張盼盼，王小林，郭亞寧，邊茂華，薛靈聰，張 雄

(陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林 719000)

陜北地區(qū)作為中國(guó)重要的煤炭工業(yè)基地，在煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，面臨著一系列的礦區(qū)環(huán)境污染問(wèn)題[1]，如煤矸石長(zhǎng)期風(fēng)化、礦區(qū)飄塵的降落都會(huì)使有毒有害物質(zhì)進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤受到重金屬污染嚴(yán)重[2-3]。通過(guò)在榆林礦區(qū)選擇38個(gè)采樣點(diǎn)，研究表明鎘是危害該礦區(qū)土壤最大的重金屬污染物，平均鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.08μg/g，是陜西土壤鎘背景值的149倍(背景值0.094μg/g)[4]，嚴(yán)重威脅著陜北地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)生活安全[5]。糜子是陜北地區(qū)重要的糧食作物，具有生育期短、抗逆性強(qiáng)、耐貯藏等特點(diǎn)[6]，籽粒富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和礦質(zhì)元素，食用價(jià)值和藥用價(jià)值高，在平衡膳食、促進(jìn)人體健康方面具有獨(dú)特的作用[7]。已有研究表明種子萌發(fā)期是評(píng)價(jià)植物重金屬耐性的重要階段，并已在國(guó)際上廣泛應(yīng)用[8]。目前，已在玉米[9]、水稻[10]、谷子[11]等作物上開(kāi)展了萌發(fā)期耐鎘性品種評(píng)價(jià)的研究，研究指出鎘脅迫對(duì)作物種子萌發(fā)和發(fā)芽指數(shù)影響不顯著，而對(duì)活力指數(shù)和根芽生長(zhǎng)抑制作用明顯，同時(shí)將玉米和水稻品種耐鎘性劃分為耐受型、中間型和敏感型3種；在谷子上的研究表明，隨著品種的改良，谷子耐鎘性增強(qiáng)。胚芽鞘與作物頂土能力關(guān)系密切，然而以往研究很少關(guān)注胚芽鞘在鎘脅迫下的反應(yīng)，加之關(guān)于糜子種子萌發(fā)期耐鎘性評(píng)價(jià)尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。為此，本試驗(yàn)在濃度篩選的基礎(chǔ)上，以40個(gè)糜子品種為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定對(duì)照和鎘脅迫處理下不同糜子品種種子萌發(fā)期各形態(tài)指標(biāo)的變化，對(duì)不同品種的耐鎘性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，以便為該區(qū)糜子高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取‘榆黍1號(hào)’‘榆糜2號(hào)’‘隴糜5號(hào)’‘隴糜6號(hào)’‘隴糜7號(hào)’‘隴糜8號(hào)’‘隴糜10號(hào)’‘隴糜11號(hào)’‘寧糜9號(hào)’‘寧糜10號(hào)’‘寧糜11號(hào)’‘寧糜12號(hào)’‘寧糜13號(hào)’‘寧糜14號(hào)’‘寧糜15號(hào)’‘寧糜16號(hào)’‘寧糜17號(hào)’‘內(nèi)糜1號(hào)’‘內(nèi)糜3號(hào)’‘內(nèi)糜5號(hào)’‘內(nèi)糜6號(hào)’‘內(nèi)糜7號(hào)’‘內(nèi)糜9號(hào)’‘晉糜1號(hào)’‘晉黍3號(hào)’‘晉糜4號(hào)’‘晉黍5號(hào)’‘晉黍6號(hào)’‘晉黍7號(hào)’‘晉糜9號(hào)’‘赤糜1號(hào)’‘赤黍1號(hào)’‘赤黍2號(hào)’‘雁黍7號(hào)’‘雁黍8號(hào)’‘雁黍11號(hào)’‘伊糜5號(hào)’‘伊選黃糜’‘齊黍1號(hào)’‘固糜21號(hào)’40個(gè)糜子品種為試驗(yàn)材料，該材料為近些年培育的新品種，均由西北農(nóng)林科技大學(xué)小宗糧豆研究中心提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別取各供試糜子品種飽滿種子，用10%NaClO溶液消毒15 min，再用蒸餾水沖洗4～5次，每個(gè)品種各取500粒種子，將其置于50 mL蒸餾水中，24 h后將種子擺放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿擺種50粒。分別加入 5 mL的0(蒸餾水，CK)、200 μmol/L(Cd)2種不同濃度氯化鎘溶液(通過(guò)選取5個(gè)糜子品種，設(shè)置不同濃度鎘溶液進(jìn)行數(shù)次預(yù)試驗(yàn)后，確定200 μmol/L為最終試驗(yàn)濃度)，于培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)芽，培養(yǎng)箱光周期為光照12 h、黑暗12 h，溫度設(shè)為 25 ℃，每個(gè)處理3次重復(fù)。每天用移液管補(bǔ)充對(duì)應(yīng)濃度氯化鎘溶液1 mL，使濾紙保持濕潤(rùn)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

