納米二氧化硅對(duì)鎘脅迫下小麥種子萌發(fā)的影響

劉新浩

關(guān)鍵詞：小麥;納米二氧化硅;鎘脅迫;種子萌發(fā)

2014 年環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)耕地土壤污染狀況堪憂，主要污染物為鎘（Cd）、鎳（Ni）、銅（Cu）、砷（As） 等，Cd 的超標(biāo)率為7.0%，居于污染元素首位。Cd 是一種穩(wěn)定性高、難降解的重金屬，在土壤中具有累積性。土壤受到Cd污染后，Cd 可通過植物根系在植株中富集。若富集在植株的可食用部分，則會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人類體內(nèi)，危害人體健康。

納米材料因具有尺寸依賴性、比表面積大和吸收紫外線能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)、建筑材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，納米材料主要用于農(nóng)藥、化肥的載體[1]。硅是繼氮、磷、鉀之后的第四大營(yíng)養(yǎng)元素，能夠提高植物的光合速率和干物質(zhì)量的積累，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。由于硅對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的積極影響，應(yīng)用納米硅材料提高植物對(duì)環(huán)境脅迫的耐受性便成為一種可能[2]。

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的糧食作物，是我國(guó)糧食安全的重要保障。目前環(huán)境中的鎘含量越來越高，小麥?zhǔn)艿降奈廴疽踩找婕觿?，尋找緩解或降低鎘對(duì)小麥毒害的方法顯得尤為重要。小麥幼苗時(shí)期對(duì)重金屬脅迫較為敏感，SiO2-NP 不僅有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，在緩解植物的脅迫反應(yīng)方面也具有重要作用。SiO2-NP 能否緩解鎘對(duì)小麥的毒害作用目前未見報(bào)導(dǎo)。本試驗(yàn)采用水培方法，在不同濃度的CdCl2處理下加入SiO2-NP，通過系統(tǒng)分析小麥在萌發(fā)過程中發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、干重的變化，解析在Cd 脅迫下SiO2-NP 對(duì)小麥萌發(fā)的影響。

一、試驗(yàn)材料與方法

（一） 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用小麥品種為鎮(zhèn)麥168。

（二） 試驗(yàn)方法

1、試驗(yàn)濃度設(shè)置及制備。本試驗(yàn)中CdCl2的濃度梯度設(shè)置為10.0mg/L、30.0mg/L，SiO2-NP 的濃度為120mg/L。

用蒸餾水配制120mg/L 濃度的納米二氧化硅懸浮液，并在25℃水浴條件下超聲處理30min，制備納米二氧化硅粉末懸浮液，備用。鎘為分析純CdCl2·2.5H2O （含量≥99.0%），用蒸餾水制作成濃度為10.0m g/L、30.0m g/L 的CdCl2 溶液，備用。

2、試驗(yàn)處理。處理1 為對(duì)照CK，以蒸餾水處理，為空白對(duì)照;處理2 為Cd10，僅用10m g/LCdCl2 處理;處理3 為Cd30，僅用30mg/LCdCl2處理;處理4 為Si，僅用120mg/L 的SiO2-NP 處理;處理5 為Cd10Si，用10mg/LCd2++120mg/LSiO2-NP 處理;處理6 為Cd30Si，用30m g/L Cd2 ++120m g/L SiO2-NP處理。

3、種子萌發(fā)試驗(yàn)。將飽滿的小麥種子用3%H2O2進(jìn)行消毒15m i n，用蒸餾水沖洗多次后，再用蒸餾水浸種2h，備用。將裁好的濾紙放入高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌25min，并用酒精將發(fā)芽盒進(jìn)行消毒，每個(gè)發(fā)芽盒中均勻擺放100 粒種子。每天分別添加處理溶液，使濾紙始終保持濕潤(rùn)狀態(tài)。每個(gè)處理重復(fù)3 次。

4、小麥種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率測(cè)定。在第3d 時(shí)測(cè)定種子發(fā)芽勢(shì)，公式為：發(fā)芽勢(shì)=發(fā)芽試驗(yàn)初期規(guī)定天數(shù)內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;第7d 發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定發(fā)芽率，公式為：發(fā)芽率=發(fā)芽試驗(yàn)終期規(guī)定天數(shù)內(nèi)全部發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

5、幼苗的主根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)。從各處理的3 個(gè)重復(fù)中，分別隨機(jī)選取10 株，測(cè)定發(fā)芽種子主根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)，并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

6、幼苗的鮮重及干重測(cè)定。從各處理的3 個(gè)重復(fù)中分別隨機(jī)選取10 株，用電子天平稱量其鮮重，然后在恒溫烘干箱中，105℃條件下殺青15min，70℃烘至恒重后稱量其干重。

二、結(jié)果與分析

（一） SiO2-NP 對(duì)鎘脅迫下小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)的影響

從表2 中可以看出，當(dāng)Cd2+濃度為10mg/L 時(shí)，Cd10與CK相比小麥種子的發(fā)芽率提高了0.1%，發(fā)芽勢(shì)降低了0.1%。當(dāng)Cd2+濃度為30m g/L 時(shí)，C30與CK 相比小麥種子的發(fā)芽率降低了0.8% 、發(fā)芽勢(shì)下降了1.5% 。當(dāng)SiO2- NP 的濃度為120m g/L 時(shí)，與CK 相比小麥種子的發(fā)芽率下降了1.8%，發(fā)芽勢(shì)提高了1%，但差異并不顯著。

