镉胁迫对不同繁穗苋种质萌发和生长的影响

喻望晨，朱依晗，徐 倩，刘宁芳，刘明稀，卢 蕊，胡龙兴

（湖南农业大学农学院草业科学系, 湖南 长沙 410128）

土壤重金属污染已成为影响人类社会可持续发展的重要生态和环境问题，其中镉是污染最为严重的重金属元素之一[1]。由于镉对动植物具有极强的毒性，迁移性强、生物积累和放大效应显著等特点，能通过植物根部迁移到地上部进而经过食物链进入人体器官，最终对人体健康造成危害[2]。因此，对镉污染土壤的修复治理与安全利用已经引起国内外的广泛重视。镉污染土壤的修复技术可分为物理、化学、生物、联合修复等多种方式[3]。相较而言，生物修复中的植物修复技术更加简单，成本较低，并且经济效益和生态效益显著[4]，受到广泛认可并得到很好的应用。而对于植物修复而言，耐镉和超富集镉的植物品种的选育是基础和关键[5-9]。

植物种子的萌发和幼苗生长是开展植物修复的关键开端，种子萌发期是植物对外界适应的开始，也是对外界环境最敏感的时期之一。此外，因其操作简便、可重复性强、环境污染小等优点，在萌发期开展植物耐受重金属能力的评价是国际上广泛认可的方法[10-12]。不同植物种类、品种或基因型间镉胁迫对种子萌发期的影响存在较大差异。保琼莉等[13]研究表明镉胁迫对7 种苜蓿(Medicago sativa)种子萌发和幼苗生长的影响不同。王迪华等[14]研究表明镉胁迫对小白菜(Brassica campestris)种子的萌发和生理特性造成不同程度的影响。黄娟等[15]在甜高粱(Sorghum bicolor‘Dochna’)种子萌发期的试验表明，镉胁迫对胚根长的抑制作用明显大于胚芽长。

繁穗苋(Amaranthus cruentus)为苋科苋属一年生粮食、饲料、蔬菜、观赏等多种用途的农作物。因其适应性强、生长速度快、生物量大、根系发达，具有进行重金属污染土壤修复的潜力[16-17]。目前，对于不同地理来源繁穗苋种质的耐镉性评价研究还较为缺乏。因此，本研究以籽粒苋种质创新课题组收集保存的16 份不同来源的繁穗苋种质为试验材料，在萌发期对其进行耐镉性鉴定和评价，以期筛选出耐镉性强的种质，为选育耐镉繁穗苋新品种和丰富镉污染土壤植物修复物种组成奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的繁穗苋种质材料来自美国农业部种质资源库(表1)，由籽粒苋种质创新课题组扩繁保存。其中重金属镉的供源为氯化镉(CdCl2·2.5H2O)，购自阿拉丁试剂官网(Aladdin)。

表1 繁穗苋种质资源地理来源信息Table 1 Origin of A. cruentus germplasm resources

1.2 试验设计与处理

试验采用培养皿纸上发芽法。为了筛选合适的镉浓度，以两份繁穗苋种质为试验材料，通过预试验设置0、40、80、120、160 μmol·L-15 个镉浓度梯度，当镉浓度为80 μmol·L-1时繁穗苋的胚根长和胚芽长下降至对照组的一半。因此，本研究选择80 μmol·L-1为镉处理浓度。选取颗粒饱满且无病虫害的繁穗苋种子置于5%次氯酸钠溶液中消毒5 min后，用无菌水冲洗3 次，晾干表面水分后，均匀播种于铺有两层无菌滤纸的玻璃培养皿(直径9 cm)中，培养皿中滴加80 μmol·L-1镉溶液2 mL，对照组滴加相同体积的无菌水，每份种质选取50 粒繁穗苋种子均匀放置于培养皿中。将培养皿置于25 ℃/20 ℃的人工气候室，培养周期为光照14 h/黑暗10 h，每个处理3 次重复。每天用移液枪补加无菌水，保持滤纸湿润。从种子置床之日起开始观察，每天定时记录每个培养皿内种子萌发数量(当胚芽达到种子长度一半或胚根达到种子长度记为发芽)，参照GB/T 2930.4-2017[18]于第4 天统计发芽势，第 14天统计发芽率、发芽指数和活力指数。试验结束后测量幼苗的胚根长和胚芽长[19]。

