镉对不同品种小麦种子萌发及幼苗生长的影响

张珂，高楠，张凌基，刘可欣，厉萌萌，王凯，马闯，张宏忠

1.郑州轻工业大学 材料与化学工程学院,河南 郑州 450001；2.环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心,河南 郑州 450001;3.森特士兴集团股份有限公司,北京 100176

0 引言

土壤中重金属(非必需植物元素)的持续积累已成为农作物生长及品质保障的重要安全隐患，其中，镉(Cd)作为世界各地农业土壤的严重威胁逐渐成为研究热点[1-4]。Cd通常存在于锌矿中，并在前20种有毒金属中排名第7，1993年被国际肿瘤研究协会(IRPAC)列为第一类致癌物[5-6]。2014年4月，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》[7]显示，全国土壤总点位超标率为16.1%，其中重金属Cd的点位超标率高达7%，为污染物超标排名之首。土壤中Cd的主要来源是农业施用磷肥、污水污泥排放、工业大气沉积等[8]。Cd以非必需的形式在土壤中存在且易于溶解和移动，一方面会使土壤理化性质发生改变；另一方面，即使低浓度的Cd也会很快被农作物吸收摄取并在其不同部位转运积累，影响农作物体内自由基和活性氧的产生，破坏活性氧平衡进而抑制自身生长，并对其产生危害[9-13]。Cd对农作物产生毒性危害的关键步骤在于农作物根部吸收并向地上部分转移，进而影响作物的形态及生理生化特征，最常见的形态学症状包括根和芽生长发育不良、正常生物量积累减少及叶片褪色，最终导致作物死亡[14-16]。被农作物吸收的Cd通过食物链富集，也会对人类健康构成潜在威胁[17-18]。

植物种子的萌发期是植物生命活动最强烈的时期，种子发芽在某种程度上直接影响作物的生长发育[19]。有研究报道[20]，作为占全球作物种植面积1/4的小麦，其产量会直接影响全球经济。在Cd污染日益严重的情况下，研究其对小麦种子在萌发阶段的影响非常重要。高汝勇[21]认为，Cd胁迫质量浓度在80 mg/L时可显著抑制小麦种子的发芽率，且随Cd胁迫质量浓度增大，小麦种子发芽率呈降低趋势；曹丹等[22]认为，Cd胁迫质量浓度在40 mg/L时，对徐麦33抑制最强；张珂等[23]研究表明,Cd胁迫质量浓度在20 mg/L和50 mg/L时对小麦种子的发芽势、发芽率及发芽指数促进作用最大。目前，Cd胁迫对小麦种子萌发及生长特性的研究主要集中在对单一品种的研究，而对小麦种子萌发期耐Cd性综合评价的报道较少。基于此，本研究拟以4个不同品种小麦种子为实验材料，研究重金属Cd在不同胁迫质量浓度下对不同品种小麦种子萌发及幼苗生长的影响，并通过隶属函数法对具有高耐Cd性的小麦品种进行评价，以期为培育高质高产小麦提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

用CdCl2(分析纯，上海阿拉丁公司产)配制质量浓度分别为0 mg/L(去离子水对照)、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L的Cd溶液。供试小麦购买于河南省农业科学院，分别为郑麦1354、周麦27、周麦30、郑麦9023。

1.2 实验设计

挑选大小一致、健康、籽粒饱满的小麦种子，用体积分数为2%的H2O2溶液浸泡30 min后，用去离子水反复冲洗 3～5遍[24]。为直接了解Cd对小麦种子萌发与吸涨过程的影响，将小麦种子放入去离子水中浸种6 h，再将其摆放在铺有2层滤纸的培养皿(直径9 cm)内，每皿摆放10粒。分别向培养皿中加入3.5 mL不同质量浓度的Cd溶液，每个处理重复3次，共84个培养皿。将培养皿置于25 ℃、40%相对湿度恒温培养箱中,于黑暗条件下培养7 d。培养过程中，每天记录小麦种子萌发情况(胚芽达到种子长度的一半)，于第3 d统计发芽势，第7 d统计发芽率,并用游标卡尺测定根长和芽长。培养过程中补充的Cd溶液根据预实验阶段结果确定，大致为：在未加滤纸和种子的情况下，向培养皿中加入去离子水，盖上盖，在与处理组实验条件相同的情况下，每隔12 h测定培养皿中剩余水的体积，间接计算出每d蒸发的水分量，约1.0～1.4 mL。

