NAA浸種對(duì)鎘脅迫下玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

(菏澤學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院/植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 菏澤 274015)

隨著工業(yè)廢氣、廢水和廢棄物排放的日益增加、礦產(chǎn)資源被過度開發(fā)，礦物肥料被不合理使用，導(dǎo)致鎘成為環(huán)境中的主要重金屬污染物之一。Cd2+污染對(duì)土壤生態(tài)安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成了一定的影響。農(nóng)業(yè)部調(diào)查表明，中國每年因重金屬污染導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)超過1 000萬t，被重金屬污染的糧食多達(dá)1 200萬t，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200億元[1]。鎘具有較強(qiáng)的移動(dòng)性、化學(xué)活性和生物毒性，易被植物根吸收并積累，并容易被運(yùn)輸?shù)街参锏厣喜縖2-3]。鎘污染對(duì)植物的生長發(fā)育造成一系列的傷害，使植物的根長、株高和生物量降低[4-5]。過量的鎘不僅影響植物生長發(fā)育，還可以通過作物的可食部分進(jìn)入食物鏈從而進(jìn)入人體。鎘進(jìn)人人體后，不能發(fā)生分解，因此在人體內(nèi)積蓄，引起致畸、致癌、突變等[6]。種子萌發(fā)階段是種子植物生活史中的重要階段，是衡量植物抗性強(qiáng)弱的關(guān)鍵時(shí)期，也是種子植物栽培群體構(gòu)建的重要時(shí)期，研究植物種子萌發(fā)和幼苗生長階段的生長狀況具有重要意義[7-8]。近年來，植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物種子萌發(fā)和幼苗生長中的作用越來越受重視，α-萘乙酸(1-Naphthaleneacetic acid，NAA)是一種廣譜型植物生長調(diào)節(jié)劑，可促進(jìn)植物細(xì)胞分裂與擴(kuò)大，誘導(dǎo)不定根的形成[9]。研究表明，一定濃度的NAA預(yù)處理能夠提高植物種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率，增強(qiáng)幼苗的整齊度，還能增強(qiáng)其抗逆性，并能夠緩解高溫、低溫對(duì)植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[10-12]。也有研究表明，NAA浸種抑制植物種子的萌發(fā)[13]。

玉米(ZeamaysL.)屬于世界性作物，在全球范圍種植廣泛。作為糧飼兼用型的主要農(nóng)作物，玉米在我國種植面積已超2 400萬hm2，遠(yuǎn)超小麥和水稻，成為了第一大糧食作物，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[14-15]。目前，關(guān)于NAA浸種對(duì)玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的研究未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以鄭單958玉米種子為材料，研究鎘脅迫對(duì)玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的影響及NAA浸種的緩解作用，旨在為玉米鎘脅迫的緩解提供理論依據(jù)，為NAA在作物生產(chǎn)中的合理應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

玉米種子鄭丹958，購自菏澤市種子公司。CdCl2購自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；NAA購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 方 法

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定CdCl2處理濃度為100 mg·L-1。精選無病蟲害、均勻飽滿的玉米種子，用5%的次氯酸鈉消毒10 min，蒸餾水沖洗5次。用濃度分別為1，5，10，15 mg·L-1的NAA溶液浸種24 h，以蒸餾水浸種為對(duì)照(ck)。浸種結(jié)束后，蒸餾水沖洗5次。將種子均勻擺放于鋪有2層浸濕不同溶液濾紙的培養(yǎng)皿中，處理如下：

注：圖中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 NAA浸種對(duì)Cd2+脅迫下玉米種子發(fā)芽勢(A)和發(fā)芽率(B)的影響

1) 蒸餾水浸種，濾紙用蒸餾水浸濕(ck)；

2) 蒸餾水浸種，濾紙用100 mg·L-1的CdCl2溶液浸濕(下同)；

3) 1 mg·L-1NAA浸種；

4) 5 mg·L-1NAA浸種；

5) 10 mg·L-1NAA浸種；

6) 15 mg·L-1NAA浸種。每組30粒種子，3次重復(fù)。

為保持Cd2+濃度的穩(wěn)定，每2 d更換1次濾紙。置光/暗周期為14 h/10 h、溫度為25 ℃/22 ℃的人工智能氣候箱中培養(yǎng)，每天記錄種子的發(fā)芽數(shù)，第3天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，第7天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，第8天測量苗長、根長并計(jì)數(shù)根數(shù)和稱量鮮重。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1種子萌發(fā)指標(biāo)

發(fā)芽勢(%)=(第3天供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(第7天供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

1.3.2生長指標(biāo)

苗高：從根莖相接處到葉片尖部的長度(cm)；

根長：最長根長度(mm)；

根數(shù)：計(jì)數(shù)每株玉米根數(shù)；

鮮重：玉米幼苗用吸水紙吸干表面水分，用電子天平稱量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 NAA浸種對(duì)鎘脅迫下玉米種子萌發(fā)的影響