1.3 测定项目与方法

在种子萌发过程中，以将种子放入人工培养箱后的24 h 为试验的第1天，以连续3 d 种子发芽数不再增长作为试验末期结束试验(本试验为发芽14 d结束)。在种子萌发1 d 后，持续观察并记录其发芽数[20]。以种子萌发的第4 天计算种子发芽势，结束当天在每个培养皿中随机选择10 株幼苗用游标卡尺(精确到0.01 mm)测量胚根长、胚芽长，并统计分析各数据[21]。本试验测定的指标有发芽势、发芽率、胚根长、胚芽长，并根据公式计算种子发芽指数和种子活力指数[22-23]。相关计算方法如下:

1.4 数据分析

采用 Excel 2016 进行数据统计和处理，运用SPSS 22.0 软件对相关发芽指标数据进行方差分析，用Ducan’s 和独立样本T 检验法进行差异显著性检验。对每份种质的相关发芽指标进行隶属函数值计算并求其平均值，以评价其耐镉能力的强弱。

式中：i为每种参试植物；Xi为参试植物某一指标的测定值；Xmax为所有试验材料中某一指标的最大值，Xmin为所有材料对应指标的最小值。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对不同繁穗苋种子萌发的影响

镉胁迫下，16 份繁穗苋种质均表现出较高的发芽势和发芽率，与对照处理均无显著差异(P＞ 0.05)(表2)。并且镉胁迫下，16 份繁穗苋种子的发芽势均大于94%，其发芽率均大于96%；同时其相对发芽势均大于94%，相对发芽率均大于96%，表明繁穗苋种子的耐镉性均较强。

表2 镉胁迫对不同繁穗苋种子发芽势和发芽率的影响Table 2 Effect of cadmium stress on germination vigor and germination rate of A. cruentus

2.2 镉胁迫对不同繁穗苋种子发芽指数和活力指数的影响

16 份繁穗苋种子的发芽指数、发芽势、发芽率呈现相同的趋势，其发芽指数均大于20，其相对发芽指数均大于85%，其中K112、K472、Ace655、Ace689相对发芽指数小于95% (表3)。

发芽指数在镉胁迫处理下均无明显下降，同时不同种质的发芽指数下降幅度无明显差异，表明在镉胁迫处理下对繁穗苋种子的萌发影响较小(表3)。其中在镉胁迫处理条件下，Ace621 相较于对照组有显著促进萌发的效果(P＜ 0.05)。除K112、Ace613、Ace689 种子的活力指数下降幅度在65%以下，其余种子的活力指数下降幅度均在65%以上，其中Ace628 活力指数下降幅度最高达到74.56%。且分析发现，发芽指数较低的种质往往其活力指数也较低。

表3 镉胁迫对16 份不同繁穗苋种子发芽指数和活力指数的影响Table 3 Effects of cadmium concentration on germination index and vigor index of A. cruentus

2.3 镉胁迫对不同繁穗苋幼苗生长情况的影响

镉胁迫下繁穗苋的胚根生长受到显著抑制(表4)，而胚芽生长抑制程度较小，这主要是由于根系作为直接吸收重金属离子的部位，重金属离子抑制根尖细胞进行有丝分裂，进而使根系生长受到明显抑制。其中Ace689 和R104 的胚根长受到的抑制作用较其他种质较小，相对胚根长分别为41.60%和41.07%；Ace651、Ace568、Ace628、Ace631 等种质的胚根长受到的抑制作用较其他种质显著，其相对胚根长均在25%左右。不同种质的胚芽长受到镉胁迫的抑制程度较小，但是不同种质的相对胚芽长差异较显著；其中R104 相对胚芽长的值最大，达到101.72%；Ace575 的相对胚芽长最小为58.31%。总体来看，大部分试验材料的相对胚根长在25%～30%，相对胚芽长在60%以上；在镉胁迫条件下繁穗苋种子的根系受抑制程度比芽受抑制的程度更强。

表4 镉胁迫对16 份不同繁穗苋胚根长和胚芽长的影响Table 4 Effects of cadmium concentration on radicle length and germ length of A. cruentus

