陳夢妮，張澤宇，杜天慶，薛建福，祁劍英，崔福柱，楊 琳，劉彩霞

（1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學信息學院，山西太谷030800）

3種甜高粱萌發(fā)期對Cr6+脅迫的響應及抗性評價

陳夢妮1，張澤宇2，杜天慶1，薛建福1，祁劍英1，崔福柱1，楊 琳1，劉彩霞1

（1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學信息學院，山西太谷030800）

為探討Cr6+脅迫對甜高粱種子萌發(fā)的影響，以晉甜雜1號、晉甜雜2號、晉甜雜3號為試驗材料，采用發(fā)芽毒理試驗，研究了不同Cr6+濃度對3種甜高粱種子萌發(fā)及幼苗生長的影響。結果表明，在Cr6+脅迫下，晉甜雜1號和晉甜雜3號的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長、胚根鮮質量、胚芽長以及胚芽鮮質量均隨Cr6+濃度的增加而呈下降趨勢；晉甜雜2號的胚根長、胚根鮮質量、胚芽長以及胚芽鮮質量均隨Cr6+濃度的增加而呈下降趨勢，但其發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在濃度＜1.15 mmol/L時呈上升趨勢；3種甜高粱種子的耐Cr6+性大小為晉甜雜2號＞晉甜雜3號＞晉甜雜1號。

Cr6+脅迫；甜高粱；萌發(fā)期；耐Cr6+性指數(shù)

鉻（Cr）是廣泛存在于環(huán)境中的“五毒”元素之一。在采礦、冶煉、制革、電鍍等工業(yè)活動中Cr被大量使用，所產(chǎn)生的工業(yè)“三廢”排放到環(huán)境中，通過各種途徑進入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，造成了土壤、水體的污染[1-4]。且一旦污染很難消除，長期滯留在土壤、水體中，嚴重影響植物的生長，還會進一步通過食物鏈進入人體，危及人類健康。因此，治理Cr污染成為國際科學界研究的熱點問題。Cr有多種價態(tài)，其中6價鉻的毒性強、危害大，對生物有致畸、致突變的作用，研究其危害具有十分重要的生物學意義[5-6]。

目前，在水稻、小麥、玉米、大豆等[7-10]農(nóng)作物上，已有研究表明，種子的萌發(fā)在Cr6+不同濃度脅迫下表現(xiàn)出不同程度的抑制效果。農(nóng)作物中的甜高粱除了作為糧食，還具有生產(chǎn)糖漿、飼料、乙醇以及造紙等多種用途。已有關于Cd，Zn，Pb，Cu等多種重金屬元素脅迫對甜高粱生長影響的研究，結果發(fā)現(xiàn)，高粱具有較強抗逆性，且具有生物量大、生長速度快等優(yōu)勢，是一種極具利用價值及開發(fā)前景的修復性植物[11-12]。但目前關于甜高粱對重金屬Cr6+脅迫的影響研究較少，尤其關于多個甜高粱品種間的抗性比較更是鮮有報道。

種子萌發(fā)是植物生命活動從相對靜止狀態(tài)轉變?yōu)橄鄬钴S狀態(tài)，也是植物感知周圍環(huán)境變化的起點，通過種子萌發(fā)試驗能夠了解種子的抗逆性以及其生態(tài)適應性[13]。本研究以3個甜高粱品種為試驗材料，分析Cr6+脅迫對甜高粱萌發(fā)期的影響，并采用賦值法比較3種甜高粱的耐Cr6+性強弱，以期為重金屬Cr污染區(qū)選育耐性強的甜高粱品種提供可靠的理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及試劑

供試材料晉甜雜1號、晉甜雜2號和晉甜雜3號3種甜高粱，均由山西省農(nóng)業(yè)科學院高粱研究所提供，均具有莖稈產(chǎn)量高、生長速度快、抗性強等優(yōu)勢，為土壤修復較理想的作物。施加的重金屬為K2Cr2O7分析純。

1.2 試驗設計

精選均勻一致的飽滿種子，用0.1%HgCl2消毒10 min后，用蒸餾水沖洗干凈，置于直徑為10 cm的培養(yǎng)皿中，皿內以雙層濾紙為發(fā)芽床。每個培養(yǎng)皿均勻放置20粒種子，各個處理重復3次。重金屬Cr6+以K2Cr2O7溶液形式加入培養(yǎng)皿中，Cr6+濃度梯度為 0.15，1.15，2.15，3.15，4.15，5.15，6.15，7.15 mmol/L，依次編號為 Cr1，Cr2，Cr3，Cr4，Cr5，Cr6，Cr7，Cr8。每個皿中加入10 mL相對應濃度的溶液，同時以加入10 mL的蒸餾水作為對照（CK）。在25℃恒溫培養(yǎng)箱內光照培養(yǎng)14 h，暗培養(yǎng)10 h。培養(yǎng)期間觀察濾紙濕度和溶液的多少，定時給各處理組加相應的Cr6+溶液至原質量，保持一定的濃度和濕度。

