鎘、鹽脅迫對不同谷子品種萌發的影響

嚴加坤，劉 莉，周 奇

(榆林學院 陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室， 陜西 榆林 719000)

1 引言

谷子(Setariaitalica)是禾本科狗尾草屬長型谷物，是世界上栽培歷史最悠久的日常食用的作物之一[1]。榆林市作為陜西谷子的主要盛產區，是特色雜糧之一，去殼即為小米，米脂縣因盛產優質小米而得名。谷子是世界上被馴化的最古老作物之一,栽培歷史悠久,并有眾多證據證明我國是谷子的起源中心和遺傳多樣性中心[2]。在未來幾年，谷子的可持續發展以及遺傳優育的觀念越來被人們關注。

自然界中很多環境因子如鹽、重金屬、干旱等都會影響植物的正常生長發育，其中鹽和重金屬是影響最普遍的2種脅迫因子[3]。隨著我國農業化學品的大量應用，農田土壤重金屬污染日益嚴重，重金屬由于其生物降解性和持久性受到廣泛的關注。其中，鎘(Cd)元素具有高移動性和高毒害性，被認為是危害公眾健康主要物質之一[4]。鎘是植物的非必需元素，它的生物毒性極強，毒害貫穿于動物、植物、微生物的整個生命史和其生命現象的各個過程，通過植物的吸收在植物的根、蓮、葉、籽實中累積[5]。目前，對谷子體內鎘的分布規律、存在形態及毒害機理等方面的研究較多，而鎘的危害首先發生在谷子種子萌發期和幼苗期。眾多的研究發現:在鎘的毒害下,可誘導自由基產生,使谷子的保護酶活性降低,水稻幼苗葉片膜脂過氧化產物含量增加,從而抑制水稻幼苗生長發育[11]。當谷子幼苗鎘濃度富集過高時，谷子就會出現中毒癥狀，比如葉片生長遲緩、葉片變卷曲變黃、產量下降等癥狀，嚴重時甚至會導致谷子苗死亡。研究表明，用鎘處理不同年代谷子種子，谷子品種的芽長、根長、發芽勢、發芽率均低于對照組，高濃度抑制時，均表現為根長的降低大于芽長的降低[6]。

同時由于本區鹽堿化嚴重，鹽害又稱為影響作物生長的另一個環境因子。研究表明，鹽分可延遲水稻種子的萌芽和出苗[7]。水稻種子在萌發階段受到鹽堿脅迫, 常會導致種子發芽不齊, 發芽勢和發芽率下降[8]。鹽分對水稻萌發期的影響主要是限制種子的生理吸水,影響谷子的萌發生長, 造成出苗不全[9]。Herralde等的研究表明：即使在植物中去除氯化鈉，鹽脅迫對植物的毒性也不會消失[10]。

以往許多學者對鎘脅迫和鹽脅迫的谷子積累規律及其對其生長發育的影響等做了許多研究,取得了可喜的成果，然而有關鎘脅迫對不同年代谷子品種的種子萌發的影響研究較少[11],同時谷子地方品種具有豐富的遺傳變異, 目前對谷子耐鹽性的相關研究也很少[12]。鑒于此，本課題以不同年代谷子品種為材料，研究重金屬鎘及鹽對不同年代谷子品種的出芽及早期生理指標的影響，并對其機理進行了初步探討，為本區谷子優質高抗育種提供理論依據，此內容尚未見報道。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

實驗的谷子品種為豫谷1號、豫谷18號、豫谷31號，安陽市農科所提供 。

2.2 實驗試劑

磷酸緩沖液(PBS)、氯化鎘、氯化鈉、次氯酸鈉溶液、三氯乙酸(TCA)、硫代巴比妥酸(TBA)、石英砂、GaCO3、3%磺基水楊酸、2.5%茚三酮顯色液、冰乙酸、50 ug·mL-1脯氨酸標準液、17 mmol·L-1對氨基苯磺酸、7 mmol·L-1α-萘胺、10 mmol·L-1鹽酸羥胺、亞硝酸鈉標準、磷酸等，所有試劑均為分析純(AR)。

2.3 谷子種子的實驗方法

(1)選種：精心挑選顆粒飽滿且形態大致均勻的不同年代谷子種子若干粒,先用自來水沖洗數次，洗去包衣。

(2)消毒：用1%的次氯酸鈉進行消毒處理20 min，

(3)洗滌：用蒸餾水沖洗已消毒的種子若干次。

(4)瀝干：使用漏斗瀝干。

(5)置床：取30粒種子放入鋪有2層濾紙貼上標簽的培養皿(φ=8.0 cm)中，在培養皿中分別加入3 mL的相應的氯化鎘溶液和鹽溶液，相同濃度均設3組重復，然后置于智能光照培養箱中進行培養，控制溫度為25℃使其萌發。

