅迫濃度的增加，小麥活力指數逐漸降低，且在高濃度鎘脅迫(150 mg·L-1和200 mg·L-1)時表現出顯著降低(p<0.05)(圖2 b)。

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

2.3 鎘脅迫對小麥、玉米根長和芽長的影響

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

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

表1 鎘脅迫對小麥、玉米根和芽的抑制 單位：%

鎘濃度/(mg·L-1) 小麥 玉米 根長芽長根長芽長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

農作物種子的發芽率、發芽勢、發芽指數等是衡量種子發芽能力的重要指標，活力指數是反映種子品質的重要參數[13]。已有的研究[14-15]表明，重金屬對植物種子萌發具有“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，促進種子萌發；高濃度重金屬則對種子胚、芽等產生毒害作用，并抑制種子的代謝過程，從而抑制種子萌發。本研究中，在種子萌發特征上，小麥、玉米對不同濃度鎘脅迫的響應不同。其中，低濃度鎘脅迫對小麥種子萌發有一定的促進作用，且在鎘脅迫濃度為20 mg·L-1和50 mg·L-1時促進作用最大，高濃度鎘脅迫對小麥種子具有顯著的抑制作用，說明重金屬鎘對小麥種子萌發具有“低促高抑”的作用，這與何俊瑜等[16]、金海燕等[17]及慈恩等[18]的研究結果一致。然而，不同濃度鎘脅迫對玉米種子萌發均有一定的抑制作用，但各處理間無顯著差異，這一方面體現了不同物種種子對鎘響應的差異性，同時說明在高濃度鎘脅迫下，玉米種子萌發受鎘的影響相對較小。此外，李鴻宇等[19]的研究發現，當鎘脅迫濃度為30～50 mg·L-1時對玉米種子萌發的抑制作用最明顯，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對5～200 mg·L-1鎘脅迫濃度的響應并不顯著，表明同一物種不同品種對鎘的耐受程度不同，也進一步說明研究重金屬脅迫對不同物種及其不同品種的影響的必要性。

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

4 結 論

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