黄腐酸对镉胁迫下小麦种子萌发及幼苗生长的影响

陈毅凡，徐晨，张倩茹，张梅

（中国农业大学烟台研究院，山东 烟台 264670）

随着工农业的不断发展和城市化的加快，土壤重金属污染问题日渐突出［1］。根据2014年国家公布的《全国土壤污染状况调查公报》，我国土壤污染总点位超标率为16.1%，其中重金属Cd的点位超标率最高，为7.0%。Cd作为土壤重金属污染的主要来源之一，对作物的生长发育具有明显的抑制作用，严重时甚至会造成作物死亡［2］。因此重金属Cd污染是制约作物生长的重要因素之一，已经引起人们广泛关注。小麦是我国重要的粮食作物之一，其生长发育能否得到保障直接影响到我国的粮食安全，但是诸多研究表明，小麦对重金属Cd的抗逆性较弱［3，4］。因此研究如何提高小麦对重金属Cd的抗逆性具有重要的生产意义。

黄腐酸是一种天然的有机大分子化合物的混合物，是腐植酸的最重要组成成分，由其加工而成的新型腐植酸肥料具有改良土壤团粒结构、增强作物抗逆性、促进肥料吸收利用的功能，现已广泛应用于小麦、水稻等作物生产中［5，6］。诸多学者在腐植酸类物质增强作物抗重金属污染的能力方面做了大量研究:李乐乐等［7］分析了腐植酸对不同品种冬小麦苗期Cd吸收和迁移特征的影响及其差异性；彭倩等［8］研究了腐植酸对汞污染稻田中甲基汞行为的影响；张子叶等［9］对腐植酸水溶肥应用于重金属污染稻田的效果进行了研究；孙枭琼等［10］研究了腐植酸钠对镉胁迫下冬小麦种子萌发及根系生长的影响。前人关于黄腐酸提高植物抗重金属胁迫的研究多集中于重金属离子在植物体内的迁移特性、种子萌发等方面，但对幼苗生长及生理指标方面的研究较少。本试验以济麦22为材料，研究不同浓度黄腐酸对镉胁迫下小麦种子萌发及幼苗生长等各项指标的影响，以期为提高小麦对重金属Cd污染的抗逆性及土壤重金属污染治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年9—12月在中国农业大学烟台研究院的温室大棚内进行。供试小麦品种为济麦22。试验用黄腐酸购自山东泉林嘉有肥料有限责任公司。

1.2 培养皿试验

选择籽粒饱满的小麦种子，用质量分数为10%的次氯酸钠溶液消毒15 min，后用去离子水反复冲洗直至除去残留。将种子放入培养箱中，28℃催芽48 h，再均匀放置于铺有单层滤纸的培养皿（直径9 cm）中。每个培养皿中放置小麦种子50粒。

试验组将50 mg/L CdCl2溶液（预试验确定）作为基础溶液，设置双蒸馏水空白对照（CK）、CdCl2溶液处理（T0）和CdCl2溶液基础上分别加入25（T1）、50（T2）、100（T3）、150（T4）、200（T5）mg/L黄腐酸溶液，共计7组。重复3次，即每组3个培养皿，每个培养皿加入处理液10 mL，每天定时更换处理液，测定种子萌发数量（胚芽的长度大于等于种子长度的1/2且胚根与种子长度相等视为萌发）。

测量记录后计算种子发芽势（Ge）、发芽率（Gr）和发芽指数（Gi），计算公式如下:

发芽势（Ge）＝（3 d内发芽种子数/试验种子总数）×100% ；

发芽率（Gr）＝（7 d内发芽种子数/试验种子总数）×100% ；

发芽指数（Gi）＝Σ（Gt/Dt） 。式中，Gt为第n天发芽数，Dt为发芽天数。

1.3 盆栽试验

采用盆钵培养法，小麦种子的消毒催芽方法同培养皿试验。将催芽后种子播于装有培养土的盆钵中，每盆40粒，重复3次，放置于温室大棚中。待幼苗长至三叶期时进行处理，试验方案见表1，共计7组。每天18∶00将黄腐酸溶液直接喷施于小麦叶片上，每次20 mL，连续喷5 d。

表1 盆栽试验处理

处理12 d后取幼苗第2片功能叶按照赵世杰等［11］的方法进行生理指标测定。采用分光光度法测定光合色素含量，水合茚三酮法测定游离脯氨酸含量，硫代巴比妥酸法测定可溶性糖和丙二醛（MDA）含量，紫外分光光度法测定过氧化氢酶（CAT）活性。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 25.0软件进行数据处理、统计作图及显著性分析。参照路旭平等［12］的方法，应用模糊数学中隶属函数评估法，就不同浓度黄腐酸处理对镉胁迫下小麦幼苗生理指标的影响进行综合评估分析。隶属函数公式如下:

