陳毓瑾 ，歐陽林娟 ，朱紅 ，陳艷美 ，邊建民 *

（1上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院,上海 200240；2江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330045）

重金屬鎘在人們的生產(chǎn)生活中起著重要的作用，可作特殊的易熔、耐磨合金、電鍍防腐層等制造原料[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年自然人類因素導(dǎo)致約3萬噸鎘(Cd)離子進(jìn)入生物圈，如金屬礦的開采和冶煉、農(nóng)藥化肥的濫用，加上酸雨的作用使土壤中Cd離子的可溶性增加，毒性增強(qiáng)。我國重金屬Cd污染農(nóng)田面積已超過80000 hm2，且污染日趨嚴(yán)重，極大地制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。在糧食作物中，糙米Cd含量變異范圍為0.06-0.99 mg/kg，精米中Cd含量為0.14-1.4 mg/kg，小麥粒中的含量為0.009-0.04 mg/kg[6-8]。近年來國內(nèi)外有關(guān)于水稻等作物耐鎘性及Cd積累的研究集中在探討不同水稻品種或相關(guān)作物耐鎘性和Cd累積情況[9-13]，如王剛等[11]通過盆栽試驗(yàn)，在無Cd與Cd脅迫 2種處理下比較得出水稻體內(nèi)Cd含量大致為根>莖>葉>谷殼>籽粒，且Cd主要集中在根部，所選的8個(gè)水稻品種中籽粒Cd含量以品種‘春優(yōu)84’表現(xiàn)出較低的Cd累積能力；楊春剛等[12]、Zhou等[14]的試驗(yàn)表明水稻糙米中的Cd含量只與水稻植株中的莖稈的Cd含量有關(guān)聯(lián)，選擇莖Cd含量低的水稻品種，可得到糙米對(duì)重金屬Cd低積累的水稻品種；Fahad等[13]對(duì)不同鋅肥處理和品種對(duì)作物Cd積累進(jìn)行田間研究，試驗(yàn)表明在5種水稻品種中，鋅施肥措施能顯著降低植株積累的Cd的濃度，且與其他品種相比，shua-92和swat-2在耐鎘性研究中表現(xiàn)較好。

為此，本試驗(yàn)通過對(duì)30份不同的水稻種質(zhì)進(jìn)行Cd脅迫對(duì)照處理，分析鎘脅迫對(duì)水稻發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根芽長等性狀的影響，運(yùn)用最小顯著差異數(shù)法（LSD法）篩選出Cd脅迫處理組與對(duì)照組無顯著差異的品種即具有一定耐鎘性的水稻品種，以期為水稻種質(zhì)的進(jìn)一步選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)使用了30份常規(guī)水稻品種，品種名稱及來源見表1。

表1 30份常規(guī)水稻品種Tab.130 conventional rice varieties

1.2 方法

1.2.1 水稻種子的消毒

各品種挑選健康飽滿的水稻種子用5%的NaClO溶液浸泡消毒30 min，之后將種子用去離子水反復(fù)沖洗干凈，并接種于編號(hào)的培養(yǎng)皿中。其中5%的次氯酸鈉溶液由氯含量為10%的次氯酸鈉原液與水按照1∶1的比例配制而成。

1.2.2 水稻種子浸種、催芽

將消毒后的水稻種子接入培養(yǎng)皿并加入蒸餾水在28℃條件下浸泡24 h，之后將培養(yǎng)皿平鋪在培養(yǎng)箱中，黑暗下催芽48 h。注意發(fā)芽時(shí)玻璃培養(yǎng)皿不要留水，只需讓種子一直保持濕潤即可。

1.2.3 鎘溶液與去離子水對(duì)照處理

本試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)Cd水平：0 mg/L(CK)和2 mg/L的CdCl2(以Cd2+濃度計(jì))溶液，每個(gè)鎘水平進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。在各處理的培養(yǎng)皿中，接入30粒飽滿健康的水稻種子，用滴管吸取2 mg/L的CdCl2(以Cd2+濃度計(jì))溶液10 mL滴入培養(yǎng)皿使其浸潤種子，對(duì)照組種子在保證其他條件一致下用去離子水培養(yǎng)，并置于（30±1）℃人工培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)箱設(shè)置為白天和黑暗各12 h。每天按時(shí)去培養(yǎng)箱觀察，統(tǒng)計(jì)各處理培養(yǎng)皿中發(fā)芽數(shù)、發(fā)芽指數(shù)，如發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)皿中無鎘溶液或缺水，用滴管（2 mL）加入鎘溶液或去離子水保持濕潤。

1.2.4 發(fā)芽指數(shù)、根（芽）脅迫指數(shù)的測定方法

品種處理的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)的測定參照周青等[3]的方法，具體如下：發(fā)芽率為培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子數(shù)/供檢測的種子數(shù)×100%，發(fā)芽指數(shù)GI=∑Gt/Dt，式中Dt為發(fā)芽日數(shù)；Gt為與Dt相對(duì)應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)，且規(guī)定：水稻種質(zhì)的根（芽）脅迫指數(shù)=脅迫下的根（芽）長/正常生長的根（芽）長。第7天時(shí)，用刻度尺量取各處理培養(yǎng)皿中的20粒水稻種子的根長和芽長，求出根（芽）長的Cd脅迫指數(shù)。