(6)觀察記錄數據，加溶液。

2.4 種子測定的指標及方法

分別于處理后第3天和第7天調查發芽率和發芽勢，從各處理中隨機挑選10粒正常發芽的種子測量其根長和芽長并且進行各項生理生化指標的測定。

發芽率、發芽勢參照劉錦川[15～16]的方法，Pro采用磺基水楊酸法[20]測定，MDA的測定采用硫代巴比妥酸法[18]，氧自由基含量測定參考裴帥帥的實驗方法[19]。

發芽率(GR)(%)= (n/N)×100%

發芽勢 (GE) (%)= (n/N)×100%

為消除各品種間的各種子發芽性狀差異，對各供試水稻品種的萌發期的各性狀指標均采用相對值，即采用不同CdCl2(NaCl)溶液脅迫濃度下的指標值/對照的指標值[17]。

2.5 數據處理方法

所有的數據都使用3次重復組實驗結果計算的，采用Microsoft Excel 2010和SPSS 23.0軟件對數據進行分析與處理。

3 結果與分析

3.1 CdCl2對谷子種子萌發的影響

3.1.1 CdCl2對谷子芽長、根長的影響

表1 不同濃度對不同年代谷子品種芽長的影響

注：同一列相同字母代表沒有顯著性差異，反之具有顯著性差異，P<0.05。下表同。

表2 不同濃度對不同年代谷子品種根長的影響

從圖1和圖2可知，在75 μmol·L-1鎘濃度下,3個谷子品種的芽長略低于對照,豫谷1號谷子芽長比對照少了0.68 cm,豫谷18 號芽長比CK少了0.17 cm,豫谷31號的芽比CK短0.24 cm,鎘對谷子發芽具有抑制作用。

不同濃度CdCl2溶液對不同年代的谷子發芽率和發芽勢的影響如圖1、圖2所示。除豫谷18號1 200 μmol·L-1鎘濃度處理下發芽率明顯下降以外,其他鎘濃度處理的3種谷子的發芽率和發芽勢受鎘濃度的影響不顯著。這說明CdCl2能在一定程度上抑制谷子種子的正常萌發， CdCl2脅迫處理的發芽率和發芽勢能較好的反映谷子萌發期的抗逆性。

圖1 不同濃度CdCl2處理對不同年代谷子種子發芽勢的影響

圖2 不同濃度CdCl2處理對不同年代谷子種子發芽率的影響

3.1.2 CdCl2對谷子丙二醛(MDA)含量的影響

表3 CdCl2對谷子丙二醛(MDA)含量的影響

MDA是衡量氧化脅迫程度的常用指標之一，能反映植物體細胞膜過氧化的程度，是植物抗性生理研究中的重要指標。由圖3可得，在不同濃度鎘溶液處理后3種不同年代谷子的MDA含量均呈現出先下降后上升的變化趨勢，且在750 μmol·L-1的濃度時達到最低時，3種谷子品種基本均有顯著性差異(p<0.05)，當濃度為150 μmol·L-1時，豫谷1號的MDA含量為1.4648μmol·L-1，與CK無顯著性差異(p>0.05),75 μmol·L-1能有效抑制MDA的產生，增強植物體的抗性。當鎘濃度上升到1 200 μmol·L-1時，谷子種子MDA含量則達到最高，植物生長被嚴重抑制。

通過圖3可以看出，用不同濃度的CdCl2處理過的谷子品種均對游離脯氨酸(Pro)含量有一定的影響，在CdCl2溶液濃度為300 μmol·L-1時，3 種谷子的游離脯氨酸(Pro)含量均達到最高值，隨著品種的更替，其中豫谷31號的脯氨酸含量最高，是905.8048 μg·g-1。脯氨酸含量的相對大小與抗逆性的強弱沒有關系。

圖3 CdCl2對不同年代谷子脯氨酸含量的影響

3.1.3 CdCl2對氧自由基含量的影響 由表4可以看出，CdCl2脅迫處理組的氧自由基含量都要比CK的要高，說明CdCl2脅迫能夠促使谷子產生氧自由基。隨著CdCl2濃度的增加，CdCl2脅迫程度加劇，氧自由基含量呈現上升趨勢，但是上升程度不明顯， 這是因為植物體內有自己的一套清除系統。當谷子受到脅迫時，體內會產生POD，POD的主要作用就是分解氧自由基，而在CdCl2脅迫下，氧自由基增加，同時POD也會增加，但是氧自由基在CdCl2脅迫下的分解能力較強，因此谷子的氧自由基呈現上升波動。