当幼苗生理指标与缓解镉胁迫呈正相关时，计算公式为:

当幼苗生理指标与缓解镉胁迫呈负相关时，计算公式为:

式中:U（Xi）表示隶属函数值；Xi表示处理水平某生理指标的测定值；Xmin和Xmax分别表示所有处理中某生理指标测定值的最小值和最大值。最后将每个处理的各生理指标的隶属函数值累加求平均值，进行排序。

2 结果与分析

2.1 不同浓度黄腐酸处理对镉胁迫下小麦种子萌发的影响

由表2可知，与CK相比，T0处理小麦种子的发芽率、发芽势和发芽指数分别降低12.14%、43.48%、22.63%，说明50 mg/L CdCl2胁迫对小麦种子萌发具有显著抑制作用。随着黄腐酸浓度的增加，小麦种子的发芽率、发芽势和发芽指数均呈现先升高后降低的趋势，峰值均出现在T2处理，分别比T0提高13.82%、85.88%、37.81%。T5处理小麦种子的发芽势和发芽指数均显著低于T0，说明过高浓度的黄腐酸溶液对镉胁迫下小麦种子的活力产生了一定的抑制作用。

表2 镉胁迫下不同浓度黄腐酸处理对小麦种子萌发的影响

2.2 不同浓度黄腐酸处理对镉胁迫下小麦幼苗生理生化指标的影响

2.2.1 对光合色素含量的影响 由图1可知，镉胁迫下（T0）小麦幼苗的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量以及类胡萝卜素含量均最低。随着黄腐酸浓度的增加，各处理光合色素含量均不断升高，幼苗叶绿素a和叶绿素总含量均在T2处理达到峰值，叶绿素b和类胡萝卜素含量均在T3达到峰值，之后，随着黄腐酸浓度的增加而降低。与CK相比，T5处理幼苗叶绿素a、b和类胡萝卜素含量均未显著降低，叶绿素总含量显著降低11.59%。

图1 镉胁迫下不同浓度黄腐酸处理的小麦幼苗各类光合色素含量

2.2.2 对游离脯氨酸含量的影响 由图2可知，在镉胁迫下，随着黄腐酸浓度的增加，小麦幼苗游离脯氨酸含量逐渐升高，T2处理达最高，为572.66μg/g，比T0提高62.71%；随着黄腐酸浓度进一步提高，小麦幼苗游离脯氨酸含量则呈现下降趋势，T3、T4、T5处理显著低于T2处理。

图2 镉胁迫下不同浓度黄腐酸处理的小麦幼苗游离脯氨酸含量

2.2.3 对可溶性糖含量的影响 由图3可知，相比于CK，T0处理小麦幼苗的可溶性糖含量显著降低，下降12.14%。随着喷施黄腐酸浓度的增加，镉胁迫下小麦幼苗可溶性糖含量均呈现先升高后下降的趋势，峰值出现在T2处理。

图3 镉胁迫下不同浓度黄腐酸处理的小麦幼苗可溶性糖含量

2.2.4 对丙二醛含量的影响 由图4可知，相比于CK，T0处理小麦幼苗丙二醛含量显著增加127.52%。喷施黄腐酸浓度从零增至200 mg/L，镉胁迫下的小麦幼苗丙二醛含量变化趋势先下降后升高，黄腐酸浓度为50 mg/L时丙二醛含量最低。

图4 镉胁迫下不同浓度黄腐酸处理的小麦幼苗丙二醛含量

2.2.5 对过氧化氢酶活性的影响 由图5可知，T0处理小麦幼苗过氧化氢酶活性为9.97 U/mg，显著低于CK。喷施不同浓度的黄腐酸溶液后，小麦幼苗过氧化氢酶活性呈现先升高后降低的趋势，T3处理最高，为13.83 U/mg。

图5 镉胁迫下不同浓度黄腐酸处理的小麦幼苗过氧化氢酶活性

2.3 不同浓度黄腐酸处理对镉胁迫下小麦幼苗生理指标影响的综合评估分析

采用隶属函数估计法对小麦幼苗的8个生理指标进行综合评估分析，结果（表3）表明，50 mg/L浓度的CdCl2胁迫下，各处理小麦幼苗生理指标隶属函数平均值表现为T3＞T2＞T4＞CK＞T1＞T5＞T0。说明T3处理对镉胁迫的缓解能力最强，因此，叶面喷施黄腐酸溶液的最适浓度为100 mg/L。

