镉胁迫对小麦、玉米种子萌发及幼苗生长的影响

张 珂，厉萌萌1，刘德权1，陈飞虎1，马 闯

(1.郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南 郑州 450000；2.中国轻工业污染治理与资源化重点实验室，河南 郑州 450000；3.环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心，河南 郑州 450000)

随着现代工农业的迅速发展和人类生产活动的加快，越来越多的重金属通过各种途径进入土壤环境，特别是农田中，对农业生态环境和人类健康构成严重威胁[1-2]。2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤总的点位超标率为16.1%，耕地土壤点位超标率为19.4%，主要重金属污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅，其中，镉的点位超标率为7.0%，居于主要重金属污染的首位[3]。

工业生产中“三废”的大量排放及农业生产中磷肥的大量施用等是导致土壤重金属镉污染的主要原因[4]。由于其半衰期长、不易降解、污染范围广、易积累、不可逆、毒性大等特性，镉被认为是最具危害性的重金属之一[4-6]。镉不是植物所必须的营养元素，当进入植物体内的镉积累到一定程度时，通过抑制植物的呼吸作用和光合作用、减弱植物体中的酶活性、降低植物可溶性蛋白和可溶性糖的含量等途径对植物具有明显的毒害作用，主要表现为植株生长缓慢、矮小、叶片黄化、物候期延迟等，从而影响植物的正常生长并严重影响作物产量、品质和安全[7-9]。农田土壤中的镉又可通过食物链的生物放大给人类及其他动物健康带来潜在危害[10-11]。

对种子植物而言，种子萌发和幼苗生长不仅是植物生活周期的起点，也是植物感知外界环境的最初生命阶段。种子萌发时期的生长状况将直接影响植物以后的生长。因此，研究植物种子萌发及幼苗生长受重金属镉胁迫的影响显得尤为重要。目前，较多的研究已关注重金属镉对作物种子萌发及幼苗生长影响，并发现镉胁迫对植物种子萌发的影响规律不尽相同[5,12]。本研究以小麦、玉米种子为研究对象，研究不同浓度镉胁迫对小麦、玉米种子萌发和幼苗生长的影响，了解作物对重金属镉胁迫的抵抗性，以期为选育耐镉作物物种及镉污染农田的作物安全生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

小麦、玉米种子均来源于河南省农业科学院。其中，小麦种子选用矮抗58，玉米种子选用提纯958。

注：不同小写字母表示处理间差异显著 (p<0.05)。下同。图1 镉胁迫下小麦、玉米种子的发芽势和发芽率

1.2 方 法

1.2.1试验设计

用分析纯CdCl2配制浓度分别为5，10，20，50，100，150，200 mg·L-1的镉溶液，以去离子水为对照。

分别取籽粒饱满、大小一致的小麦、玉米种子，用0.5%的次氯酸钠溶液浸泡30 min后，用去离子水冲洗数次。将洗好后的种子浸泡在去离子水中24 h后，取出种子用滤纸吸干种子表面的水分。分别将小麦、玉米种子均匀摆放于铺有2层滤纸的直径为9 cm的培养皿中。其中，小麦种子在每个培养皿中放入60粒，每组处理设4个重复，共32个培养皿；玉米种子在每个培养皿放入15粒，每组处理设3个重复，共24个培养皿。将培养皿置于温度为25 ℃、光暗比为12 h/12 h的光照培养箱中进行培养。每天观察并记录种子的发芽数，培养7 d后测定生长指标。

1.2.2测定指标及方法

以胚芽长到种子的二分之一作为萌发的标准，记录小麦、玉米种子每天的发芽种子数，连续记录7 d。于第3天计算发芽势，于第7天计算发芽率，并用刻度尺测幼苗根长和芽长，计算发芽指数、活力指数及根长和芽长的抑制率。

发芽势(%)=(3 d萌发种子数/供试种子总数)×100%；发芽率(%)=(7 d萌发种子数/供试种子总数)×100%；发芽指数=∑(Gt/Dt)，Gt为第t天的萌发数，Dt为发芽日数；活力指数=发芽指数 ×(根长+芽长)；根长抑制率(%)=[(对照组根长-处理组根长)/对照组根长]×100%；芽长抑制率(%)=[(对照组芽长-处理组芽长)/对照组芽长]×100%。

1.3 数据分析

采用SPSS 16.0统计软件和Origin 8.5软件进行数据分析和差异性检验。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对小麦、玉米种子发芽势和发芽率的影响

小麦、玉米种子的发芽势和发芽率对不同浓度镉胁迫的响应不同(图1)。随着镉胁迫浓度的增加，小麦种子发芽势和发芽率表现出先增加的趋势，在镉胁迫浓度为20 mg·L-1和50 mg·L-1时，发芽势和发芽率均为最大，但0，5，10，20，50，100 mg·L-1镉胁迫处理间无显著差异(p> 0.05)；在镉胁迫浓度为150 mg·L-1和200 mg·L-1时，小麦种子发芽势和发芽率均显著降低(p<0.05)，但两处理间无显著差异(p> 0.05)。随镉胁迫浓度的增加，玉米种子发芽势和发芽率均表现出下降趋势，但各处理间均无显著差异(p> 0.05)。