由圖1-A可以看出，與對(duì)照相比，100 mg·L-1Cd2+處理后，玉米種子的發(fā)芽勢顯著降低，降幅為18.88%，說明100 mg·L-1Cd2+處理顯著抑制了玉米種子的萌發(fā)速度。與單獨(dú)Cd2+處理相比，不同濃度NAA浸種后，玉米種子的發(fā)芽勢呈先升高后降低趨勢。NAA濃度為1 mg·L-1、5 mg·L-1，玉米種子的發(fā)芽勢顯著增加，增幅分別為13.89%和23.45%，說明1 mg·L-1、5 mg·L-1NAA浸種提高了鎘脅迫下玉米種子的萌發(fā)速度，以NAA濃度為5 mg·L-1效果最好。NAA濃度為10 mg·L-1、15 mg·L-1時(shí)，玉米種子的發(fā)芽勢顯著降低，降幅分別為18.57%和49.80%，說明過高濃度的NAA抑制玉米種子的萌發(fā)速度。

由圖1-B可以看出，與對(duì)照相比，100 mg·L-1Cd2+處理后，玉米種子的發(fā)芽率顯著降低，降幅為21.74%，說明100 mg·L-1Cd2+處理抑制了玉米種子的萌發(fā)。與單獨(dú)Cd2+處理相比，不同濃度NAA浸種后，玉米種子的發(fā)芽率呈先升高后降低趨勢。NAA濃度為1 mg·L-1，玉米種子的發(fā)芽率增加，增幅為8.02%，與單獨(dú)Cd2+處理相比不存在顯著性差異。NAA濃度為5 mg·L-1時(shí)，玉米種子的發(fā)芽率顯著增加，增幅22.45%，說明5 mg·L-1NAA浸種顯著促進(jìn)了鎘脅迫下玉米種子的萌發(fā)。NAA濃度為10 mg·L-1、15 mg·L-1時(shí)，玉米種子的發(fā)芽率降低，降幅分別為14.58%和50.94%，說明過高濃度的NAA抑制玉米種子的萌發(fā)，且隨著NAA濃度的增加，抑制作用增強(qiáng)。

2.2 NAA浸種對(duì)鎘脅迫下玉米幼苗苗高和根長的影響

由圖2-A可以看出，與對(duì)照相比，100 mg·L-1Cd2+處理后，玉米幼苗的苗高顯著降低，降幅為37.45%，說明100 mg·L-1Cd2+處理顯著抑制了玉米幼苗的生長。與單獨(dú)Cd2+處理相比，不同濃度NAA浸種后，玉米種子的苗高呈先基本不變后增加再降低趨勢。1 mg·L-1的NAA浸種后，玉米幼苗的苗高與單獨(dú)Cd2+處理時(shí)相比不存在顯著性差異，說明1 mg·L-1NAA沒有顯著影響Cd2+處理下玉米幼苗的生長。5 mg·L-1的NAA浸種后，玉米幼苗的苗高顯著增加，增幅為38.43%，說明5 mg·L-1NAA浸種處理顯著促進(jìn)了鎘脅迫下玉米幼苗的生長。10 mg·L-1、15 mg·L-1的NAA浸種后，玉米幼苗的苗高顯著降低，降幅分別為18.57%和49.80%，說明過高濃度的NAA抑制玉米幼苗的生長。

圖2 NAA浸種對(duì)Cd2+脅迫下玉米幼苗苗高(A)和根長(B)的影響

圖3 NAA浸種對(duì)Cd2+脅迫下玉米幼苗根數(shù)(A)和鮮重(B)的影響

由圖2-B可以看出，與對(duì)照相比，100 mg·L-1Cd2+處理后，玉米幼苗的根長顯著降低，降幅為40.69%，說明100 mg·L-1Cd2+處理顯著抑制了玉米幼苗根的生長。與單獨(dú)Cd2+處理相比，不同濃度NAA浸種后，玉米幼苗的根長呈先增加后降低趨勢。NAA濃度為1 mg·L-1、5 mg·L-1，玉米幼苗的根長顯著增加，增幅分別為19.73%和47.53%，說明1 mg·L-1、5 mg·L-1的NAA浸種促進(jìn)了Cd2+脅迫下玉米幼苗根的生長。NAA濃度為10 mg·L-1、15 mg·L-1時(shí)，玉米幼苗的根長顯著降低，降幅分別為15.25%和56.95%，說明過高濃度的NAA抑制玉米幼苗根的生長，且隨著NAA濃度的增加，抑制作用增強(qiáng)。

