微量元素Cu對低溫脅迫下玉米種子活力影響的研究

劉源霞 賈春蘭 唐 琳 蘭進好，3

（1青島農業大學，山東青島 266109；2山東登海種業股份有限公司，萊州 261418；3山東省玉米技術創新中心，萊州 261418）

汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、銀（Ag）、銅（Cu）、鋅（Zn）等重金屬造成的環境污染一直引起人們的高度關注[1]。Fe、Cu、Mn、Zn等是動植物生長發育所必需的元素，而諸如Pb、Hg等則不是動植物所必需的元素。重金屬通過被植物吸收利用進入食物鏈，對人類的健康造成危害，也有關于銅對植物毒性的報道，但關于銅元素對種子活力影響的研究卻鮮見。在植物生長發育的過程中，銅是一種必需的微量元素，它能夠參與植物光合作用，是多酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶等酶類的組成成分[2]。有試驗表明，對大多數的植物來說，種皮對銅等重金屬離子具有低滲透性，一直到胚根突破種皮[3]。種子的萌發和幼苗根的生長是植物生長發育中特別重要的階段，同時也是植物對環境改變最敏感的階段[4]，因此在這個階段可以明顯地表現出銅對植物生長發育的調節作用。

玉米對溫度的要求較高，對低溫抗性較弱[5]，溫度對玉米種子的萌發和植株生長發育都有著重要的影響。有研究表明，溫度對玉米出苗速度、葉片光合作用、雄穗發育情況以及籽粒的形成和灌漿等都能造成一定影響。北方春玉米區是我國最重要的玉米產區，早春的玉米容易因溫度過低造成冷害、凍害而影響種子發芽，造成缺苗斷壟，最終導致減產[6-7]。高活力種子對田間逆境有較強的抗性，能夠提高田間成苗率，節省播種費用。對種子進行播前處理在一定程度上能夠提高種子活力，增強其在低溫等逆境下的成苗能力，對作物生產具有重要實踐意義[8]。

隨著玉米單粒機械化精準播種技術的日漸普及，農業對高活力玉米種子的需求更加迫切，如何快捷有效地提高種子活力以滿足應急播種和單粒播種的要求，成為玉米生產中亟待解決的問題。目前，關于Cu元素在常溫下對玉米種子的萌發具有促進作用的研究已有報道，而低溫脅迫條件下，微量元素銅與種子活力的關系尚未見報道。本研究選用了5個不同基因型玉米雜交種進行試驗，旨在探討低溫脅迫條件下Cu2+浸種處理方法能否有效提高種子活力。

1 材料與方法

1.1 試驗材料本試驗用的5個玉米雜交種為登海315、德玉四號、登海1302、登海506和農星207，種子由淄博禾豐種業科技有限公司和山東登海種業股份有限公司提供；所用的CuSO4·5H2O購自諸城市康泰化工有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子處理選取種皮完好、籽粒完整、大小一致的玉米種子，用30%的NaClO消毒處理30s，用蒸餾水漂洗3次，晾干備用。每個雜交種的種子分成6等份，室溫下將其分別置于濃度為0mg/L（CK，即水處理）、0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L、2.0mg/L的CuSO4溶液中浸種8～10h，然后自然回干至含水量為20%～25%（用電腦水分測定儀LDS-1H測定）。

1.2.2 發芽試驗及測定指標各雜交種的每個處理設3次重復，每次重復50粒種子。采用紙床發芽法，將浸種處理回干后的種子整齊排列在墊有3層濾紙的培養皿內，置于10℃光照培養箱做發芽試驗。每天定時觀察種子需水情況，并補水至濾紙飽和。每隔24h記錄種子的發芽情況，第14天計算脅迫發芽勢；第20天計算脅迫發芽率，并測量苗高、根長、根數、苗干重以及根干重。