1.3 測定指標及方法

從置芽床開始發(fā)芽之日起，逐日觀察并記錄發(fā)芽數(shù)，種子發(fā)芽的標準為種子的胚芽長度超過種子的全長。培養(yǎng)7 d后，用鑷子輕輕將萌芽種子取出，用濾紙吸干后，每個皿中選擇5個具有代表性且長勢一致的種子，測定其胚芽長、胚根長、胚芽鮮質量及胚根鮮質量，發(fā)芽數(shù)不足5個的，量取已發(fā)芽全部種子的各項指標。并計算發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)以及各項指標的耐性指數(shù)[14-15]。

發(fā)芽勢＝前3 d正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；發(fā)芽率＝前7 d正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；發(fā)芽指數(shù)其中，Gt為t時間內的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應的發(fā)芽天數(shù)）；活力指數(shù)＝發(fā)芽指數(shù)×苗長；耐性指數(shù)＝Cr處理組測定值/對照組測定值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均采用Excel 2010統(tǒng)計并制圖和制表，應用SPSS 19.0軟件（Duncan法）對各項指標不同處理的差異顯著性進行比較。

2 結果與分析

2.1 Cr6+脅迫對3種甜高粱種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率的影響

從圖1可以看出，晉甜雜1號和晉甜雜3號的發(fā)芽勢、發(fā)芽率隨著Cr6+濃度升高均呈下降趨勢，表明不同濃度的Cr6+對晉甜雜1號、晉甜雜3號的發(fā)芽勢和發(fā)芽率有不同程度的抑制作用；而晉甜雜2號的發(fā)芽勢、發(fā)芽率在Cr6+脅迫下呈先升高后下降的趨勢，表明Cr6+脅迫對晉甜雜2號低濃度下為促進作用，高濃度下為抑制作用。晉甜雜1號和晉甜雜3號的發(fā)芽勢在Cr6+濃度為1.15 mmol/L時，與其對照組相比顯著下降，均下降了11.67百分點；發(fā)芽率在Cr6+濃度為0.15 mmol/L時，與對照組相比顯著下降，分別下降了20.0，16.67百分點；晉甜雜2號在Cr6+濃度為0.15，1.15 mmol/L時，其發(fā)芽勢和發(fā)芽率顯著高于對照組，尤其是在Cr6+濃度為0.15 mmol/L時，發(fā)芽勢和發(fā)芽率高達88.33%和90.0%。

2.2 Cr6+脅迫對3種甜高粱種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的影響

由圖2可知，3個品種的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的變化趨勢與發(fā)芽勢和發(fā)芽率的變化趨勢一致。其中，晉甜雜1號和晉甜雜3號的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)隨著Cr6+濃度升高均呈下降趨勢；而晉甜雜2號的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)在Cr6+脅迫下呈先升高后下降的趨勢。晉甜雜1號和晉甜雜3號的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均在Cr6+濃度≥0.15 mmol/L時，隨Cr6+濃度增加呈顯著下降趨勢；晉甜雜2號的發(fā)芽指數(shù)在Cr6+濃度≤1.15 mmol/L時，顯著高于對照組；而活力指數(shù)僅Cr6+濃度為0.15 mmol/L時，顯著高于對照組。

2.3 Cr6+脅迫對3種甜高粱種子胚根長、胚根鮮質量的影響

從圖3可以看出，3種甜高粱的胚根長和胚根鮮質量隨Cr6+濃度的增大均呈下降趨勢，且處理組顯著低于對照組，表明Cr6+對根生長的抑制作用較大；當Cr6+濃度超出1.15 mmol/L時，其下降速度緩慢且趨于穩(wěn)定，當Cr6+濃度≥2.15 mmol/L時各品種處理間的胚根長和胚根鮮質量均無顯著差異。

2.4 Cr6+脅迫對3種甜高粱種子胚芽長、胚芽鮮質量的影響

由圖4可知，3種甜高粱的胚芽長和胚芽鮮質量隨Cr6+濃度的增大均呈下降趨勢，但隨濃度增大下降幅度較為緩慢，且不同處理與對照間均存在顯著差異。

2.5 3種甜高粱種子萌發(fā)期的耐Cr6+性比較

參考韓寶賀等[13]和梅麗娜等[16]的耐鎘性綜合評價方法，對3種甜高粱種子萌發(fā)期的耐鉻性進行綜合性的評價，均采用耐性系數(shù)值來衡量各指標，可以消除品種間生物學特性差異[17]。由于某一指標的耐性指數(shù)在不同濃度下的值大小順序不一樣，因此不能單憑某一濃度下的耐性指數(shù)來評價該品種的耐Cr6+性強弱，而應從整體上進行分析。由于活力指數(shù)是一個綜合指數(shù)，具有綜合效應，計算綜合效應應排除活力指數(shù)，避免加重綜合效應數(shù)值。本試驗根據(jù)每個品種在不同濃度下的各個發(fā)芽指標耐性指數(shù)的平均值，從小到大分別賦值1～3來評價3種甜高粱萌發(fā)期的耐Cr6+性。由表1可知，晉甜雜1號、晉甜雜2號和晉甜雜3號的耐Cr6+性指數(shù)分別為9，19，14，則萌芽期耐Cr6+性大小3個品種排序為晉甜雜2號＞晉甜雜3號＞晉甜雜1號。

