镉胁迫对甜高粱种子萌发及幼苗生长的影响

黄 娟，周 瑜，李泽碧，吴 毓，张亚勤

（重庆市农业科学院特色作物研究所，重庆永川 402160）

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）μmol·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Duncan’s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%。

表1 不同Cd浓度处理对甜高粱种子发芽及根长的影响

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处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。

图1 不同Cd浓度处理对甜高粱根、芽耐性指数的影响

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]。