鉻脅迫下小麥DH群體幼苗發(fā)育性狀研究

趙海燕，馮永軍，田紀(jì)春，董肖昌，石浩朋，鄧曉梅

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018）

鉻（Cr）是一種毒性較大的致畸、致突變劑。工礦企業(yè)大量使用鉻化合物，其排出的“三廢”致使土壤、水體和生物遭到不同程度的污染。土壤中的重金屬鉻污染，不僅使土壤肥力退化，降低作物產(chǎn)量與質(zhì)量，而且惡化水環(huán)境，并通過(guò)食物鏈在人和生物體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生命和健康[1]。小麥?zhǔn)鞘澜绶秶鷥?nèi)種植面積最大、總產(chǎn)量最高的糧食作物，也是我國(guó)主要糧食作物。土壤中過(guò)量的Cr，尤其是Cr6+在小麥體內(nèi)富集，造成作物產(chǎn)量和品質(zhì)的大幅下降[2]。小麥幼苗時(shí)期的發(fā)育性況直接影響作物以后的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，因此，研究小麥幼苗受重金屬鉻污染的影響顯得尤為重要[3]。

目前，已有很多關(guān)于鉻對(duì)作物毒害效應(yīng)的研究，但對(duì)單一的小麥品種進(jìn)行重金屬脅迫研究較少，尚無(wú)利用小麥某一遺傳群體進(jìn)行研究的報(bào)道。DH群體亦即加倍單倍體（Doubled haploid），群體中的每一個(gè)系都是完全同質(zhì)純合的，具備遺傳一致的后代。同一群體可以滿(mǎn)足不同時(shí)間、地點(diǎn)的研究需要，適于進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，有效減少環(huán)境誤差，提高試驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)可以共享并不斷積累，特別適于數(shù)量性狀研究和抗性分析[4]。試驗(yàn)以小麥品種花培3號(hào)和豫麥57雜交F1經(jīng)染色體加倍獲得的DH群體168個(gè)株系為材料，研究Cr6+脅迫下小麥的幼苗生長(zhǎng)發(fā)育情況，分析幼苗株高、葉齡、根長(zhǎng)及根長(zhǎng)抑制指數(shù)、生物量等指標(biāo)，評(píng)價(jià)Cr6+對(duì)小麥的生態(tài)毒性效應(yīng)，旨在初步探索小麥對(duì)土壤重金屬Cr的耐受性，為今后為尋找耐Cr品種，實(shí)現(xiàn)小麥的安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

水培試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家作物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室控溫控濕溫室進(jìn)行，小麥幼苗相關(guān)性狀的測(cè)定在國(guó)家小麥改良中心泰安分中心和農(nóng)業(yè)部小麥栽培生理與遺傳改良重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

高產(chǎn)、多抗的花培3號(hào)和綜合性狀優(yōu)良豫麥57雜交F1通過(guò)花藥培養(yǎng)，經(jīng)染色體加倍獲得168個(gè)雙單倍體（DH）系。花培3號(hào)和豫麥57分別于2006年和2004年通過(guò)河南省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)和國(guó)家審定，花培3號(hào)莖稈粗壯，豫麥57抗旱性好。

Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液：1mmol/LCa（NO3）2·4H2O，0.2 mmol/L KH2PO4，0.5 mmol/L MgSO4·7H2O，1.5 mmol/L KCl，1.5 mmol/L CaCl2，1×10-3mmol/L H3BO3，5×10-5mmol/L （NH4）6Mo7O24·4H2O，5×10-4mmol/L CuSO4·5H2O，1×10-3mmol/L ZnSO4·7H2O，1×10-3mmol/L MnSO4·H2O，0.1 mmol/L Fe（Ⅲ）EDTA，營(yíng)養(yǎng)液pH值為6.0[5]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取DH群體168個(gè)家系及親本各30粒飽滿(mǎn)均一種子，經(jīng)3%的雙氧水表面消毒30 min，蒸餾水洗凈，25℃培養(yǎng)皿濾紙上萌發(fā)，去離子水培養(yǎng)至1葉一心，挑取整齊一致的幼苗植于穿孔直徑為3 cm、帶有128穴的育苗盤(pán)中，用消過(guò)毒的海綿固定幼苗，全營(yíng)養(yǎng)Hoagland營(yíng)養(yǎng)液條件下培養(yǎng)2 d后進(jìn)行Cr6+脅迫處理[6]。Cr（K2Cr2O7）溶液處理方式分0（對(duì)照）、40、120 mg/L Cr6+3組。培養(yǎng)盆外圍全用黑漆粉刷，以保持根系的黑暗生長(zhǎng)環(huán)境。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。