1.2.5 鎘脅迫指數(shù)的單因素方差分析方法

所有記錄的數(shù)據(jù)均為2次平行試驗(yàn)的平均值，采用SPSS 10.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，本試驗(yàn)對(duì)水稻根長Cd脅迫指數(shù)采用了單因素方差分析的方法篩選耐鎘性優(yōu)良的水稻種質(zhì)[15-16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘處理對(duì)不同水稻品種的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的影響

由表2可知，2 mg/L的鎘溶液與去離子純水培養(yǎng)條件下，30個(gè)常規(guī)水稻品種的發(fā)芽率整體上存在的差異較小，均處于90%-100%的區(qū)間，但其中編號(hào)為8號(hào)的水稻品種CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽率差異不明顯且均較低，僅為68%左右；編號(hào)為16、17、24、25的水稻品種CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽率差異較大，且鎘處理下水稻的發(fā)芽率略高于純水條件下，這一現(xiàn)象在其余的20多種種常規(guī)水稻品種均存在。

表2 水稻樣本CK、Cd條件下實(shí)驗(yàn)7 d的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)對(duì)照表Tab,2 The germination rate and germination index of the rice samples under the condition of CK and Cd condition for 7 days

同樣的方法分析2 mg/L的鎘溶液培養(yǎng)與去離子水培養(yǎng)的30個(gè)常規(guī)水稻品種的發(fā)芽指數(shù)，整體上存在一定差異，其中編號(hào)為8的水稻品種在CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)差異不明顯且都較低，僅為6左右；編號(hào)為1、3、10、18的水稻品種在CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)差異較為明顯，且編號(hào)1、3、10的常規(guī)水稻品種在去離子水培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)僅為8左右，而對(duì)應(yīng)品種水稻在鎘溶液培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)接近10，數(shù)值更高；編號(hào)為18的常規(guī)水稻品種在CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)差異較明顯但總體偏低，在CK和Cd培養(yǎng)下的發(fā)芽指數(shù)分別為6和8.5左右。同樣，本試驗(yàn)中30個(gè)常規(guī)水稻品種中也出現(xiàn)了在鎘處理下水稻的發(fā)芽指數(shù)高于純水培養(yǎng)條件下發(fā)芽指數(shù)的情況。

2.2 Cd脅迫對(duì)不同水稻品種幼苗生長的影響

根據(jù)試驗(yàn)第7天刻度尺量取的各處理培養(yǎng)皿中20粒水稻種子的根長和芽長的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2個(gè)處理下芽長與根長的平均值及芽長與根長脅迫指數(shù)，并對(duì)照列表（表3）。

表3 水稻樣本CK、Cd條件下根長芽長、脅迫指數(shù)對(duì)照分析表Tab.3 Comparison of root and bud length and stress indexes of rice samples under CK and Cd condition

由表3的對(duì)照分析可見，水稻樣本芽長脅迫指數(shù)大部分均小于1，表明2 mg/L的鎘溶液培養(yǎng)對(duì)水稻幼苗的生長產(chǎn)生一定的抑制作用，但其中IR24、IR36、R388、18 號(hào) C418、特青、923 六品種的水稻種子出現(xiàn)了在Cd溶液培養(yǎng)下促進(jìn)芽伸長的現(xiàn)象，這與其余種質(zhì)幼苗生長的表現(xiàn)不同；而分析表3中水稻種質(zhì)的根長脅迫指數(shù)的數(shù)據(jù)，30個(gè)品種的值均小于1，表明Cd溶液的培養(yǎng)對(duì)水稻種子根長的伸長生長產(chǎn)生了抑制作用，而品種間根長脅迫指數(shù)存在顯著差異，故對(duì)樣本的根長脅迫指數(shù)采用最小顯著差異數(shù)法（LSD法），通過對(duì)兩兩處理的根長脅迫指數(shù)單因素差異分析，并作出字母標(biāo)記（表4、5）。

表4 水稻根長脅迫指數(shù)單因素方差分析表Tab.4 One-way analysis of variance of rice root length stress index

表5 不同品種水稻根長脅迫指數(shù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差多重比較表Tab.5 Comparison table of the mean value and standard deviation of root stress index in different rice varieties

