曲凱麗，張藝馨，朱 宏

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

近年來，隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人類活動(dòng)的急劇增加，使大量鎘進(jìn)入土壤環(huán)境，嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，有關(guān)鎘污染的毒害效應(yīng)越來越引起人們的高度重視.重金屬危害首先發(fā)生在植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)階段上種子萌發(fā)時(shí)期的生長(zhǎng)狀況直接影響作物以后的生長(zhǎng)［1］，而且進(jìn)一步隨著生物鏈危及到人類的健康和生存，研究鎘污染對(duì)植物的影響具有重要的理論和實(shí)踐意義.

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的糧食作物之一，其萌發(fā)時(shí)期的生長(zhǎng)狀況直接影響以后的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量，而且小麥種子萌發(fā)和幼苗時(shí)期的生長(zhǎng)狀況是評(píng)價(jià)其重金屬耐性的重要指標(biāo).該實(shí)驗(yàn)以小麥種子為材料，研究了鎘對(duì)小麥種子萌發(fā)各項(xiàng)指標(biāo)的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐中早期預(yù)測(cè)重金屬污染提供了一定的依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取子粒飽滿、大小均勻的小麥種子若干于燒杯中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的次氯酸鈉消毒.消毒10 min后，用去離子水沖洗，然后置于濾紙上晾干.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

［2，7～9］中對(duì)種子發(fā)芽產(chǎn)生抑制效果的鎘質(zhì)量濃度，鎘處理時(shí)采用5個(gè)質(zhì)量濃度梯度，即 100、200、300、400、500μmol·L-1，記作Cd100，Cd200，Cd300，Cd400，Cd500，并以去離子水處理為對(duì)照.溶液采用分析純 Cd(NO3)2·4H2O配置，分別稱量后，以去離子水配制成各處理質(zhì)量濃度.選取直徑為9 cm的硬質(zhì)玻璃培養(yǎng)皿，皿內(nèi)以2層濾紙為發(fā)芽床.種子晾干后置于皿中，每皿放100粒小麥種子，然后移取等量各處理質(zhì)量濃度的鎘離子溶液分別加入培養(yǎng)皿中(以浸濕濾紙為宜)，用去離子水做空白(對(duì)照).每個(gè)處理重復(fù)3次.置于25℃的人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng).每日滴加各溶液等量保持濾紙濕潤(rùn)，并記錄每天發(fā)芽數(shù)(胚根與種子等長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)度達(dá)到種子50%為種子正常發(fā)芽［11］).

1.2.1 種子萌發(fā)率的測(cè)定［11-12］

以胚根突破種皮0.5 mm作為萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，7 d后計(jì)算種子萌發(fā)數(shù).

萌發(fā)率(Gr)=(萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%.

1.2.2 種子發(fā)芽勢(shì)的測(cè)定［11-12］

發(fā)芽勢(shì)(Gp)=4 d內(nèi)萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%.

1.2.3 種子發(fā)芽指數(shù)的測(cè)定［11-12］

發(fā)芽指數(shù)(Gi)=ΣGt/Dt;

1.2.4 種子活力指數(shù)的測(cè)定［11-12］

活力指數(shù)(Vi)=S×Σ(Gt/Dt).

式中，Gt為t天的萌發(fā)數(shù);Dt為發(fā)芽日數(shù);S為幼苗根長(zhǎng)(mm).

1.2.5 胚根鮮重的測(cè)定

萌發(fā)7 d后，取不同處理的萌發(fā)后種子的胚根用蒸餾水洗凈、濾紙吸干水分，稱其鮮重.

1.2.6 胚芽長(zhǎng)度、胚根長(zhǎng)度的測(cè)定［11-12］

發(fā)芽7 d后，每皿隨機(jī)取15粒萌發(fā)種子測(cè)其芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)，以其均值做為胚芽、胚根長(zhǎng)度的指標(biāo).

1.2.7 胚芽的膜相對(duì)透性的測(cè)定［3］

稱取不同鎘處理后的各0.2 g，剪碎后置20 mL蒸餾水中，浸泡24 h后測(cè)電導(dǎo)率E1，100%水浴20 min后測(cè)相應(yīng)電導(dǎo)率E2.膜相對(duì)透性=(E1/E2)×100%.