當(dāng)SiO2-NP 和CdCl2共同處理時(shí)，Cd10Si 處理下，小麥種子發(fā)芽勢(shì)與Cd10 相比，增加了5.43%，Cd30Si 處理與Cd30 相比，增加了5.37%。然而小麥的發(fā)芽率與單獨(dú)的Cd2+處理相比稍微降低。

（二） SiO2-NP 對(duì)鎘脅迫下小麥幼苗芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)的影響

從表3 中可以看出，當(dāng)Cd2+濃度為10m g/L 時(shí)，Cd10與CK相比，小麥的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)分別下降了23.22%、61.35%。當(dāng)Cd2 + 濃度為30m g/L 時(shí)， 芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)分別下降了32.47%、78.84%，說明鎘可顯著抑制小麥的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)，并且這種抑制作用會(huì)隨著鎘濃度的增加而增強(qiáng)。當(dāng)SiO2-NP 的濃度為120m g/L 時(shí)，Si 與CK 相比，芽長(zhǎng)下降了5.54%，根長(zhǎng)上升了21.99%。說明SiO2-NP 可有效促進(jìn)根的生長(zhǎng)。

當(dāng)SiO2-NP 和CdCl2 共同處理時(shí)，Cd10Si 處理的小麥芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)比Cd10分別上升了24.68%、130.58%，Cd30Si 處理的小麥芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)比Cd30 上升了8.70%、79.33%。說明SiO2-NP 可降低鎘的毒害作用，并且能夠促進(jìn)小麥種子芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)的生長(zhǎng)。

（三） SiO2-NP 對(duì)鎘脅迫下小麥幼苗鮮重、干重的影響

從表4 中可知，當(dāng)Cd2 +濃度為10mg/L 時(shí)，Cd10與CK 相比，小麥種子的鮮重下降了7.27%，干重上升了13.33%。當(dāng)Cd2+濃度為30m g/L 時(shí)，Cd30與CK 相比，小麥種子的鮮重下降了19.55%，干重上升了13.33%。從以上分析中可以看出，鎘可降低小麥種子的鮮重，增加小麥幼苗的干重。當(dāng)SiO2-NP 的濃度為120m g/L 時(shí)，與CK 相比，小麥幼苗的鮮重上升了6.81%，干重上升了8.2%。表明SiO2-NP 具有促進(jìn)小麥幼苗生長(zhǎng)的作用。

當(dāng)SiO2-NP 和CdCl2共同處理時(shí)，Cd10Si 處理的小麥幼苗的鮮重和干重與Cd10 相比略微下降;而Cd30Si 與Cd30 相比，小麥的鮮重和干重略微增加。即SiO2-NP 對(duì)鎘處理下小麥幼苗的鮮重、干重沒有明顯影響。

三、討論與結(jié)論

隨著我國(guó)工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的重金屬進(jìn)入到土壤中，土壤重金屬污染問題引起了國(guó)內(nèi)外的大量關(guān)注。重金屬鎘主要是以二價(jià)形式存在大自然中，是重金屬污染中很常見的元素之一。目前已有很多關(guān)于鎘對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究，如，付世景等[3]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鎘的濃度大于5m g/L 時(shí)，能夠顯著抑制板藍(lán)根種子的萌發(fā)。我們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，10m g/L 和30m g/L 濃度的鎘對(duì)小麥種子的發(fā)芽率的影響沒有顯著區(qū)別，這與付世景等研究結(jié)果并不一致。這可能是由于鎘對(duì)不同作物的毒害力不同，更高濃度的鎘才能顯著抑制小麥種子的萌發(fā)。張珂等[4]認(rèn)為，鎘對(duì)小麥種子發(fā)芽率的影響與鎘離子的濃度有關(guān)，低濃度的重金屬鎘對(duì)小麥發(fā)芽有促進(jìn)作用，但是隨著鎘濃度的增加，高濃度鎘會(huì)起到抑制作用。因此，通過一定措施降低小麥對(duì)鎘的吸收便非常重要。孟紅梅等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在重金屬鎘的脅迫下加入硅后，可顯著緩解鎘對(duì)板藍(lán)根種子萌發(fā)的抑制作用;且當(dāng)硅濃度為60m g/L 時(shí)，其緩解鎘毒害的效果最好，當(dāng)硅濃度為120m g/L時(shí)，板藍(lán)根種子的萌發(fā)會(huì)受到抑制。本試驗(yàn)的SiO2-NP 濃度設(shè)置為120m g/L，研究發(fā)現(xiàn)SiO2-NP 可緩解鎘處理對(duì)小麥根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的抑制作用。這可能是由于SiO2-NP 與鎘形成了絡(luò)合物，阻止了小麥根系對(duì)鎘的吸收，從而減輕了植株受到的鎘脅迫。