镉胁迫对甜高粱种子萌发及幼苗生长的影响

2021-10-11 02:52黄娟周瑜李泽碧吴毓张亚勤
南方农业·上旬 2021年9期
关键词:幼苗生长种子萌发浓度

黄娟 周瑜 李泽碧 吴毓 张亚勤

摘 要 为探讨镉对甜高粱种子萌发的影响,以辽甜1号为研究对象,研究不同浓度镉胁迫下的甜高粱种子萌发和幼苗生长特性。结果表明,甜高粱种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数均随镉胁迫浓度增加表现出先增加后减少的趋势,都在T2处理时表现为最大;镉会抑制甜高粱幼苗的根和芽生长,镉胁迫浓度增加,抑制作用显著增强,且对根长的抑制作用明显大于芽长;甜高粱种子根、芽的耐性指数均随镉胁迫浓度增加而显著降低,且根耐性指数均低于芽耐性指数。

关键词 甜高粱;镉胁迫;浓度;种子萌发;幼苗生长

中图分类号:X503.231 文献标志码:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.25.006

近年来,由于工业“三废”排放、污水灌溉、农药肥料不合理施用等原因,我国大面积农田土壤遭受重金属污染,农产品重金属超标问题突出,对食品安全和人体健康造成严重威胁,其中镉(Cd)已成为最有害的重金属污染物之一。Cd在土壤中分布广泛,而且容易被植物吸收并积累,进入食物链后将严重威胁人类身体健康[1-2]。此外,Cd还会对农作物产生毒害作用,如抑制光合作用和蒸腾作用,干扰植物代谢过程,加速衰老,影响农作物产量和品质[3-4]。Cd具有毒性高、移动性强、不易降解等特点[5],随着“镉大米”事件的曝光,土壤Cd污染问题备受关注。

甜高粱能够吸收土壤中残留的重金属,并将土壤修复与生物能源生产有机结合,可有效避免能源和粮食作物间的矛盾冲突[6],使重金属从粮食链转入能源链,同时兼顾了生态效益和经济效益,是在重金属污染土壤中种植的首选植物[7]。种子萌发不仅是植物生活周期的起点,也是感知外界环境变化的最初生命阶段,是评价植物对镉的耐性的关键阶段[8]。因此,研究甜高粱种子萌发阶段受镉胁迫的影响显得尤为重要。本试验研究不同Cd浓度对甜高粱种子萌发及幼苗生长的影响,探究Cd对甜高粱种子萌发的作用,以期为下一步研究提供基础数据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

供试甜高粱为杂交品种辽甜1号,由辽宁省农科院创新中心提供。

1.2  试验设计

试验根据Cd溶液浓度设10个处理,用蒸馏水CdCl2·2.5H2O分别配制成 1(T1)、20(T2)、50(T3)、100(T4)、500(T5)、1 000(T6)、2 000(T7)、3 000(T8)、4 000(T9)、5 000(T10) ?mol·L-1 的10种溶液浓度,以蒸馏水为对照(CK)。

选择籽粒健康饱满、大小均匀的甜高粱种子,经自来水反复冲洗后,用10%次氯酸钠消毒10 min,再用去离子水冲洗数次后,均匀摆放在铺有2层滤纸的直径为12 cm的培养皿中,每皿40粒种子,用配制的不同浓度的Cd培养液浸润种子。每个处理3次重复,置于25 ℃恒温培养箱内光照培养14 h,暗培养10 h。培养期间每天称重,加相应浓度Cd溶液至原重,保持一定的湿度和浓度。

1.3  测定指标

以芽长达到种子长度的一半为萌发标准[9],每天记载发芽种子数,连续记录 7 d。于第4天计算发芽势,第7天计算发芽率,并用刻度尺测量幼苗根长和芽长,计算发芽指数、活力指数。

各指标计算公式如下:

发芽势=前4 d正常发芽的种子数/供试种子数×100%;

发芽率=前7 d正常发芽的种子数/供试种子数×100%;

发芽指数=∑Gt/Dt,其中Gt为t时间内的发芽数,Dt为相应的发芽天数;

活力指数=发芽指数×芽长;

耐性指数=金属溶液培养后根(苗)长度/对照溶液培养后根(苗)长度×100%。

1.4  数据处理

采用Excel软件整理试验数据,用SPSS 20.0软件进行统计分析,差异显著性检验采用Duncans法。

2  结果与分析

2.1  Cd胁迫对甜高粱发芽势和发芽率的影响

Cd胁迫对甜高粱发芽势和发芽率均有显著影响(P<0.05)(见表1)。随着Cd胁迫浓度的增加,发芽势和发芽率表现为先升高后降低的趋势,其中T2处理的发芽势和发芽率均为最大,其次是CK、T1、T2、T3处理,这几者之间无显著差异;其余处理随Cd浓度增加表现出显著下降趋势,除T6、T7处理间无显著差异外,其余处理差异显著(P<0.05);T10处理的发芽势和发芽率最低,与对照相比,分别下降了70.64%和67.86%。

2.2  Cd 胁迫对甜高粱发芽指数和活力指数的影响

随着Cd胁迫浓度的增加,甜高粱发芽指数和活力指数表现出一致的变化规律,即先增加后降低,T2處理的发芽指数和活力指数均为最大,但其与CK、T1处理之间无显著差异;其余处理随Cd浓度增加表现出显著的下降趋势(P<0.05);T10处理的发芽指数和活力指数最低,与对照相比,分别下降了64.95%和91.78%,表明活力指数比发芽指数下降得更明显。