由表4可見，方差分析表按照脅迫指數(shù)的均值由高到低排列，脅迫指數(shù)越高表明該水稻種質(zhì)耐鎘性越強(qiáng)。1號(hào)水稻品種IR24的Cd脅迫指數(shù)均值最高，為66%，表明其他條件相同的情況下耐鎘性最好，且與其余各品種都存在顯著性差異；編號(hào)為4、16、8、24、26的水稻品種即南京 16、武運(yùn)粳 7號(hào)、PSB-4、天豐B、923 Cd脅迫指數(shù)依次降低，但品種間在5%的置信區(qū)間下無明顯差異；在1%的置信區(qū)間下，1號(hào)水稻品種IR24與其他水稻品種均存在極顯著差異，而品種南京16、武運(yùn)粳7號(hào)之間無極顯著差異，但與PSB-4、天豐B、923這3種水稻種質(zhì)存在極顯著差異。表4中的泗稻8號(hào)、粳1711 Cd脅迫指數(shù)較低，且兩者數(shù)據(jù)之間差異不顯著，表明該品種水稻種質(zhì)耐鎘性較差，Cd溶液培養(yǎng)條件下對(duì)其根長的伸長生長抑制效應(yīng)較明顯。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，Cd溶液脅迫對(duì)水稻種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)無顯著的抑制效應(yīng)，但對(duì)幼苗生長的芽長、根長抑制效果較明顯。通過對(duì)LSD法分析水稻品種IR24耐鎘性較好，而水稻品種粳1711、泗稻8號(hào)等種質(zhì)耐鎘性較差。

大量研究表明，水稻幼苗植株在高濃度的Cd溶液培養(yǎng)下，會(huì)出現(xiàn)老葉失綠，壞死，幼葉嚴(yán)重黃化的現(xiàn)象[7]；用低濃度的Cd營養(yǎng)液培養(yǎng)，一定程度上可抑制水稻的生根發(fā)芽。種子萌發(fā)的第一階段是吸脹吸水，若種子直接在Cd溶液中吸脹，可能會(huì)破壞細(xì)胞膜從而阻礙種子萌發(fā)。因此，為排除Cd對(duì)種子吸脹過程的影響，種子先經(jīng)過蒸餾水吸脹后再進(jìn)行Cd脅迫處理，這樣便于直接了解Cd脅迫對(duì)種子萌發(fā)過程的影響。由本試驗(yàn)結(jié)果可見，在所測得幾個(gè)指標(biāo)中Cd對(duì)水稻種子發(fā)芽率影響較小，芽長測量的數(shù)據(jù)在不同種質(zhì)間差異較大，部分種質(zhì)出現(xiàn)促進(jìn)作用而其余種質(zhì)出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，則不能把芽生長數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)水稻種質(zhì)耐鎘性的指標(biāo)，這與前人的研究相似[17]；但Cd溶液處理對(duì)幼苗根長影響較明顯，說明幼苗初期的根生長狀況比種子萌發(fā)的狀況更能體現(xiàn)Cd毒性的大小。種子吸脹發(fā)芽后，胚根快速吸水并突破種皮，這使胚根在Cd的積累量、Cd脅迫時(shí)間進(jìn)程上大于胚芽，從而表現(xiàn)受害更深。因此，根是植物絡(luò)合重金屬的部位也是最易受到重金屬中毒的部位?？梢杂懻撏茰y，Cd的過量攝入將會(huì)影響細(xì)胞核RNA和DNA的活性，引起核酸的裂解，阻礙有絲分裂過程。有絲分裂出現(xiàn)異常將影響到細(xì)胞的分裂與生長，這是微觀的表現(xiàn)，從宏觀角度來說即為抑制了水稻種子胚根的伸長。

本試驗(yàn)中結(jié)合圖2、圖3可見，2 mg/L的Cd溶液的脅迫處理對(duì)水稻種子的發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽率不產(chǎn)生顯著的促進(jìn)或抑制效應(yīng)，出于建立水稻耐鎘性評(píng)價(jià)指標(biāo)的考慮，直接推斷出發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)不能作為評(píng)價(jià)水稻品種耐Cd能力的指標(biāo)這樣的結(jié)論是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。后續(xù)試驗(yàn)可以考慮將0-10 mg/L Cd溶液細(xì)分出更多濃度梯度來處理水稻品種，根據(jù)對(duì)照組和處理組試驗(yàn)結(jié)果的差異性得出結(jié)論會(huì)更嚴(yán)謹(jǐn)。

本試驗(yàn)中Cd脅迫處理對(duì)水稻種子的根長具有明顯的抑制效應(yīng)，考慮水稻根長作為評(píng)價(jià)水稻種質(zhì)耐鎘性的參考指標(biāo)。本研究結(jié)果也表明，不同水稻品種對(duì)重金屬Cd的耐性不同，且用不同的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)其結(jié)果也不完全一樣，因此應(yīng)該考慮最長根長，根長脅迫指數(shù)等一些指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)水稻種質(zhì)的耐鎘性。本試驗(yàn)中芽長數(shù)據(jù)雖部分反映出Cd脅迫的抑制作用，但由于數(shù)個(gè)品種出現(xiàn)的芽長生長反常的現(xiàn)象，故不能完全將7 d的芽長Cd脅迫指數(shù)作為評(píng)價(jià)水稻種質(zhì)耐鎘性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，還需要考慮整個(gè)生長期幼苗的長度數(shù)值。后期進(jìn)行試驗(yàn)探索建立出水稻種質(zhì)耐鎘性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，可為水稻耐Cd性及Cd低積累種質(zhì)的篩選方案的制定奠定理論基礎(chǔ)。

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