镉胁迫对不同水稻品种种子萌发和幼苗生长的影响

杨 明，陈 璐，徐庆国，孙亚莉

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

水稻是中国和世界的主要粮食作物之一。中国是稻米生产与消费主要国家，全国一半以上的人口以稻米为主食，随着人们生活水平的提高，优质健康稻米越来越受到人们的青睐。稻米质量与安全直接关系到人民的日常生活与健康，优质安全稻米的生产不仅影响我国稻米在世界市场的竞争力，也对世界粮食安全具有重要意义［1］。随着近年我国工业的迅速发展及农业生产中化肥农药的大量施用，农田土壤的重金属污染日趋严重。其中，半衰期长、不易降解的镉被认定为我国水稻的重点污染物之一［2］。镉在环境与人体中都有富集作用，主要通过食物链进入人体，富集在人体肝脏、肾脏、胰腺和骨骼中，能引起各种疾病［3］。同时，镉对水稻等农作物本身的生长发育也有很大影响，可导致植株叶片黄化、脱落、植株矮小和物候期延迟，从而降低水稻的产量和米质［4，5］。以往许多学者对镉胁迫的水稻积累规律及其对其营养代谢、生长发育的影响等做了许多研究，取得了可喜成果［6，7］。然而有关镉胁迫对不同水稻品种的种子萌发和幼苗生长的影响研究较少。本研究以52个水稻品种（系）种子为材料，研究了不同镉胁迫浓度对其种子萌发及幼苗生长的影响，以期为选育镉低积累水稻新品种及其镉污染稻田的水稻安全生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用52个不同遗传背景的水稻品种（系）：天丰A×广恢、华占、黄花占选3、湘晚籼17号、21H杂优7号、洞藏红米选白米、2011中红米选白米、佳福占、香米选、黑米选籼、湘晚籼6号选、湘晚籼12号、玉针香、黑2号选、湘晚籼13号、创宇5号、创香5号、农香18号、湘早籼33号、湘早籼13号、广恢998、明恢 63、明恢 77、广 8B、优 1B、V20B、丰源 B、冈46B、159B、Ⅱ －32B、天丰 B、中9B、资100B、协青早 B、地谷 B、内江 B、金23B、岳4B、广98B、湘香 B、湘丰B、博B、复籼201选、湘珠占1号、湘农大红米、昕红129、昕K－1、万早52、常香优选2、黑籼2号、21H杂优7号选小粒、21H杂优9号选小粒。种子均来自湖南农业大学水稻科学研究所。

1.2 试验方法

分别取籽粒饱满健康种子，用0.5%的NaClO溶液灭菌20 min后，再用去离子水反复冲洗。用50 mL蒸馏水浸种60 min后，将种子摆放于铺有2层滤纸的培养皿中，每皿摆放100粒种子。分别加入0（蒸馏水，CK）、0.5、1.0、2.0 mmol／L等 4种不同浓度镉溶液5 mL，于培养箱中进行发芽，光照12 h、25℃，黑暗12 h、25℃［6］。每个处理重复3次。用移液管每天补充对应浓度镉溶液1 mL，使滤纸保持湿润。以幼芽达到种子长度1／2，根长与种子等长作为种子发芽标准。发芽第3天统计发芽势，发芽试验第7天统计发芽率、胚根长与胚芽长、幼苗鲜重与干重。胚根长与胚芽长用1／10 cm小尺人工测量。种子发芽率、发芽指数和活力指数按如下公式计算：

发芽率＝（供试种子发芽数／供试种子数）×100%

为消除各品种（系）间的各种子发芽性状差异，对各供试水稻品种（系）的萌发与幼苗生长期的各性状指标均采用相对值，即采用不同镉溶液胁迫浓度下的指标值／对照的指标值［6］。

1.3 数据处理方法

本研究各数据均采用各性状测定平均值利用Excel2007进行数据统计与制图，并用DPS7.05进行方差与聚类分析。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对不同水稻品种（系）发芽率、发芽势、发芽指数与活力指数的影响

