張珂，高楠，張凌基，劉可欣，厲萌萌，王凱，馬闖，張宏忠

1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院,河南 鄭州 450001；2.環(huán)境污染治理與生態(tài)修復(fù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450001;3.森特士興集團股份有限公司,北京 100176

0 引言

土壤中重金屬(非必需植物元素)的持續(xù)積累已成為農(nóng)作物生長及品質(zhì)保障的重要安全隱患，其中，鎘(Cd)作為世界各地農(nóng)業(yè)土壤的嚴重威脅逐漸成為研究熱點[1-4]。Cd通常存在于鋅礦中，并在前20種有毒金屬中排名第7，1993年被國際腫瘤研究協(xié)會(IRPAC)列為第一類致癌物[5-6]。2014年4月，環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[7]顯示，全國土壤總點位超標率為16.1%，其中重金屬Cd的點位超標率高達7%，為污染物超標排名之首。土壤中Cd的主要來源是農(nóng)業(yè)施用磷肥、污水污泥排放、工業(yè)大氣沉積等[8]。Cd以非必需的形式在土壤中存在且易于溶解和移動，一方面會使土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變；另一方面，即使低濃度的Cd也會很快被農(nóng)作物吸收攝取并在其不同部位轉(zhuǎn)運積累，影響農(nóng)作物體內(nèi)自由基和活性氧的產(chǎn)生，破壞活性氧平衡進而抑制自身生長，并對其產(chǎn)生危害[9-13]。Cd對農(nóng)作物產(chǎn)生毒性危害的關(guān)鍵步驟在于農(nóng)作物根部吸收并向地上部分轉(zhuǎn)移，進而影響作物的形態(tài)及生理生化特征，最常見的形態(tài)學(xué)癥狀包括根和芽生長發(fā)育不良、正常生物量積累減少及葉片褪色，最終導(dǎo)致作物死亡[14-16]。被農(nóng)作物吸收的Cd通過食物鏈富集，也會對人類健康構(gòu)成潛在威脅[17-18]。

植物種子的萌發(fā)期是植物生命活動最強烈的時期，種子發(fā)芽在某種程度上直接影響作物的生長發(fā)育[19]。有研究報道[20]，作為占全球作物種植面積1/4的小麥，其產(chǎn)量會直接影響全球經(jīng)濟。在Cd污染日益嚴重的情況下，研究其對小麥種子在萌發(fā)階段的影響非常重要。高汝勇[21]認為，Cd脅迫質(zhì)量濃度在80 mg/L時可顯著抑制小麥種子的發(fā)芽率，且隨Cd脅迫質(zhì)量濃度增大，小麥種子發(fā)芽率呈降低趨勢；曹丹等[22]認為，Cd脅迫質(zhì)量濃度在40 mg/L時，對徐麥33抑制最強；張珂等[23]研究表明,Cd脅迫質(zhì)量濃度在20 mg/L和50 mg/L時對小麥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)促進作用最大。目前，Cd脅迫對小麥種子萌發(fā)及生長特性的研究主要集中在對單一品種的研究，而對小麥種子萌發(fā)期耐Cd性綜合評價的報道較少?；诖?，本研究擬以4個不同品種小麥種子為實驗材料，研究重金屬Cd在不同脅迫質(zhì)量濃度下對不同品種小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，并通過隸屬函數(shù)法對具有高耐Cd性的小麥品種進行評價，以期為培育高質(zhì)高產(chǎn)小麥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

用CdCl2(分析純，上海阿拉丁公司產(chǎn))配制質(zhì)量濃度分別為0 mg/L(去離子水對照)、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L的Cd溶液。供試小麥購買于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，分別為鄭麥1354、周麥27、周麥30、鄭麥9023。

1.2 實驗設(shè)計

挑選大小一致、健康、籽粒飽滿的小麥種子，用體積分數(shù)為2%的H2O2溶液浸泡30 min后，用去離子水反復(fù)沖洗 3～5遍[24]。為直接了解Cd對小麥種子萌發(fā)與吸漲過程的影響，將小麥種子放入去離子水中浸種6 h，再將其擺放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)內(nèi)，每皿擺放10粒。分別向培養(yǎng)皿中加入3.5 mL不同質(zhì)量濃度的Cd溶液，每個處理重復(fù)3次，共84個培養(yǎng)皿。將培養(yǎng)皿置于25 ℃、40%相對濕度恒溫培養(yǎng)箱中,于黑暗條件下培養(yǎng)7 d。培養(yǎng)過程中，每天記錄小麥種子萌發(fā)情況(胚芽達到種子長度的一半)，于第3 d統(tǒng)計發(fā)芽勢，第7 d統(tǒng)計發(fā)芽率,并用游標卡尺測定根長和芽長。培養(yǎng)過程中補充的Cd溶液根據(jù)預(yù)實驗階段結(jié)果確定，大致為：在未加濾紙和種子的情況下，向培養(yǎng)皿中加入去離子水，蓋上蓋，在與處理組實驗條件相同的情況下，每隔12 h測定培養(yǎng)皿中剩余水的體積，間接計算出每d蒸發(fā)的水分量，約1.0～1.4 mL。

