40個不同糜子品種種子萌發期耐鎘性評價

張盼盼，王小林，郭亞寧，邊茂華，薛靈聰，張 雄

(陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室/榆林學院 生命科學學院，陜西榆林 719000)

陜北地區作為中國重要的煤炭工業基地，在煤炭資源的開發利用過程中，面臨著一系列的礦區環境污染問題[1]，如煤矸石長期風化、礦區飄塵的降落都會使有毒有害物質進入土壤，導致土壤受到重金屬污染嚴重[2-3]。通過在榆林礦區選擇38個采樣點，研究表明鎘是危害該礦區土壤最大的重金屬污染物，平均鎘質量分數為14.08μg/g，是陜西土壤鎘背景值的149倍(背景值0.094μg/g)[4]，嚴重威脅著陜北地區農業生態環境和人類生活安全[5]。糜子是陜北地區重要的糧食作物，具有生育期短、抗逆性強、耐貯藏等特點[6]，籽粒富含營養物質和礦質元素，食用價值和藥用價值高，在平衡膳食、促進人體健康方面具有獨特的作用[7]。已有研究表明種子萌發期是評價植物重金屬耐性的重要階段，并已在國際上廣泛應用[8]。目前，已在玉米[9]、水稻[10]、谷子[11]等作物上開展了萌發期耐鎘性品種評價的研究，研究指出鎘脅迫對作物種子萌發和發芽指數影響不顯著，而對活力指數和根芽生長抑制作用明顯，同時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。胚芽鞘與作物頂土能力關系密切，然而以往研究很少關注胚芽鞘在鎘脅迫下的反應，加之關于糜子種子萌發期耐鎘性評價尚未見相關報道。為此，本試驗在濃度篩選的基礎上，以40個糜子品種為研究對象，通過測定對照和鎘脅迫處理下不同糜子品種種子萌發期各形態指標的變化，對不同品種的耐鎘性進行綜合評價分析，以便為該區糜子高產優質栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 試驗設計

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層濾紙的培養皿中，每個培養皿擺種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(通過選取5個糜子品種，設置不同濃度鎘溶液進行數次預試驗后，確定200 μmol/L為最終試驗濃度)，于培養箱內發芽，培養箱光周期為光照12 h、黑暗12 h，溫度設為 25 ℃，每個處理3次重復。每天用移液管補充對應濃度氯化鎘溶液1 mL，使濾紙保持濕潤。

1.3 測定指標及方法

以幼芽達到種子長度一半，根長與種子等長作為發芽標準，每天對相關指標進行統計。第7天測定芽長、根長、發芽率、發芽勢、芽鞘長、根干質量與芽干質量等指標，其中芽長、根長、芽鞘長用尺子人工測量，根干質量與芽干質量烘干后用萬分位天平稱量。發芽勢和發芽率調查3次重復；根干質量和芽干質量測定以每個培養皿中5株植株為1個重復，共調查3個重復；根長、芽長、芽鞘長測定來自于3個培養皿中的10株取平均值。不同糜子品種的發芽率、發芽勢、發芽指數與活力指數按如下公式計算[10]：

發芽率=供試種子的發芽數/供試種子數×100%

發芽勢=發芽高峰期發芽的種子數/供試種子數×100%

發芽指數(GI)=∑Gt/Dt，公式中Gt為在t日的種子發芽數，Dt為發芽時間，單位為d。

活力指數(VI)=GI×S，公式中GI為發芽指數，S為胚芽的長度[12]。

根冠比=根干質量/芽干質量

脅迫指數(I)=1-處理值/對照值[13]

1.4 數據分析

采用Excel 2013 進行數據錄入與整理，采用SPSS 19.0進行相關分析和聚類分析，采用Person法進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對不同糜子品種發芽勢、發芽率、發芽指數與活力指數的影響

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

2.2 鎘脅迫對不同糜子品種根長、芽長、芽鞘長的影響

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

2.3 鎘脅迫對不同糜子品種根干質量、芽干質量、根冠比的影響

由表3可知，鎘脅迫下40個糜子品種根干質量、芽干質量、根冠比均值分別為1.06 mg、 6.91 mg、0.16，比對照分別降低55.65%、 11.52%、48.39%。根干質量、根冠比脅迫指數均值分別為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‘雁黍11號’和‘伊糜5號’等2個品種根干質量具有促進效果，而對‘晉黍6號’‘赤糜1號’‘赤黍1號’‘赤黍2號’根干質量和根冠比抑制程度較重。芽干質量脅迫指數均值為0.10，品種間變幅為-0.31～0.32，其中鎘脅迫對‘隴糜6～8號’‘寧糜13號’‘內糜9號’‘晉糜1號’‘晉黍4號’‘雁黍11號’‘伊糜5號’等9個品種芽干質量具有促進效果，而對‘寧糜14號’‘晉黍6號’‘雁黍8號’3個品種抑制作用較強，脅迫指數均高于0.30。