如表1所示，随着镉浓度的逐渐增大，不同水稻品种（系）的平均发芽率、发芽势、发芽指数与活力指数均逐渐减小。在0.5 mmol／L Cd2＋处理浓度下，52个供试水稻品种（系）的平均发芽势、发芽率、发芽指数与活力指数分别为67.2%、82.8%、25.3、32.9，比其对照值分别降低了8.8%、5.9%、2.6、132，均达到极显著差异水平。其中，活力指数降低幅度最大。1.0 mmol／L和 2.0 mmol／L Cd2＋处理浓度下，52个供试水稻品种（系）种子的平均发芽势分别为50.5%和16.7%，其平均发芽率分别为72.4%和32.6%，其发芽指数分别为21.4和8，其活力指数分别为14.9和0，与其它镉处理浓度的平均发芽势、发芽率、发芽和活力指数相比较，均达到极显著差异水平。其中，在2.0 mmol／L Cd2＋胁迫浓度下，各项指标下降幅度增加，其活力指数下降至零。

表1 不同浓度镉处理各水稻品种（系）的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数（n＝52）Table 1 Effects of different cadmium stress on seed germination rate，germination energy，germination index and vigor index of the rice varieties（n＝52）

2.2 镉胁迫对不同水稻品种（系）胚芽鲜重与干重、幼苗芽长与根长的影响

如表2所示，随着镉胁迫浓度的逐渐增大，不同水稻品种（系）的胚芽鲜重与干重、幼苗芽长与根长均逐渐减小。0、0.5、1.0、2.0 mmol／L镉浓度处理的幼苗鲜重与干重、幼苗芽长与根长均达到极显著水平的差异。在镉浓度为0.5 mmol／L条件下，各项指标下降幅度最大，其中幼苗鲜重与干重分别较对照减少11.9与2.2 mg，幼苗芽长与根长分别减少1.1与 4.6 cm。在 0.5、1.0、2.0 mmol／L镉胁迫浓度下的幼苗芽长比对照的减少量分别是1.1、1.6、2.1 cm，同样条件下幼苗根长比对照的减少量分别为4.6、5.2、0.7 cm。由此可知，各镉胁迫浓度处理对各水稻品种（系）幼苗芽的影响小于对幼苗根的影响。在0.5 mmol／L镉胁迫浓度下幼苗根长仅为1.3 cm；2 mmol／L镉胁迫浓度下幼苗根几乎不能生长。由此可知，水稻幼苗根的生长对镉胁迫非常敏感。

表2 不同浓度镉处理的水稻品种（系）胚芽鲜重与干重、幼苗芽长与根长Table 2 Effects of Cd treatment on relative seedling fresh weight，seedling dry weight，radical length and germ length of the rice varieties

2.3 不同镉胁迫处理的各水稻品种（系）幼苗期各性状的相互关系

不同镉胁迫浓度处理下，不同水稻品种（系）幼苗期各性状的相互关系密切。如表3所示，0 mmol／L镉胁迫浓度下，52个供试品种（系）的发芽势与发芽率、发芽势与芽长、发芽势与根长、发芽率与芽长、发芽率与根长、幼苗干重与芽长、芽长与根长均分别呈极显著正相关；发芽势与幼苗鲜重、发芽率与发芽鲜重均分别呈显著正相关。0.5 mmol／L镉胁迫浓度下，发芽势与发芽率、发芽势与幼苗干重、发芽势与芽长、发芽率与芽长均分别呈极显著正相关；发芽率与幼苗干重、幼苗鲜重与幼苗干重均分别呈显著正相关。1 mmol／L镉胁迫浓度下，发芽势与发芽率、发芽率与幼苗鲜重、发芽率与芽长、幼苗鲜重与幼苗干重、幼苗鲜重与根长、幼苗干重与根长均分别呈极显著正相关；发芽势与幼苗鲜重、发芽率与根长均分别呈显著正相关。2 mmol／L镉胁迫条件下，52个供试水稻品种（系）萌发幼苗期的发芽势、发芽率、幼苗鲜重与干重、芽长、根长均分别呈极显著正相关。

表3 不同浓度镉处理的各水稻品种（系）萌发幼苗期各性状的相关系数（n＝52）Table 3 The correlation coefficient of the traits at seed germination period of the rice varieties at different Cd treatments（n＝52）

