锌胁迫对黑小麦种子萌发、幼苗生长和酶活性的影响

宣毓龙,庞庆阳,王开勇，石培春

(石河子大学农学院农业资源与环境系,新疆石河子 832000)



锌胁迫对黑小麦种子萌发、幼苗生长和酶活性的影响

宣毓龙,庞庆阳,王开勇，石培春

(石河子大学农学院农业资源与环境系,新疆石河子 832000)

【目的】为黑小麦在锌胁迫下的耐锌生理研究及其耐锌育种提供参考依据。【方法】以4个黑小麦品种(系)为材料，利用锌胁迫的方法，研究0、50、100、200、400、800 mg/L ZnSO4溶液对黑小麦种子萌发、幼苗生长和酶活性的影响。【结果】4个黑小麦品种(系)的苗高、鲜重、发芽率、根冠比、SOD和CAT活性均随着锌浓度的增加,呈现先增加后减少的趋势；根长则呈逐渐减小的趋势；POD活性和须根数随锌浓度升高而升高。【结论】锌浓度在50～100 mg/L可以更好的促进黑小麦生长。

黑小麦；酶活性；锌胁迫；种子萌发；幼苗生长

0 引 言

【研究意义】随着城市化、工业化进程的加快,工业三废的排放,农药化肥的不合理使用,汽车数量迅猛增加,导致重金属污染愈发严重。重金属一旦进入土壤中很难被排除,且可通过在作物体内富集进入食物链并通过食物链的传递放大其有害作用,进而给整个生态环境及人类健康带来极大危害[1]。锌既是植物必需的营养元素,同时也是一种常见的对环境有毒的重金属元素[2]。目前由于大量锌矿的开采等人类活动,使某些地区土壤和水体环境中的锌元素不断积累,以致超过了植物正常生长所需的锌元素水平,造成对植物的毒害和土壤的污染[3]。有关锌污染对植物造成危害的问题已引起人们的广泛关注。小麦是世界上最重要的粮食作物之一,全世界1/3以上的人口以小麦为主食。在中国,小麦仅次于水稻,是第二大粮食作物[4]。在新疆,小麦是播种面积最大的粮食作物,其产量占全区粮食总产量的50%以上,目前新疆已成为国家的粮食战略储备基地[5]。随着社会经济的发展,人类对食品的要求逐渐由温饱型向营养。医疗保健功能型转变,黑色食品以其天然性、营养性、功能性和科学性的四重性[6]。愈来愈受到人们的关注,成为食品工业研究的新热点之一。【前人研究进展】近年来人们对重金属污染有了很多研究,特别是锌对植物的影响进行了大量的研究，关于重金属污染对作物生长影响的研究报道较多,多集中在小麦、水花生、黑麦草、虞美人等植物对锌的吸收、转移和积累以及对植物的生理指标、光合特性的影响[7-18]。【本研究切入点】锌胁迫对黑小麦种子萌发、幼苗生长和酶活性的研究则少有报道。以4个黑小麦品种(系)为材料,研究不同浓度锌胁迫对黑小麦种子萌发、幼苗生长和酶活性的影响。【拟解决的关键问题】为黑小麦在锌胁迫下的耐锌机理、植株整体抗锌污染研究提供必要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验材料为石河子大学农学院育种课题组提供的4个黑小麦品种(系):黑小麦76、S-1、S-2和S-3。研究中选择的锌胁迫试剂为ZnSO4,为分析纯试剂。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2012年在石河子大学农学院生理实验室进行。采用两因素完全随机试验设计。试验中对ZnSO4(浓度以纯金属离子记)设置了0、50、100、200、400、800 mg/L 6个浓度梯度。重复3次。

选取4个黑小麦品种(系)中籽粒饱满、生长均匀一致的种子,分别经1‰的升汞消毒15 min,用蒸馏水清洗3次。用75%的酒精将发芽盒擦洗消毒,晾干后在发芽盒里放置滤纸6层,分别加入20 mL锌溶液。将消过毒的种子均匀的排布在发芽盒中,每盒50粒。将发芽盒放置在20℃的恒温培养箱里培养。为了减少由于水分蒸发导致锌浓度增大造成的误差,在4 d时加入一定量的去离子水[19]。