1.3 結果記載與數據處理各結果記載與數據處理方法如下。

脅迫發芽勢（%）=在脅迫發芽試驗第14天，發芽種子百分數；脅迫發芽率（%）=在脅迫發芽試驗第20天，發芽種子百分數；苗高：測量并記錄每一粒發芽種子的苗高，計算平均數；根長：測量并記錄每一粒發芽種子的最長根的根長，計算平均數；根數：計數每一粒發芽種子的根數，計算平均數；苗干重：將同一處理發芽種子的苗沿種子處剪下，裝入紙袋，105℃殺青15min，80℃烘干至恒重，電子天平稱重烘干樣并記錄，計算單根幼苗的平均干重；根干重：將同一處理發芽種子的根沿種子處剪下，裝入紙袋，105℃殺青15min，80℃烘干至恒重，電子天平稱重烘干樣并記錄，計算每粒種子單條根的平均干重。

2 結果與分析

2.1 低溫下不同濃度硫酸銅溶液對種子發芽勢和發芽率的影響發芽勢、發芽率體現種子發芽力的強弱，是種子質量優劣的主要評價指標，種子自身因素和外界條件均對種子發芽力有較大影響[9]。

由表1可知，在低溫脅迫處理下，5個玉米雜交種的發芽勢和發芽率均隨硫酸銅溶液濃度的升高呈先升后降的趨勢，表明硫酸銅溶液對玉米種子萌發在一定范圍內起促進作用，超過這一范圍則起抑制作用，并且Cu2+的濃度越高，其抑制作用越強。與對照相比，在低溫脅迫下，硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時對發芽勢和發芽率的促進作用最明顯，低溫對玉米萌發造成的抑制作用明顯減弱，5個品種的發芽勢和發芽率都達到最高，發芽率最高的可以達到99%；濃度升高到0.8mg/L時，促進作用變弱，各雜交種的發芽勢、發芽率除德玉四號外均較對照略有提高或與之持平，說明此時Cu2+對玉米的萌發仍有一定的促進作用；濃度達到1.2mg/L時轉為抑制作用，發芽勢和發芽率與對照相比都有明顯下降，說明抑制作用增強，濃度越高，抑制作用越強，濃度為2.0mg/L時抑制作用達到最強。

由表1發芽率指標可以看出，登海1302的萌發狀況最好，各處理的發芽率基本在60%以上，Cu2+對登海315和農星207在發芽率上的促進作用表現最明顯，在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，這2個品種的發芽率均不低于95.0%，農星207高達99.0%，與對照相比，這2個品種發芽率提高幅度最大，分別為35.71%和29.41%；硫酸銅溶液濃度達到2.0mg/L時，Cu2+對德玉四號發芽率表現出的抑制作用最明顯，發芽率僅為39.0%。通過對硫酸銅溶液處理后雜交種發芽率比較，可以看出不同基因型的玉米雜交種對Cu2+的萌發促進作用的敏感性不同。

表1 低溫下不同濃度硫酸銅溶液處理種子的發芽勢和發芽率

綜上所述，雖然在低溫脅迫的條件下，Cu2+對這5個玉米雜交種萌發的影響略有不同，但整體趨勢都是相同的，即Cu2+對玉米種子發芽勢、發芽率的影響均表現為濃度低時具有較明顯的促進作用，濃度變高超過一定范圍后就會產生抑制作用，并且Cu2+對萌發情況的促進作用最強時的濃度均為0.4mg/L。

2.2 低溫下不同濃度硫酸銅溶液對玉米雜交種苗高的影響由表2可知，低溫脅迫20d后，硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時苗高最高，濃度達1.2mg/L后，苗高與對照持平或開始下降，且濃度越高苗越矮。因此，硫酸銅溶液浸種處理與水處理（CK）相比，Cu2+對低溫處理下玉米苗高的影響總體表現為低濃度的促進作用和高濃度的抑制作用，具體表現為在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，Cu2+對玉米雜交種苗高具有促進作用，并且此濃度下的促進作用最強；在濃度為0.8mg/L時促進作用變弱；當濃度為1.2mg/L時轉變為抑制作用，而當濃度達到2.0mg/L時，抑制作用最強。同一雜交種在不同濃度硫酸銅溶液處理后，0.4mg/L濃度處理下的苗高有明顯的優勢。

