Cd對小麥種子萌發及幼苗早期生長的影響

摘要：以小麥（Triticum aestivum L.）為試材，通過室內培養皿萌發培養法，探討了不同程度Cd污染（Cd2+濃度分別為0、10、20、40、60 mg/L）對小麥種子萌發和幼苗早期生長的影響。結果表明，在萌發早期，各濃度Cd2+處理對小麥種子的發芽率和發芽勢沒有顯著影響，但隨Cd2+濃度的提高，種子內淀粉酶活性顯著（P<0.05）下降。Cd對小麥的影響主要體現在胚根和胚芽突出種皮以后植株的早期生長階段，隨Cd2+濃度提高，幼苗MDA積累量不斷增加，說明膜脂過氧化程度加劇；Cd對葉綠素的影響表現為低促高抑，Cd2+濃度為10 mg/L時，促進葉綠素的合成，Cd2+濃度≥40 mg/L時，葉綠素總含量顯著（P<0.05）低于對照組；隨Cd2+濃度增加，小麥幼苗根長、苗高和植株總干重顯著（P<0.05）降低，小麥生長受到抑制，且以濃度 ≥40 mg/L時抑制程度加重。

關鍵詞：小麥（Triticum aestivum L.）；Cd污染；種子萌發；幼苗生長；影響

中圖分類號：S512.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）11-2496-04

近年來，土壤-植物-食品系統中Cd污染問題日益嚴峻。Cd因其生物毒性大又極易被植物吸收而成為環境污染中最為危險的5種物質之一，較低質量濃度就能對動植物產生毒害[1]。此外，Cd污染不可逆，植物積累的Cd很容易通過食物鏈傳遞給人或動物，并會引起生物放大作用致使人體內Cd濃度遠遠超過環境濃度，最終不僅使經濟受到影響，而且人類健康也受到很大威脅[2]。在生物體內，Cd是非必需元素，不參與生物體內的結構組成及代謝活動，但是特別容易被植物體吸收，對植物有極強的毒害作用[3]。大量研究表明，Cd對植物的生長發育危害很大，可抑制光合作用和呼吸作用，進而干擾植物體內碳代謝以及水分和無機養分的吸收與轉化[4-6]。

近年來，由于污水灌溉、含Cd增肥物料（污泥、粉煤灰等）使用等原因，世界范圍內農田Cd污染日趨嚴重。據不完全統計，中國Cd污染農田面積達到28萬hm2，威脅著農作物安全[7]。作物種子萌發及萌發時期的生長狀況直接影響其后續的生長和生物產量，因此研究作物種子在萌發階段受重金屬污染的影響具有重要的現實意義。小麥（Triticum aestivum L.）是世界上最主要的糧食作物之一，具有重要的經濟價值。研究表明，Cd脅迫使小麥幼苗出現生長遲緩、褪綠等中毒癥狀，最終導致產量大幅降低[8]，但是關于Cd脅迫對小麥種子萌發和幼苗早期生長的研究相對較少。為此，以小麥為供試材料，探討Cd脅迫對其種子萌發和幼苗早期生長、生理的影響，以期能夠為小麥的安全生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為邯617，由邯鄲市農業科學院提供，經測試，其發芽率大于90%。試驗前，精選飽滿的供試種子，以10%的H2O2溶液浸泡消毒30 min，棄表層漂浮種子，用無菌去離子水反復沖洗，用濾紙將水吸干，待用。

1.2 試驗設計

試驗共設5個Cd2+（以CdSO4形式加入）溶液濃度處理，分別為0、10、20、40和60 mg/L，每個處理5次重復。選取直徑為15 cm的培養皿，皿內以雙層濾紙作為發芽床，將培養皿滅菌處理后，加入配好的不同濃度Cd2+溶液，每皿15 mL，將消毒后的小麥種子接種于濾紙上，每皿40粒，擺放均勻，蓋好上蓋。最后將各組培養皿放入光照培養箱中進行培養，培養期間溫度為（20±1） ℃、光照時間為16 h/d。培養期間每天用稱重法加去離子水保持恒重。試驗周期為10 d，接種后第五天取走上蓋以保證萌發幼苗正常生長。

1.3 測定指標

1.3.1 種子萌發情況的測定 接種后，每隔24 h記錄1次種子的發芽數（胚根與種子等長、胚芽長度達到種子一半即認為種子已經發芽），第二天統計發芽勢、第四天統計發芽率，并按以下公式進行計算：

