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铬胁迫下小麦DH群体幼苗发育性状研究

2012-10-10赵海燕冯永军田纪春董肖昌石浩朋邓晓梅

湖南农业科学 2012年3期
关键词:根长抑制率根系

赵海燕,冯永军,田纪春,董肖昌,石浩朋,邓晓梅

(山东农业大学资源与环境学院,山东 泰安 271018)

铬(Cr)是一种毒性较大的致畸、致突变剂。工矿企业大量使用铬化合物,其排出的“三废”致使土壤、水体和生物遭到不同程度的污染。土壤中的重金属铬污染,不仅使土壤肥力退化,降低作物产量与质量,而且恶化水环境,并通过食物链在人和生物体内富集,严重威胁着人类的生命和健康[1]。小麦是世界范围内种植面积最大、总产量最高的粮食作物,也是我国主要粮食作物。土壤中过量的Cr,尤其是Cr6+在小麦体内富集,造成作物产量和品质的大幅下降[2]。小麦幼苗时期的发育性况直接影响作物以后的生长和产量,因此,研究小麦幼苗受重金属铬污染的影响显得尤为重要[3]。

目前,已有很多关于铬对作物毒害效应的研究,但对单一的小麦品种进行重金属胁迫研究较少,尚无利用小麦某一遗传群体进行研究的报道。DH群体亦即加倍单倍体(Doubled haploid),群体中的每一个系都是完全同质纯合的,具备遗传一致的后代。同一群体可以满足不同时间、地点的研究需要,适于进行重复试验,有效减少环境误差,提高试验分析的准确性,数据可以共享并不断积累,特别适于数量性状研究和抗性分析[4]。试验以小麦品种花培3号和豫麦57杂交F1经染色体加倍获得的DH群体168个株系为材料,研究Cr6+胁迫下小麦的幼苗生长发育情况,分析幼苗株高、叶龄、根长及根长抑制指数、生物量等指标,评价Cr6+对小麦的生态毒性效应,旨在初步探索小麦对土壤重金属Cr的耐受性,为今后为寻找耐Cr品种,实现小麦的安全生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

水培试验在山东农业大学国家作物生物学重点实验室控温控湿温室进行,小麦幼苗相关性状的测定在国家小麦改良中心泰安分中心和农业部小麦栽培生理与遗传改良重点开放实验室进行。

1.2 试验材料

高产、多抗的花培3号和综合性状优良豫麦57杂交F1通过花药培养,经染色体加倍获得168个双单倍体(DH)系。花培3号和豫麦57分别于2006年和2004年通过河南省农作物品种审定委员会和国家审定,花培3号茎秆粗壮,豫麦57抗旱性好。

Hoagland 营养液:1mmol/LCa(NO3)2·4H2O,0.2 mmol/L KH2PO4,0.5 mmol/L MgSO4·7H2O,1.5 mmol/L KCl,1.5 mmol/L CaCl2,1×10-3mmol/L H3BO3,5×10-5mmol/L (NH4)6Mo7O24·4H2O,5×10-4mmol/L CuSO4·5H2O,1×10-3mmol/L ZnSO4·7H2O,1×10-3mmol/L MnSO4·H2O,0.1 mmol/L Fe(Ⅲ)EDTA,营养液pH值为6.0[5]。

1.3 试验设计

试验选取DH群体168个家系及亲本各30粒饱满均一种子,经3%的双氧水表面消毒30 min,蒸馏水洗净,25℃培养皿滤纸上萌发,去离子水培养至1叶一心,挑取整齐一致的幼苗植于穿孔直径为3 cm、带有128穴的育苗盘中,用消过毒的海绵固定幼苗,全营养Hoagland营养液条件下培养2 d后进行Cr6+胁迫处理[6]。Cr(K2Cr2O7)溶液处理方式分0(对照)、40、120 mg/L Cr6+3组。培养盆外围全用黑漆粉刷,以保持根系的黑暗生长环境。试验设3次重复。

