纳米二氧化硅对镉胁迫下小麦种子萌发的影响

刘新浩

关键词：小麦;纳米二氧化硅;镉胁迫;种子萌发

2014 年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地土壤污染状况堪忧，主要污染物为镉（Cd）、镍（Ni）、铜（Cu）、砷（As） 等，Cd 的超标率为7.0%，居于污染元素首位。Cd 是一种稳定性高、难降解的重金属，在土壤中具有累积性。土壤受到Cd污染后，Cd 可通过植物根系在植株中富集。若富集在植株的可食用部分，则会通过食物链进入人类体内，危害人体健康。

纳米材料因具有尺寸依赖性、比表面积大和吸收紫外线能力强等特点被广泛应用于化工生产、建筑材料、医药等领域。在农业生产领域，纳米材料主要用于农药、化肥的载体[1]。硅是继氮、磷、钾之后的第四大营养元素，能够提高植物的光合速率和干物质量的积累，促进植物的生长发育。由于硅对植物生长发育的积极影响，应用纳米硅材料提高植物对环境胁迫的耐受性便成为一种可能[2]。

小麦是我国主要的粮食作物，是我国粮食安全的重要保障。目前环境中的镉含量越来越高，小麦受到的污染也日益加剧，寻找缓解或降低镉对小麦毒害的方法显得尤为重要。小麦幼苗时期对重金属胁迫较为敏感，SiO2-NP 不仅有效促进植物生长发育，在缓解植物的胁迫反应方面也具有重要作用。SiO2-NP 能否缓解镉对小麦的毒害作用目前未见报导。本试验采用水培方法，在不同浓度的CdCl2处理下加入SiO2-NP，通过系统分析小麦在萌发过程中发芽率、芽长、根长、鲜重、干重的变化，解析在Cd 胁迫下SiO2-NP 对小麦萌发的影响。

一、试验材料与方法

（一） 试验材料

试验所用小麦品种为镇麦168。

（二） 试验方法

1、试验浓度设置及制备。本试验中CdCl2的浓度梯度设置为10.0mg/L、30.0mg/L，SiO2-NP 的浓度为120mg/L。

用蒸馏水配制120mg/L 浓度的纳米二氧化硅悬浮液，并在25℃水浴条件下超声处理30min，制备纳米二氧化硅粉末悬浮液，备用。镉为分析纯CdCl2·2.5H2O （含量≥99.0%），用蒸馏水制作成浓度为10.0m g/L、30.0m g/L 的CdCl2 溶液，备用。

2、试验处理。处理1 为对照CK，以蒸馏水处理，为空白对照;处理2 为Cd10，仅用10m g/LCdCl2 处理;处理3 为Cd30，仅用30mg/LCdCl2处理;处理4 为Si，仅用120mg/L 的SiO2-NP 处理;处理5 为Cd10Si，用10mg/LCd2++120mg/LSiO2-NP 处理;处理6 为Cd30Si，用30m g/L Cd2 ++120m g/L SiO2-NP处理。

3、种子萌发试验。将饱满的小麦种子用3%H2O2进行消毒15m i n，用蒸馏水冲洗多次后，再用蒸馏水浸种2h，备用。将裁好的滤纸放入高压蒸汽灭菌锅中灭菌25min，并用酒精将发芽盒进行消毒，每个发芽盒中均匀摆放100 粒种子。每天分别添加处理溶液，使滤纸始终保持湿润状态。每个处理重复3 次。

4、小麦种子的发芽势和发芽率测定。在第3d 时测定种子发芽势，公式为：发芽势=发芽试验初期规定天数内发芽种子数/供试种子数×100%;第7d 发芽试验结束时测定发芽率，公式为：发芽率=发芽试验终期规定天数内全部发芽种子数/供试种子数×100%。

5、幼苗的主根长和芽长。从各处理的3 个重复中，分别随机选取10 株，测定发芽种子主根长、芽长，并记录相应的数据。

6、幼苗的鲜重及干重测定。从各处理的3 个重复中分别随机选取10 株，用电子天平称量其鲜重，然后在恒温烘干箱中，105℃条件下杀青15min，70℃烘至恒重后称量其干重。

