化学诱变剂对玉米种子萌发及根尖细胞分裂和染色体的影响

2014-03-19赵锦慧张永亮

周口师范学院学报 2014年5期

赵锦慧，张永亮，周琳

（周口师范学院生命科学与农学学院，河南周口466001）

当今世界，由于大量新的化合物合成，各种各样生活污水和工业废物的随意排放，使得环境污染日益严重［1-3].有关化学诱变剂对水稻、小麦的生理特性及生物学效应等方面的影响报道［4-6]较多，而关于化学诱变剂对玉米种子萌发和生长的影响研究很少.欲了解化学诱变剂对机体的直接及潜在的危害，需要利用真核类的测试系统来推测诱变物质对人类或者其他一些高等生物的遗传危害［7].本研究以玉米为实验材料，以生活污水主要成分洗衣粉和洗洁精及工业污水主要成分之一的重金属镉为化学诱变剂，研究其对玉米种子萌发、幼苗生长、根尖细胞分裂和染色体的影响，并对化学诱变剂影响玉米种子萌发的机制进行初步探讨，旨在为检测化学物质对环境的危害以及对人体和其他高等生物的健康风险提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 材料

玉米种子（郑单958），购于周口市种子公司；洗衣粉、洗洁精、重金属镉等，由周口师范学院生命科学与农学学院提供.

1.2 方法

1.2.1 各种化学诱变剂的配制

用电子天平分别称取一定量的洗衣粉粉剂溶于水中，配成洗衣粉溶液的浓度分别为0.1，0.5，2g／L；同法配成浓度分别为0.1，0.5，2g／L的洗洁精溶液和浓度分别为5，25，100mg／L的重金属镉溶液.

1.2.2 种子处理［8-10]

将玉米种子用清水冲洗后，放入5%的次氯酸钠中消毒1h，消毒结束后用清水浸种24h.将浸泡过的玉米种子分为处理组与对照组，处理组分别用0.1，0.5，2g／L的洗衣粉溶液，0.1，0.5，2g／L的洗洁精溶液和5，25，100mg／L的重金属镉溶液浸种处理24h（置于25℃的培养箱中），对照组用清水浸种处理24h.处理组玉米种子处理结束之后，用清水反复冲洗1h.将处理好的玉米种子整齐排列在铺有4层湿润滤纸的培养皿中，每皿25粒，并做好标记.

1.2.3 各种指标测定

对处理组与对照组玉米种子萌发及生长过程中各种指标进行测定.发芽后第4d测定发芽势，第8d统计发芽率.玉米种子的发芽以胚芽的长度达到与种子的长度相等，而胚根的长度约为种子长度的一半时为标准.第8d计算发芽率的同时测量玉米的芽长和根长，均以10株的平均值表示.根长至1.5cm左右时，取根尖制成临时装片，统计有丝分裂指数和微核率.

发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数测定参考陈绍江等［11]和江明等［12]方法进行；根系活力测定［13]：采用TTC法测定根系活力；有丝分裂指数测定［14]：用处于有丝分裂M期细胞数占其总细胞数百分数表示；微核率测定［15]：每一处理观察3个根尖，每个根尖调查100个细胞，统计其中含有微核的细胞数，求出平均值，即微核百分率.

2 结果与分析

2.1 化学诱变剂对玉米种子发芽特性的影响

各种处理对玉米种子萌发的影响见表1.从表1可知，诱变剂种类与浓度对玉米种子萌发的影响各不相同.在低剂量洗衣粉（0.1g／L）、洗洁精（0.1g／L）和镉（5mg／L）处理下，发芽势较对照组分别升高了8%，0%和12%，而发芽率较对照组分别升高了4%，0%和8%.在高剂量洗衣粉（2 g／L），洗洁精（2g／L）和镉（100mg／L）处理下，发芽势较对照组分别降低了28%，20%和44%，而发芽率较对照组分别降低了24%，16%和36%.

以上数据分析表明，低剂量的化学诱变剂对玉米种子发芽有一定的促进作用，而且对于发芽势促进作用大于对发芽率促进作用.但随着化学诱变剂浓度的增大，玉米种子的发芽势、发芽率呈下降趋势，即玉米种子的萌发受到了抑制，而且对于发芽势的抑制作用要大于对发芽率的抑制作用.所以，玉米种子的发芽势对于化学诱变剂浓度与种类的敏感性要高于发芽率.就化学诱变剂的影响效果来看，3种化学诱变剂对玉米种子萌发影响最大的是镉，其次是洗衣粉，最后是洗洁精.