2.4 糜子芽期各指標之間的相互關系

將糜子芽期各指標平均值進行相關性分析，結果表明(表4)在對照條件下，不同糜子品種的發芽率、發芽勢和發芽指數三者之間分別呈極顯著正相關，且相關系數較高，分別是0.96、0.92、0.94。活力指數與根長、芽長、芽干質量分別呈極顯著正相關，相關系數分別為0.53、0.85、0.44；與根干質量呈顯著正相關，相關系數為0.31。根長與芽長、芽鞘長、根干質量、芽干質量分別呈極顯著正相關，相關系數分別是0.70、0.46、0.58、0.75。芽長和根干質量、芽干質量之間分別呈極顯著正相關，相關系數分別是0.40、0.61。芽鞘長和根干質量、芽干質量分別呈極顯著正相關，相關系數分別是0.46、0.45。根干質量和芽干質量、根冠比分別呈極顯著正相關，相關系數分別是0.67、0.73。

在鎘脅迫下，發芽勢與發芽率、發芽指數呈極顯著正相關，且相關系數較高，相關系數分別為0.96、0.90。發芽率與發芽指數呈極顯著正相關，相關系數為0.87。發芽指數與活力指數呈顯著正相關，相關系數為0.32。活力指數與根長、芽長、芽干質量分別呈極顯著正相關，相關系數分別為0.64、0.93、0.51；與根干質量呈顯著正相關，相關系數為0.39。根長與芽長、根干質量、根冠比呈極顯著正相關，相關系數為0.64、0.71、 0.56；與芽干質量呈顯著正相關，相關系數為 0.32。芽長與芽干質量呈極顯著正相關，相關系數為 0.49；與根干質量呈顯著正相關，相關系數為0.37。芽鞘長與根干質量呈極顯著正相關，相關系數為0.45，與根冠比呈顯著正相關，相關系數為0.33。根干質量與根冠比呈極顯著正相關，相關系數為0.91。

2.5 不同糜子品種種子萌芽期耐鎘性的聚類 分析

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

3 討 論

植物種子的發芽率、發芽指數和活力指數能夠反映種子發芽速度、發芽整齊度和幼苗健壯的潛力，是評價植物不良環境能力的重要指標[9,14]。活力指數是反映農作物種子品質的重要參數[15]。胡娜等[16]研究指出，Cd濃度在50～100 μmol/L時促進鹽生草種子萌發，而在200～400 μmol/L時表現出相反趨勢。本研究表明，200 μmol/L Cd脅迫能夠促進‘榆黍1號’‘隴糜5號’‘寧糜11號和16號’‘晉黍3號’‘晉黍6號’‘晉糜9號’‘赤糜1號’‘齊黍1號’等品種種子萌發，而對其他品種種子萌發無效果或具有抑制作用，這可能是因為Cd離子阻礙了種子內營養物質的分解，導致種子萌發所需的物質和能量不足，最終種子萌發受阻[17]；200 μmol/L Cd處理對糜子種子萌發和發芽指數的影響小于活力指數，其發芽率、發芽指數、活力指數脅迫指數分別為0.01、0.01、 0.31，這與前人在水稻上[9]的研究結果相似。本研究也表明，200 μmol/L Cd處理對糜子根長、芽長、芽鞘長、根干質量、芽干質量具有抑制作用，并且對根長、根干質量的抑制作用強于芽長、芽干質量，原因可能是種子萌發時，胚根突破種皮早于胚芽，使得Cd在根部的積累以及Cd脅迫根的時間先于胚芽，從而表現出根對重金屬的反應更敏感[18]。芽鞘與幼苗出土關系密切，進一步研究發現，Cd對糜子芽鞘長、根冠比的脅迫程度分別大于芽長、根干質量，同時各指標中根長的平均脅迫指數最高。因此，初步認為芽鞘長、根長可以用于快速判斷糜子萌發期耐鎘性。

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

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

本研究表明，對照條件下，根長與芽鞘長，芽鞘長與芽干質量，根干質量與芽干質量均呈極顯著正相關關系，而在Cd處理下無顯著差異；對照條件下發芽指數與根干質量、芽干質量呈負相關關系，而在Cd處理下呈正相關關系。同一種植物不同品種受Cd影響差異較大[19-21]，評價不同品種種子萌發對Cd耐受性的影響不能簡單使用某一指標，而應該采用多項指標綜合分析[22]。為了消除品種間固有差異，本試驗選擇各單項指標的脅迫指數來比較不同品種糜子種子萌發期耐鎘能力。通過對10項指標脅迫指數進行聚類分析，將40份糜子材料劃分為敏感型、中間型、耐鎘型等3種類型。

4 結 論

200 μmol/L Cd脅迫下，糜子發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數、根長、芽長、芽鞘長、根干質量、芽干質量、根冠比8個指標均下降，其中發芽勢、發芽率、發芽指數受影響較小(平均脅迫指數均為0.01)，而根長、根冠比、根干質量、芽鞘長下降明顯(平均脅迫指數分別為0.61、0.47、 0.53、0.37)。

不同糜子品種種子萌發期對鎘的耐受性具有差異。本研究40個糜子品種中，‘隴糜6號’‘晉糜1號’‘晉黍7號’‘晉糜4號’‘隴糜8號’‘隴糜7號’‘內糜9號’‘榆糜2號’‘寧糜15號’9個品種對鎘的耐受性較強，可以作為耐鎘糜子應用于礦區鎘污染土壤修復。