發芽勢=2 d內正常發芽種子數/全部供試種子數×100%

發芽率=4 d內正常發芽種子數/全部供試種子數×100%

1.3.2 種子萌發過程中淀粉酶活性的測定 Cd2+處理后第二天，對各處理小麥種子進行隨機取樣，每個處理取3個混合樣品，參照文獻[9]對淀粉酶活性進行測定。

1.3.3 小麥幼苗丙二醛（MDA）和葉綠素含量的測定 處理后10 d，對各處理小麥幼苗的葉片進行隨機取樣（每皿保留10株完整植株以備生物量的測定），每個處理取3個混合樣品，采用文獻[10]的方法進行MDA和葉綠素含量的測定。

1.3.4 小麥幼苗生物量的測定 對各處理未進行破壞性取樣的小麥植株進行生物量測定。首先，測定苗高和根長，然后，將植株沖洗干凈置于烘箱中于80 ℃下殺青30 min，最后在70～80 ℃下烘干至恒重，稱重。

1.4 數據分析

采用SPSS分析軟件進行單因素方差分析，采用Duncan’s法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 Cd脅迫對小麥種子萌發過程的影響

2.1.1 Cd脅迫對小麥種子發芽率和發芽勢的影響 從表1可以看出，Cd脅迫對小麥種子萌發影響不大。因發芽率均大于70%，故對數據進行反正弦轉換，以進行方差分析。經方差分析，各處理之間發芽率、發芽勢差異均不顯著（P>0.05）。另據試驗日常觀察，各處理小麥種子萌發時間較集中，Cd脅迫的影響主要體現在胚根和胚芽突出種皮以后。小麥種子的萌發過程消耗的是種子內的營養物質，只是從外界吸收水分，加之小麥種子萌發較快，外施Cd處理對其萌發影響不大。

2.1.2 Cd脅迫對小麥種子淀粉酶活性的影響 由圖1A可以看出，當Cd2+濃度為0～20 mg/L時，對小麥種子α-淀粉酶活性的影響不顯著，當Cd2+濃度≥40 mg/L時，與對照相比，各處理的α-淀粉酶活性受到顯著（P<0.05）抑制。由圖1B可知，小麥種子中總淀粉酶活性隨Cd2+濃度的增加而降低，當Cd2+濃度≥20 mg/L時，各處理之間及各處理與對照之間差異顯著（P<0.05）。由此可知，低濃度Cd對小麥種子淀粉酶活性影響不大，但是當濃度達到一定水平會抑制其淀粉酶的活性，淀粉不能正常轉化成可溶性糖類，這樣就減少了供植物呼吸直接利用的基質，呼吸速率大大降低，從而生長受到抑制。

2.2 Cd脅迫對小麥幼苗早期生長的影響

2.2.1 Cd脅迫對小麥幼苗MDA含量的影響 如圖2所示，隨Cd2+濃度增加，小麥幼苗中MDA積累量逐漸增多，當Cd2+濃度達到40 mg/L時，MDA積累量顯著（P<0.05）增多。MDA是膜脂過氧化的產物，MDA含量增加說明Cd脅迫下膜脂過氧化程度加劇。

2.2.2 Cd脅迫對小麥幼苗葉片葉綠素含量的影響 由圖3可知，Cd對小麥幼苗葉綠素a（圖3A）、葉綠素b（圖3B）和葉綠素總含量（圖3C）的影響表現為低促高抑，Cd2+濃度為10 mg/L時，3者含量均有所提高；Cd2+濃度為20 mg/L時，小麥葉片中各葉綠素含量與對照沒有顯著差異；當Cd2+濃度達到40 mg/L時，葉綠素a和葉綠素總含量顯著（P<0.05）低于對照。葉綠素含量隨Cd2+濃度先增高后降低，這可能是由于Cd2+濃度較低時，植株會啟動自身的防御系統，生成相應的解毒物質，使葉綠素的傷害降低或合成速度加快，從而使葉綠素的含量呈上升趨勢；但是隨著Cd2+濃度進一步加大，超過植物的防御能力時，進入植物體的Cd2+會破壞生物膜的結構，導致葉綠體、線粒體及細胞核等重要器官損傷，影響光合作用，且抑制效應與濃度成正相關。