表3 镉胁迫下不同浓度黄腐酸处理的小麦幼苗生理指标隶属函数值及综合评估

3 讨论

3.1 适宜浓度黄腐酸处理可以缓解镉胁迫对小麦种子萌发的影响

镉胁迫对小麦有很强的毒害作用，第一毒害作用即体现在抑制小麦种子萌发上［13］。张珂等［14］研究表明，高浓度镉胁迫下小麦种子的发芽率显著降低，种子萌发受到严重影响。本试验中，50 mg/L CdCl2胁迫下小麦种子萌发受到显著抑制，加入黄腐酸溶液后种子发芽率、发芽势和发芽指数等各项指标均有不同程度的增加，说明适宜浓度的黄腐酸可以提高小麦种子对镉胁迫环境的抵御能力；随着黄腐酸浓度的进一步提高，各项指标均出现显著降低，浓度达到200 mg/L时发芽势和发芽指数均低于镉胁迫处理，说明过高浓度的黄腐酸会对镉胁迫下的小麦种子萌发产生一定程度的抑制作用。这与孙枭琼等［10］的研究结果相似。

3.2 喷施适宜浓度黄腐酸可以缓解镉胁迫对小麦幼苗生长的影响

高浓度的镉胁迫不仅严重影响小麦种子萌发，更对小麦幼苗生长产生显著抑制作用，当镉毒性达到一定程度，幼苗会出现萎缩、生长迟缓和根尖褪绿等中毒症状，甚至造成植株死亡［13，15］。本试验表明，与双蒸馏水对照组相比，镉胁迫下的小麦幼苗光合色素、游离脯氨酸和可溶性糖含量等生理生化指标均显著降低，幼苗生长受到显著抑制，这与贾夏［15］、樊明琴［16］、纪秀娥［17］等的研究结果相似。

光合色素含量直接影响作物的光合作用，在逆境条件下光合色素含量降低，因此光合色素含量与作物抗逆能力呈正相关［18］。本试验表明，加入黄腐酸溶液后，小麦幼苗的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量以及类胡萝卜素含量均显著提高，表明黄腐酸处理可以通过提高光合色素含量来缓解镉胁迫对小麦幼苗光合作用的抑制。这与前人研究的喷施黄腐酸缓解镉胁迫抑制莴苣光合作用的结果相似［19］。

游离脯氨酸和可溶性糖是作物细胞内重要的渗透调节物质，游离脯氨酸可与重金属形成络合物，以降低金属离子的活性；可溶性糖可降低胞内渗透势，以保证水分的正常供应，因此两者含量的变化可以表征作物对不良环境的适应能力［20，21］。本试验表明，喷施适宜浓度黄腐酸溶液利于提高镉胁迫下小麦幼苗游离脯氨酸和可溶性糖含量，缓解镉胁迫对幼苗生长的影响，增强小麦的抗逆能力。这与前人研究胡萝卜的结果相似［22］。

镉的毒性机制与小麦幼苗内活性氧（ROS）的过度产生有关［13］，活性氧的产生是有氧代谢的必然结果［23］。镉胁迫产生过量的活性氧导致小麦体内丙二醛含量升高，从而加剧小麦细胞膜系统的损伤，阻碍细胞与外界间的物质交换和信息交流，破坏小麦正常的生理功能［24］。本试验表明，喷施黄腐酸溶液能够显著降低小麦幼苗的丙二醛含量，进而减弱丙二醛对膜的损伤，保护小麦幼苗在镉胁迫下的生长发育。这与于彩莲［25］研究龙葵的结果相似。过氧化氢酶是抗氧化酶系统中最主要的酶之一，它可以控制作物体内活性氧的积累，维持作物在逆境条件下的正常生长，因此抗氧化酶活性是测定作物逆境条件下生长的一个重要指标［26］。本试验表明，喷施适宜浓度的黄腐酸溶液能够显著提高小麦幼苗过氧化氢酶活性，说明黄腐酸能够缓解镉毒性，保护小麦幼苗的抗氧化系统。这与前人研究相似［27］。

4 结论

本研究结果认为，在50 mg/L CdCl2胁迫下，随着黄腐酸浓度的升高，小麦种子的发芽率、发芽势、发芽指数均呈现先上升后下降的趋势，其中黄腐酸溶液的最适浓度为50 mg/L。小麦幼苗叶面喷施黄腐酸溶液的最适浓度为100 mg/L，喷施100 mg/L黄腐酸溶液显著提高镉胁迫下小麦幼苗光合色素、游离脯氨酸和可溶性糖含量，增强过氧化氢酶活性，进而降低丙二醛含量，从而提高渗透调节能力，增强抗氧化代谢能力，防止小麦幼苗遭受损伤。