处理4周后收获样品,蒸馏水冲洗,用剪刀把幼苗茎、根在分节处分开,测定幼苗性状。

1.4 测定项目及方法

测定项目包括:茎叶鲜重、株高、叶片数(叶龄)、茎叶干重、主根长度、根鲜重、根干重。

千分位电子天平称量茎叶鲜重,50 cm直尺量取株高,并记录叶片数。用吸水纸吸干根系表面水分,再用千分位电子天平称量根鲜重。分别将新鲜根和叶在100℃烘箱杀青15 min,80℃烘干至衡重,称量根、叶干重。用WinRHIZO根系分析系统分别测定单株的主根长度,并计算出根长抑制率[7]。根长抑制率(%)=(对照样品根长-处理样品根长)/对照样品根长×100%。

试验数据均为3次重复的平均值。

1.5 数据分析

采用Excel2007和SPSS 17.0软件进行统计分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 Cr6+胁迫下小麦幼苗各性状表型分析

在试验过程中发现不同浓度Cr6+处理对小麦幼苗的生长发育有显著影响,且随浓度的增大,抑制作用表现愈加明显。高浓度Cr6+的抑制作用表现为根、茎明显变短,幼苗失去向上生长趋势,根系萎缩腐烂,甚至不形成根[8]。同时发现Cr6+对小麦幼苗根生长的抑制作用较之地上部更为明显(见表1)。

由表1可看出:亲本花培3号和豫麦57之间各性状表现出一定的差异,DH群体168个株系各性状均表现超亲分离,除叶片数外,群体中其他性状偏度值与峰度值的绝对值都小于1.0,符合正态分布。随着Cr6+处理浓度的升高,DH群体发育性状表型值均有不同程度的降低,其中生物量的积累变化最为显著,120 mg/L Cr6+胁迫下茎叶鲜重和根鲜重分别降低了88.18%和80.21%,而干重分别降低了70.36%和64.81%,可见Cr6+胁迫下幼苗有机物的积累受到了很大抑制,根、茎叶鲜重降低幅度明显大于干重。主根长度变化明显,表现为根长缩短,主根增粗,不形成侧根及根毛。根据根长抑制率公式计算出两种处理下,根长抑制率分别为37.96%、41.68%。

经SPSS软件分析,可以得出DH群体168个株系各性状差异。差异较为显著的如茎叶鲜重在无Cr6+胁迫时,集中分布在0.2~0.5 g之间,频率最高分布在0.3~0.33 g;40 mg/L Cr6+时,集中分布在0.055~0.08 g,频率最高分布在0.065~0.07 g;120 mg/L Cr6+,茎叶鲜重集中分布在0.035~0.05 g,频率最高分布在0.042 5~0.045。可见,随着Cr6+浓度的升高,茎叶鲜重逐渐降低。无Cr6+胁迫时,叶片数在集中分布在3.5~4.2,频率最高分布在3.9~4.2;40 mg/L Cr6+时,集中分布在1.9~2.3,频率最高分布在1.9~2.0;120 mg/L Cr6+,集中分布在 1.9~2.2,频率最高分布在2.0~2.06。当浓度升到40 mg/L时,叶片数急剧下降,浓度再升高时,叶片数变化较小。主根长度在无Cr6+胁迫时,集中分布在20.0~25.0 cm,频率最高分布在22.5~23.75 cm;40 mg/L Cr6+时,集中分布在12.5~16.0 cm,频率最高分布在14.0~15.0 cm;120 mg/L Cr6+,集中分布在12.0~14.0 cm,频率最高分布在13.0~13.5 cm。浓度越高,主根越短。上述分析可以看出Cr6+胁迫下小麦DH群体各性状株系间存在着很大的差异性,达到了0.01极显著水平。说明Cr6+对小麦的生长抑制存在明显的株系差异,同一Cr6+处理水平下,各小麦株系受伤害程度也不同,可能存在耐Cr品种,这一发现可为日后进行耐Cr育种研究提供依据。