處理4周后收獲樣品，蒸餾水沖洗，用剪刀把幼苗莖、根在分節(jié)處分開(kāi)，測(cè)定幼苗性狀。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

測(cè)定項(xiàng)目包括：莖葉鮮重、株高、葉片數(shù)（葉齡）、莖葉干重、主根長(zhǎng)度、根鮮重、根干重。

千分位電子天平稱(chēng)量莖葉鮮重，50 cm直尺量取株高，并記錄葉片數(shù)。用吸水紙吸干根系表面水分，再用千分位電子天平稱(chēng)量根鮮重。分別將新鮮根和葉在100℃烘箱殺青15 min，80℃烘干至衡重，稱(chēng)量根、葉干重。用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分別測(cè)定單株的主根長(zhǎng)度，并計(jì)算出根長(zhǎng)抑制率[7]。根長(zhǎng)抑制率（%）=（對(duì)照樣品根長(zhǎng)-處理樣品根長(zhǎng)）/對(duì)照樣品根長(zhǎng)×100%。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr6+脅迫下小麥幼苗各性狀表型分析

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不同濃度Cr6+處理對(duì)小麥幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著影響，且隨濃度的增大，抑制作用表現(xiàn)愈加明顯。高濃度Cr6+的抑制作用表現(xiàn)為根、莖明顯變短，幼苗失去向上生長(zhǎng)趨勢(shì)，根系萎縮腐爛，甚至不形成根[8]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)Cr6+對(duì)小麥幼苗根生長(zhǎng)的抑制作用較之地上部更為明顯（見(jiàn)表1）。

由表1可看出：親本花培3號(hào)和豫麥57之間各性狀表現(xiàn)出一定的差異，DH群體168個(gè)株系各性狀均表現(xiàn)超親分離，除葉片數(shù)外，群體中其他性狀偏度值與峰度值的絕對(duì)值都小于1.0，符合正態(tài)分布。隨著Cr6+處理濃度的升高，DH群體發(fā)育性狀表型值均有不同程度的降低，其中生物量的積累變化最為顯著，120 mg/L Cr6+脅迫下莖葉鮮重和根鮮重分別降低了88.18%和80.21%，而干重分別降低了70.36%和64.81%，可見(jiàn)Cr6+脅迫下幼苗有機(jī)物的積累受到了很大抑制，根、莖葉鮮重降低幅度明顯大于干重。主根長(zhǎng)度變化明顯，表現(xiàn)為根長(zhǎng)縮短，主根增粗，不形成側(cè)根及根毛。根據(jù)根長(zhǎng)抑制率公式計(jì)算出兩種處理下，根長(zhǎng)抑制率分別為37.96%、41.68%。

