镉、盐胁迫对不同谷子品种萌发的影响

严加坤，刘 莉，周 奇

(榆林学院 陕西省陕北矿区生态修复重点实验室， 陕西 榆林 719000)

1 引言

谷子(Setariaitalica)是禾本科狗尾草属长型谷物，是世界上栽培历史最悠久的日常食用的作物之一[1]。榆林市作为陕西谷子的主要盛产区，是特色杂粮之一，去壳即为小米，米脂县因盛产优质小米而得名。谷子是世界上被驯化的最古老作物之一,栽培历史悠久,并有众多证据证明我国是谷子的起源中心和遗传多样性中心[2]。在未来几年，谷子的可持续发展以及遗传优育的观念越来被人们关注。

自然界中很多环境因子如盐、重金属、干旱等都会影响植物的正常生长发育，其中盐和重金属是影响最普遍的2种胁迫因子[3]。随着我国农业化学品的大量应用，农田土壤重金属污染日益严重，重金属由于其生物降解性和持久性受到广泛的关注。其中，镉(Cd)元素具有高移动性和高毒害性，被认为是危害公众健康主要物质之一[4]。镉是植物的非必需元素，它的生物毒性极强，毒害贯穿于动物、植物、微生物的整个生命史和其生命现象的各个过程，通过植物的吸收在植物的根、莲、叶、籽实中累积[5]。目前，对谷子体内镉的分布规律、存在形态及毒害机理等方面的研究较多，而镉的危害首先发生在谷子种子萌发期和幼苗期。众多的研究发现:在镉的毒害下,可诱导自由基产生,使谷子的保护酶活性降低,水稻幼苗叶片膜脂过氧化产物含量增加,从而抑制水稻幼苗生长发育[11]。当谷子幼苗镉浓度富集过高时，谷子就会出现中毒症状，比如叶片生长迟缓、叶片变卷曲变黄、产量下降等症状，严重时甚至会导致谷子苗死亡。研究表明，用镉处理不同年代谷子种子，谷子品种的芽长、根长、发芽势、发芽率均低于对照组，高浓度抑制时，均表现为根长的降低大于芽长的降低[6]。

同时由于本区盐碱化严重，盐害又称为影响作物生长的另一个环境因子。研究表明，盐分可延迟水稻种子的萌芽和出苗[7]。水稻种子在萌发阶段受到盐碱胁迫, 常会导致种子发芽不齐, 发芽势和发芽率下降[8]。盐分对水稻萌发期的影响主要是限制种子的生理吸水,影响谷子的萌发生长, 造成出苗不全[9]。Herralde等的研究表明：即使在植物中去除氯化钠，盐胁迫对植物的毒性也不会消失[10]。

以往许多学者对镉胁迫和盐胁迫的谷子积累规律及其对其生长发育的影响等做了许多研究,取得了可喜的成果，然而有关镉胁迫对不同年代谷子品种的种子萌发的影响研究较少[11],同时谷子地方品种具有丰富的遗传变异, 目前对谷子耐盐性的相关研究也很少[12]。鉴于此，本课题以不同年代谷子品种为材料，研究重金属镉及盐对不同年代谷子品种的出芽及早期生理指标的影响，并对其机理进行了初步探讨，为本区谷子优质高抗育种提供理论依据，此内容尚未见报道。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

实验的谷子品种为豫谷1号、豫谷18号、豫谷31号，安阳市农科所提供 。

2.2 实验试剂

磷酸缓冲液(PBS)、氯化镉、氯化钠、次氯酸钠溶液、三氯乙酸(TCA)、硫代巴比妥酸(TBA)、石英砂、GaCO3、3%磺基水杨酸、2.5%茚三酮显色液、冰乙酸、50 ug·mL-1脯氨酸标准液、17 mmol·L-1对氨基苯磺酸、7 mmol·L-1α-萘胺、10 mmol·L-1盐酸羟胺、亚硝酸钠标准、磷酸等，所有试剂均为分析纯(AR)。

2.3 谷子种子的实验方法

(1)选种：精心挑选颗粒饱满且形态大致均匀的不同年代谷子种子若干粒,先用自来水冲洗数次，洗去包衣。

(2)消毒：用1%的次氯酸钠进行消毒处理20 min，

(3)洗涤：用蒸馏水冲洗已消毒的种子若干次。

(4)沥干：使用漏斗沥干。

(5)置床：取30粒种子放入铺有2层滤纸贴上标签的培养皿(φ=8.0 cm)中，在培养皿中分别加入3 mL的相应的氯化镉溶液和盐溶液，相同浓度均设3组重复，然后置于智能光照培养箱中进行培养，控制温度为25℃使其萌发。