1.2.2 测定项目1.2.2.1 发芽率

种子发芽试验以胚根突破种皮，长度为种子一半时为发芽标准。连续7 d,每天数出每一培养皿内发芽种子数,作好记录。按国家种子检验标准[20],第7 d计发芽率。

发芽率(Gp)=n/N×100%(式中n为第7 d累积发芽种子数,N为供试种子总数)。

1.2.2.2 其它指标

在培养的第8 d,随机选取每个发芽盒内的10株幼苗,测定苗高，根长、须根数、根冠比、鲜重以及幼苗中POD、CAT和SOD含量,记录数据。其中POD活性测定采用愈创木酚法,SOD测定采用氮蓝四锉法,CAT采用过氧化氢分解法[21]。

根冠比=地下干重/地上干重。

1.3 数据统计

所有数据均用Excel进行处理,以SPSS17.0软件进行统计分析,用Duncan法分析不同处理的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 锌胁迫对不同黑小麦品种(系)萌发和幼苗生长的影响

图1 锌胁迫不同黑小麦品种(系)种子发芽率变化
Fig.1 Zinc stress on different triticale cultivars seed germination rate

2.1.1 不同浓度的锌胁迫对黑小麦种子发芽率的影响

研究表明,同一品种(系)黑小麦在不同浓度的锌处理下种子的发芽率之间差异显著(P<0.05)。随着锌溶液浓度的增加,4个黑小麦品种(系)的发芽率呈波状变化。在低浓度锌处理下,种子的发芽率均高于对照,并且随着锌浓度的增加而缓慢增加；当锌浓度为100 mg/L时,4个黑小麦品种(系)的发芽率均达到最大值 ,黑小麦76、S-1、S-2和S-3分别为98.67%、94.03%、95.01%和98.07%,与对照相比此时发芽率分别增大2.78%、4.44%、6.74%和4.25%。当锌浓度超过100 mg/L时,随着浓度增大发芽率开始降低,当锌浓度达到800 mg/L时，4个品种(系)发芽率均达到最低值,分别为87.33%、70.33%、66.77%和76.77%,与对照相比发芽率分别降低了9.03%、22.22%、25.84%和18.32%。可以看出S-2品系在低浓度锌处理下发芽率增加最大,而高浓度下黑小麦76发芽率降低最少。图1

2.1.2 不同浓度的锌胁迫对黑小麦幼苗苗高的影响

不同浓度的锌处理对黑小麦苗高的影响极显著(P<0.01)。随着锌浓度的增加,4个品种(系)的黑小麦均呈现出先增加后降低的趋势。在低浓度锌处理下,苗高随着锌浓度的增加而缓慢增加；当锌浓度为100 mg/L时,4个品种(系)的黑小麦苗高均达到最大值,黑小麦76、S-1、S-2和S-3分别为14.19、12.97、15.97和15.06 cm,与对照相比此时苗高分别增大5.26%、15.46%、14.24%和14.62%。当锌浓度超过100 mg/L时,随着浓度增大苗高开始降低,当锌浓度达到800 mg/L时，4个品种(系)苗高均达到最小值,分别为9.63、7.74、10.63和10.81 cm,与对照相比苗高分别降低28.62%、31.09%、23.91%和17.76%。可以看出S-1品系在低浓度锌处理下苗高增加最明显,而高浓度下S-3最能抵抗锌的胁迫。图2

图2 锌胁迫不同黑小麦品种(系)幼苗苗高变化
Fig.2 Zinc stress on different triticale cultivars seedlings of high impact height

2.1.3 不同浓度锌胁迫对黑小麦幼苗根长影响

不同浓度的锌处理对不同品种(系)黑小麦幼苗根长的影响是极显著的(P<0.01)。随着锌浓度的增加不同品种(系)黑小麦的根长都有不同程度的下降,且当浓度达到800 mg/L时，4个品种(系)黑小麦根长都最短，黑小麦76、S-1、S-2和S-3分别为2.03、2.38、2.08和2.61 cm,与对照相比分别降低了86.08%、84.51%、86.84%和82.90%。可以看出锌对于黑小麦的根长表现为抑制,锌浓度越大抑制效果越明显。图3

图3 锌胁迫不同黑小麦品种(系)幼苗根长变化
Fig.3 Influence of zinc stress on different triticale cultivars seedling root

2.1.4 不同浓度锌胁迫对黑小麦幼苗须根数的影响

研究表明,锌胁迫对不同品种(系)的黑小麦须根数的影响达到了极显著水平(P<0.01)。随着锌浓度的升高黑小麦须根数呈增长趋势；在相同浓度中, S-1须根数最多,黑小麦76须根数相比之下最少, S-2和S-3须根数相当,处于中间水平。图4