經(jīng)SPSS軟件分析，可以得出DH群體168個(gè)株系各性狀差異。差異較為顯著的如莖葉鮮重在無(wú)Cr6+脅迫時(shí)，集中分布在0.2~0.5 g之間，頻率最高分布在0.3~0.33 g；40 mg/L Cr6+時(shí)，集中分布在0.055~0.08 g，頻率最高分布在0.065~0.07 g；120 mg/L Cr6+，莖葉鮮重集中分布在0.035~0.05 g，頻率最高分布在0.042 5~0.045。可見(jiàn)，隨著Cr6+濃度的升高，莖葉鮮重逐漸降低。無(wú)Cr6+脅迫時(shí)，葉片數(shù)在集中分布在3.5~4.2，頻率最高分布在3.9~4.2；40 mg/L Cr6+時(shí)，集中分布在1.9~2.3，頻率最高分布在1.9~2.0；120 mg/L Cr6+，集中分布在 1.9~2.2，頻率最高分布在2.0~2.06。當(dāng)濃度升到40 mg/L時(shí)，葉片數(shù)急劇下降，濃度再升高時(shí)，葉片數(shù)變化較小。主根長(zhǎng)度在無(wú)Cr6+脅迫時(shí)，集中分布在20.0~25.0 cm，頻率最高分布在22.5~23.75 cm；40 mg/L Cr6+時(shí)，集中分布在12.5~16.0 cm，頻率最高分布在14.0~15.0 cm；120 mg/L Cr6+，集中分布在12.0~14.0 cm，頻率最高分布在13.0~13.5 cm。濃度越高，主根越短。上述分析可以看出Cr6+脅迫下小麥DH群體各性狀株系間存在著很大的差異性，達(dá)到了0.01極顯著水平。說(shuō)明Cr6+對(duì)小麥的生長(zhǎng)抑制存在明顯的株系差異，同一Cr6+處理水平下，各小麥株系受傷害程度也不同，可能存在耐Cr品種，這一發(fā)現(xiàn)可為日后進(jìn)行耐Cr育種研究提供依據(jù)。

表1 親本及DH群體發(fā)育性狀

2.2 Cr6+脅迫下小麥幼苗發(fā)育性狀方差分析

方差分析表明，在Cr6+脅迫下各處理小麥幼苗的生物量、株高、葉片數(shù)、主根長(zhǎng)度差異顯著。其中，受Cr6+脅迫影響最大的是小麥根長(zhǎng)，F(xiàn)=68.543，根長(zhǎng)抑制率顯著；受Cr6+脅迫影響最小的是葉片數(shù)，F(xiàn)=8.437，說(shuō)明Cr6+脅迫對(duì)小麥葉齡影響較小。從這一結(jié)果看，用小麥根長(zhǎng)作為Cr6+脅迫評(píng)價(jià)指標(biāo)，更能顯著反映小麥?zhǔn)苤亟饘倜{迫的生理效應(yīng)。因此，以根長(zhǎng)受抑制程度對(duì)Cr6+脅迫濃度求得線(xiàn)性回歸方程為y=8.860 8 x2-110.851 6 x+330.625 1。對(duì)于鉻迫下小麥幼苗的半致死濃度和極限濃度分別為125.38 mg/L和280.36 mg/L。

3 結(jié)論與討論

重金屬毒害，抑制幼苗生長(zhǎng)，降低植株鮮物質(zhì)和干物質(zhì)量，并且隨著處理濃度增加最終導(dǎo)致幼苗死亡。隨著重金屬濃度的增加和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，表現(xiàn)對(duì)幼苗的毒害作用越明顯，這種生態(tài)毒害效應(yīng)已在多種農(nóng)作物及蔬菜中報(bào)道[9-12]。Cr6+對(duì)小麥幼苗和根系生長(zhǎng)的抑制作用與環(huán)境中的Cr6+含量和植物體對(duì)Cr6+的吸收及其在不同器官中的分配積累有關(guān)。植物體內(nèi)Cr6+的含量隨環(huán)境中Cr6+濃度的增高而增加，而Cr6+在小麥體內(nèi)不同器官的積累規(guī)律是根>莖葉>果實(shí)[13]。在水培條件下，Cr6+在植物體內(nèi)積累更為嚴(yán)重，溶液中的Cr6+被根系吸收后，首先在根部積累，阻礙根系生長(zhǎng)，然后轉(zhuǎn)移到其它器官。可見(jiàn)器官中Cr6+含量愈高，對(duì)生長(zhǎng)的抑制作用愈大，說(shuō)明環(huán)境中Cr6+濃度高低及植物體內(nèi)不同器官的含Cr量和幼苗生長(zhǎng)之間存在一定的相關(guān)性。另外，由于根系生長(zhǎng)嚴(yán)重受抑，勢(shì)必影響到對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，體內(nèi)正常生理過(guò)程受到干擾，地上部分的生長(zhǎng)也必然受到抑制[14]。具體研究結(jié)果如下：