2.2 化学诱变剂对玉米种子发芽指数和活力指数的影响

各种处理下玉米种子发芽指数和活力指数统计情况见表2.从表2可以看出，诱变剂种类与浓度对玉米种子发芽指数和活力指数的影响各不相同.从发芽指数来看，在低剂量洗衣粉（0.1g／L）、洗洁精（0.1g／L）和镉（5mg／L）处理下，分别较对照组提高了9.3%，0.7%和17.6%.从活力指数来看，在低剂量洗衣粉（0.1g／L）、洗洁精（0.1g／L）和镉（5mg／L）处理下，较对照组分别增加了13.9%，2.1%和30.3%.当诱变剂浓度较高时，玉米种子发芽指数和活力指数明显下降，从发芽指数来看，在高剂量洗衣粉（2g／L）、洗洁精（2g／L）和镉（100mg／L）处理下，分别较对照组降低了44.3%，34.6%和56.1%.从活力指数来看，在高剂量洗衣粉（2g／L）、洗洁精（2g／L）和镉（100mg／L）处理下，较对照组分别降低了70.5%，59.3%和81.6%.

表1 各种处理下玉米种子萌发情况

表2 各种处理下玉米种子发芽指数和活力指数统计情况

通过上述数据分析可知，低剂量的化学诱变剂可以提高玉米种子的发芽指数和活力指数，而且对活力指数的影响要大于对发芽指数的影响.但随着化学诱变剂浓度增大，玉米种子的发芽指数和活力指数呈现出下降的趋势，同样对活力指数的影响要大于对发芽指数的影响.所以，玉米种子的活力指数对化学诱变剂的浓度与种类的敏感性要高于发芽指数.就化学诱变剂的影响效果方面来看，3种化学诱变剂对玉米种子发芽指数和活力指数的影响程度为镉＞洗衣粉＞洗洁精.

2.3 化学诱变剂对玉米幼苗芽、根生长的影响

各种处理下玉米种子芽长和根长统计情况见表3.由表3可知，与对照组比较，在低剂量洗衣粉（0.1g／L）、洗洁精（0.1g／L）和镉（5mg／L）处理下，芽长较对照组分别增长了4.2%，1.4%和11.1%，而根长较对照组分别增加了12.5%，3.3%和25.0%.在高剂量洗衣粉（2g／L）、洗洁精（2g／L）和镉（100mg／L）处理下，芽长较对照组分别减短了45.8%，37.5%和58.3%，而根长较对照组分别减短了43.3%，32.5%和53.3%.在洗衣粉处理下，玉米种子芽长变幅介于＋0.3和-3.3之间；在洗洁精处理下，玉米种子芽长变幅介于＋0.1和-2.7之间；在镉处理下，玉米种子芽长变幅介于＋0.8和-4.2之间.说明玉米种子对化学诱变剂镉的敏感性强于洗衣粉和洗洁精.3种化学诱变剂对根生长的影响效应与芽相似.综上所述，化学诱变剂种类及浓度对玉米种子芽、根生长的刺激效应不同.低浓度化学诱变剂对玉米种子芽和根的生长有一定的促进作用，且对根的促进效应更明显；高浓度化学诱变剂对玉米种子芽和根的生长有一定的抑制作用，且对芽的抑制效应更明显.

2.4 化学诱变剂对玉米根系活力的影响

各种处理下玉米根系活力统计分析结果见表4.从表4可以看出，不同化学诱变剂对玉米根系活力均有不同程度地影响，同种化学诱变剂3个浓度下，玉米根系活力随诱变剂浓度的增大均呈现先升高再降低的变化趋势.即低浓度洗衣粉（0.1g／L）、洗洁精（0.1g／L）和镉（5mg／L）处理后，玉米根系活力较对照组分别增加了5.3%，0.5%和10.3%；中等浓度洗衣粉（0.5g／L）、洗洁精（0.5g／L）和镉（25mg／L）处理后，玉米根系活力被抑制；高浓度洗衣粉（2 g／L）、洗洁精（2g／L）和镉（100mg／L）处理后，抑制效应更明显.3种诱变剂中，镉对根系活力的影响最大，其次是洗衣粉，最后为洗洁精.

2.5 化学诱变剂对玉米根尖细胞微核率和有丝分裂指数的影响

各种处理下玉米根尖细胞微核率和有丝分裂指数统计情况见表5.由表5知，在低剂量洗衣粉（0.1g／L）、洗洁精（0.1g／L）和镉（5mg／L）处理下，微核率较对照组分别升高了1%，0%和2%，有丝分裂指数较对照组分别升高了1%，0%和2%；在高剂量洗衣粉（2g／L）、洗洁精（2g／L）和镉（100mg／L）处理下，微核率较对照组分别升高了8%，5%和12%，有丝分裂指数较对照组分别降低了3%，2%和4%.