1.3 測定方法

用下列各式計算相關(guān)指標。

發(fā)芽勢(GV)=3 d內(nèi)供試萌發(fā)種子數(shù)/

供試種子總數(shù)×100%

①

發(fā)芽率(GR)=7 d內(nèi)供試萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%

②

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(第n天的萌發(fā)數(shù)/

對應(yīng)的發(fā)芽天數(shù))

③

活力指數(shù)(VI)=發(fā)芽指數(shù)×胚芽長度

④

1.4 耐Cd性綜合評價

應(yīng)用隸屬函數(shù)法對4個品種小麥種子的萌發(fā)期耐Cd性進行綜合評價。首先計算小麥種子的相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對根長和相對芽長。利用隸屬函數(shù)公式計算出以上指標在不同Cd質(zhì)量濃度下的具體隸屬函數(shù)值，并對不同Cd質(zhì)量濃度下該指標的隸屬函數(shù)值求平均值，最后再把每個品種各項指標的隸屬函數(shù)值求平均值，根據(jù)最終隸屬函數(shù)值大小確定小麥種子萌發(fā)期耐Cd毒性強弱，平均值越大，耐Cd性越強[17]。計算公式如下：

相對發(fā)芽勢=鎘處理發(fā)芽勢/

對照發(fā)芽勢×100%

⑤

相對發(fā)芽率=鎘處理發(fā)芽率/

相應(yīng)對照發(fā)芽率×100%

⑥

相對發(fā)芽指數(shù)=鎘處理發(fā)芽指數(shù)/

對照發(fā)芽指數(shù)×100%

⑦

相對活力指數(shù)=鎘處理活力指數(shù)/

對照活力指數(shù)×100%

⑧

相對根長=鎘處理根長/對照根長×100%

⑨

相對芽長=鎘處理芽長/對照芽長×100%

⑩

第j個指標的隸屬函數(shù)公式為：

其中，X為某Cd質(zhì)量濃度下供試小麥種子第j個指標的測定值，Xmax和Xmin分別為相應(yīng)指標的最大值和最小值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS16.0軟件進行單因素ANOVA分析，數(shù)據(jù)以(平均值±標準差)表示。不同品種小麥的各指標采用SPSS16.0軟件進行雙變量相關(guān)性分析，其中相關(guān)系數(shù)為皮爾遜相關(guān)系數(shù)，顯著性檢驗為雙尾檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響分析

種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率等指標是衡量種子發(fā)芽能力的重要參數(shù)[25-26]。有研究表明[27-29]，重金屬Cd脅迫對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長具有“低濃度促進、高濃度抑制”的影響，主要原因是種子在受到Cd脅迫后，一方面會產(chǎn)生反饋效應(yīng)，表現(xiàn)為種子的新陳代謝能力增強；另一方面,Cd脅迫刺激相關(guān)酶的活性進而促使根尖細胞分裂，作為補償性生長，在低濃度Cd脅迫時會促進種子萌發(fā)，但脅迫質(zhì)量濃度過高則對種子產(chǎn)生毒害作用，進而抑制種子萌發(fā)[30-31]。不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率的影響見表1和表2。

由表1可見，與對照組相比，Cd脅迫質(zhì)量濃度為5～100 mg/L增加了鄭麥1354的發(fā)芽勢，且Cd脅迫質(zhì)量濃度為5 mg/L和50 mg/L時達到最高(93%)；周麥27的發(fā)芽勢在Cd脅迫下均高于對照組，但隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，且在Cd脅迫質(zhì)量濃度為20 mg/L時發(fā)芽勢達到最高(77%)；與對照組相比，周麥30和鄭麥9023的發(fā)芽勢在5～20 mg/L的Cd脅迫質(zhì)量濃度下表現(xiàn)出減小的趨勢，周麥30的發(fā)芽勢在Cd脅迫質(zhì)量濃度為5 mg/L時顯著降低(P<0.05)，但隨著Cd脅迫質(zhì)量濃度的升高，周麥30和鄭麥9023的發(fā)芽勢均在Cd脅迫質(zhì)量濃度為50 mg/L時達到最高，分別為47%和77%。此外，當(dāng)Cd脅迫質(zhì)量濃度升高至200 mg/L時，周麥30的發(fā)芽勢顯著降低(P<0.05)，而鄭麥9023的發(fā)芽勢在100 mg/L和200 mg/L時均顯著降低(P<0.05)。