表2 低溫下不同濃度硫酸銅溶液處理種子的苗高

在同濃度硫酸銅溶液處理下，5個玉米雜交種中登海506苗高最高，對照與濃度為0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L硫酸銅溶液處理后的苗高均高于2.0cm，即使達到2.0mg/L高抑制濃度時，苗高也維持在1.5cm。在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，對登海1302的苗高促進作用表現最明顯，比對照增長0.9cm，增幅達56.25%；對登海506的促進作用表現最弱，只比對照增長0.2cm，增幅僅8.70%。可見，不同基因型玉米雜交種對Cu2+的幼苗促進作用的敏感程度不同。

2.3 低溫下不同濃度硫酸銅溶液對種子根部性狀的影響研究表明，玉米根尖細胞的原生質體會因為微量元素銅的大量存在而遭到破壞，過量的銅會令細胞膜的強度逐漸降低，導致Cu2+能夠滲入細胞從而產生毒害作用，進而影響到各種細胞器的結構和功能[10]。通過試驗可以看出，低濃度的Cu2+不會對玉米的根系產生毒害作用，反而會產生一定的促進作用。

由表3可知，在20d的低溫脅迫處理下，玉米雜交種的根長隨硫酸銅溶液濃度的升高呈先升后降的趨勢，濃度在0.4mg/L以下時呈上升趨勢，濃度高于0.4mg/L時呈下降趨勢。在低溫環境的脅迫下，各玉米雜交種的根數都比較少，與水處理（CK）相比，僅在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，玉米雜交種的根數保持不變或略有增加，其他濃度硫酸銅溶液處理后，大部分雜交種的根數都有不同程度的減少。不同處理間根數變化不明顯，可能是因為根數主要受遺傳因素控制，或是對低溫過度敏感的原因。

表3 低溫下不同濃度硫酸銅溶液處理種子的根長和根數

相同濃度的硫酸銅溶液處理下，5個雜交種中登海506的根部長勢最好，各處理根長均≥2.4cm，根數僅在硫酸銅溶液濃度為2.0mg/L時為1條，其余處理均≥2條。在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，登海506的根長最長。5個雜交種均在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時根長達最高，隨硫酸銅溶液濃度升高根長下降，不同材料略有差別。可見不同基因型玉米雜交種根的生長發育對Cu2+的促進作用敏感程度不同。

2.4 低溫下不同濃度硫酸銅溶液對萌發種子干物質積累的影響由表4可知，低溫脅迫下，用不同濃度的硫酸銅溶液處理后，苗干重和根干重隨硫酸銅溶液濃度的增加呈先升后降的趨勢，即都表現為低濃度時具有促進作用，高濃度時具有抑制作用，并且在其濃度為0.4mg/L時達最高值。濃度為0.4mg/L的硫酸銅溶液對5個玉米雜交種苗干重和根干重的促進作用最強，其中登海506的苗干重和根干重均最大，分別達0.013g和0.015g。

表4 低溫下不同濃度硫酸銅溶液處理種子的苗干重和根干重

3 結論與討論

在植物的整個生命周期當中，種子的萌發是一個十分重要的階段，是生理代謝最為旺盛的階段，在這個敏感時期，最容易受到外界環境脅迫的刺激。溫度是作物能否正常生長發育的決定因素，在種子萌發期，低溫會影響作物種子萌發初期能量與物質代謝，增加膜透性，降低種子發芽勢和發芽率等，對植物生長發育影響極大。銅是植物所必需的一種微量元素，它能夠參與酶的代謝調節，對生長素的合成、作物的生長發育、種子的萌發有十分重要的影響[11]。本試驗表明銅對玉米種子活力的影響表現為低濃度時起促進作用，當濃度增加到一定值后，則會產生抑制作用，并且隨著濃度的逐漸增加抑制作用增強。