图4 锌胁迫不同黑小麦品种(系)幼苗须根数变化
Fig.4 Influence of zinc stress on fibrous root number of triticale cultivars seedlings

2.1.5 不同浓度锌胁迫对黑小麦幼苗鲜重影响

研究表明,黑小麦幼苗鲜重在不同锌浓度处理差异达到极显著水平(P<0.01)。黑小麦幼苗鲜重随锌浓度的增加表现为先增强后降低的趋势,并且当锌浓度到达100 mg/L时,4个品种(系)的黑小麦鲜重都达到了最大值,黑小麦76、S-1、S-2和S-3分别为2.11、2.46、2.41和2.47 g,此时幼苗鲜重分别较对照增加0.50%、28.59%、9.18%和14.27%。当锌浓度为800 mg/L时,4个黑小麦品种(系)的鲜重都出现了不同程度的减少,并且都达到了最低值,此时黑小麦鲜重分别较对照降低了33.36%、20.94%、35.28%和30.94%。可以看出S-1在低浓度锌处理下长势最好,黑小麦76最差, S-2和S-3处于中间水平；而在高浓度下S-1的抗锌胁迫能力最强,黑小麦76最差。图5

图5 锌胁迫不同黑小麦品种(系)幼苗鲜重变化
Fig.5 Influence of zinc stress on different triticale cultivars seedling weight

2.1.6 不同浓度锌胁迫对黑小麦幼苗根冠比的影响

研究表明,4个黑小麦品种(系)的根冠比在不同浓度锌处理下差异均达到极显著水平(P<0.01),且随着锌浓度的增加根冠比呈先增加后降低的趋势,当锌浓度到达50 mg/L时,黑小麦76、S-1和S-3品种(系)均达到最大值,与对照相比根冠比分别增大了10.03%、16.86%和7.93%,锌浓度到达100 mg/L时, S-2根冠比达到最大值,与对照相比根冠比增大了5.6%。锌浓度继续增大到800 mg/L时,4个品种(系)的根冠比的值最小,黑小麦76、S-1、S-2和S-3与对照相比分别减少了41.01%、31.41%、50.28%和48.79%。可以看出S-1在低浓度锌胁迫下长势最好,并且在高浓度下抵抗锌胁迫的能力也是最强的。图6

图6 锌胁迫不同黑小麦品种(系)幼苗根冠比变化
Fig.6 Influence of zinc stress on different triticale cultivars seedling root cap ratio

2.2 锌胁迫对不同黑小麦品种(系)酶活性的影响

2.2.1 锌胁迫对黑小麦品种(系) 过氧化物酶(POD)活性的影响

过氧化物酶的主要作用是清除氧代谢中产生的H2O2以及由此产生的有机过氧化物ROOH,因此,POD在生物体内的抗氧化代谢中起着重要的作用[22]。经过SPSS17.0处理同一品种(系)黑小麦在不同浓度锌处理下POD值差异均达到极显著(P<0.01)水平,各品种(系)小麦POD活性随着锌浓度的增加呈增加的趋势。图7

图7 锌浓度胁迫不同黑小麦品种(系)POD变化
Fig.7 Effects of Zn concentration on peroxidase (POD) activity in four triticale cultivars

2.2.2 锌胁迫对黑小麦品种(系)过氧化氢酶(CAT)活性的影响

过氧化氢是一种代谢过程中产生的废物,它能够对机体造成损害，而过氧化氢酶(CAT)就是常常被细胞用来催化过氧化氢分解的工具。由此可以看出CAT在植物体内的重要性。研究表明, CAT活性随锌浓度的增加呈现先增加后减少的趋势。当锌浓度到达100 mg/L时,不同黑小麦品种(系) CAT活性相对较高。图8

图8 锌浓度胁迫不同黑小麦品种(系)CAT变化
Fig.8 Effects of Zn concentration on catalase (CAT) activity in four triticale cultivars

2.2.3 锌胁迫对黑小麦品种(系) 超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

超氧化物歧化酶(SOD)是一种源于生命体的活性物质,能消除生物体在新陈代谢过程中产生的有害物质。研究表明,SOD活性随锌浓度的增加呈现先增加后减少的趋势。综合比较下,当锌浓度到达100 mg/L时,不同黑小麦品种(系)SOD活性相对较高。图9