2.4 镉胁迫对不同繁穗苋种子萌发期影响的综合评价

为了综合评价16 份繁穗苋试验材料的耐镉性，本研究采用模糊数学隶属函数法，对16 份种子萌发期的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对胚根长、相对胚芽长、相对活力指数进行隶属函数值计算(表5)。结果显示，16 份种质种子萌发期对于耐镉胁迫能力依次表现为R104 ＞ Ace613 ＞Ace621 ＞ Ace651 ＞ Ace671 ＞ Ace689 ＞ Ace568 ＞Ace666 ＞ Ace650 ＞ Ace631 ＞ Ace628 ＞ K472 ＞Ace655 ＞ Ace617 ＞ K112 ＞ Ace575。

表5 繁穗苋萌发期耐镉性隶属函数及排序Table 5 Membership function and ranking of cadmium tolerance of A. cruentus during germination

采用离差平方和法(ward 法)，对16 份繁穗苋种质资源在镉胁迫处理下种子萌发期各性状指标进行系统聚类分析(图1)。将耐受能力相近的种质划分为同一类别，当欧式距离为5 时，可将繁穗苋分为3 大类，第Ⅰ类为敏感型，包括Ace655、Ace631、Ace628、Ace617、Ace575、Ace650、K472、K112；第Ⅱ类为耐镉型，包括Ace671、Ace689、Ace568、Ace666、Ace621、Ace651、Ace613；第Ⅲ类为极端耐镉型R104，该类繁穗苋种质资源占供试材料的6.25%。

图1 16 份繁穗苋种质耐镉性的聚类分析Figure 1 Cluster analysis of cadmium tolerance of 16 A. cruentus germplasm resources

3 讨论

镉对动植物来说是一种剧毒的重金属，会严重污染土壤环境和危害动植物的生命健康，而采用植物修复重金属污染土壤是一个切实可行的办法[24]，其成本较低并且还可以带来一定的经济效益。许多超富集植物存在耐受性单一、生长速度慢、生物量低等限制，导致其修复污染土壤的时间长、效率低，而繁穗苋适应性强、生长速度快、生物量大、根系发达，因此选育耐镉和超富集镉的繁穗苋品种对镉污染土壤修复具有重要意义。

种子萌发期的相关生长指标能够反映植物耐镉能力的强弱，在本研究中选定了发芽率等6 个指标对16 份繁穗苋种子的耐镉能力进行综合评价。胡娜等[25]研究指出，较低浓度的重金属胁迫处理会促进盐生草种子的萌发，而较高浓度的重金属胁迫处理则会抑制种子的萌发。本研究表明在镉浓度为80 μmol·L-1的处理下，除耐镉型繁穗苋种质Ace621 处理组发芽指数显著高于对照组发芽指数外，镉胁迫对其他种子的萌发则无显著效果或呈现轻微抑制效果。此外，敏感型繁穗苋种质相对发芽指数均小于100%，耐镉型和极端耐镉型种质相对发芽指数则明显高于敏感型种质。大部分敏感型繁穗苋种质相对胚根长均小于29%，大部分耐镉型种质相对胚根长则大于29%，其中Ace689 为41.60%，极端耐镉型种质R104 相对胚根长为41.07%。镉浓度为80 μmol·L-1对供试种子的萌发和发芽指数抑制作用小于根系生长和活力指数，并且种子幼苗的胚根长生长受到了明显抑制，推测此结果出现的原因是根系作为直接吸收重金属离子的部位，重金属离子抑制根尖细胞进行有丝分裂，进而使根系生长受到明显抑制[26]。胚芽长受到的抑制作用较小，但是不同种质间差异显著。

评价不同种子萌发期耐镉能力的高低不能简单地使用一个指标，应该采用多项指标综合评价其耐镉能力以减少误差。因此，本研究采用模糊隶属函数等分析方法选取镉胁迫条件下6 项生长指标的变化来评价不同繁穗苋种子耐镉能力的强弱，使分析结果更加可信。综合分析繁穗苋在镉胁迫下所得到的各项萌发与生长指标，认为其虽然受到一定的抑制作用，但是其在镉浓度80 μmol·L-1的处理下仍能正常萌发和生长，对镉胁迫有一定的耐受能力。因此认为繁穗苋可以作为土壤镉污染修复的潜在植物。

4 结论

繁穗苋表现出较强的耐镉性，在80 μmol·L-1镉胁迫处理下，其发芽势、发芽率和发芽指数仍较高，但是其胚根长和活力指数受到显著影响。通过聚类分析和模糊数学隶属函数法对6 项生长指标的变化综合分析表明，R104 种质具有极强的耐镉性。