1.2.8 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用 Microsoft Excel 2003和SPSS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及差異顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘對(duì)種子萌發(fā)率的影響

圖1 鎘脅迫對(duì)種子萌發(fā)率的影響

由圖1可以看出，在100μmol·L-1鎘濃度條件下，小麥種子的萌發(fā)率略有上升，隨后不同濃度的鎘離子處理對(duì)小麥種子的發(fā)芽率均有抑制作用，隨著處理液濃度的升高抑制效應(yīng)逐漸顯著.

2.2 鎘對(duì)胚根鮮重的影響

由圖2可以看出，鎘脅迫后，小麥胚根鮮重的下降趨勢(shì)明顯.濃度為100 μmol·L-1時(shí)的胚根鮮重與 CK 相差 0.21 g，濃度為 200、300、400和500 μmol·L-1時(shí)的胚根鮮重分別與CK相差1.35 g、2.03 g，2.11 g 和 2.70 g，可見當(dāng)濃度高于100 μmol·L-1時(shí)胚根鮮重下降趨勢(shì)較明顯.說明鎘對(duì)胚根生長(zhǎng)有很強(qiáng)的抑制作用，且隨著鎘濃度的提高，鎘對(duì)植物生長(zhǎng)抑制作用增強(qiáng).

圖2 鎘脅迫對(duì)胚根鮮重的影響

2.3 鎘對(duì)胚芽長(zhǎng)度、胚根長(zhǎng)度的影響

由圖3可以看出，隨著鎘離子濃度的上升，小麥胚芽長(zhǎng)和胚根長(zhǎng)均呈下降的趨勢(shì).這說明隨著鎘濃度的增大，對(duì)胚芽和胚根生長(zhǎng)的抑制作用增強(qiáng).在濃度為 0、100、200、300、400、500 μmol·L-1時(shí)，胚芽長(zhǎng)在各濃度之間的差分別為0.2、4、2、1.6 和 0.8 cm，在濃度大于 100 μmol·L-1時(shí)，下降趨勢(shì)開始增強(qiáng);胚根長(zhǎng)在各濃度之間的差為0.2、0.8、4、5.9 和 1.3 cm.即鎘處理后根長(zhǎng)下降趨勢(shì)明顯，受抑顯著.由此可以得出結(jié)論，鎘脅迫對(duì)小麥胚根長(zhǎng)的抑制作用比胚芽長(zhǎng)明顯.

圖3 鎘脅迫對(duì)胚芽長(zhǎng)度、胚根長(zhǎng)度的影響

2.4 鎘對(duì)幼芽細(xì)胞膜相對(duì)透性的影響

由圖4可知，隨鎘離子濃度的增加，細(xì)胞膜透性總體呈增加趨勢(shì).在鎘濃度為200 μmol·L-1與 300 μmol·L-1之間細(xì)胞膜透性增加趨勢(shì)較明顯，相差 23.9%.當(dāng)濃度為 100、200 μmol·L-1時(shí)，細(xì)胞膜透性分別比對(duì)照增加了10.5%和23.9%，可見低濃度鎘對(duì)小麥芽細(xì)胞膜透性影響較不明顯，而高濃度鎘則對(duì)細(xì)胞膜透性影響顯著.

圖4 鎘脅迫對(duì)膜透性的影響

2.5 Cd2+對(duì)小麥種子活力指數(shù)的影響

活力指數(shù)是表征種子活力的綜合指標(biāo)重要指標(biāo)，可反映Cd2+對(duì)小麥種子萌發(fā)的脅迫情況.由圖5可見，對(duì)照小麥種子的活力指數(shù)為83，Cd2+濃度為100 μmol·L-1時(shí)種子的活力指數(shù)是85，隨著鎘濃度的增加活力指數(shù)顯著的降低，Cd2+濃度是 200、300、400 和 500 μmol·L-1時(shí)種子的活力指數(shù)分別是 68.6、37、20 和 13.8，分別是對(duì)照的 82.7%、44.6%、24.1% 和 16.7%，鎘脅迫抑制了小麥種子的活力指數(shù).