以幼芽達(dá)到種子長(zhǎng)度一半，根長(zhǎng)與種子等長(zhǎng)作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每天對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。第7天測(cè)定芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、芽鞘長(zhǎng)、根干質(zhì)量與芽干質(zhì)量等指標(biāo)，其中芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鞘長(zhǎng)用尺子人工測(cè)量，根干質(zhì)量與芽干質(zhì)量烘干后用萬(wàn)分位天平稱(chēng)量。發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率調(diào)查3次重復(fù)；根干質(zhì)量和芽干質(zhì)量測(cè)定以每個(gè)培養(yǎng)皿中5株植株為1個(gè)重復(fù)，共調(diào)查3個(gè)重復(fù)；根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、芽鞘長(zhǎng)測(cè)定來(lái)自于3個(gè)培養(yǎng)皿中的10株取平均值。不同糜子品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)按如下公式計(jì)算[10]：

發(fā)芽率=供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢(shì)=發(fā)芽高峰期發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt，公式中Gt為在t日的種子發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽時(shí)間，單位為d。

活力指數(shù)(VI)=GI×S，公式中GI為發(fā)芽指數(shù)，S為胚芽的長(zhǎng)度[12]。

根冠比=根干質(zhì)量/芽干質(zhì)量

脅迫指數(shù)(I)=1-處理值/對(duì)照值[13]

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入與整理，采用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)分析和聚類(lèi)分析，采用Person法進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)不同糜子品種發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)的影響

由表1可知，在200 μmol/L鎘脅迫下，40個(gè)糜子品種發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均值分別為91.13%、91.83%、22.28，比對(duì)照分別減少 0.75%、0.67%、0.16，但減幅不明顯，種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的脅迫指數(shù)均為0.01，表明在該脅迫處理下對(duì)糜子種子萌發(fā)影響較小；不同糜子品種間的種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)的脅迫指數(shù)存在差異，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的脅迫指數(shù)變幅均為-0.07～0.14，發(fā)芽指數(shù)的脅迫指數(shù)變幅均為-0.08～0.16，其中僅‘隴糜7號(hào)’受脅迫影響較明顯，其發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)受該鎘脅迫處理的抑制率均達(dá)10%以上，而‘榆黍1號(hào)’‘隴糜5號(hào)’‘寧糜11號(hào)’‘寧糜16號(hào)’‘晉黍3號(hào)’‘晉黍6號(hào)’‘晉黍9號(hào)’‘赤糜1號(hào)’‘齊黍1號(hào)’等品種在該鎘脅迫處理下有促進(jìn)萌發(fā)效果。除‘隴糜8號(hào)’外，其余品種鎘脅迫下的活力指數(shù)變幅為63.72～136.56，均值為101.20，較對(duì)照極顯著降低(P<0.01)，說(shuō)明該濃度處理對(duì)糜子種子活力影響較大；不同品種間種子活力指數(shù)的平均脅迫指數(shù)為0.31，變幅為-0.04～0.64，其中對(duì)‘寧糜17號(hào)’‘赤糜1號(hào)’‘雁黍8號(hào)’和‘固糜21號(hào)’4個(gè)品種的種子受抑制作用最明顯，其脅迫指數(shù)均在 0.50以上。