表1 亲本及DH群体发育性状

2.2 Cr6+胁迫下小麦幼苗发育性状方差分析

方差分析表明,在Cr6+胁迫下各处理小麦幼苗的生物量、株高、叶片数、主根长度差异显著。其中,受Cr6+胁迫影响最大的是小麦根长,F=68.543,根长抑制率显著;受Cr6+胁迫影响最小的是叶片数,F=8.437,说明Cr6+胁迫对小麦叶龄影响较小。从这一结果看,用小麦根长作为Cr6+胁迫评价指标,更能显著反映小麦受重金属胁迫的生理效应。因此,以根长受抑制程度对Cr6+胁迫浓度求得线性回归方程为y=8.860 8 x2-110.851 6 x+330.625 1。对于铬迫下小麦幼苗的半致死浓度和极限浓度分别为125.38 mg/L和280.36 mg/L。

3 结论与讨论

重金属毒害,抑制幼苗生长,降低植株鲜物质和干物质量,并且随着处理浓度增加最终导致幼苗死亡。随着重金属浓度的增加和胁迫时间的延长,表现对幼苗的毒害作用越明显,这种生态毒害效应已在多种农作物及蔬菜中报道[9-12]。Cr6+对小麦幼苗和根系生长的抑制作用与环境中的Cr6+含量和植物体对Cr6+的吸收及其在不同器官中的分配积累有关。植物体内Cr6+的含量随环境中Cr6+浓度的增高而增加,而Cr6+在小麦体内不同器官的积累规律是根>茎叶>果实[13]。在水培条件下,Cr6+在植物体内积累更为严重,溶液中的Cr6+被根系吸收后,首先在根部积累,阻碍根系生长,然后转移到其它器官。可见器官中Cr6+含量愈高,对生长的抑制作用愈大,说明环境中Cr6+浓度高低及植物体内不同器官的含Cr量和幼苗生长之间存在一定的相关性。另外,由于根系生长严重受抑,势必影响到对水分和营养物质的吸收,体内正常生理过程受到干扰,地上部分的生长也必然受到抑制[14]。具体研究结果如下:

(1)随着Cr6+处理浓度的增加,小麦幼苗生物量、株高、叶龄及根长均有不同程度的降低,其中生物量的积累变化最为显著,且根、茎叶鲜重降低幅度明显大于干重,Cr6+对小麦幼苗根生长的抑制作用较之地上部也更为明显。高浓度的Cr6+胁迫对小麦幼苗产生极大的毒害作用,地上部表现在小麦幼苗失去向上生长趋势,株高矮小、叶片枯黄、顶端卷曲,并伴有枯萎现象,个别株系开始出现死亡征兆;地下部表现在根长明显缩短,主根增粗,不形成侧根及根毛,根系萎缩腐烂。两种处理根长抑制率分别为37.96%、41.68%。

(2)由方差分析可知,小麦幼苗生长受Cr6+胁迫影响的各指标差异均达显著水平,根长抑制率效应显著,以根长受Cr6+胁迫抑制率求得线性回归方程为y=8.860 8 x2-110.851 6 x+330.625 1,并得出Cr6+迫下小麦幼苗的半致死浓度和极限浓度分别为125.38 mg/L和280.36 mg/L。由此可评价某地区土壤受重金属Cr6+污染的程度与小麦种植的适宜性,为提高小麦产量和品质提供依据,同时也应做好环境保护工作,加强对土壤Cr污染防治力度,对已造成污染的土壤进行综合治理,减轻Cr对农作物的影响。

试验只对Cr6+胁迫下小麦DH群体幼苗发育性状进行了研究,今后继续研究不同处理浓度Cr6+胁迫对小麦DH群体的发育影响,选择具有耐性个体,为培育耐Cr小麦品种,以及适宜不同程度的Cr污染土壤提供科学依据。

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