（1）隨著Cr6+處理濃度的增加，小麥幼苗生物量、株高、葉齡及根長(zhǎng)均有不同程度的降低，其中生物量的積累變化最為顯著，且根、莖葉鮮重降低幅度明顯大于干重，Cr6+對(duì)小麥幼苗根生長(zhǎng)的抑制作用較之地上部也更為明顯。高濃度的Cr6+脅迫對(duì)小麥幼苗產(chǎn)生極大的毒害作用，地上部表現(xiàn)在小麥幼苗失去向上生長(zhǎng)趨勢(shì)，株高矮小、葉片枯黃、頂端卷曲，并伴有枯萎現(xiàn)象，個(gè)別株系開(kāi)始出現(xiàn)死亡征兆；地下部表現(xiàn)在根長(zhǎng)明顯縮短，主根增粗，不形成側(cè)根及根毛，根系萎縮腐爛。兩種處理根長(zhǎng)抑制率分別為37.96%、41.68%。

（2）由方差分析可知，小麥幼苗生長(zhǎng)受Cr6+脅迫影響的各指標(biāo)差異均達(dá)顯著水平，根長(zhǎng)抑制率效應(yīng)顯著，以根長(zhǎng)受Cr6+脅迫抑制率求得線(xiàn)性回歸方程為y=8.860 8 x2-110.851 6 x+330.625 1，并得出Cr6+迫下小麥幼苗的半致死濃度和極限濃度分別為125.38 mg/L和280.36 mg/L。由此可評(píng)價(jià)某地區(qū)土壤受重金屬Cr6+污染的程度與小麥種植的適宜性，為提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)提供依據(jù)，同時(shí)也應(yīng)做好環(huán)境保護(hù)工作，加強(qiáng)對(duì)土壤Cr污染防治力度，對(duì)已造成污染的土壤進(jìn)行綜合治理，減輕Cr對(duì)農(nóng)作物的影響。

試驗(yàn)只對(duì)Cr6+脅迫下小麥DH群體幼苗發(fā)育性狀進(jìn)行了研究，今后繼續(xù)研究不同處理濃度Cr6+脅迫對(duì)小麥DH群體的發(fā)育影響，選擇具有耐性個(gè)體，為培育耐Cr小麥品種，以及適宜不同程度的Cr污染土壤提供科學(xué)依據(jù)。

[1]沈明珠.農(nóng)業(yè)環(huán)境的污染和保護(hù) [M].北京:中國(guó)青年出版社，1980.105-108.

[2]馬立平，張 敏，康懷彬.Cr6+對(duì)小麥種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2004，10（6）：27-28.

[3]黑淑梅.小麥幼苗根系在Cr6+脅迫下生長(zhǎng)和DNA含量的變化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（14）：8261-8262，8301.

[4]李俊周，劉艷陽(yáng)，何 寧，等.小麥DH群體數(shù)量性狀的遺傳分析[J].麥類(lèi)作物學(xué)報(bào)，2005，25（3）：16-19.

[5]周希琴，吉前華.鉻脅迫對(duì)不同玉米品種種子萌發(fā)生理生態(tài)的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005（4）：41-45.

[6]張志良，瞿偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，2004.39-41.

[7]李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2000.195-197.

[8]杜天慶，楊錦忠，郝建平，等.Cd、Pb、Cr三元脅迫對(duì)小麥幼苗生理生化特性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（8）：4475-4482.

[9]李建新，涂艷麗，王 飛.鉻脅迫對(duì)大豆種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（35）：11379-11385.

[10]康維鈞，哈 婧，梁淑軒，等.鉻對(duì)蘿卜種子發(fā)芽與根伸長(zhǎng)抑制的生態(tài)毒性[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26（4）：322-325，329.

[11]郭 峰，樊文華.土壤Hg、Cr和Pb單一污染對(duì)綠豆光合作用的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2009，24（1）：26-30.

[12]何江華，杜應(yīng)瓊，柳勇.Cr（Ⅵ）對(duì)蔬菜生長(zhǎng)及其在蔬菜體內(nèi)積累的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（24）：1－4.

[13]徐衍忠，秦緒娜，劉祥紅，等.鉻污染及其生態(tài)效應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，25（12）：8-11.

[14]魯先文，余 林，宋小龍，等.重金屬鉻對(duì)小麥葉綠素合成的影響[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2007，27（4）：60-63.