2.2.3 Cd脅迫對小麥幼苗生長的影響 由圖4可知，Cd抑制了小麥的生長，表現為苗高（圖4A）、根長（圖4B）和植株總干重（圖4C）均隨Cd2+濃度的增加而顯著降低。此外，根據日常觀察，Cd2+濃度≥40 mg/L時，小麥植株變黃，生長不良。Cd是一種毒害作用很大的物質，它會使植物體內酶系統紊亂，膜脂過氧化程度加劇，破壞蛋白質、核酸和一些其他物質的合成，而生物量是植物體內生理生化過程變化綜合結果的體現，因此生物量的變化是反映脅迫處理效應的有效指標。

3 討論

有研究表明，Cd對農作物種子萌發和幼苗生長有一定程度影響，Cd脅迫下，水稻發芽率降低，且芽和根的伸長受到抑制[11]；而秦普豐等[12]研究發現Cd脅迫對棉花種子萌發的影響較小，但是嚴重抑制其幼苗的生長發育。可見，不同作物對Cd2+脅迫的響應不同。本研究結果表明，0～60 mg/L的Cd對小麥種子萌發率和發芽勢沒有產生顯著影響，但是降低了萌發過程中淀粉酶的活性，種子中儲存的淀粉向可溶性糖轉化的過程受阻，因而胚根胚芽突破種皮后的生長必然受到抑制，表現為葉綠素含量降低、MDA積累量增加以及生物量降低。Cd對葉片葉綠素的影響表現為低促高抑，當Cd濃度為10 mg/L時，葉綠素含量有所增加；但當Cd濃度≥40 mg/L時，葉綠素含量顯著降低；隨Cd濃度增加MDA積累量持續增加，根長、株高以及干重均逐漸降低。此外，根據日常觀察，Cd濃度大于40 mg/L時，小麥植株變黃，生長不良。

綜合而言，Cd脅迫對小麥種子萌發的影響不大，其影響主要表現在胚根突破種皮以及胚芽伸長以后的幼苗生長階段，導致其膜脂過氧化程度加重、葉綠素代謝受阻并造成其生長障礙，且當濃度≥40 mg/L時抑制作用加強。

參考文獻：

[1] 吳旭紅.三個苜蓿品種對鎘污染的生理生態反應及抗性比較[J].生態環境，2005，14（5）：658-661.

[2] 毛學文，張海林.重金屬鎘對南瓜種子發芽和出苗的影響[J].種子，2003（1）：70-71.

[3] 趙中秋，席梅竹.Cd對植物的氧化脅迫機理研究進展[J].農業環境科學學報，2007，26（增刊）：47-51.

[4] 施國新，杜開和，謝凱彬.汞、鎘污染對黑藻葉細胞傷害的超微結構研究[J].植物學報，2000，42（4）：373-378.

[5] FOY C D， CHANEY R L， WHITE M C. The physiology of metal toxicity in plants [J]. Annual Review of Plant Physiology，1978，29：511-566.

[6] 丁海東，朱為民，楊少軍，等.鎘、鋅脅迫對番茄幼苗生長及脯氨酸和谷胱甘肽含量的影響[J].江蘇農業學報，2005，21（3）：191-196.

[7] 何俊瑜，任艷芳，任明見，等.鎘對不同小麥品種種子萌發的影響[J].中國農學通報，2009，25（10）：235-240.

[8] OBATA H， UMEBAYASHI M. Effect of cadmium on mineral nutrient concentration in plant differing in tolerance for cadmium[J].Journal of Plant Nutrition，1997，20（1）：97-105.

[9] 張志良，瞿偉菁.植物生理生化實驗指導[M].北京：高等教育出版社，2003.

[10] YAO X Q， LIU Q. Changes in photosynthesis and antioxidant defenses of Picea asperata seedlings to enhanced ultraviolet-B and nitrogen supply[J].Physiologia Plantarum，2007，129（2）： 364-374.

[11] 王錦文，邊才苗，陳 珍.鉛、鎘脅迫對水稻種子萌發、幼苗生長及生理指標的影響[J].江蘇農業科學，2009（4）：77-79.

[12] 秦普豐，鐵柏清，周細紅，等.鉛與鎘對棉花和水稻萌發及生長的影響[J].湖南農業大學學報，2000，26（3）：205-207.