1.3 测定方法

用下列各式计算相关指标。

发芽势(GV)=3 d内供试萌发种子数/

供试种子总数×100%

①

发芽率(GR)=7 d内供试萌发种子数/供试种子总数×100%

②

发芽指数(GI)=∑(第n天的萌发数/

对应的发芽天数)

③

活力指数(VI)=发芽指数×胚芽长度

④

1.4 耐Cd性综合评价

应用隶属函数法对4个品种小麦种子的萌发期耐Cd性进行综合评价。首先计算小麦种子的相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数、相对活力指数、相对根长和相对芽长。利用隶属函数公式计算出以上指标在不同Cd质量浓度下的具体隶属函数值，并对不同Cd质量浓度下该指标的隶属函数值求平均值，最后再把每个品种各项指标的隶属函数值求平均值，根据最终隶属函数值大小确定小麦种子萌发期耐Cd毒性强弱，平均值越大，耐Cd性越强[17]。计算公式如下：

相对发芽势=镉处理发芽势/

对照发芽势×100%

⑤

相对发芽率=镉处理发芽率/

相应对照发芽率×100%

⑥

相对发芽指数=镉处理发芽指数/

对照发芽指数×100%

⑦

相对活力指数=镉处理活力指数/

对照活力指数×100%

⑧

相对根长=镉处理根长/对照根长×100%

⑨

相对芽长=镉处理芽长/对照芽长×100%

⑩

第j个指标的隶属函数公式为：

其中，X为某Cd质量浓度下供试小麦种子第j个指标的测定值，Xmax和Xmin分别为相应指标的最大值和最小值。

1.5 数据分析

采用SPSS16.0软件进行单因素ANOVA分析，数据以(平均值±标准差)表示。不同品种小麦的各指标采用SPSS16.0软件进行双变量相关性分析，其中相关系数为皮尔逊相关系数，显著性检验为双尾检验。

2 结果与分析

2.1 不同Cd胁迫质量浓度对小麦种子发芽势和发芽率的影响分析

种子的发芽势、发芽率等指标是衡量种子发芽能力的重要参数[25-26]。有研究表明[27-29]，重金属Cd胁迫对小麦种子萌发及幼苗生长具有“低浓度促进、高浓度抑制”的影响，主要原因是种子在受到Cd胁迫后，一方面会产生反馈效应，表现为种子的新陈代谢能力增强；另一方面,Cd胁迫刺激相关酶的活性进而促使根尖细胞分裂，作为补偿性生长，在低浓度Cd胁迫时会促进种子萌发，但胁迫质量浓度过高则对种子产生毒害作用，进而抑制种子萌发[30-31]。不同Cd胁迫质量浓度对小麦种子发芽势、发芽率的影响见表1和表2。

由表1可见，与对照组相比，Cd胁迫质量浓度为5～100 mg/L增加了郑麦1354的发芽势，且Cd胁迫质量浓度为5 mg/L和50 mg/L时达到最高(93%)；周麦27的发芽势在Cd胁迫下均高于对照组，但随Cd胁迫质量浓度的增加表现出先升高后降低的趋势，且在Cd胁迫质量浓度为20 mg/L时发芽势达到最高(77%)；与对照组相比，周麦30和郑麦9023的发芽势在5～20 mg/L的Cd胁迫质量浓度下表现出减小的趋势，周麦30的发芽势在Cd胁迫质量浓度为5 mg/L时显著降低(P<0.05)，但随着Cd胁迫质量浓度的升高，周麦30和郑麦9023的发芽势均在Cd胁迫质量浓度为50 mg/L时达到最高，分别为47%和77%。此外，当Cd胁迫质量浓度升高至200 mg/L时，周麦30的发芽势显著降低(P<0.05)，而郑麦9023的发芽势在100 mg/L和200 mg/L时均显著降低(P<0.05)。

表1 不同Cd胁迫质量浓度对小麦种子发芽势的影响Table 1 Effects of different Cd concentrations on the seed germination potential of different types of wheat %