表1 各指標的賦值及不同品種甜高粱的耐Cr6+性評價

3 討論與結論

3.1 3種甜高粱種子萌發(fā)對Cr6+脅迫的響應

種子萌發(fā)是一系列復雜生命活動和感知外界的開始，也是最敏感、最關鍵的時期。在施加外源重金屬Cr6+條件下，能否正常發(fā)芽及其發(fā)芽質量狀況均可以反映出該種子生活力的強弱。而評價種子發(fā)芽能力的常用指標有發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)，這些指標能夠反映出種子發(fā)芽速度、整齊度以及幼苗健壯的潛勢[18]。

本試驗結果表明，不同濃度的Cr6+對3個品種的甜高粱具有不同的抑制作用，晉甜雜1號和晉甜雜3號的發(fā)芽勢、發(fā)芽率以及發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨Cr6+濃度的增大而降低，Cr6+對甜高粱的生長有一定的毒害作用。這與前人在其他作物對Cr6+脅迫的響應變化研究結果一致。晉甜雜2號在Cr6+濃度≤1.15 mmol/L時，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)顯著高于對照組，表現(xiàn)為促進作用；當Cr6+濃度高于1.15 mmol/L時，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)顯著低于對照組，表現(xiàn)為抑制作用，造成了“低濃度促進高濃度抑制”的現(xiàn)象。

本研究結果表明，晉甜雜1號和晉甜雜3號2種甜高粱的萌發(fā)未表現(xiàn)出低濃度促進作用，可能與抗性較弱有關，在試驗濃度范圍內均對這2個品種產(chǎn)生了毒害作用，抑制其萌發(fā)。

3.2 Cr6+脅迫對3種甜高粱種子萌發(fā)后胚根和胚芽生長的影響

本研究結果表明，在不同濃度的Cr6+脅迫下，甜高粱的胚根和胚芽均表現(xiàn)出不同程度的抑制，相比較胚芽和胚根的生長狀況發(fā)現(xiàn)，對胚根的抑制作用更大。相關重金屬脅迫研究表明，胚根可能最先突破種皮，而胚芽突破種皮相對較晚，則胚根吸收重金屬要早，胚根的積累量也相對較大些。根部是吸收水分和礦質元素的主要部位，重金屬離子進入根部細胞內，但其細胞壁中存在大量交換位點可以固定通過的重金屬離子，從而阻止向地上部分進一步轉移重金屬離子。因而，根最易受重金屬的毒害[13，19-20]。

3.3 3種甜高粱種子萌發(fā)期的耐Cr6+性綜合評價

不同作物耐逆性比較時，由于不同指標、不同濃度對重金屬脅迫存在效應差異，單一指標、單一濃度難以評判作物的耐逆性，而將不同指標在不同濃度下的響應差異結合起來進行綜合評價更具有可靠性。本研究綜合比較發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長、胚根鮮質量、胚芽長以及胚芽鮮質量7個指標，得出3個品種甜高粱萌發(fā)期的耐Cr6+性大小排序為晉甜雜2號＞晉甜雜3號＞晉甜雜1號。同時，種子萌發(fā)是一個復雜的調控過程，今后應結合生理生化變化進一步對其分析研究。

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Resistance Evaluation and Response of 3 Sweet Sorghum Varieties at Germination Stage to Cr6+Stress

CHENMengni1，ZHANGZeyu2，DUTianqing1，XUE Jianfu1，QI Jianying1，CUI Fuzhu1，YANGLin1，LIUCaixia1
（1.College ofAgronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College ofInformation，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China）

The aim of the paper was to discuss the seed germination and seedling growth under Cr6+stress.Using Jintianza 1, Jintianza 2 and Jintianza 3 as the material,the effects of different concentration of Cr6+on seed germination and seedling growth of sweet sorghum were studied comparatively through germination toxicology test.The results showed that the germination energy,germination rate,germination index,vigor index,root length,bud length,root quality and bud quality ofJintianza 1 and Jintianza 3 were all decreased with the increasing of Cr6+concentration.The root length,bud length,root quality and bud quality of Jintianza 2 were all decreased with the increasingofCr6+concentration.The germination energy,germination rate and germination indexofJintianza 2 seeds showed a pattern of rising at the concentration less than 1.15 mmol/L.According to the Cr-tolerance indexes for the three sweet sorghum varieties,the capacityofCr-tolerance followed the sequence:Jintianza 2＞Jintianza 3＞Jintianza 1.

Cr6+stress;sweet sorghum;germination stage;Cr-tolerance indexes

S514.01

：A

：1002-2481（2017）01-0017-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.01.05

2016-08-29

山西省自然科學基金項目（2014011031-1）；國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503121-07）

陳夢妮（1992-），女，山西運城人，在讀碩士，研究方向：作物土壤生態(tài)。杜天慶為通信作者。