表1 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥種子發(fā)芽勢的影響Table 1 Effects of different Cd concentrations on the seed germination potential of different types of wheat %

由表2可見，鄭麥1354的發(fā)芽率在不同Cd脅迫質(zhì)量濃度下均高于對照組，且在Cd脅迫質(zhì)量濃度為5 mg/L、50 mg/L和100 mg/L時達到最大(97%)；周麥27的發(fā)芽率隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的特征，且在Cd脅迫質(zhì)量濃度為20 mg/L時發(fā)芽率達到最高(100%)；Cd脅迫質(zhì)量濃度為20 mg/L時對周麥30發(fā)芽率的促進作用最明顯(93%)；Cd脅迫質(zhì)量濃度為50 mg/L時，鄭麥9023的發(fā)芽率達到最高(97%)。

表2 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥種子發(fā)芽率的影響Table 2 Effects of different Cd concentrations on the seed germination percentage of different types of wheat %

2.2 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)是檢驗種子質(zhì)量的重要指標，而活力指數(shù)能夠反映種子的品質(zhì)[32-33]。不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響見表3和表4。由表3可知，與對照組相比，鄭麥1354和周麥27的發(fā)芽指數(shù)在不同Cd脅迫質(zhì)量濃度下差異不顯著(P>0.05)，但隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，鄭麥1354和周麥27的發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且在Cd脅迫質(zhì)量濃度為5～100 mg/L時均高于對照組。在Cd脅迫質(zhì)量濃度為50 mg/L時，鄭麥1354的發(fā)芽指數(shù)最大，為16.29；在Cd脅迫質(zhì)量濃度為10 mg/L時，周麥27的發(fā)芽指數(shù)最大，為12.76。周麥30和鄭麥9023在Cd脅迫質(zhì)量濃度為5～20 mg/L時，發(fā)芽指數(shù)均低于對照組，這與其發(fā)芽勢的變化規(guī)律一致。周麥30和鄭麥9023的發(fā)芽指數(shù)分別在Cd脅迫質(zhì)量濃度為100 mg/L和50 mg/L時達到最高。

表3 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥種子發(fā)芽指數(shù)的影響Table 3 Effects of different Cd concentrations on the seed germination index of different types of wheat

由表4可知，不同品種小麥種子的活力指數(shù)在不同Cd脅迫質(zhì)量濃度下均差異顯著(P<0.01)。鄭麥1354和周麥27的活力指數(shù)隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加先增加后降低，且分別在Cd脅迫質(zhì)量濃度為5 mg/L和10 mg/L時達到最大，分別為49.54和51.24。與對照組相比，周麥30和鄭麥9023的活力指數(shù)在Cd脅迫下均顯著降低(P<0.01)。這一方面表明不同品種小麥種子對不同Cd脅迫質(zhì)量濃度的響應(yīng)不同，另一方面表明周麥30和鄭麥9023具有較差的耐Cd性，可見在對Cd污染程度不同的土壤進行耕作時選擇小麥種子的必要性。

表4 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥種子活力指數(shù)的影響Table 4 Effects of different Cd concentrations on the seed vigor index of different types of wheat

2.3 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥幼苗生長的影響

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，Cd在植物體內(nèi)也多積累于根部[34]。研究發(fā)現(xiàn)，重金屬離子可固定于植物根細胞壁中的交換位點，進而對細胞內(nèi)染色體及核仁進行破壞，且隨著重金屬離子固定量的增加，破壞程度也增加，直至抑制植物根系的生長[35-36]。在本研究中，不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對小麥幼苗生長的影響如圖1—3所示。可見，由圖1—3隨著Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，鄭麥1354和周麥27的根長均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，說明低質(zhì)量濃度Cd脅迫可能導(dǎo)致植物代謝失衡、刺激小麥根尖分裂進而促進種子根系的補償性生長，而高質(zhì)量濃度的Cd極易導(dǎo)致作物產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)，危害其生長發(fā)育。Cd脅迫質(zhì)量濃度為5 mg/L時鄭麥1354的根長最長(6.03 cm)，Cd脅迫質(zhì)量濃度為10 mg/L時周麥27的根長最長(5.38 cm)。與對照組相比，周麥30和鄭麥9023的根長隨著Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢和不同程度的抑制作用，分別在Cd脅迫質(zhì)量濃度大于20 mg/L和50 mg/L時，根長受到顯著抑制(P<0.05)。這與魚小軍等[37]的研究結(jié)果一致。

圖1 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對不同品種的小麥幼苗生長的影響Fig.1 Effects of different Cd concentrations on seedling growth of different types of wheat

圖2 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對不同品種小麥種子根長的影響Fig.2 Effects of different Cd concentrations on the seed root length of different types of wheat

