超声波对镉胁迫鸭茅和冰草种子萌发的影响

2018-07-28，，，，*

草地学报 2018年2期

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(1. 西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌 712001)

土壤重金属污染是当今环境研究的热点问题。镉是生物毒性最强的一个重金属元素，我国约有1.3万公顷的耕地受镉污染[1]。镉在土壤中难降解、移动性大[2]，能够在土壤和生物体内富集，污染土壤和作物，干扰植物正常生理代谢，影响植物的生长、发育[3]、造成作物产量和品质的下降[4]，并且容易通过食物链的富集作用危及人类的健康，对人体具有致病、致癌、致突变作用[5]。由于多数牧草具有分蘖力强，可以通过反复刈割来降低土壤中重金属的含量,因而牧草对重金属污染的土壤具有一定的修复作用，近年来，国内外至少有数十种牧草开始用于重金属污染土壤的修复上[6]，如紫花苜蓿、红三叶、黑麦草等。鸭茅是一种良好的冬春饲草，抗寒性较好[7]，是西部退耕还草，建立林-草复合植被生态系统的重要草种[8]，冰草是一种重要的固沙植物也是一种优良饲草[9]但是关于鸭茅和冰草对重金属污染的植物修复作用报道的很少。

因此选用耐镉胁迫的鸭茅和冰草就显得尤为重要。但考虑到育种花费时间长，投入人力、物力、财力大。因此选择一种简单、经济的方法提高鸭茅和冰草的耐镉能力，使其在重金属镉污染的土壤上能够生长良好，再通过反复刈割从而降低土壤重金属镉的含量。超声波可以用于提取污泥中的重金属[10]，来降低土壤中重金属的含量，从而降低土壤中过量重金属对植物生长发育的抑制作用，提高作物产量，改善作物品质。有文献报道称植物种子经超声波发生仪处理后，可以提高种子活力、促进种子萌发及幼苗生长、增加植物的抗逆能力及产量[11-14]，超声波也可以促进生物质转变为生物能源[15-16]。但是，关于超声波处理下重金属胁迫的报导很少。因而本实验拟在前人的基础上研究重金属镉胁迫下超声波对鸭茅和冰草发芽率、胚芽长的影响以及鸭茅幼苗中过氧化物酶(peroxidase, POD)活性、丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量的影响，为其进一步利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选取2013年收获的纯净、无杂质的鸭茅和冰草种子作为试验材料。试验在西北农林科技大学草业科学实验室2016-2017年进行。仪器包括：分光光度计、超声波发生仪、分析天平等。

1.2 种子发芽培养与处理方法

试验前先用蒸馏水浸泡种子3 h，然后用10%的H2O2溶液消毒20 min，最后用蒸馏水冲洗3～4次。把两种种子各分成六份，分别用超声波处理0、5、10、15、25、35 min。

种子采用培养皿纸上发芽法进行发芽处理，每个培养皿均放置五十粒种子。试验设计为，种子经不同时长超声波处理(0、5、10、15、25、35 min)后，每天对其浇灌定量不同浓度的氯化镉溶液(0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)，共36个处理，每一个处理均重复3次。种子萌发及幼苗生长均在温室中进行(温度25℃，光照30.05 lx)。培养20天后统计发芽率、胚根长、胚芽长以及测定鸭茅幼苗中不同处理下的生理指标，取3个重复值得到平均值进行相关指标的分析。

表1 对鸭茅和冰草种子的处理方法Table 1 Treatments on the seeds of D. glomerata and A. cristatum

1.3 生理生化指标的测定

每天都统计两种种子的发芽势，20天后统计各个处理下的发芽率、胚芽长、胚根长以及鸭茅幼苗中POD活性、MDA含量。其中POD的活性采用愈创木酚法测定[17]，MDA的含量采用硫代巴比妥酸法测定[18]。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2007软件和SAS软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 各处理对鸭茅和冰草种子发芽率的影响

鸭茅种子经超声波处理后，均能够促进种子发芽率，在超声波处理5、10、15min显著提高种子的发芽率(表2)。其中以超声波处理5 min(处理2)效果最明显，种子发芽率比对照组高出18.67%。冰草种子比鸭茅种子发芽率低，冰草种子经超声波处理后，在超声波5 min的处理下促进种子发芽率，比对照组高出4.00%，而其余时间的处理均抑制冰草种子的发芽率，在超声波35 min处理下(处理6)冰草种子发芽率最低，比对照组低出4.00%(表2)。

