硅對(duì)鎳脅迫下水稻種子萌發(fā)的緩解作用

趙 紅

(上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

水稻在世界上達(dá)5億t以上產(chǎn)量，有約1.5億hm2的栽培面積，是我國(guó)主要的糧食作物之一。中國(guó)水稻播種面積居世界第2，為世界水稻生產(chǎn)作出了極大貢獻(xiàn)[1]。隨著重金屬對(duì)環(huán)境污染的日益加重，開(kāi)展緩解水稻受重金屬脅迫的研究，無(wú)論是從提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的角度還是保障人類健康的角度來(lái)講，都是一個(gè)迫切需要關(guān)注的問(wèn)題。鎳是脲酶的組成成分，脲酶的作用是將植物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的尿素分解為CO2和NH4+，避免過(guò)多的尿素累積在植物體內(nèi)影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育；有研究表明，低濃度的鎳對(duì)大豆、小麥及生菜種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用，當(dāng)鎳濃度過(guò)高時(shí)，對(duì)這3種植物發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)等指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生較大的抑制作用[2-4]。由此說(shuō)明，低濃度鎳對(duì)植物生長(zhǎng)具有不可缺少性和不可替代性，而過(guò)量的鎳對(duì)植物會(huì)產(chǎn)生毒害作用。

硅是禾本科作物的必需營(yíng)養(yǎng)元素，能促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育，改善水稻功能葉著生姿態(tài)，提高水稻光合生產(chǎn)率，能使植物莖壁厚度升高，提高植物抗倒伏、抗病蟲(chóng)害、抗旱、抗寒和養(yǎng)分吸收的能力[5]。前人研究表明，硅在提高植物耐重金屬毒害中有重要作用，添加外源硅能明顯緩解鎘、鉛、銅、鉻及錳對(duì)水稻、香樟、小麥、西蘭花及甘蔗幼苗生長(zhǎng)的脅迫，增強(qiáng)植物的抗脅迫能力[6-10]。但硅對(duì)鎳脅迫下植物萌發(fā)期生長(zhǎng)的影響卻鮮有報(bào)道，因此本研究以水稻為試驗(yàn)材料，采用水培方法，探索外源硅對(duì)鎳脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響，以期為鎳毒害的水稻種植區(qū)域增施硅肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為“農(nóng)香24”，由江西省上饒師范學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，CK(對(duì)照)為蒸餾水處理，Si0為0.1mmol·L-1氯化鎳處理，Si2、Si4、Si8是指在0.1mmol·L-1氯化鎳溶液中分別加入2mmol·L-1、4mmol·L-1、8mmol·L-1硅酸鈉配制成的3種處理液。將精心挑選的水稻種子經(jīng)過(guò)消毒后用蒸餾水浸種，置30℃培養(yǎng)箱中浸種24h后，挑選露白一致的種子均勻排在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)鋪50粒，分別加入10mL對(duì)應(yīng)處理液至培養(yǎng)皿中，每個(gè)處理重復(fù)3次，在實(shí)驗(yàn)室自然條件下進(jìn)行培養(yǎng)。共培養(yǎng)7d，以種子胚根長(zhǎng)≥谷長(zhǎng)，胚芽長(zhǎng)≥1/2谷長(zhǎng)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每天記錄水稻種子的發(fā)芽數(shù)，同時(shí)更換處理液。

1.3 測(cè)定內(nèi)容和方法

培養(yǎng)至第7天，每個(gè)培養(yǎng)皿中選取整齊一致的水稻種子10株，分別測(cè)定其胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)、胚根鮮重、胚芽鮮重以及植株鮮重，并用硫代巴比妥酸法測(cè)定水稻種子的丙二醛含量[11]，然后根據(jù)記錄的發(fā)芽數(shù)，來(lái)計(jì)算水稻種子萌發(fā)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

發(fā)芽率(%)=第7天發(fā)芽種子數(shù)/供試的種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢(shì)(%)=第4天發(fā)芽粒數(shù)/供試種子粒數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)=第1天的發(fā)芽數(shù)/發(fā)芽1日數(shù)+第2天的發(fā)芽數(shù)/發(fā)芽2日數(shù)+…+第7天的發(fā)芽數(shù)/發(fā)芽7日數(shù)

活力指數(shù)=單株鮮重(g)×發(fā)芽指數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值加標(biāo)準(zhǔn)差表示，數(shù)據(jù)分析和圖表繪制運(yùn)用SPSS 16.0和Excel 2003軟件進(jìn)行，并用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對(duì)鎳脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響

如表1所示，在0.1mmol·L-1鎳處理下，水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)均為最小值，與對(duì)照處理間差異顯著。在鎳脅迫下加入不同濃度硅后，水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)與單獨(dú)鎳脅迫相比均顯著提高，且隨硅濃度的增大4項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，4mmol·L-1硅處理水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)提高幅度最大，均顯著高于8mmol·L-1硅處理，而與對(duì)照相比，4mmol·L-1硅處理水稻種子的發(fā)芽率及活力指數(shù)顯著降低，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)差異不顯著。2mmol·L-1硅處理及8mmol·L-1硅處理的4項(xiàng)指標(biāo)均顯著低于對(duì)照處理。由此說(shuō)明，0.1mmol·L-1鎳對(duì)水稻種子萌發(fā)具有顯著的抑制作用，添加不同濃度外源硅均能緩解鎳的抑制作用，以濃度為4mmol·L-1的硅處理緩解效果最佳。