由表2可见，郑麦1354的发芽率在不同Cd胁迫质量浓度下均高于对照组，且在Cd胁迫质量浓度为5 mg/L、50 mg/L和100 mg/L时达到最大(97%)；周麦27的发芽率随Cd胁迫质量浓度的增加表现出先增加后降低的特征，且在Cd胁迫质量浓度为20 mg/L时发芽率达到最高(100%)；Cd胁迫质量浓度为20 mg/L时对周麦30发芽率的促进作用最明显(93%)；Cd胁迫质量浓度为50 mg/L时，郑麦9023的发芽率达到最高(97%)。

表2 不同Cd胁迫质量浓度对小麦种子发芽率的影响Table 2 Effects of different Cd concentrations on the seed germination percentage of different types of wheat %

2.2 不同Cd胁迫质量浓度对小麦种子发芽指数和活力指数的影响

发芽指数是检验种子质量的重要指标，而活力指数能够反映种子的品质[32-33]。不同Cd胁迫质量浓度对小麦种子发芽指数和活力指数的影响见表3和表4。由表3可知，与对照组相比，郑麦1354和周麦27的发芽指数在不同Cd胁迫质量浓度下差异不显著(P>0.05)，但随Cd胁迫质量浓度的增加，郑麦1354和周麦27的发芽指数均呈现先升高后降低的趋势，且在Cd胁迫质量浓度为5～100 mg/L时均高于对照组。在Cd胁迫质量浓度为50 mg/L时，郑麦1354的发芽指数最大，为16.29；在Cd胁迫质量浓度为10 mg/L时，周麦27的发芽指数最大，为12.76。周麦30和郑麦9023在Cd胁迫质量浓度为5～20 mg/L时，发芽指数均低于对照组，这与其发芽势的变化规律一致。周麦30和郑麦9023的发芽指数分别在Cd胁迫质量浓度为100 mg/L和50 mg/L时达到最高。

表3 不同Cd胁迫质量浓度对小麦种子发芽指数的影响Table 3 Effects of different Cd concentrations on the seed germination index of different types of wheat

由表4可知，不同品种小麦种子的活力指数在不同Cd胁迫质量浓度下均差异显著(P<0.01)。郑麦1354和周麦27的活力指数随Cd胁迫质量浓度的增加先增加后降低，且分别在Cd胁迫质量浓度为5 mg/L和10 mg/L时达到最大，分别为49.54和51.24。与对照组相比，周麦30和郑麦9023的活力指数在Cd胁迫下均显著降低(P<0.01)。这一方面表明不同品种小麦种子对不同Cd胁迫质量浓度的响应不同，另一方面表明周麦30和郑麦9023具有较差的耐Cd性，可见在对Cd污染程度不同的土壤进行耕作时选择小麦种子的必要性。

表4 不同Cd胁迫质量浓度对小麦种子活力指数的影响Table 4 Effects of different Cd concentrations on the seed vigor index of different types of wheat

2.3 不同Cd胁迫质量浓度对小麦幼苗生长的影响

根系是植物吸收水分和养分的重要器官，Cd在植物体内也多积累于根部[34]。研究发现，重金属离子可固定于植物根细胞壁中的交换位点，进而对细胞内染色体及核仁进行破坏，且随着重金属离子固定量的增加，破坏程度也增加，直至抑制植物根系的生长[35-36]。在本研究中，不同Cd胁迫质量浓度对小麦幼苗生长的影响如图1—3所示。可见，由图1—3随着Cd胁迫质量浓度的增加，郑麦1354和周麦27的根长均呈现先升高后降低的趋势，说明低质量浓度Cd胁迫可能导致植物代谢失衡、刺激小麦根尖分裂进而促进种子根系的补偿性生长，而高质量浓度的Cd极易导致作物产生化学物质，危害其生长发育。Cd胁迫质量浓度为5 mg/L时郑麦1354的根长最长(6.03 cm)，Cd胁迫质量浓度为10 mg/L时周麦27的根长最长(5.38 cm)。与对照组相比，周麦30和郑麦9023的根长随着Cd胁迫质量浓度的增加呈现出降低的趋势和不同程度的抑制作用，分别在Cd胁迫质量浓度大于20 mg/L和50 mg/L时，根长受到显著抑制(P<0.05)。这与鱼小军等[37]的研究结果一致。

图1 不同Cd胁迫质量浓度对不同品种的小麦幼苗生长的影响Fig.1 Effects of different Cd concentrations on seedling growth of different types of wheat

图2 不同Cd胁迫质量浓度对不同品种小麦种子根长的影响Fig.2 Effects of different Cd concentrations on the seed root length of different types of wheat