二、结果与分析

（一） SiO2-NP 对镉胁迫下小麦种子发芽率、发芽势的影响

从表2 中可以看出，当Cd2+浓度为10mg/L 时，Cd10与CK相比小麦种子的发芽率提高了0.1%，发芽势降低了0.1%。当Cd2+浓度为30m g/L 时，C30与CK 相比小麦种子的发芽率降低了0.8% 、发芽势下降了1.5% 。当SiO2- NP 的浓度为120m g/L 时，与CK 相比小麦种子的发芽率下降了1.8%，发芽势提高了1%，但差异并不显著。

当SiO2-NP 和CdCl2共同处理时，Cd10Si 处理下，小麦种子发芽势与Cd10 相比，增加了5.43%，Cd30Si 处理与Cd30 相比，增加了5.37%。然而小麥的发芽率与单独的Cd2+处理相比稍微降低。

（二） SiO2-NP 对镉胁迫下小麦幼苗芽长、根长的影响

从表3 中可以看出，当Cd2+浓度为10m g/L 时，Cd10与CK相比，小麦的芽长、根长分别下降了23.22%、61.35%。当Cd2 + 浓度为30m g/L 时， 芽长、根长分别下降了32.47%、78.84%，说明镉可显著抑制小麦的芽长、根长，并且这种抑制作用会随着镉浓度的增加而增强。当SiO2-NP 的浓度为120m g/L 时，Si 与CK 相比，芽长下降了5.54%，根长上升了21.99%。说明SiO2-NP 可有效促进根的生长。

当SiO2-NP 和CdCl2 共同处理时，Cd10Si 处理的小麦芽长、根长比Cd10分别上升了24.68%、130.58%，Cd30Si 处理的小麦芽长、根长比Cd30 上升了8.70%、79.33%。说明SiO2-NP 可降低镉的毒害作用，并且能够促进小麦种子芽长、根长的生长。

（三） SiO2-NP 对镉胁迫下小麦幼苗鲜重、干重的影响

从表4 中可知，当Cd2 +浓度为10mg/L 时，Cd10与CK 相比，小麦种子的鲜重下降了7.27%，干重上升了13.33%。当Cd2+浓度为30m g/L 时，Cd30与CK 相比，小麦种子的鲜重下降了19.55%，干重上升了13.33%。从以上分析中可以看出，镉可降低小麦种子的鲜重，增加小麦幼苗的干重。当SiO2-NP 的浓度为120m g/L 时，与CK 相比，小麦幼苗的鲜重上升了6.81%，干重上升了8.2%。表明SiO2-NP 具有促进小麦幼苗生长的作用。

当SiO2-NP 和CdCl2共同处理时，Cd10Si 处理的小麦幼苗的鲜重和干重与Cd10 相比略微下降;而Cd30Si 与Cd30 相比，小麦的鲜重和干重略微增加。即SiO2-NP 对镉处理下小麦幼苗的鲜重、干重没有明显影响。

三、讨论与结论

随着我国工业和农业的快速发展，越来越多的重金属进入到土壤中，土壤重金属污染问题引起了国内外的大量关注。重金属镉主要是以二价形式存在大自然中，是重金属污染中很常见的元素之一。目前已有很多关于镉对植物生长发育影响的研究，如，付世景等[3]研究发现，当镉的浓度大于5m g/L 时，能够显著抑制板蓝根种子的萌发。我们在试验中发现，10m g/L 和30m g/L 浓度的镉对小麦种子的发芽率的影响没有显著区别，这与付世景等研究结果并不一致。这可能是由于镉对不同作物的毒害力不同，更高浓度的镉才能显著抑制小麦种子的萌发。张珂等[4]认为，镉对小麦种子发芽率的影响与镉离子的浓度有关，低浓度的重金属镉对小麦发芽有促进作用，但是随着镉浓度的增加，高浓度镉会起到抑制作用。因此，通过一定措施降低小麦对镉的吸收便非常重要。孟红梅等[5]研究发现，在重金属镉的胁迫下加入硅后，可显著缓解镉对板蓝根种子萌发的抑制作用;且当硅浓度为60m g/L 时，其缓解镉毒害的效果最好，当硅浓度为120m g/L时，板蓝根种子的萌发会受到抑制。本试验的SiO2-NP 浓度设置为120m g/L，研究发现SiO2-NP 可缓解镉处理对小麦根长和芽长的抑制作用。这可能是由于SiO2-NP 与镉形成了络合物，阻止了小麦根系对镉的吸收，从而减轻了植株受到的镉胁迫。