2.2 鎘脅迫對(duì)不同糜子品種根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、芽鞘長(zhǎng)的影響

表2顯示，除了‘隴糜8號(hào)’胚芽長(zhǎng)外，40個(gè)糜子品種的根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)及芽鞘長(zhǎng)在鎘處理下表現(xiàn)出抑制效果。鎘脅迫下糜子平均根長(zhǎng)為1.90 cm，平均胚芽長(zhǎng)為4.53 cm，平均芽鞘長(zhǎng)為 0.71 cm，分別較對(duì)照降低62.96%、30.31%、 39.32%，可見(jiàn)鎘脅迫對(duì)糜子種子根長(zhǎng)抑制效果最強(qiáng)，其次為芽鞘長(zhǎng)，最后為芽長(zhǎng)。40個(gè)糜子品種根長(zhǎng)的脅迫指數(shù)均值為0.61，品種間變幅為 0.37～0.84，其中‘隴糜8號(hào)’‘隴糜7號(hào)’受鎘脅迫影響較小，脅迫指數(shù)均低于0.40，而‘赤黍1號(hào)’‘雁黍8號(hào)’受鎘脅迫影響明顯，脅迫指數(shù)均高于0.80。芽長(zhǎng)、芽鞘長(zhǎng)的脅迫指數(shù)均值分別為 0.30、0.37，品種間變幅分別為-0.07～0.59、0.05～0.67，其中芽長(zhǎng)以‘赤糜1號(hào)’‘雁黍8號(hào)’2個(gè)品種受抑制程度較明顯，芽鞘長(zhǎng)以‘赤黍1號(hào)’和‘赤黍2號(hào)’等品種受抑制程度明顯。

2.3 鎘脅迫對(duì)不同糜子品種根干質(zhì)量、芽干質(zhì)量、根冠比的影響

由表3可知，鎘脅迫下40個(gè)糜子品種根干質(zhì)量、芽干質(zhì)量、根冠比均值分別為1.06 mg、 6.91 mg、0.16，比對(duì)照分別降低55.65%、 11.52%、48.39%。根干質(zhì)量、根冠比脅迫指數(shù)均值分別為0.53、0.47，品種間變幅分別為-0.09～0.84、-0.07～0.81，其中鎘脅迫對(duì)‘雁黍11號(hào)’和‘伊糜5號(hào)’等2個(gè)品種根干質(zhì)量具有促進(jìn)效果，而對(duì)‘晉黍6號(hào)’‘赤糜1號(hào)’‘赤黍1號(hào)’‘赤黍2號(hào)’根干質(zhì)量和根冠比抑制程度較重。芽干質(zhì)量脅迫指數(shù)均值為0.10，品種間變幅為-0.31～0.32，其中鎘脅迫對(duì)‘隴糜6～8號(hào)’‘寧糜13號(hào)’‘內(nèi)糜9號(hào)’‘晉糜1號(hào)’‘晉黍4號(hào)’‘雁黍11號(hào)’‘伊糜5號(hào)’等9個(gè)品種芽干質(zhì)量具有促進(jìn)效果，而對(duì)‘寧糜14號(hào)’‘晉黍6號(hào)’‘雁黍8號(hào)’3個(gè)品種抑制作用較強(qiáng)，脅迫指數(shù)均高于0.30。

2.4 糜子芽期各指標(biāo)之間的相互關(guān)系

將糜子芽期各指標(biāo)平均值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明(表4)在對(duì)照條件下，不同糜子品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)三者之間分別呈極顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)較高，分別是0.96、0.92、0.94?；盍χ笖?shù)與根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、芽干質(zhì)量分別呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.53、0.85、0.44；與根干質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.31。根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)、芽鞘長(zhǎng)、根干質(zhì)量、芽干質(zhì)量分別呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.70、0.46、0.58、0.75。芽長(zhǎng)和根干質(zhì)量、芽干質(zhì)量之間分別呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.40、0.61。芽鞘長(zhǎng)和根干質(zhì)量、芽干質(zhì)量分別呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.46、0.45。根干質(zhì)量和芽干質(zhì)量、根冠比分別呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.67、0.73。