圖5 鎘脅迫對(duì)種子活力指數(shù)的影響

2.6 Cd2+對(duì)小麥種子發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)能反映種子萌發(fā)的快慢和整齊程度.隨著Cd2+處理濃度的升高對(duì)小麥種子的發(fā)芽指數(shù)的抑制作用逐漸增強(qiáng).對(duì)照小麥種子的發(fā)芽指數(shù)是22，在低濃度Cd2+處理下發(fā)芽指數(shù)為25，從 200 μmol·L-1鎘處理開始隨著鎘濃度的升高種子的發(fā)芽指數(shù)逐漸降低，當(dāng)鎘濃度是200、300、400、500 μmol·L-1時(shí)小麥種子的發(fā)芽指數(shù)分別是 17.7、15、10、8，分別是對(duì)照的80.5%、68.2%、45.5%、36.4%(如圖 6 所示)，從200 μmol·L-1鎘處理開始，發(fā)芽指數(shù)急劇降低.

圖6 鎘脅迫對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響

2.7 Cd2+對(duì)小麥種子發(fā)芽勢(shì)的影響

發(fā)芽勢(shì)是反映種子質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)之一，也是鑒別種子發(fā)芽整齊度的重要指標(biāo).從圖7可見，隨著Cd2+濃度的增加小麥種子的發(fā)芽勢(shì)不斷降低，高濃度時(shí)降低顯著.對(duì)照小麥種子的發(fā)芽勢(shì)是91%，100 μmol·L-1鎘處理下發(fā)芽勢(shì)是 93%，當(dāng) Cd2+濃度是 200、300、400 μmol·L-1時(shí)，種子的發(fā)芽勢(shì)分別是75%、68%、52%，與對(duì)照相比顯著的降低.Cd2+濃度為500 μmol·L-1時(shí)，種子發(fā)芽勢(shì)是42%，是對(duì)照的46.2%，與對(duì)照相差較大.

圖7 鎘脅迫對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)的影響

3 結(jié)論

種子萌發(fā)是植物生命起始的重要事件，也是植物最早接受重金屬脅迫的階段.了解種子萌發(fā)對(duì)鎘的脅迫反應(yīng)，是系統(tǒng)認(rèn)識(shí)重金屬傷害機(jī)理的較好途徑.

不同鎘質(zhì)量濃度對(duì)小麥種子萌發(fā)影響試驗(yàn)的研究結(jié)果表明:隨著鎘離子濃度的增加，小麥種子的發(fā)芽率、胚芽長(zhǎng)、胚根長(zhǎng)、胚根鮮重、種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)迅速下降，鎘離子濃度越大，作用時(shí)間越長(zhǎng)，抑制效應(yīng)越強(qiáng)，鎘影響了芽細(xì)胞膜的相對(duì)透性，可見高濃度重金屬鎘對(duì)細(xì)胞膜的破壞作用較明顯.低質(zhì)量濃度(100 μmol·L-1)下，小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)等稍有上升，表明低質(zhì)量鎘濃度對(duì)小麥種子的萌發(fā)有促進(jìn)作用，這與許多研究得到的結(jié)論一致［1，13，18-19］.造成這種情況的原因可能是低質(zhì)量濃度可提高胚的生理活性［19-20］.高質(zhì)量濃度對(duì)這種植物種子的萌發(fā)有較強(qiáng)的抑制作用.這可能與鎘質(zhì)量濃度過高會(huì)抑制種子內(nèi)貯藏淀粉和蛋白質(zhì)的分解，從而影響種子萌發(fā)所需要的物質(zhì)和能力有關(guān)［19-20］.

細(xì)胞膜透性的變化主要是由于膜脂過氧化，膜蛋白變性及膜脂流動(dòng)性改變，造成膜相變和膜結(jié)構(gòu)破壞所致，其中丙二醛(MDA)含量的變化是反應(yīng)膜脂過氧化強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo).Ewa等的研究表明隨著Cd和Cu濃度的增加擬南芥的膜脂過氧化和MDA的含量不斷增加［21］.芥菜型油菜MDA含量隨鎘處理濃度增大而呈上升趨勢(shì)［22］.在植物中，膜脂過氧化水平跟 Lipoxygenase的活性有關(guān)，而細(xì)胞內(nèi)MDA的含量的增加隨著自由基(O2·和 OH·)的水平的升高而增加［23-24］.

本試驗(yàn)結(jié)果還表明，鎘脅迫對(duì)小麥胚根長(zhǎng)的影響大于對(duì)胚芽長(zhǎng)的影響，其可能是由于重金屬與植物作用時(shí)，總是最先接觸到根部，根細(xì)胞壁中存在大量交換位點(diǎn)，能將重金屬離子固定在這些位點(diǎn)上，從而阻止重金屬離子進(jìn)一步向芽轉(zhuǎn)移［25］.

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