3 讨 论

种子萌发质量的好坏直接影响着植物的生长和生物量,因此研究种子萌发阶段受重金属污染的影响具有重要的意义。锌是兼具营养和毒性的植物必需元素,同时又是一种重金属,过量的锌也会对植物体造成危害[23]。有研究表明,重金属对植物种子萌发及幼苗的影响，一般认为，存在一个较低浓度下的刺激效应和高浓度下的抑制效应[24]；一定浓度的硫酸锌能打破种子的休眠,提高种子的活力。在研究中,不同浓度的锌处理对黑小麦种子萌发的影响不同,总体规律是随着锌浓度的增加,黑小麦种子的发芽率呈现先升后降的变化趋势,其中100 mg/L的锌浓度可能对黑小麦种子的萌发有最大的促进作用。

图9 锌浓度胁迫不同黑小麦品种(系)SOD变化
Fig.9 Effects of Zn concentration on the superoxide dismutase (SOD) activity in four triticale cultivars

黑小麦幼苗生物量在不同锌浓度下差异显著,Zn2+≤100 mg/L时,Zn2+对苗高、鲜重、根冠比无抑制,过度锌胁迫(Zn2+>100 mg/L时),对株高、鲜重、根冠比有影响,并且随着锌浓度的增大抑制效果越明显。但是即使在高锌处理中,黑小麦幼苗根系的须根数都高于对照，并且随着锌浓度的增大根长一直减少。随着锌浓度的增大虽然促进了须根数目的增多,同样也抑制了根的生长。

黑小麦幼苗POD活性随土壤中Zn2+浓度的升高而增强,此结果与锌是一种特殊的重金属元素有关,即锌是植物生长发育必须的营养元素,过量锌又会对植物产生毒害。因此,高锌胁迫提高了黑小麦幼苗的POD活性,该结果与王友保等(2001)、刘登义等(2003)及周红卫等(2003)报道基本一致[25-27]。POD活性增强,是植物对不利外界环境的适应性反应。而CAT和SOD活性随着锌浓度的增加呈现先增加后减少的趋势。

4 结 论

不同锌浓度胁迫对黑小麦幼苗生长及酶活性的影响均达到了显著或极显著差异性，且在锌浓度为50～100 mg/L时，黑小麦的发芽率、苗高、鲜重、根冠比以及酶活性均达到最优值。通过各指标之间来看，低浓度锌胁迫对黑小麦幼苗生长具有一定的促进作用。通过研究得出黑小麦在锌浓度为50～100 mg/L时,有利于黑小麦的萌发和生长，并且为植株整体抗锌污染研究提供必要的理论依据。

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Fund project:Supported by national Science and technology support program(2014BAC14B030-2)， NSFC (31560169), International science and technology cooperation projects(2011DFA93140，2015DFA11660)and high level talent fund of Shihezi University(RCZX201314)

Effects of Zinc Stress on Seed Germination, Seedling Growth and Enzyme Activity of Triticale

XUAN Yu-long，PANG Qing-yang，WANG Kai-yong，SHI Pei-chun

(Department of Resources and Environmental Science，College of Agronomy, Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832003, China)

【Objective】 To provide basic reference for triticale (black wheat) physiological research on zinc tolerance and breeding under zinc stress.【Method】The seeds were treated with 50, 100, 200, 400 or 800 mg Zn/L and then incubated. Seven days after germination the height, root length, weight, and enzyme activities of the seedlings were measured.【Result】 The results indicated that such data as seeding height, fresh weight, germination rate, root-shoot ratio and CAT, SOD firstly rose and then dropped with the increasing of zinc concentration under the zinc stress. The root length dropped and POD, fibrous root number rose with the increasing of zinc concentration under the zinc stress. 【Conclusion】 In conclusion, 50 to 100 mg Zn/L can promote the growth of triticale (black wheat).

triticale (black wheat)；enzyme activity； zinc stress；seed germination；seedling growth

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.05.017

2016-01-13

国家科技支撑计划项目(2014BAC14B030-2);国家自然科学基金项目(31560169);国际科技合作项目(2011DFA93140，2015DFA11660);石河子大学高层次人才基金项目(RCZX201314)

宣毓龙(1990-),男,山西人，硕士研究生,研究方向为土壤环境与生态安全,(E-mail)270535904@qq.co

王开勇 (1978-)，男，山东人，副教授、博士，研究方向为土壤环境与生态安全，(E-mail)wky20@163.com

S512.5；S-3

A

1001-4330(2016)05-0907-08