(6)观察记录数据，加溶液。

2.4 种子测定的指标及方法

分别于处理后第3天和第7天调查发芽率和发芽势，从各处理中随机挑选10粒正常发芽的种子测量其根长和芽长并且进行各项生理生化指标的测定。

发芽率、发芽势参照刘锦川[15～16]的方法，Pro采用磺基水杨酸法[20]测定，MDA的测定采用硫代巴比妥酸法[18]，氧自由基含量测定参考裴帅帅的实验方法[19]。

发芽率(GR)(%)= (n/N)×100%

发芽势 (GE) (%)= (n/N)×100%

为消除各品种间的各种子发芽性状差异，对各供试水稻品种的萌发期的各性状指标均采用相对值，即采用不同CdCl2(NaCl)溶液胁迫浓度下的指标值/对照的指标值[17]。

2.5 数据处理方法

所有的数据都使用3次重复组实验结果计算的，采用Microsoft Excel 2010和SPSS 23.0软件对数据进行分析与处理。

3 结果与分析

3.1 CdCl2对谷子种子萌发的影响

3.1.1 CdCl2对谷子芽长、根长的影响

表1 不同浓度对不同年代谷子品种芽长的影响

注：同一列相同字母代表没有显著性差异，反之具有显著性差异，P<0.05。下表同。

表2 不同浓度对不同年代谷子品种根长的影响

从图1和图2可知，在75 μmol·L-1镉浓度下,3个谷子品种的芽长略低于对照,豫谷1号谷子芽长比对照少了0.68 cm,豫谷18 号芽长比CK少了0.17 cm,豫谷31号的芽比CK短0.24 cm,镉对谷子发芽具有抑制作用。

不同浓度CdCl2溶液对不同年代的谷子发芽率和发芽势的影响如图1、图2所示。除豫谷18号1 200 μmol·L-1镉浓度处理下发芽率明显下降以外,其他镉浓度处理的3种谷子的发芽率和发芽势受镉浓度的影响不显著。这说明CdCl2能在一定程度上抑制谷子种子的正常萌发， CdCl2胁迫处理的发芽率和发芽势能较好的反映谷子萌发期的抗逆性。

图1 不同浓度CdCl2处理对不同年代谷子种子发芽势的影响

图2 不同浓度CdCl2处理对不同年代谷子种子发芽率的影响

3.1.2 CdCl2对谷子丙二醛(MDA)含量的影响

表3 CdCl2对谷子丙二醛(MDA)含量的影响

MDA是衡量氧化胁迫程度的常用指标之一，能反映植物体细胞膜过氧化的程度，是植物抗性生理研究中的重要指标。由图3可得，在不同浓度镉溶液处理后3种不同年代谷子的MDA含量均呈现出先下降后上升的变化趋势，且在750 μmol·L-1的浓度时达到最低时，3种谷子品种基本均有显著性差异(p<0.05)，当浓度为150 μmol·L-1时，豫谷1号的MDA含量为1.4648μmol·L-1，与CK无显著性差异(p>0.05),75 μmol·L-1能有效抑制MDA的产生，增强植物体的抗性。当镉浓度上升到1 200 μmol·L-1时，谷子种子MDA含量则达到最高，植物生长被严重抑制。

通过图3可以看出，用不同浓度的CdCl2处理过的谷子品种均对游离脯氨酸(Pro)含量有一定的影响，在CdCl2溶液浓度为300 μmol·L-1时，3 种谷子的游离脯氨酸(Pro)含量均达到最高值，随着品种的更替，其中豫谷31号的脯氨酸含量最高，是905.8048 μg·g-1。脯氨酸含量的相对大小与抗逆性的强弱没有关系。

图3 CdCl2对不同年代谷子脯氨酸含量的影响

3.1.3 CdCl2对氧自由基含量的影响 由表4可以看出，CdCl2胁迫处理组的氧自由基含量都要比CK的要高，说明CdCl2胁迫能够促使谷子产生氧自由基。随着CdCl2浓度的增加，CdCl2胁迫程度加剧，氧自由基含量呈现上升趋势，但是上升程度不明显， 这是因为植物体内有自己的一套清除系统。当谷子受到胁迫时，体内会产生POD，POD的主要作用就是分解氧自由基，而在CdCl2胁迫下，氧自由基增加，同时POD也会增加，但是氧自由基在CdCl2胁迫下的分解能力较强，因此谷子的氧自由基呈现上升波动。