在鎘脅迫下，發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.96、0.90。發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.87。發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.32?；盍χ笖?shù)與根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、芽干質(zhì)量分別呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.64、0.93、0.51；與根干質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.39。根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)、根干質(zhì)量、根冠比呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.64、0.71、 0.56；與芽干質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0.32。芽長(zhǎng)與芽干質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0.49；與根干質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.37。芽鞘長(zhǎng)與根干質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.45，與根冠比呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.33。根干質(zhì)量與根冠比呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.91。

2.5 不同糜子品種種子萌芽期耐鎘性的聚類(lèi) 分析

將鎘脅迫處理下糜子品種種子萌發(fā)期各性狀指標(biāo)的脅迫指數(shù)采用 Ward(離差平方和法)進(jìn)行聚類(lèi)分析(圖1)，可將40種不同品種糜子分為3大類(lèi)，第Ⅰ類(lèi)為敏感型，包括‘寧糜17號(hào)’‘固糜21號(hào)’‘內(nèi)糜7號(hào)’‘赤糜1號(hào)’‘雁黍8號(hào)’‘榆黍1號(hào)’‘晉黍3號(hào)’‘晉黍6號(hào)’‘赤黍2號(hào)’‘寧糜12號(hào)’‘內(nèi)糜1號(hào)’‘內(nèi)糜5號(hào)’‘寧糜13號(hào)’‘赤黍1號(hào)’‘晉糜9號(hào)’‘寧糜11號(hào)’‘雁黍7號(hào)’‘內(nèi)糜3號(hào)’‘隴糜5號(hào)’‘寧糜16號(hào)’‘寧糜9號(hào)’‘寧糜14號(hào)’‘隴糜10號(hào)’和‘伊選黃糜’24個(gè)品種，占參試品種的60.0%；第Ⅱ類(lèi)為中間型，包括‘內(nèi)糜6號(hào)’‘隴糜11號(hào)’‘齊黍1號(hào)’‘寧糜10號(hào)’‘晉黍5號(hào)’‘雁黍11號(hào)’‘伊糜5號(hào)’7個(gè)品種，占參試品種的17.5%；第Ⅲ類(lèi)為耐鎘型，包括‘隴糜6號(hào)’‘晉糜1號(hào)’‘晉黍7號(hào)’‘晉糜4號(hào)’‘隴糜8號(hào)’‘隴糜7號(hào)’‘內(nèi)糜9號(hào)’‘榆糜2號(hào)’‘寧糜15號(hào)’9個(gè)品種，占參試品種的22.5%，該類(lèi)品種發(fā)芽情況受鎘脅迫影響較小。