表1 硅對(duì)鎳脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響

2.2 硅對(duì)鎳脅迫下水稻胚生長(zhǎng)的影響

如表2所示，0.1mmol·L-1鎳脅迫下，水稻種子的胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)、胚根鮮重、胚芽鮮重及單株鮮重較對(duì)照處理均顯著降低，不同濃度硅的加入顯著提高了胚生長(zhǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)，每項(xiàng)指標(biāo)加硅處理都顯著高于不加硅處理。2mmol·L-1、4mmol·L-1、8mmol·L-1硅處理與單獨(dú)鎳處理相比水稻種子的胚根長(zhǎng)增加了5.96倍、6.98倍、5.47倍，胚芽長(zhǎng)增加了0.41倍、0.62倍、0.29倍，胚根鮮重增加了8.44倍、10.33倍、7.67倍，胚芽鮮重增加了0.23倍、0.33倍、0.17倍，單株鮮重增加了0.14倍、0.19倍、0.12倍。表明0.1mmol·L-1鎳對(duì)水稻種子胚生長(zhǎng)有毒害作用，添加不同濃度硅后，對(duì)胚生長(zhǎng)具有顯著促進(jìn)作用，其中4mmol·L-1硅處理促進(jìn)效果最強(qiáng)。

表2 硅對(duì)鎳脅迫下水稻胚生長(zhǎng)的影響

2.3 硅對(duì)鎳脅迫下水稻種子丙二醛含量的影響

由圖1可知，與對(duì)照相比，0.1mmol·L-1鎳脅迫下，水稻種子的丙二醛含量顯著增加了81.27%，而添加不同濃度硅后，與單獨(dú)鎳脅迫相比，丙二醛含量分別顯著下降了33.44%、39.44%、19.93%，其中4mmol·L-1硅處理丙二醛含量下降幅度最大，與對(duì)照處理間及2mmol·L-1硅處理間，均差異不顯著，但與8mmol·L-1硅處理間差異顯著。說(shuō)明單獨(dú)鎳脅迫使水稻種子膜脂過(guò)氧化程度增強(qiáng)，種子遭受毒害，添加外源硅顯著降低了膜脂過(guò)氧化程度，減弱了鎳離子對(duì)水稻種子的傷害，以添加4mmol·L-1硅調(diào)控效果最好。

注：圖中不同小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。

3 討論

鎳是植物生長(zhǎng)必需的微量元素，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育呈現(xiàn)低促高抑的現(xiàn)象。張曉宇等試驗(yàn)得出，5mg·L-1鎳處理?xiàng)l件下，紫花苜蓿種子的活力指數(shù)大幅度下降[12]，但苗秀蓮等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鎳濃度為5mg·L-1時(shí)，白榆種子的活力指數(shù)顯著提高[13]，本試驗(yàn)結(jié)果表明，0.1mmol·L-1(≈5mg·L-1)鎳處理使水稻種子的活力指數(shù)顯著降低。本研究結(jié)果與以上前一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果一致，而與苗秀蓮等研究結(jié)果相反。可能與植物種類不同，培養(yǎng)條件不同，導(dǎo)致植物對(duì)相同濃度鎳離子響應(yīng)不同有關(guān)。

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)水稻種植區(qū)重金屬污染日趨嚴(yán)重，利用施硅肥來(lái)緩解水稻遭受重金屬脅迫可能是一個(gè)非常有效的方法。趙紅等研究發(fā)現(xiàn)，10mg·L-1銅脅迫下水稻種子的發(fā)芽率、幼苗根長(zhǎng)、根數(shù)、苗高及根苗干重均明顯下降，添加硅后，這些指標(biāo)均顯著增加，說(shuō)明添加硅能緩解銅脅迫對(duì)水稻的毒害作用[14]。張敏等研究結(jié)果表明，當(dāng)砷濃度為10mg·L-1時(shí)，顯著抑制了水稻種子發(fā)芽及幼苗伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，外源硅的添加使發(fā)芽率顯著提高，幼苗高度明顯上升，表明硅能降低砷對(duì)水稻種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的抑制作用[15]。本研究也得到了以上相似結(jié)果，鎳脅迫下水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)、胚根鮮重、胚芽鮮重及單株鮮重均顯著下降，表明鎳脅迫對(duì)萌發(fā)期水稻有毒害作用，添加不同濃度硅后，水稻種子的這9項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)都顯著增大，其中以添加4mmol·L-1硅對(duì)種子萌發(fā)及胚生長(zhǎng)增長(zhǎng)幅度最大，說(shuō)明在鎳脅迫下，硅能緩解萌發(fā)期水稻受到的毒害，促進(jìn)種子生長(zhǎng)，并以4mmol·L-1硅促進(jìn)作用最強(qiáng)。

植物在逆境條件下，往往會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，丙二醛是其產(chǎn)物之一。本試驗(yàn)結(jié)果表明，0.1mmol·L-1鎳脅迫下水稻種子丙二醛含量較對(duì)照顯著升高，添加不同濃度硅后，種子丙二醛含量均顯著降低，說(shuō)明高濃度鎳誘導(dǎo)種子產(chǎn)生氧化脅迫，膜脂過(guò)氧化程度升高，添加硅可清除過(guò)量活性氧，使活性氧在植物體內(nèi)維持較低水平，保護(hù)了膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整。

4 結(jié)論

本次研究結(jié)果表明，高濃度鎳對(duì)水稻種子生長(zhǎng)各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)具有顯著抑制作用，丙二醛含量顯著上升，添加不同濃度硅后，各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)顯著升高，丙二醛含量顯著降低，呈現(xiàn)對(duì)鎳毒害的緩解作用，并以4mmol·L-1硅緩解效果最適宜。