表4 CdCl2對不同年代谷子自由基含量的影響

3.2 NaCl對谷子種子的影響

3.2.1 NaCl對不同年代谷子芽長和根長的影響 在NaCl 溶液為50 mmol·L-1時，對豫谷1號胚芽具有促進作用，豫谷18和豫谷31號均呈現抑制狀態。150 mmol·L-1NaCl 脅迫對3種谷子的芽長和根長表現出強烈的抑制作用，而且對根長受到的抑制比芽長大。表5和表6中的數據表明谷子生長過程中胚根對NaCl脅迫的反應比胚芽敏感。研究結果表明：豫谷1號生長的比較好。說明豫谷1號耐鹽性較強。

表5 不同濃度NaCl 脅迫下谷子的芽長

表6 不同濃度NaCl脅迫下谷子的根長

3.2.2 NaCl對丙二醛(MDA)含量的影響 由表7可得，經過不同濃度的NaCl處理后的3種不同年代的谷子，其丙二醛含量均呈現先降低然后升高的趨勢。NaCl濃度為50 mmol·L-1時，3種谷子的丙二醛含量低于CK，達到顯著性水平，對谷子生長有利；而高濃度NaCl溶液處理谷子后丙二醛含量上升幅度較為明顯。

表7 NaCl脅迫對丙二醛(MDA)含量的影響

3.2.3 NaCl對脯氨酸(Pro)含量的影響 通過圖4可以看出， 3種谷子被不同濃度的NaCl溶液處理后，其游離脯氨酸(Pro)含量均高于CK。NaCl濃度為50 mmol·L-1時，豫谷31號增加的幅度較大；在NaCl溶液為150 mmol·L-1時，3種谷子的游離脯氨酸(Pro)含量達到最高。

圖4 NaCl脅迫下不同年代谷子脯氨酸的變化趨勢

3.2.4 NaCl對谷子氧自由基含量的影響 氧自由基含量隨著NaCl濃度的增加而增加，結果表明NaCl脅迫對3種谷子氧自由基含量影響差異顯著。氧自由基能直接或間接地引起谷子衰變，在這個過程中，氧自由基可以對細胞組分產生作用，也可以通過參與氧化分解產物或促進乙烯形成而起調節作用[21]。NaCl脅迫濃度50 mmol·L-1時，豫谷31號相對于CK影響比較小，增長幅度不大；高于該濃度時，豫谷18號的影響最為顯著，增加了197.6%。

表8 NaCl脅迫對谷子氧自由基含量的影響

4 討論與結論

重金屬鎘和鹽脅迫對谷子種子萌發有著抑制作用。實驗中各指標均采用鎘、鹽脅迫環境的平均值進行研究，消除了品種間固有差異的影響,能更有效的評價不同年代谷子的抗逆性。

當加入不同濃度的鎘溶液后，谷子種子的根長、芽長、發芽勢、發芽率、丙二醛、氧自由基、脯氨酸等指標都受到鎘脅迫的影響。由于谷子品種不同、年代不同受促進和抑制效果差壓較大。高濃度鎘對谷子抑制效果明顯。不同的谷子品種對不同鎘脅迫濃度的耐受力存在顯著差異[13]。鎘濃度大于600 μmol·L-1時，谷子生長受到抑制較為明顯，谷子的抗逆性下降，且不同濃度梯度的鎘對根的脅迫作用大于芽，如果脅迫強度過高，或脅迫時間延長，有可能植物會死亡[12]。

萌發期較強的耐鹽性是鹽漬化嚴重地區谷子 品種必須優先具備的特性, 相對芽長和相對根長值較大, 是生產上保證苗全、苗壯的基礎[14]。該實驗研究結果表明：隨 NaCl 濃度的升高種子的相對發芽率、相對鹽害率均受到鹽的明顯影響, 出現低促高抑現象, 同時根對鹽脅迫的反應比芽更敏感[11]。分析原因：植物生長必需元素的Cl-和Na+，在低濃度下發揮作用，激活相關酶活性，促進種子萌發，但高濃度的鹽處理會破壞細胞膜的完整性，選擇膜滲透性減少或損失，細胞內代謝紊亂，增加溶液的滲透潛能，高鹽濃度使種子吸力困難，從而抑制萌芽[12]。

由于作物的抗早性是受多基因控制的復雜性狀,是多個抗早性狀的綜合反映,對任何單項機理的研究都有一定的局限性[22]。