3 討 論

植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)能夠反映種子發(fā)芽速度、發(fā)芽整齊度和幼苗健壯的潛力，是評(píng)價(jià)植物不良環(huán)境能力的重要指標(biāo)[9,14]。活力指數(shù)是反映農(nóng)作物種子品質(zhì)的重要參數(shù)[15]。胡娜等[16]研究指出，Cd濃度在50～100 μmol/L時(shí)促進(jìn)鹽生草種子萌發(fā)，而在200～400 μmol/L時(shí)表現(xiàn)出相反趨勢(shì)。本研究表明，200 μmol/L Cd脅迫能夠促進(jìn)‘榆黍1號(hào)’‘隴糜5號(hào)’‘寧糜11號(hào)和16號(hào)’‘晉黍3號(hào)’‘晉黍6號(hào)’‘晉糜9號(hào)’‘赤糜1號(hào)’‘齊黍1號(hào)’等品種種子萌發(fā)，而對(duì)其他品種種子萌發(fā)無(wú)效果或具有抑制作用，這可能是因?yàn)镃d離子阻礙了種子內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解，導(dǎo)致種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量不足，最終種子萌發(fā)受阻[17]；200 μmol/L Cd處理對(duì)糜子種子萌發(fā)和發(fā)芽指數(shù)的影響小于活力指數(shù)，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)脅迫指數(shù)分別為0.01、0.01、 0.31，這與前人在水稻上[9]的研究結(jié)果相似。本研究也表明，200 μmol/L Cd處理對(duì)糜子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、芽鞘長(zhǎng)、根干質(zhì)量、芽干質(zhì)量具有抑制作用，并且對(duì)根長(zhǎng)、根干質(zhì)量的抑制作用強(qiáng)于芽長(zhǎng)、芽干質(zhì)量，原因可能是種子萌發(fā)時(shí)，胚根突破種皮早于胚芽，使得Cd在根部的積累以及Cd脅迫根的時(shí)間先于胚芽，從而表現(xiàn)出根對(duì)重金屬的反應(yīng)更敏感[18]。芽鞘與幼苗出土關(guān)系密切，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Cd對(duì)糜子芽鞘長(zhǎng)、根冠比的脅迫程度分別大于芽長(zhǎng)、根干質(zhì)量，同時(shí)各指標(biāo)中根長(zhǎng)的平均脅迫指數(shù)最高。因此，初步認(rèn)為芽鞘長(zhǎng)、根長(zhǎng)可以用于快速判斷糜子萌發(fā)期耐鎘性。

表4 有無(wú)鎘脅迫下不同糜子品種萌發(fā)期不同性狀的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients of different traits in different cultivars at germination stage with or without cadmium stress

圖1 不同糜子品種對(duì)鎘脅迫耐性的聚類(lèi)分析Fig.1 Cluster analysis of cadmium resistance of different broomcorn millet varieties

本研究表明，對(duì)照條件下，根長(zhǎng)與芽鞘長(zhǎng)，芽鞘長(zhǎng)與芽干質(zhì)量，根干質(zhì)量與芽干質(zhì)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而在Cd處理下無(wú)顯著差異；對(duì)照條件下發(fā)芽指數(shù)與根干質(zhì)量、芽干質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在Cd處理下呈正相關(guān)關(guān)系。同一種植物不同品種受Cd影響差異較大[19-21]，評(píng)價(jià)不同品種種子萌發(fā)對(duì)Cd耐受性的影響不能簡(jiǎn)單使用某一指標(biāo)，而應(yīng)該采用多項(xiàng)指標(biāo)綜合分析[22]。為了消除品種間固有差異，本試驗(yàn)選擇各單項(xiàng)指標(biāo)的脅迫指數(shù)來(lái)比較不同品種糜子種子萌發(fā)期耐鎘能力。通過(guò)對(duì)10項(xiàng)指標(biāo)脅迫指數(shù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，將40份糜子材料劃分為敏感型、中間型、耐鎘型等3種類(lèi)型。

4 結(jié) 論

200 μmol/L Cd脅迫下，糜子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、芽鞘長(zhǎng)、根干質(zhì)量、芽干質(zhì)量、根冠比8個(gè)指標(biāo)均下降，其中發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)受影響較小(平均脅迫指數(shù)均為0.01)，而根長(zhǎng)、根冠比、根干質(zhì)量、芽鞘長(zhǎng)下降明顯(平均脅迫指數(shù)分別為0.61、0.47、 0.53、0.37)。

不同糜子品種種子萌發(fā)期對(duì)鎘的耐受性具有差異。本研究40個(gè)糜子品種中，‘隴糜6號(hào)’‘晉糜1號(hào)’‘晉黍7號(hào)’‘晉糜4號(hào)’‘隴糜8號(hào)’‘隴糜7號(hào)’‘內(nèi)糜9號(hào)’‘榆糜2號(hào)’‘寧糜15號(hào)’9個(gè)品種對(duì)鎘的耐受性較強(qiáng)，可以作為耐鎘糜子應(yīng)用于礦區(qū)鎘污染土壤修復(fù)。