在单一镉溶液的处理下，相比于对照组，五种不同浓度的镉处理均抑制鸭茅种子的发芽(表2)。当镉溶液的浓度大于0.03%(处理9)时显著抑制。抑制程度和镉溶液的浓度不是呈现单一的线性关系。当镉溶液的浓度为0.01 %(处理7)时抑制程度最大，发芽率仅为对照组的3.33%。对于冰草种子，在镉溶液的浓度为0.04%(处理10)时，促进冰草种子发芽，比对照组高出18.00%，其余浓度的镉处理效果不显著。

表2 单一超声波或者镉处理对鸭茅和冰草种子发芽率的影响Table 2 Effects of individual sonication or Cd+ treatment on seed germination of D. glomerata and A. cristatum/%

注：平均值±标准误

Note：Average value±Standard error

由表3可知，超声波和镉处理对鸭茅种子发芽率的交互作用在超声波时长为5min和镉溶液的浓度为0.02%时发挥的效果最大。由表4可知，超声波和镉处理对冰草种子交互作用的效果在超声波时长为10 min和镉溶液的浓度为0.01%时发挥的效果最大。

表3 超声波和镉处理对鸭茅种子发芽率的交互作用Table 3 Interacts of sonication and cadmium stress on germination percentage in D.glomerata

表4 超声波和镉处理对冰草种子发芽率的交互作用Table 4 Interaction of sonication and cadmium stress on seed germination rateof A. cristatum

由图1可知，当镉溶液浓度为0.01%时，五种不同时长的超声波均提高鸭茅种子的发芽率，在超声波处理10 min时，发芽率达到最大为68.67%。当镉溶液浓度大于0.01%时，不同时长的超声波处理对鸭茅种子的发芽率影响不同，但都在超声波10

min时有促进作用。对于冰草种子而言，在镉溶液的浓度为0.01%、0.02%、0.03%、0.04 %时，各超声波处理促进效果不显著或者表现为抑制作用，但在镉溶液浓度为0.05 %时，各超声波处理均显著促进。

图1 超声波和镉溶液的组合处理对鸭茅和冰草种子发芽率的影响Fig.1 Effects of combining sonication and cadmium on seed germination rate of D glomerata and A cristatum注：*表示交互作用，下同Note:*indicates interaction, the same as below

2.2 各处理对鸭茅和冰草幼苗胚芽生长的影响

由图2可知，单一超声波处理下，超声波10 min可以促进鸭茅和冰草幼苗的生长，但各超声波处理对鸭茅和冰草幼苗生长均表现为促进效果不显著，在超声波5 min时显著抑制鸭茅幼苗生长，在超声波35 min时显著抑制冰草幼苗的生长。单一镉溶液处理下，五种不同浓度的镉溶液均显著抑制鸭茅幼苗生长，对冰草幼苗生长也均表现为抑制作用。镉溶液和超声波交互处理鸭茅时，对于鸭茅幼苗而言：当镉溶液的浓度为0.01%时，不同时长的超声波处理均显著促进鸭茅幼苗的生长，当镉溶液的浓度大于0.01 %时，各超声波处理对鸭茅胚芽生长均表现为抑制作用或促进效果不显著。对于冰草幼苗而言，当镉溶液的浓度为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%时，各超声波处理对冰草幼苗胚芽的生长均表现为抑制作用或促进效果不显著，当镉溶液的浓度为0.05%时，各超声波处理显著抑制冰草幼苗的生长。

由表5可知，超声波和镉交互处理对鸭茅胚芽的生长在超声波时长为5 min和镉溶液的浓度为0.02 %时发挥的效果最大。由表6可知，超声波和镉的交互处理对冰草胚芽的生长在超声波时长为10 min和镉溶液的浓度为0.05%时发挥的效果最大。

2.3 各处理对鸭茅幼苗中POD活性的影响

在图3中，单一超声波处理下，与对照组相比，各超声波处理均提高鸭茅幼苗中POD的活性，在超声波处理5 min和35 min时，促进效果显著，超声波5 min处理下POD活性最大为228.72 μg·g-1FW·min-1。单一镉溶液处理下，镉溶液浓度为0.02 %时显著提高鸭茅幼苗POD的活性。镉溶液与超声波交互处理鸭茅时：当镉溶液的浓度为0.01 %时，各超声波处理均显著提高鸭茅幼苗中POD的活性，且随着超声波处理时间的增长，POD活性逐渐降低，在超声波5 min处理下，鸭茅幼苗中POD的活性最大为374.905 μg·g-1FW·min-1。