2.3  Cd 胁迫对甜高粱幼苗根长和芽长的影响

由表1可以看出,Cd胁迫抑制甜高粱幼苗根和芽生长,随着Cd胁迫浓度增加,抑制作用增强。CK、T1、T2处理的根长和芽长差异不显著,其余处理间达显著差异(P<0.05)。与对照相比,T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10处理的根长分别下降2.87%、4.01%、7.07%、11.27%、27.98%、46.90%、78.41%、93.98%、95.99%、97.80%,芽长分别下降1.64%、3.44%、6.06%、8.51%、22.09%、40.26%、51.06%、61.37%、72.18%、76.60%,表明Cd胁迫对甜高粱幼苗根的抑制作用强于芽。

2.4  Cd胁迫对甜高粱根、芽耐性指数的影响

由图1可知,随着Cd浓度的增加,甜高粱种子根、芽的耐性指数均显著降低,且根耐性指数均低于芽耐性指数。其中,T8、T9、T10处理的根耐性指数分别为6.05%、4.03%、2.23%,而芽耐性指数分别为38.74%、27.82%、23.46%,说明在高浓度Cd胁迫时,甜高粱种子根耐性指数比芽耐性指数降低得更明显,表明Cd胁迫对根的毒害作用比芽更显著。

3  小结与讨论

Cd对植物种子萌发具有“低促高抑”的影响,即低浓度的Cd能提高胚的活性,促进种子萌发,而高浓度的Cd对胚、芽产生毒害,从而抑制种子萌发[10]。本试验中,低浓度的Cd胁迫可以促进甜高粱种子的萌发,且在T2浓度时,促进作用最大,而高浓度的Cd显著抑制甜高粱种子的萌发。随着Cd胁迫浓度的增加,甜高粱种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数均表现为先升高后降低趋势,这与周青等[11]、张珂等[12]、何俊瑜等[13]的研究结果一致。

本研究结果表明,Cd胁迫对甜高粱幼苗根长和芽长有显著影响,随Cd胁迫浓度的增加,根长和芽长受到显著抑制作用,且对根长的抑制作用明显大于芽长。这与前人在水稻[14]、玉米[12]、桑树[16]等植物上的试验结果基本一致。本研究结果还表明,甜高粱种子根、芽的耐性指数均随Cd浓度升高呈显著降低,且根耐性指数均低于芽耐性指数;高浓度时,根耐性指数比芽耐性指数降低得更明显,表明Cd对根的毒害作用比芽更显著,这可能是因为种子萌发时,根最先突破种皮吸水,使根部Cd积累量比芽大,受Cd胁迫时间长,故受的毒害也更深;同时,根系在Cd胁迫下产生逆境乙烯,并向地上部输导,而逆境乙烯对细胞有很强的伤害作用,且这种伤害也首先发生在根部,从而表现为根对Cd胁迫更为敏感[17]。

参考文献:

[1]  Wagner G J. Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health[J]. Adv.Agron,1993,51(1):173-205.

[2]  张金彪,黄维南.镉胁迫对草莓光合的影响[J].应用生态学报,2007,18(7):1673-1676.

[3]  Clemens S, Palmgren M G, Kr?mer U. Along way ahead: Understanding and engineering plant mental accumulation[J].Trends in plant science,2002,7(7):309-315.

[4]  刘大林,曹喜春,张华,等.铅、镉胁迫对饲用高粱生长及铅、镉吸收和累积的影响[J].草地学报,2014,22(4):776-782.

[5]  王维.水稻镉吸收的区域模型及其调控研究[D].南京:南京林业大学,2012.

[6]  徐涛英.商陆内生菌促进甜高粱生长和重金属土壤修复的研究[D].长沙:湖南大学,2011.

[7]  贾伟涛,吕素莲,冯娟娟,等.利用能源植物治理土壤重金属污染[J].中国生物工程杂志,2015,35(1):88-95.

[8]  赵磊.“镉大米”事件背后的思考[J].科技致富向导, 2013(16):1.

[9]  毕辛华,戴心维.种子学[M].北京:中国农业出版社,1988.

[10] 贾莲,刘周莉,陈玮,等.镉对金银花的毒物刺激效应[J].应用生态学报,2013,24(4):935-940

[11] 周青,黄晓华,张一.镉对种子萌发的影响[J].农业环境保护,2000(3):156-158.

[12] 张珂,厉萌萌,刘德权,等.镉胁迫对小麦、玉米种子萌发及幼苗生长的影响[J].种子,2019,38(5):90-94.

[13] 何俊瑜,任艷芳,任明见,等.镉对小麦种子萌发幼苗生长及抗氧化酶活性的影响[J].华北农学报,2009,24(5):135-139

[14] 孙亚莉,刘红梅,徐庆国.镉胁迫对不同水稻品种种子萌发特性的影响[J].中国水稻科学,2017,31(4):425-431

[15] 杜乔娣,黄占斌,沈忱,等.环境材料对铅、镉、砷胁迫下玉米种子萌发的影响[J].农业环境科学学报,2012,31(5):874-879.

[16] 陈露,王晓红,张芳,等.镉胁迫对10个桑树品种种子萌发的影响[J].南方农业学报,2019(2):257-263.

[17] 季玉鸣,李振国,余叔文.Cd引起小麦苗逆境乙烯的产生及其和Cd的吸收分布[J].植物生理学报,1989,15(2):159-166.

(责任编辑:易  婧)

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