表4 CdCl2对不同年代谷子自由基含量的影响

3.2 NaCl对谷子种子的影响

3.2.1 NaCl对不同年代谷子芽长和根长的影响 在NaCl 溶液为50 mmol·L-1时，对豫谷1号胚芽具有促进作用，豫谷18和豫谷31号均呈现抑制状态。150 mmol·L-1NaCl 胁迫对3种谷子的芽长和根长表现出强烈的抑制作用，而且对根长受到的抑制比芽长大。表5和表6中的数据表明谷子生长过程中胚根对NaCl胁迫的反应比胚芽敏感。研究结果表明：豫谷1号生长的比较好。说明豫谷1号耐盐性较强。

表5 不同浓度NaCl 胁迫下谷子的芽长

表6 不同浓度NaCl胁迫下谷子的根长

3.2.2 NaCl对丙二醛(MDA)含量的影响 由表7可得，经过不同浓度的NaCl处理后的3种不同年代的谷子，其丙二醛含量均呈现先降低然后升高的趋势。NaCl浓度为50 mmol·L-1时，3种谷子的丙二醛含量低于CK，达到显著性水平，对谷子生长有利；而高浓度NaCl溶液处理谷子后丙二醛含量上升幅度较为明显。

表7 NaCl胁迫对丙二醛(MDA)含量的影响

3.2.3 NaCl对脯氨酸(Pro)含量的影响 通过图4可以看出， 3种谷子被不同浓度的NaCl溶液处理后，其游离脯氨酸(Pro)含量均高于CK。NaCl浓度为50 mmol·L-1时，豫谷31号增加的幅度较大；在NaCl溶液为150 mmol·L-1时，3种谷子的游离脯氨酸(Pro)含量达到最高。

图4 NaCl胁迫下不同年代谷子脯氨酸的变化趋势

3.2.4 NaCl对谷子氧自由基含量的影响 氧自由基含量随着NaCl浓度的增加而增加，结果表明NaCl胁迫对3种谷子氧自由基含量影响差异显著。氧自由基能直接或间接地引起谷子衰变，在这个过程中，氧自由基可以对细胞组分产生作用，也可以通过参与氧化分解产物或促进乙烯形成而起调节作用[21]。NaCl胁迫浓度50 mmol·L-1时，豫谷31号相对于CK影响比较小，增长幅度不大；高于该浓度时，豫谷18号的影响最为显著，增加了197.6%。

表8 NaCl胁迫对谷子氧自由基含量的影响

4 讨论与结论

重金属镉和盐胁迫对谷子种子萌发有着抑制作用。实验中各指标均采用镉、盐胁迫环境的平均值进行研究，消除了品种间固有差异的影响,能更有效的评价不同年代谷子的抗逆性。

当加入不同浓度的镉溶液后，谷子种子的根长、芽长、发芽势、发芽率、丙二醛、氧自由基、脯氨酸等指标都受到镉胁迫的影响。由于谷子品种不同、年代不同受促进和抑制效果差压较大。高浓度镉对谷子抑制效果明显。不同的谷子品种对不同镉胁迫浓度的耐受力存在显著差异[13]。镉浓度大于600 μmol·L-1时，谷子生长受到抑制较为明显，谷子的抗逆性下降，且不同浓度梯度的镉对根的胁迫作用大于芽，如果胁迫强度过高，或胁迫时间延长，有可能植物会死亡[12]。

萌发期较强的耐盐性是盐渍化严重地区谷子 品种必须优先具备的特性, 相对芽长和相对根长值较大, 是生产上保证苗全、苗壮的基础[14]。该实验研究结果表明：随 NaCl 浓度的升高种子的相对发芽率、相对盐害率均受到盐的明显影响, 出现低促高抑现象, 同时根对盐胁迫的反应比芽更敏感[11]。分析原因：植物生长必需元素的Cl-和Na+，在低浓度下发挥作用，激活相关酶活性，促进种子萌发，但高浓度的盐处理会破坏细胞膜的完整性，选择膜渗透性减少或损失，细胞内代谢紊乱，增加溶液的渗透潜能，高盐浓度使种子吸力困难，从而抑制萌芽[12]。

由于作物的抗早性是受多基因控制的复杂性状,是多个抗早性状的综合反映,对任何单项机理的研究都有一定的局限性[22]。