2.3 NAA浸種對(duì)鎘脅迫下玉米幼苗根數(shù)和鮮重的影響

由圖3-A可以看出，與對(duì)照相比，100 mg·L-1Cd2+處理后，玉米幼苗的根數(shù)顯著降低，降幅為81.64%，說明100 mg·L-1Cd2+處理顯著抑制了玉米側(cè)根的發(fā)生。與單獨(dú)Cd2+處理相比，不同濃度NAA浸種后，玉米幼苗的根數(shù)呈先增加后降低趨勢。NAA濃度為1 mg·L-1、5 mg·L-1、10 mg·L-1時(shí)，玉米幼苗的根數(shù)顯著增加，增幅分別為96.88%、179.17%和104.17%，說明1 mg·L-1、5 mg·L-1、10 mg·L-1NAA浸種顯著促進(jìn)了Cd2+處理下玉米幼苗側(cè)根的發(fā)生，以NAA濃度為5 mg·L-1效果最好。NAA濃度為15 mg·L-1時(shí)，玉米幼苗的根數(shù)顯著減少，降幅為19.79%，說明過高濃度的NAA抑制玉米幼苗側(cè)根的發(fā)生。

由圖3-B可以看出，與對(duì)照相比，100 mg·L-1Cd2+處理后，玉米幼苗的鮮重顯著降低，降幅為35.78%，說明100 mg·L-1Cd2+處理顯著抑制了玉米幼苗的生長。與單獨(dú)Cd2+處理相比，1 mg·L-1的NAA浸種后，玉米幼苗的鮮重降低，但與單獨(dú)Cd2+處理時(shí)不存在顯著性差異，說明1mg·L-1NAA沒有顯著影響Cd2+處理下玉米幼苗的生長。5 mg·L-1的NAA浸種后，玉米幼苗的鮮重顯著增加，增幅分別為16.43%，說明5 mg·L-1NAA浸種顯著促進(jìn)了鎘脅迫下玉米幼苗的生長，使其鮮重降低。10 mg·L-1、15 mg·L-1的NAA浸種后，玉米幼苗的鮮重顯著降低，降幅分別為21.01%和35.00%，說明過高濃度的NAA抑制玉米幼苗的生長，使其鮮重降低。

3 討 論

種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率通常用來反映種子的發(fā)芽速度、發(fā)芽整齊度和出苗情況，是評(píng)價(jià)種子發(fā)芽情況的常用指標(biāo)。玉米種子的萌發(fā)及幼苗的生長狀況直接影響玉米后期的生長和產(chǎn)量。有研究表明，較低濃度的重金屬處理能夠促進(jìn)作物種子萌發(fā)及幼苗生長，而較高濃度則表現(xiàn)出抑制效應(yīng)[16]。周緣娣等研究表明，100～200 mg·L-1Cd2+處理抑制玉米種子萌發(fā)[16]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，100 mg·L-1Cd2+處理抑制了玉米種子萌發(fā)，使其發(fā)芽勢和發(fā)芽率降低，這與周緣娣等[16]、王文斌等[17]研究結(jié)果一致，所需Cd2+濃度不同可能是因?yàn)樵囼?yàn)材料不同。1～5 mg·L-1的NAA浸種可以提高100 mg·L-1Cd2+脅迫下玉米種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率，緩解Cd2+脅迫對(duì)玉米種子萌發(fā)的抑制作用，而過高濃度NAA浸種則抑制玉米種子萌發(fā)。

在玉米幼苗階段，苗高和生長量是衡量其生長狀況的常用指標(biāo)，生根數(shù)目及主根長度是幼苗活力水平的重要表征之一[18]。作為單子葉植物，玉米根系發(fā)育情況對(duì)幼苗生長有重要影響。本試驗(yàn)結(jié)果表明，100 mg·L-1Cd2+處理顯著抑制玉米幼苗生長，使玉米幼苗的苗高、根長、根數(shù)和鮮重顯著降低，根數(shù)降幅最大，為81.64%，其次是根長，說明100 mg·L-1Cd2+處理對(duì)根的抑制作用較大。1 mg·L-1NAA浸種可以緩解100 mg·L-1Cd2+處理對(duì)玉米幼苗生長的抑制作用，使其根長和根數(shù)增加，但不能顯著影響其苗高和鮮重。5 mg·L-1NAA浸種可以緩解100 mg·L-1Cd2+處理對(duì)玉米幼苗生長的抑制作用，使其根長、根數(shù)、苗高和鮮重顯著增加，其中根數(shù)和根長增幅較大，分別為47.53%和179.17%。10 mg·L-1NAA浸種加重了100 mg·L-1Cd2+處理對(duì)玉米幼苗生長的抑制作用，使玉米幼苗的苗高、根長和鮮重顯著降低，但促進(jìn)了根數(shù)的增加，15 mg·L-1NAA浸種使玉米幼苗的苗高、根長、根數(shù)和鮮重顯著降低，說明過高濃度NAA浸種對(duì)玉米幼苗的生長有抑制作用。

本研究結(jié)果表明，一定濃度NAA浸種主要是通過促進(jìn)根的生長和側(cè)根發(fā)生來緩解Cd2+對(duì)玉米幼苗根的生長的抑制作用，促進(jìn)玉米種子萌發(fā)和幼苗生長。