2.4 不同水稻品种幼苗期镉胁迫抗性的聚类分析

将不同镉胁迫浓度处理下不同水稻品种（系）幼苗期各性状指标的相对值采用Ward（离差平方和法）进行聚类分析，如图1所示。根据不同水稻品种在4个Cd2＋胁迫浓度下的各性状表现，可将52个供试水稻品种（系）幼苗期的镉胁迫抗性分为如下3种类型：第1类为耐镉性水稻品种（系），包括天丰A×广恢、湘晚籼17号、佳福占、湘农大红米、昕红129、冈46B、华占、湘晚籼12号、协青早 B、湘丰B。该类型共10个品种（系），它们在4种镉胁迫浓度下发芽以及幼苗生长情况良好，对镉胁迫的抗性较强；第2类为中等耐镉品种（系），包括黄花占选3、21H杂优7号、洞藏红米选白米、2011中红米选白米、香米选、黑米选籼、湘晚籼6号选、玉针香、黑2号选、湘晚籼13号、创宇5号、创香5号、农香18号、湘早籼33号、湘早籼13号、广恢998、明恢63、明恢 77、优 1B、Ⅱ －32B、中 9B、资 100B、内江B、金23B、岳4B、湘香B、复籼201选、湘珠占1号、昕K－1、万早52、常香优选2、黑籼2号、21H杂优7号选小粒、21H杂优9号选小粒，共34个水稻品种（系）。该类品种在不同镉浓度胁迫下发芽情况及幼苗生长状况较好，对镉胁迫的抗性居中；第3类为不耐镉（敏感）水稻品种（系），包括广8B、V20B、丰源 B、博 B、159B、天丰 B、地谷 B、广 98B，共 8个水稻品种（系）。该类品种种子的萌发与幼苗生长受镉胁迫抑制严重。

通过对52个不同镉胁迫抗性的水稻品种（系）进行分类可知，天丰A×广恢、湘晚籼17号、佳福占、湘农大红米、昕红129、冈46B、华占、湘晚籼12号、协青早B、湘丰B等共10个水稻品种（系）可以作为耐镉水稻品种（系）育种亲本或直接进行示范推广；而广8B、V20B、丰源B、博B、159B、天丰B、地谷B、广98B等共8个水稻品种（系），对镉胁迫敏感，不宜用作耐镉水稻品种（系）育种亲本或在镉污染较严重的南方稻田种植。

3 讨论

图1 不同水稻品种镉胁迫抗性的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of Cadm ium resistance of the rice varieties

水稻种子萌发与幼苗生长是水稻生命的起点，同时也是水稻最早与外界环境接触的阶段，在此阶段，水稻最易受到镉胁迫的危害。马孟莉等［8］研究表明，随着镉离子浓度的逐渐增大，不同水稻品种种子的发芽率均逐渐下降，且不同水稻品种对镉胁迫的耐受性差异显著。申玉香等［9］通过对特优599与盐稻8号等2个水稻品种的研究表明，当镉离子浓度小于5 mg／L时，该2个水稻品种的发芽势、发芽率均显著高于对照的发芽势、发芽率；当镉离子浓度大于5 mg／L时，该2个水稻品种的发芽势和发芽率呈极显著下降。由于本研究所选取的镉胁迫浓度偏高，各镉胁迫浓度对不同水稻品种（系）种子的发芽势、发芽率均呈抑制作用。

本研究结果表明，不同浓度镉胁迫处理下，不同水稻品种（系）种子各萌发与幼苗生长性状的相互关系密切。本研究结果还表明，水稻种子的各种子萌发特性与幼苗生长指标对镉胁迫的耐受性不同，活力指数、幼苗根长对镉胁迫最敏感，受抑制程度最大，而发芽势、发芽率受镉胁迫影响程度相对较小。曾翔等［10］、孟桂元等［11］对不同水稻品种在不同镉胁迫浓度下进行萌发特性研究表明，不同水稻品种的镉胁迫抗性存在明显的品种间差异。本研究结果表明，相同Cd2＋胁迫浓度处理对不同水稻品种（系）种子的各种子萌发性状的抑制程度存在明显的品种（系）间差异，供试的52个水稻品种（系）中，有天丰A×广恢、湘晚籼17号、佳福占、湘农大红米、昕红129、冈46B、华占、湘晚籼12号、协青早 B、湘丰 B等共10个水稻品种（系）对镉胁迫的抗性较强。

参考文献：

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［5］ Miyadate H，Akagi H.OsHMA3，a P1B－type of ATPase affects root－to－shoot cadmium translocation in rice by mediating efflux into vacuoles［J］.New Phytologist，2011，189（1）：190－199.

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［10］曾翔，张玉烛，王凯荣，等.镉对水稻种子萌发的影响［J］.应用生态学报，2007，18（7）：1665－1668.

［11］孟桂元，唐 婷，周 静，等.不同水稻品种种子萌发及根芽生长的耐镉性差异研究［J］.杂交水稻，2015，30（5）：65－69.