图2 镉胁迫下小麦、玉米的发芽指数和活力指数

图3 镉胁迫下小麦、玉米的根长+芽长

2.2 镉胁迫对小麦、玉米种子发芽指数和活力指数的影响

从发芽指数看，小麦种子发芽指数与发芽势和发芽率呈一致的变化规律，即在低浓度镉胁迫(5，10，20，50 mg·L-1)时表现出增加趋势，在高浓度镉胁迫(150，200 mg·L-1)时发芽指数则显著降低(p<0.05)(图2 a)。随镉胁迫浓度的增加，小麦活力指数逐渐降低，且在高浓度镉胁迫(150 mg·L-1和200 mg·L-1)时表现出显著降低(p<0.05)(图2 b)。

随镉胁迫浓度的增加，玉米发芽指数与发芽势和发芽率也呈一致的变化规律，即玉米发芽指数呈降低趋势，但各处理间无显著差异(p>0.05)；玉米活力指数则显著降低(p<0.05)(图2 c，d)。

2.3 镉胁迫对小麦、玉米根长和芽长的影响

由图3可见，随镉胁迫浓度的增加，小麦、玉米种子萌发后幼苗的根长+芽长显著降低(p<0.01)。

由表1 可见，随镉胁迫浓度的增加，镉对小麦、玉米根长和芽长抑制率均显著增加，且对根长的抑制率均高于芽长的抑制率。其中，在镉胁迫浓度为200 mg·L-1时，小麦根长的抑制率为72.14%，芽长抑制率为54.07%；在镉胁迫浓度高于100 mg·L-1时，玉米根长的抑制率为100%，玉米芽长的抑制率在镉胁迫浓度为200 mg·L-1时最高，为76.27%。

表1 镉胁迫对小麦、玉米根和芽的抑制 单位：%

镉浓度/(mg·L-1) 小麦 玉米 根长芽长根长芽长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 讨 论

农作物种子的发芽率、发芽势、发芽指数等是衡量种子发芽能力的重要指标，活力指数是反映种子品质的重要参数[13]。已有的研究[14-15]表明，重金属对植物种子萌发具有“低促高抑”的影响，即低浓度重金属在一定程度上可以提高种子胚的生理活性，促进种子萌发；高浓度重金属则对种子胚、芽等产生毒害作用，并抑制种子的代谢过程，从而抑制种子萌发。本研究中，在种子萌发特征上，小麦、玉米对不同浓度镉胁迫的响应不同。其中，低浓度镉胁迫对小麦种子萌发有一定的促进作用，且在镉胁迫浓度为20 mg·L-1和50 mg·L-1时促进作用最大，高浓度镉胁迫对小麦种子具有显著的抑制作用，说明重金属镉对小麦种子萌发具有“低促高抑”的作用，这与何俊瑜等[16]、金海燕等[17]及慈恩等[18]的研究结果一致。然而，不同浓度镉胁迫对玉米种子萌发均有一定的抑制作用，但各处理间无显著差异，这一方面体现了不同物种种子对镉响应的差异性，同时说明在高浓度镉胁迫下，玉米种子萌发受镉的影响相对较小。此外，李鸿宇等[19]的研究发现，当镉胁迫浓度为30～50 mg·L-1时对玉米种子萌发的抑制作用最明显，并提出该浓度可作为筛选耐镉玉米品种的浓度，而本研究中玉米种子萌发对5～200 mg·L-1镉胁迫浓度的响应并不显著，表明同一物种不同品种对镉的耐受程度不同，也进一步说明研究重金属胁迫对不同物种及其不同品种的影响的必要性。

种子萌发后根长和芽长的变化是鉴定幼苗抗逆性的重要指标。本研究中，随镉胁迫浓度的增加，小麦、玉米的根长和芽长受到的抑制作用均显著增加，这与李国良[20]、杜乔娣等[12]的研究结果一致，说明相比于种子萌发特征，幼苗生长受镉胁迫的影响更为显著。不同浓度镉胁迫对幼苗根长较高的抑制率说明镉对幼苗根系的抑制作用较大，这可能是由于在种子吸胀萌发时，胚根通过快速吸收水伸长并最先突破种皮，导致镉在根系的积累量及镉离子对根系的胁迫时间上均大于芽。同时，根系在重金属离子的胁迫下产生逆境乙烯，并向上输导，逆境乙烯对细胞有很强的伤害作用，而且这种伤害首先发生在根部，从而表现为幼苗根对重金属胁迫的反应更直接、敏感[12,21]。此外，相比于玉米根长和芽长的抑制率，镉胁迫对小麦根长和芽长的抑制率较低，表明玉米幼苗对镉胁迫的敏感性高于小麦幼苗。由此说明，即使同一物种，其种子萌发和幼苗生长阶段对镉胁迫的响应也不一致。

4 结 论

本研究中，小麦种子的发芽势、发芽率及发芽指数均随镉胁迫浓度的增加表现出先增加后降低的趋势，且在镉胁迫浓度为20 mg·L-1和50 mg·L-1时，发芽势、发芽率及发芽指数为最大；随镉胁迫浓度的增加，玉米种子发芽势、发芽率及发芽指数均表现出下降趋势，但各处理间均无显著差异。随镉胁迫浓度的增加，小麦种子活力指数逐渐降低，且在镉浓度为150 mg·L-1和200 mg·L-1时表现最为显著；玉米活力指数则显著降低。镉对小麦、玉米根长的抑制率均高于芽长的抑制率，且镉胁迫对玉米幼苗的抑制率较高。