張 珂，厲萌萌1，劉德權1，陳飛虎1，馬 闖

(1.鄭州輕工業(yè)學院材料與化學工程學院，河南 鄭州 450000；2.中國輕工業(yè)污染治理與資源化重點實驗室，河南 鄭州 450000；3.環(huán)境污染治理與生態(tài)修復河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000)

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和人類生產(chǎn)活動的加快，越來越多的重金屬通過各種途徑進入土壤環(huán)境，特別是農(nóng)田中，對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和人類健康構成嚴重威脅[1-2]。2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)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(yè)生產(chǎn)中“三廢”的大量排放及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yǎng)元素，當進入植物體內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)量、品質(zhì)和安全[7-9]。農(nóng)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(fā)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(huán)境的最初生命階段。種子萌發(fā)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(fā)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(fā)及幼苗生長影響，并發(fā)現(xiàn)鎘脅迫對植物種子萌發(fā)的影響規(guī)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(fā)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(nóng)田的作物安全生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

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(nóng)業(yè)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(fā)芽勢和發(fā)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(shù)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(yǎng)皿中。其中，小麥種子在每個培養(yǎng)皿中放入60粒，每組處理設4個重復，共32個培養(yǎng)皿；玉米種子在每個培養(yǎng)皿放入15粒，每組處理設3個重復，共24個培養(yǎng)皿。將培養(yǎng)皿置于溫度為25 ℃、光暗比為12 h/12 h的光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)。每天觀察并記錄種子的發(fā)芽數(shù)，培養(yǎng)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(fā)的標準，記錄小麥、玉米種子每天的發(fā)芽種子數(shù)，連續(xù)記錄7 d。于第3天計算發(fā)芽勢，于第7天計算發(fā)芽率，并用刻度尺測幼苗根長和芽長，計算發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及根長和芽長的抑制率。

發(fā)芽勢(%)=(3 d萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；發(fā)芽率(%)=(7 d萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，Gt為第t天的萌發(fā)數(shù)，Dt為發(fā)芽日數(shù)；活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù) ×(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(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件和Origin 8.5軟件進行數(shù)據(jù)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(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響

小麥、玉米種子的發(fā)芽勢和發(fā)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(fā)芽勢和發(fā)芽率表現(xiàn)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(fā)芽勢和發(fā)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(fā)芽勢和發(fā)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(fā)芽勢和發(fā)芽率均表現(xiàn)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(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

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(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

從發(fā)芽指數(shù)看，小麥種子發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽勢和發(fā)芽率呈一致的變化規(guī)律，即在低濃度鎘脅迫(5，10，20，50 mg·L-1)時表現(xiàn)出增加趨勢，在高濃度鎘脅迫(150，200 mg·L-1)時發(fā)芽指數(shù)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(shù)逐漸降低，且在高濃度鎘脅迫(150 mg·L-1和200 mg·L-1)時表現(xiàn)出顯著降低(p<0.05)(圖2 b)。

隨鎘脅迫濃度的增加，玉米發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽勢和發(fā)芽率也呈一致的變化規(guī)律，即玉米發(fā)芽指數(shù)呈降低趨勢，但各處理間無顯著差異(p>0.05)；玉米活力指數(shù)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(fā)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(nóng)作物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)等是衡量種子發(fā)芽能力的重要指標，活力指數(shù)是反映種子品質(zhì)的重要參數(shù)[13]。已有的研究[14-15]表明，重金屬對植物種子萌發(fā)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(fā)；高濃度重金屬則對種子胚、芽等產(chǎn)生毒害作用，并抑制種子的代謝過程，從而抑制種子萌發(fā)。本研究中，在種子萌發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)受鎘的影響相對較小。此外，李鴻宇等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，當鎘脅迫濃度為30～50 mg·L-1時對玉米種子萌發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(chǎn)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(fā)生在根部，從而表現(xiàn)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(fā)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(fā)芽勢、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)均隨鎘脅迫濃度的增加表現(xiàn)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(fā)芽勢、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)為最大；隨鎘脅迫濃度的增加，玉米種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)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(shù)逐漸降低，且在鎘濃度為150 mg·L-1和200 mg·L-1時表現(xiàn)最為顯著；玉米活力指數(shù)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。