芽長是鑒定幼苗抗逆性的重要指標。白哲等[38]研究發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)量濃度Cd脅迫對芽長的影響尚未知，但高質(zhì)量濃度Cd脅迫可誘發(fā)高活性氧自由基導(dǎo)致過氧化現(xiàn)象，從而對芽的生長具有抑制作用。在本研究中，不同品種小麥在Cd脅迫作用下芽長變化趨勢與根長變化趨勢基本一致(見圖3)。鄭麥1354在Cd脅迫質(zhì)量濃度為5 mg/L時芽長達到最長(3.15 cm)，周麥27的芽長隨Cd脅迫質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)“低促高抑”的趨勢，且在Cd脅迫質(zhì)量濃度為10 mg/L時促進作用最大(3.94 cm)。與對照組相比，周麥30和鄭麥9023芽長在Cd脅迫下表現(xiàn)出不同程度的抑制作用，其中Cd脅迫質(zhì)量濃度大于50 mg/L時，周麥30和鄭麥9023的芽長均受到顯著抑制(P<0.05)。這說明不同品種小麥種子對不同Cd脅迫質(zhì)量濃度的耐受能力不同。

圖3 不同Cd脅迫質(zhì)量濃度對不同品種小麥種子芽長的影響Fig.3 Effect of different Cd concentrations on the shoot length of different types of wheat

2.4 不同品種小麥種子耐Cd性綜合評價結(jié)果

在小麥種子萌發(fā)期，以不同指標評價其在Cd脅迫下的耐受能力時，由于小麥種子萌發(fā)及生長特征對Cd脅迫的響應(yīng)不完全一致，僅用單一指標難以全面準確地反映其耐Cd性的強弱。劉大林等[39]研究發(fā)現(xiàn)，不同指標評價不同植物在重金屬脅迫下的耐受結(jié)果不完全一致?；诖耍狙芯渴紫葘λ鶞y定的小麥種子在萌發(fā)期的不同指標與Cd脅迫質(zhì)量濃度進行皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。由表5可見，所有指標的皮爾遜相關(guān)性均達到顯著水平。再對相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對根長和相對芽長進行隸屬函數(shù)值的計算，結(jié)果如表6所示。由表6可見，各個品種小麥種子的平均隸屬函數(shù)值大小順序為周麥27>鄭麥1354>鄭麥9023>周麥30；周麥27的平均隸屬函數(shù)值最大，為0.55，說明其耐Cd性最強。由于小麥萌發(fā)后的生長狀況對于耐鎘品種的優(yōu)選非常重要，因此，采用相對根長和相對芽長這兩項指標進行平均隸屬函數(shù)值的計算，所得結(jié)果的大小順序同前，周麥27的平均隸屬函數(shù)值以0.53位居第一，這與表5中皮爾遜相關(guān)性達顯著水平的所有指標結(jié)果一致，均為周麥27耐Cd性最強。

表5 小麥種子萌發(fā)指標與Cd質(zhì)量濃度之間的皮爾遜相關(guān)性影響Table 5 Pearson correlation between t indexes of different kinds of wheat seed and Cd concentration

表6 小麥種子萌發(fā)指標對Cd的耐性隸屬函數(shù)值Table 6 Membership function value of Cd tolerance of different types of wheat

3 結(jié)論

本文以鄭麥1354、周麥27、周麥30、鄭麥9023為研究對象，研究了不同質(zhì)量濃度Cd對不同品種小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，結(jié)論如下：鄭麥1354的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨著Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢;Cd脅迫質(zhì)量濃度為5 mg/L時對芽長和根長的促進作用最明顯，分別為3.15 cm和6.03 cm，體現(xiàn)了低質(zhì)量濃度Cd脅迫能提高種子的新陳代謝活動以促進種子的生長。周麥27的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加均表現(xiàn)出“低促高抑”的變化趨勢，且均在Cd脅迫質(zhì)量濃度為20 mg/L時發(fā)芽勢和發(fā)芽率促進最大，表明低質(zhì)量濃度Cd脅迫會促進種子萌發(fā)，高質(zhì)量濃度的Cd脅迫會對種子產(chǎn)生毒害作用進而抑制種子萌發(fā)。周麥30和鄭麥9023的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均在5～20 mg/L質(zhì)量濃度的Cd脅迫下表現(xiàn)出減小的趨勢，與對照組相比，這兩個品種的芽長和根長在不同質(zhì)量濃度的Cd脅迫下均低于對照組。對4種小麥種子進行皮爾遜相關(guān)性分析，所測定的所有指標均達到顯著水平；隸屬函數(shù)值的計算結(jié)果顯示，周麥27的耐Cd性最強，且具備高發(fā)芽率，可作為修復(fù)重金屬Cd污染土壤的小麥推薦品種。