張盼盼，王小林，郭亞寧，邊茂華，薛靈聰，張 雄

(陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)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(qū)作為中國重要的煤炭工業(yè)基地，在煤炭資源的開發(fā)利用過程中，面臨著一系列的礦區(qū)環(huán)境污染問題[1]，如煤矸石長期風化、礦區(qū)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(qū)選擇38個采樣點，研究表明鎘是危害該礦區(qū)土壤最大的重金屬污染物，平均鎘質量分數(shù)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(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和人類生活安全[5]。糜子是陜北地區(qū)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(yǎng)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(fā)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(fā)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(fā)和發(fā)芽指數(shù)影響不顯著，而對活力指數(shù)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(fā)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(fā)期各形態(tài)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(qū)糜子高產(chǎn)優(yōu)質栽培提供理論依據(jù)。

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(nèi)糜1號’‘內(nèi)糜3號’‘內(nèi)糜5號’‘內(nèi)糜6號’‘內(nèi)糜7號’‘內(nèi)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(nóng)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(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)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(shù)次預試驗后，確定200 μmol/L為最終試驗濃度)，于培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)芽，培養(yǎng)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(fā)芽標準，每天對相關指標進行統(tǒng)計。第7天測定芽長、根長、發(fā)芽率、發(fā)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(fā)芽勢和發(fā)芽率調(diào)查3次重復；根干質量和芽干質量測定以每個培養(yǎng)皿中5株植株為1個重復，共調(diào)查3個重復；根長、芽長、芽鞘長測定來自于3個培養(yǎng)皿中的10株取平均值。不同糜子品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)按如下公式計算[10]：

發(fā)芽率=供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢=發(fā)芽高峰期發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

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

活力指數(shù)(VI)=GI×S，公式中GI為發(fā)芽指數(shù)，S為胚芽的長度[12]。

根冠比=根干質量/芽干質量

脅迫指數(shù)(I)=1-處理值/對照值[13]

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 進行數(shù)據(jù)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(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)的影響

由表1可知，在200 μmol/L鎘脅迫下，40個糜子品種發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)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(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的脅迫指數(shù)均為0.01，表明在該脅迫處理下對糜子種子萌發(fā)影響較??；不同糜子品種間的種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)的脅迫指數(shù)存在差異，發(fā)芽勢和發(fā)芽率的脅迫指數(shù)變幅均為-0.07～0.14，發(fā)芽指數(shù)的脅迫指數(shù)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(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)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(fā)效果。除‘隴糜8號’外，其余品種鎘脅迫下的活力指數(shù)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(shù)的平均脅迫指數(shù)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(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)均高于0.80。芽長、芽鞘長的脅迫指數(shù)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(shù)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(shù)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(nèi)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(shù)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(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)三者之間分別呈極顯著正相關，且相關系數(shù)較高，分別是0.96、0.92、0.94?；盍χ笖?shù)與根長、芽長、芽干質量分別呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.53、0.85、0.44；與根干質量呈顯著正相關，相關系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)分別是0.67、0.73。

在鎘脅迫下，發(fā)芽勢與發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)呈極顯著正相關，且相關系數(shù)較高，相關系數(shù)分別為0.96、0.90。發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.87。發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.32?；盍χ笖?shù)與根長、芽長、芽干質量分別呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.64、0.93、0.51；與根干質量呈顯著正相關，相關系數(shù)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(shù)為0.64、0.71、 0.56；與芽干質量呈顯著正相關，相關系數(shù)為 0.32。芽長與芽干質量呈極顯著正相關，相關系數(shù)為 0.49；與根干質量呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.37。芽鞘長與根干質量呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.45，與根冠比呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.33。根干質量與根冠比呈極顯著正相關，相關系數(shù)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(fā)期各性狀指標的脅迫指數(shù)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(nèi)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(nèi)糜1號’‘內(nèi)糜5號’‘寧糜13號’‘赤黍1號’‘晉糜9號’‘寧糜11號’‘雁黍7號’‘內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(fā)芽情況受鎘脅迫影響較小。

3 討 論

植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)能夠反映種子發(fā)芽速度、發(fā)芽整齊度和幼苗健壯的潛力，是評價植物不良環(huán)境能力的重要指標[9,14]。活力指數(shù)是反映農(nóng)作物種子品質的重要參數(shù)[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(fā)，而在200～400 μmol/L時表現(xiàn)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(fā)，而對其他品種種子萌發(fā)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(nèi)營養(yǎng)物質的分解，導致種子萌發(fā)所需的物質和能量不足，最終種子萌發(fā)受阻[17]；200 μmol/L Cd處理對糜子種子萌發(fā)和發(fā)芽指數(shù)的影響小于活力指數(shù)，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)脅迫指數(shù)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(fā)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(shù)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(fā)期耐鎘性。

表4 有無鎘脅迫下不同糜子品種萌發(fā)期不同性狀的相關系數(shù)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(fā)芽指數(shù)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(fā)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(shù)來比較不同品種糜子種子萌發(fā)期耐鎘能力。通過對10項指標脅迫指數(shù)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(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、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(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)受影響較小(平均脅迫指數(shù)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(shù)分別為0.61、0.47、 0.53、0.37)。

不同糜子品種種子萌發(fā)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(nèi)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(qū)鎘污染土壤修復。