EDTA對重金屬鎘脅迫下玉米種子發芽率的影響

鄧本良 田靜 高曉曉

摘要 [目的]研究EDTA對鎘脅迫下玉米種子發芽的促進作用，為在污染土壤環境下進行作物種子發芽提供理論和技術支持。[方法]在砂土盆缽里進行玉米種子發芽試驗，分別用不同濃度氯化鎘以及EDTA+氯化鎘處理觀察種子發芽率。[結果]高濃度氯化鎘顯著抑制玉米種子發芽，但是添加EDTA后能顯著提高鎘脅迫下種子發芽率。藥理學試驗證明，EDTA增強的發芽能力與鎘誘導的活性氧毒害有密切關系。[結論]EDTA與鎘螯合后可減輕鎘的活性氧毒害，從而提高種子發芽率。

關鍵詞 EDTA;鎘脅迫;玉米種子;雙氧水

中圖分類號 S513;Q945.78 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）19-0043-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.012

Abstract [Objective] To investigate the effects of EDTA on maize seed germination under Cd stress， and to provide theoretical and technical support for the seed germination operation under contaminated soil environment. [Method] The seed germination test was carried out in sand basin. Treatments of different cadmium chlorideat concentrations and EDTA + cadmium chloride were adopted for seed germination rate. [Result] Cadmium chloride at high concentration could significantly inhibit the seed germination of maize， but adding EDTA could significantly enhance the seed germination rate under Cd stress. Pharmacological tests proved that germinating ability improvement by EDTA was closely related to the reactive oxygen toxicity induced by Cd. [Conclusion] ?EDTA mediated seed germination improvement under Cd stress can be partly attributed to the attenuation of ROS levels by formation of CdEDTA complex.

Key words EDTA;Cd stress;Maize seed;H2O2

作者簡介 鄧本良（1978—），男，湖南邵陽人，講師，博士，從事活性氧調控作物種子發芽機理研究。

收稿日期 2020-02-06

重金屬脅迫能顯著抑制作物種子發芽，如鎘離子和鉛離子能顯著抑制小麥種子發芽[1-2]。為提高作物種子在重金屬脅迫下的發芽率，采用不同保護劑進行處理取得了較好的效果，如對鎘鹽或砷鹽脅迫下的作物種子用一氧化氮處理能顯著提高這2種重金屬脅迫下的發芽率[3-4]。重金屬抑制植物種子發芽一種可能的機理是重金屬誘導產生的大量活性氧，從而抑制了種子發芽[5-8]。EDTA作為一種重金屬螯合劑，能促進植物對重金屬的吸收，同時能幫助其在重金屬污染的環境下更好地生長而得到廣泛應用[9-10]。然而，目前鮮見重金屬螯合劑對重金屬脅迫下的植物種子發芽影響的研究。鑒于此，筆者對高濃度鎘離子脅迫下的玉米種子采用EDTA處理，研究EDTA在高濃度鎘脅迫環境下對玉米種子發芽的促進作用，并從活性氧毒害角度對其機理進行了探討。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用的玉米種子為香甜糯2015，購自淘寶網。

1.2 試驗方法

在種子發芽盒中加入事先用不同濃度氯化鎘（0、1、10 和100 mmol/L）潤洗的粗砂（直徑約2～3 mm，模擬污染環境），然后將自來水浸泡2 h的玉米種子半埋入砂子中，并分成若干組。對照組用自來水噴灑，處理組包括用不同濃度（0、1、10和100 mmol/L）EDTA、二甲基硫脲（DMTU，10 mmol/L）、咪唑（10 mmol/L）、雙氧水（H2O2，10 mmol/L）等或其組合進行處理，觀察這些試劑處理后對玉米種子發芽率的影響。每天分2次檢查種子發芽情況，連續檢查72 h。當露白0.5 mm即視為發芽。每個試驗設定3個重復。

1.3 數據處理

采用SPSS軟件對檢測結果進行分析;采用Duncans多重比較進行分析;采用Excel 2007軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 鎘鹽對玉米種子發芽率的影響

由圖1可知，水對照處理在24、48和72 h的玉米種子發芽率依次為45%、93%和95%（P<0.05）。與水對照相比，低濃度（1 mmol/L）CdCl2能顯著加快玉米種子發芽。處理24、48和72 h的玉米種子發芽率分別為57%、96%和96%（P<0.05）。而高濃度（100 mmol/L）CdCl2潤洗后的砂子則能顯著抑制玉米種子發芽率，如處理24、38和72 h發芽率分別是21%、25%和26%（P<0.05）。與水對照相比，100 mmol/L CdCl2 處理后玉米種子發芽率最終（處理72 h）降低了73%（P<0.05），說明只有高濃度鎘處理才能有效抑制玉米種子發芽。