芽长是鉴定幼苗抗逆性的重要指标。白哲等[38]研究发现，低质量浓度Cd胁迫对芽长的影响尚未知，但高质量浓度Cd胁迫可诱发高活性氧自由基导致过氧化现象，从而对芽的生长具有抑制作用。在本研究中，不同品种小麦在Cd胁迫作用下芽长变化趋势与根长变化趋势基本一致(见图3)。郑麦1354在Cd胁迫质量浓度为5 mg/L时芽长达到最长(3.15 cm)，周麦27的芽长随Cd胁迫质量浓度变化呈现“低促高抑”的趋势，且在Cd胁迫质量浓度为10 mg/L时促进作用最大(3.94 cm)。与对照组相比，周麦30和郑麦9023芽长在Cd胁迫下表现出不同程度的抑制作用，其中Cd胁迫质量浓度大于50 mg/L时，周麦30和郑麦9023的芽长均受到显著抑制(P<0.05)。这说明不同品种小麦种子对不同Cd胁迫质量浓度的耐受能力不同。

图3 不同Cd胁迫质量浓度对不同品种小麦种子芽长的影响Fig.3 Effect of different Cd concentrations on the shoot length of different types of wheat

2.4 不同品种小麦种子耐Cd性综合评价结果

在小麦种子萌发期，以不同指标评价其在Cd胁迫下的耐受能力时，由于小麦种子萌发及生长特征对Cd胁迫的响应不完全一致，仅用单一指标难以全面准确地反映其耐Cd性的强弱。刘大林等[39]研究发现，不同指标评价不同植物在重金属胁迫下的耐受结果不完全一致。基于此，本研究首先对所测定的小麦种子在萌发期的不同指标与Cd胁迫质量浓度进行皮尔逊相关性分析，结果如表5所示。由表5可见，所有指标的皮尔逊相关性均达到显著水平。再对相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数、相对活力指数、相对根长和相对芽长进行隶属函数值的计算，结果如表6所示。由表6可见，各个品种小麦种子的平均隶属函数值大小顺序为周麦27>郑麦1354>郑麦9023>周麦30；周麦27的平均隶属函数值最大，为0.55，说明其耐Cd性最强。由于小麦萌发后的生长状况对于耐镉品种的优选非常重要，因此，采用相对根长和相对芽长这两项指标进行平均隶属函数值的计算，所得结果的大小顺序同前，周麦27的平均隶属函数值以0.53位居第一，这与表5中皮尔逊相关性达显著水平的所有指标结果一致，均为周麦27耐Cd性最强。

表5 小麦种子萌发指标与Cd质量浓度之间的皮尔逊相关性影响Table 5 Pearson correlation between t indexes of different kinds of wheat seed and Cd concentration

表6 小麦种子萌发指标对Cd的耐性隶属函数值Table 6 Membership function value of Cd tolerance of different types of wheat

3 结论

本文以郑麦1354、周麦27、周麦30、郑麦9023为研究对象，研究了不同质量浓度Cd对不同品种小麦种子萌发及幼苗生长的影响，结论如下：郑麦1354的发芽指数和活力指数均随着Cd胁迫质量浓度的增加表现出先升高后降低的趋势;Cd胁迫质量浓度为5 mg/L时对芽长和根长的促进作用最明显，分别为3.15 cm和6.03 cm，体现了低质量浓度Cd胁迫能提高种子的新陈代谢活动以促进种子的生长。周麦27的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数随Cd胁迫质量浓度的增加均表现出“低促高抑”的变化趋势，且均在Cd胁迫质量浓度为20 mg/L时发芽势和发芽率促进最大，表明低质量浓度Cd胁迫会促进种子萌发，高质量浓度的Cd胁迫会对种子产生毒害作用进而抑制种子萌发。周麦30和郑麦9023的发芽势和发芽指数均在5～20 mg/L质量浓度的Cd胁迫下表现出减小的趋势，与对照组相比，这两个品种的芽长和根长在不同质量浓度的Cd胁迫下均低于对照组。对4种小麦种子进行皮尔逊相关性分析，所测定的所有指标均达到显著水平；隶属函数值的计算结果显示，周麦27的耐Cd性最强，且具备高发芽率，可作为修复重金属Cd污染土壤的小麦推荐品种。