2.4 各处理对鸭茅幼苗中MDA含量的影响

在图3中，单一超声波处理下，与对照组相比，各超声波处理均使鸭茅幼苗中MDA的含量增加。单一镉溶液处理下，对鸭茅幼苗中MDA的含量表现为抑制或增加效果不显著。两种处理交互作用下，当镉的浓度为0.01 %时、超声波25 min处理的鸭茅幼苗中MDA含量最少，当镉的浓度为0.02 %时、超声波15 min处理的鸭茅幼苗中MDA含量最少。当镉的浓度为0.03、0.04 %时，超声波处理均显著降低了鸭茅幼苗中MDA的含量。

图2 各处理对鸭茅幼苗胚芽长的影响Fig.2 Effects of different treatments on plumule length of D glomerata and A cristatum seedlings

图3 各处理下鸭茅POD活性、MDA含量的变化Fig.3 Effects of different treatments on POD activity、MDA content in D glomerata seedlings

表5 超声波和镉处理对鸭茅胚芽长的交互作用Table 5 Interaction of sonication and cadmium stress on plumule length of D. glomerata

处理Treatments2Time of sonication,5 min310 min415 min525 min635 min7 Cd2+, 0.01%1.28 1.68 1.48 -0.07 -0.64 80.02%1.12 0.76 -0.73 -0.27 -0.45 90.03%-1.13 1.07 -1.14 -1.00 1.09 100.04%-1.09 -0.25 -0.33 0.38 -0.02 110.05%-0.71 -0.58 0.20 -0.25 -0.40

表6 超声波和镉处理对冰草胚芽长的交互作用Table 6 Interaction of sonication and cadmium stress on plumule length of A. cristatum

3 讨论

3.1 超声波对发芽率、胚芽生长以及鸭茅幼苗POD活性、MDA含量的影响

超声波实际上是把电能转变为超声震荡形式的动能传入种子的细胞中，刺激生命运动的增强，加速种子内部的生理生化反应[19]。本试验采用五种不同时长的超声波处理鸭茅种子，结果表明；这五种时长的超声波均促进鸭茅种子的发芽，且在5 min时鸭茅发芽率达到最大。冰草种子发芽率较低，且仅在超声波5 min处理下，发芽率提高。有研究表明一定时长的超声波处理某种种子可以打破该种子的休眠，如张文明等研究结果发现当超声波处理水稻种子5～10 min时促进其发芽率[20]。在播种之前采用一定时长的超声波处理种子，可以提高种子发芽率，达到增收的效果。

本试验发现同一超声波处理鸭茅种子，5 min时促进鸭茅种子的发芽率但是却抑制鸭茅胚芽的生长，试验表明超声波对鸭茅发芽率和胚芽生长之间不是共同促进的作用。超声波35 min时抑制冰草胚芽的生长。庄南生等研究结果表明：一定时间的超声波处理可以促进植物胚芽的生长[21]。Wang[22]等研究结果表明在超声波温度为39.7℃、处理时长为22.5 min、输出功率为348W时柳枝稷胚芽生长最好，因此可以继续研究找到可以同时促进鸭茅种子或冰草种子发芽率和胚芽长的超声波时长，来使得田间出苗更快更整齐。

POD是清除活性氧系统中的重要酶，有抑制膜脂过氧化，延缓细胞衰老的作用[23]，还能促进细胞生长、是重要的防御机制[24].本试验表明五种不同时长的超声波均提高鸭茅幼苗中POD的活性，其中在超声波5 min时POD的活性最高。孙立军等研究表明当超声波处理30 min的人参种子时其幼苗中POD的活性最高[25]。因此，一定时长的超声波处理特定种子，有利于提高该种子幼苗中POD的活性，从而起到保护该幼苗细胞的作用。

MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，它的产生还能加剧膜的损伤等多种生物学功能的恶化[26]。本次试验所设置的超声波时长均使鸭茅幼苗中丙二醛的含量增加，说明单一超声波处理会破坏鸭茅的膜系统。赵奇等研究结果表明超声波可以降低青椒丙二醛的含量[27]。这可能是由于材料及时间等不同造成的。