2.2 EDTA濃度對玉米種子發芽率的影響

采用4個濃度梯度（0、1、10和100 mmol/L）的EDTA（實際使用其鈉鹽）來檢測其對玉米種子在72 h內的發芽能力的影響。由圖2可知，不同濃度EDTA都能不同程度地抑制玉米種子發芽能力，并呈現一種濃度梯度關系：濃度越高則抑制效果越強。與水對照相比，100 mmol/L EDTA處理24、48和72 h發芽率分別降低了76%、62%和60%（P<0.05）。與高濃度EDTA強烈抑制最終發芽率相比，低濃度EDTA處理主要是延緩發芽率，并不明顯影響最終（處理72 h）發芽率。與水對照相比，處理24 h時1、10 mmol/L EDTA處理的玉米發芽率分別降低5%和31%（P<0.05）。

2.3 氧還試劑對高濃度鎘鹽脅迫下玉米種子發芽率的影響

圖3為100 mmol/L EDTA及相關氧還試劑（H2O2、DMTU和IMZ）對高濃度（100 mmol）鎘鹽脅迫下玉米種子發芽率的影響。由圖3可知，EDTA處理顯著增強了玉米種子在鎘鹽脅迫下的發芽率：EDTA在24、48和72 h時均提高了玉米種子在鎘鹽脅迫下的發芽率，分別達到67%、244%和233%（P<0.05）。然而EDTA處理增強的發芽率可被氧化劑H2O2削弱：10 mmol/L H2O2處理24，48和72 h均可降低玉米發芽率，分別降低了14%、12%和10%（P<0.05）。與氧化劑H2O2相比，抗氧化劑DMTU處理能進一步提高EDTA對鎘脅迫下的玉米種子發芽率：10 mmol/L DMTU處理24、48和72 h均可提高玉米發芽率，分別降低了23%、8%和9%（P<0.05）。與DMTU相比，咪唑處理也能進一步增強EDTA提高的鎘鹽脅迫下的玉米種子發芽率：10 mmol/L咪唑處理24、48和72 h可提高玉米發芽率，分別為26%、9%和10%（P<0.05）。

3 結論與討論

該研究結果顯示，用高濃度鎘離子和EDTA單獨處理都能顯著抑制玉米種子發芽，前者（氯化鎘）可能是其誘導的活性氧含量過高導致玉米種子發芽受到抑制，這與前人用鎘離子處理小麥種子的結論一致[1]。而單獨用EDTA處理，尤其在高濃度下也能顯著抑制玉米種子發芽，這可能是因為EDTA能螯合種子中某些關鍵離子（如鈣離子），從而阻止種子進一步發芽。鎘離子脅迫下的玉米種子用高濃度EDTA處理后能顯著逆轉鎘離子的抑制效果，顯著促進玉米種子發芽。對于這一現象，一個可能的機理是EDTA螯合鎘離子后，減輕了鎘離子對玉米種子的活性氧毒害作用。為了部分驗證這一猜測，筆者使用了對Cd+EDTA處理的玉米外施H2O2和特異性活性氧清除劑DMTU以及NADPH氧化酶特異性抑制劑咪唑后，發現H2O2能降低EDTA對鎘脅迫下的玉米種子的保護作用;相反，DMTU和咪唑能進一步提高EDTA對鎘離子脅迫下的玉米種子的保護作用，這是因為DMTU能直接清除一部分EDTA-Cd螯合物誘導的活性氧，從而有利于種子發芽。類似地，咪唑能部分抑制植物體內1個能產活性氧的主要酶，即NADPH氧化酶[11]，從而降低了EDTA-Cd螯合物誘導的活性氧含量，這也說明NADPH氧化酶也是鎘離子的1個靶點，這與前人報道類似[12]，同時也符合“oxidative window for germination”假說[13]。該假說認為，種子只在一定的活性氧濃度范圍內才能促進種子發芽，濃度過高或過低都會抑制種子發芽。前人報道均顯示，只有處于合適范圍內的活性氧才能促進作物種子發芽[6-8]。 該研究結果顯示，EDTA能不同程度地延緩，甚至抑制玉米種子的發芽;高濃度鎘離子抑制的玉米種子發芽能被EDTA逆轉;EDTA提高的鎘離子脅迫下的玉米種子發芽率與活性氧水平有密切關系。此外，EDTA促進的鎘離子脅迫下的玉米種子發芽可能還有其他原因，這需要今后進一步從生理生化和遺傳學角度去深入研究其機理。

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