表3 各种处理下玉米种子芽长和根长统计情况

表4 各种处理下玉米根系活力统计情况

表5 各种处理下玉米根尖细胞微核率和有丝分裂指数统计情况

上述数据分析表明，3种诱变剂处理下，随着诱变剂浓度的升高，微核率变化呈上升趋势，有丝分裂指数变化基本呈先上升后下降趋势.3种诱变剂中，对玉米根尖细胞微核率和有丝分裂指数影响最大的是镉溶液，其次是洗衣粉溶液，最后是洗洁精溶液.

3 结论与讨论

3.1 化学诱变剂对玉米种子萌发的影响

化学诱变剂对玉米种子萌发时产生的刺激效应不尽一致.低浓度的化学诱变剂能促进玉米种子萌发，提高其发芽势、发芽率、芽长、根长、发芽指数和活力指数.随诱变剂浓度增大，玉米种子萌发受到抑制，浓度越大，抑制程度越强.这与王幼平等［16]研究结果相似.发芽指数和活力指数是反映种子品质好坏的2个重要参数，高剂量的化学诱变剂作用下，玉米种子的发芽指数和活力指数明显下降，表明高浓度的化学诱变剂会严重影响玉米种子的质量，降低玉米种子的生理活性.此外，通过调查处理组与对照组玉米幼苗，发现除低剂量的化学诱变剂处理组外，其他剂量下的处理组长出的幼苗地上部分生长与对照组差异明显.主要表现如下：处理组玉米种子长出的幼苗苗高明显降低，而且其茎基部普遍存在弯曲现象，秧苗不直立.高浓度诱变剂处理下的一些玉米种子甚至地上部只有胚芽鞘伸长，而无真叶出现.这些表现都显示了一定浓度的化学诱变剂对玉米种子萌发产生的毒害作用.

3.2 化学诱变剂对玉米幼苗根系生长状况的影响

本实验结果表明，处理组玉米种子萌发后，根的生长和根系活力除低浓度外均受到抑制，且抑制程度随化学诱变剂浓度升高而增强.在玉米幼苗根系生长受到抑制的诱变剂处理浓度下，根系生长主要表现如下：根长变短，根先端膨大或出现畸形，根不能继续伸长，停止生长，根系活力降低.这些表现都显示了一定浓度的化学诱变剂对玉米种子根系生长产生的毒害作用.

3.3 化学诱变剂对玉米根尖细胞染色体和有丝分裂的影响

本实验结果显示，处理组与对照组相比，微核率明显升高，有丝分裂指数在低浓度化学诱变剂处理时，稍有提高，高浓度化学诱变剂处理时，有丝分裂指数受到抑制.这表明一定浓度的化学诱变剂均会对玉米根尖细胞染色体和有丝分裂指数产生影响.这与郭宝江等［17]以及汪旭等［18]研究结果相似.

微核来源于染色体断片或丢失的整条染色体，微核实验也比较经济、简便、快速，通过微核率的计算，可以快速检测染色体受损程度，从而判断各种化学诱变剂以及其他药剂等对细胞的毒害大小.

3.4 化学诱变剂对玉米种子萌发的影响机理

玉米种子发芽需要一定的温度、水分和氧气，玉米种子的萌发是一个从吸水膨胀到萌动、再到发芽的呼吸代谢过程.本研究结果表明，化学诱变剂在不同浓度和种类的情况下对玉米种子的发芽刺激作用是不同的，化学诱变剂在低浓度时能促进种子的萌发，而在高浓度时产生了抑制效果.究其原因，首先，可能是化学诱变剂在低剂量时能够对吸水之后的玉米种子产生加速其细胞呼吸及新陈代谢作用，种子内部的一些生理生化特性可能发生了微妙变化（例如玉米种子发芽时种子中与呼吸作用有关的关键酶表达受到了影响）.其次，玉米种子萌发和种胚中的一些酶及胚中的营养物质是密切相关的［19].低浓度的化学诱变剂刺激了玉米种子中分解酶对玉米种子中贮藏的营养物质如淀粉的快速分解，然后转运到胚，供胚利用.最后，也可能是吸水后的玉米种子在低浓度化学诱变剂的刺激之下，种皮加速了软化，有利于胚芽和胚根突破种皮［20]，而高浓度化学诱变剂可能对种子产生了明显的毒害作用，致使种子萌发受到抑制［21].

本实验所用的玉米种子用清水浸种1d后，种皮膨胀软化，吸水之后的种子有利于氧气的透入及二氧化碳的排出，其细胞呼吸与新陈代谢作用得到加强.而在高浓度的化学诱变剂中将吸水后的玉米种子浸种处理1d后，高浓度的化学诱变剂有可能干扰了玉米种子的正常呼吸代谢过程和生理生化反应过程，从而抑制了玉米种子的萌发和芽、根的生长.同样在诱变剂的刺激下，根尖细胞也可能产生变化，造成根尖细胞染色体发生异变（产生微核），根尖细胞的有丝分裂过程也受到了影响［22].

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