3.2 镉胁迫对发芽率、胚芽生长以及鸭茅幼苗POD活性、MDA含量的影响

本试验设置的不同浓度的镉处理鸭茅和冰草种子时，鸭茅和冰草种子经镉胁迫处理后，除0.04%的镉处理提高冰草种子发芽率，其余均表现为抑制种子发芽率。五种不同浓度的镉溶液均显著抑制鸭茅幼苗的生长，对冰草幼苗的生长也均表现为抑制作用。何俊瑜等研究结果发现，镉处理对小麦种子萌发有抑制效应，且随着镉浓度的增加而增加[28]。这主要是离子浓度设置不同以及种子自身特性和环境不同的影响。重金属污染较轻时，反而会提高某些植物的发芽率[29]。因此，在重金属污染的土地上首先要明确各类重金属含量的高低，然后要明确所种植的耐重金属的草种对重金属的敏感性，继而选择相应的草种。

本试验发现在镉溶液浓度为0.02%时显著提高鸭茅幼苗POD的活性，对鸭茅幼苗中MDA的含量无显著作用。郑爱珍等研究结果表明，青菜中过氧化物酶的活性随镉浓度的增加而增加[30]，樊明琴等研究结果表明，小麦幼苗中过氧化物酶的活性随着镉浓度的增加总体呈增加趋势，先缓慢增加后急剧增加[31]，陈维等研究发现抽穗期的稗草随着镉浓度的增加MDA含量先降低后升高[32]。很多研究都表明在镉溶液的某一浓度会促进某种植物幼苗POD的活性或降低MDA的含量。因此，在保证提高种子发芽率的重金属浓度范围下，进而找到促进种子幼苗POD活性和降低MDA含量的重金属浓度对获得高产、抗逆的植株是至关重要的。

3.3 镉胁迫下超声波对发芽率、胚芽生长以及鸭茅POD活性、MDA含量的影响

本试验研究表明：在五种不同浓度的镉胁迫下，超声波10 min的处理均可促进鸭茅种子的发芽率。当没有镉胁迫时，超声波5 min对鸭茅种子的发芽率显著促进，因此，在镉胁迫下，超声波时间在一定范围内相应的增大才会促进鸭茅种子的发芽率。对于冰草而言，在镉溶液浓度为0.05%时，各超声波处理均显著促进冰草种子的发芽率。有研究发现超声波与某一物质的交互作用下对植物的发芽率并不是促进作用，如董汇泽等发现超声波处理时间较长时，赤霉素对柴胡种子萌发有一定的抑制作用[33]。史锋厚等研究中发现超声波处理时间较长时聚乙二醇对油松种子的萌发有抑制作用[34]。因此，在重金属污染的土壤上种植某种植物，选择相应时长的超声波处理尤为重要。

对于鸭茅种子而言，当镉溶液的浓度较小为0.01%时，不同时长的超声波处理均显著促进鸭茅幼苗的生长，不同浓度镉处理下各超声波对冰草种子的胚芽生长无显著作用。当镉溶液的浓度较小为0.01%时，较小时长的超声波5 min处理鸭茅种子可以提高其幼苗中POD的活性。李妹娟研究结果表明[35]：超声波处理可以提高盐胁迫下水稻幼苗中POD的活性。在不同浓度的镉溶液胁迫下，较长时间的超声波处理(>10 min)可以相对减少鸭茅幼苗中MDA的含量。因此，在重金属镉含量超标的土壤上，可各超声波处理均显著促进冰草种子的发芽率以种植用10 min的超声波处理过的鸭茅种子，来提高鸭茅种子的发芽率以及对重金属镉的抗性。

3.4 镉和超声波的交互作用

对于鸭茅种子来说可以在超声波时长为5 min和镉溶液的浓度为0.02%时处理以使得发芽率和胚芽的共同促进。对于冰草种子而言，超声波和镉的交互作用对发芽率和胚芽生长各不相同。在重金属污染的土地上，寻找到处理所用种子特定的超声波时长，使得超声波和重金属的交互作用对种子发芽率和胚芽生长都有促进作用，以此提高种子出苗率、促进种子生长发育。因此，超声波处理可以有效减缓鸭茅和冰草种子的镉胁迫效应，提高种子和成苗活力。