鎘脅迫對黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生理指標的影響

姜曉君 蔣英

摘 ? ?要：以黃瓜為試材，通過溫室無土栽培的方式，研究0，10，40，120，240 μmol·L-1 5個鎘濃度梯度對種子萌發(fā)（發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)）及幼苗生理指標[脯氨酸、氨基酸、可溶性糖、丙二醛（MDA）和SPAD值]的影響，其中0 μmol·L-1作為對照。結(jié)果表明：隨著鎘濃度的增加，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)及幼苗SPAD值呈降低趨勢，幼苗脯氨酸、氨基酸和MDA含量呈上升趨勢，而幼苗可溶性糖含量表現(xiàn)出先升高再降低的單峰變化趨勢，至鎘濃度10 μmol·L-1時達到最大值;當鎘濃度為10 μmol·L-1時，黃瓜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢及幼苗脯氨酸、可溶性糖、MDA含量和SPAD值與對照差異均不顯著（P>0.05），而40～240 μmol·L-1處理各種子萌發(fā)指標及幼苗生理指標均與對照差異顯著（P<0.05），說明黃瓜可以耐受10 μmol·L-1以內(nèi)的鎘脅迫。

關(guān)鍵詞：黃瓜;鎘脅迫;種子萌發(fā);幼苗;生理指標

中圖分類號：O614.24; S642.2; Q945.78 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.10.006

Abstract： The experiment was conducted with cucumber， the effects of five cadmium concentration gradients （0，10，40，120，240 μmol·L-1） on seed germination （germination percentage， germination potential， germination index and vigor index） and seedling physiological indices [proline， amino acid， soluble sugar， malondialdehyde （MDA） and SPAD value， were studied by soilless cultivation in greenhouse， the concentration of 0 μmol·L-1 was used as the control. The results showed that with the increase of cadmium concentration， seed germination rate， germination potential， germination index， vigor index and seedlings SPAD value decreased， the seedlings proline， amino acid and MDA content increased， while the seedlings soluble sugar content increased first and then decreased， which the maximum value was occurred in the 10 μmol·L-1 cadmium concentration. When the cadmium concentration was 10 μmol·L-1， the germination rate， germination potential， and seedlings proline， soluble sugar， MDA content and SPAD value had no significant difference with those of the control（P>0.05）， but the seed germination indices and seedlings physiological indices of cucumber treated with 40～240 μmol·L-1 were significantly different from those of the control（P<0.05）， indicating that the cucumber could tolerate cadmium stress within 10 μmol·L-1.

Key words： cucumber; cadmium stress; seed germination; seedling; physiological indicators

鎘作為有毒重金屬元素，對動植物生長的各個階段均可表現(xiàn)出毒性效應(yīng)。鎘污染土壤后經(jīng)根系吸收進入植物體內(nèi)，在植株體內(nèi)積累[1]，并對植株形態(tài)、生理等方面產(chǎn)生危害，輕者表現(xiàn)為葉片皺縮、側(cè)根生長受阻、光合作用減弱、礦物質(zhì)吸收能力下降，細胞膜發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)[2]，重者引起代謝紊亂直至植株死亡[3]。鎘被植物吸收后通過食物鏈傳遞，使70%以上的鎘在人體內(nèi)富集，半衰期長達20～30年，對人類健康造成極大威脅[4]。

目前，有關(guān)鎘脅迫對黃瓜幼苗生長指標的影響已有較多研究，但多為用土盆栽的方法。以草炭培、椰絨培、蛭石培、巖棉培、水培和霧培為代表的無土栽培可以有效避免土壤盆栽栽培試驗因干濕不均造成的試驗誤差，故本文通過無土栽培方式研究鎘脅迫對黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生理指標的影響，探究黃瓜對鎘的耐受范圍，旨在為黃瓜重金屬逆境傷害機理研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 材 料

供試黃瓜品種為‘粵繡一號。

1.2 試驗設(shè)計

按鎘濃度梯度0，10，40，120，240 μmol·L-1將硝酸鉻Cd（NO3）2加入至Hoagland營養(yǎng)液中，用以開展黃瓜種子萌發(fā)和幼苗生理脅迫試驗，其中0 μmol·L-1鎘處理作為對照。

1.2.1 種子萌發(fā)試驗 ? ?將殺菌消毒后的黃瓜種子均勻擺放在培養(yǎng)皿內(nèi)，每皿50粒，培養(yǎng)皿底部墊一層濾紙。用含有上述鎘濃度梯度的Hoagland營養(yǎng)液浸種，每處理用3個培養(yǎng)皿作為3次重復(fù)，每12 h更換1次營養(yǎng)液。溫度設(shè)置為28±2 ℃。當胚根長度達到種子長度的一半時記為發(fā)芽，處理3 d后統(tǒng)計發(fā)芽粒數(shù)，計算發(fā)芽勢，7 d后統(tǒng)計發(fā)芽粒數(shù)，計算發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)[5]。公式如下：

發(fā)芽率=種子發(fā)芽粒數(shù)/供試種子粒數(shù)×100%

發(fā)芽勢=前3 d發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子粒數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)（GI）=ΣGt/Dt

活力指數(shù)（VI）=GI×S

式中，Gt為t時間種子發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)，S為芽長。

1.2.2 幼苗生理脅迫試驗 ? ?用50孔的穴盤進行黃瓜育苗，將比例為1∶1∶3的珍珠巖、蛭石、草炭混合后作為基質(zhì)。當黃瓜幼苗3葉1心時，選取長勢一致的幼苗，洗去根部基質(zhì)后，移栽至有Hoagland營養(yǎng)液的水培塑料盆（長75 cm、寬40 cm、高15 cm），塑料盆上覆蓋有打孔均勻的泡沫板，每板8孔移栽8株黃瓜幼苗。5 d后，更換為含有上述鎘濃度梯度的Hoagland營養(yǎng)液，每個處理3盆作為3次重復(fù)，共計15盆。脅迫10 d后，測定脯氨酸、氨基酸、可溶性糖、丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量和SPAD值。

1.3 測定指標及方法

采用酸性茚三酮法測定脯氨酸含量，蒽酮比色法測定可溶性糖含量，硫代巴比妥酸法測定MDA含量，茚三酮比色法測定氨基酸含量[6];采用葉綠素儀SPAD-502測定葉片SPAD（Soil and Plant Analyzer

Development）值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)處理和繪圖，用SAS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對黃瓜種子萌發(fā)的影響

由表1可知，在鎘濃度0～240 μmol·L-1范圍內(nèi)，隨著鎘濃度的增加，黃瓜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，至240 μmol·L-1時值最低，與對照相比，其發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別降低50.25和16.01個百分點，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別降低了60.12%和85.36%，差異顯著（P<0.05）;當鎘濃度為10 μmol·L-1時，發(fā)芽率、發(fā)芽勢和對照差異不顯著（P>0.05），說明低濃度鎘脅迫對黃瓜種子的萌發(fā)抑制作用不明顯，但發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)差異顯著（P<0.05），表明黃瓜種子萌發(fā)后對鎘脅迫更加敏感;40 μmol·L-1和120 μmol·L-1鎘處理與其他濃度處理差異均顯著（P<0.05）。

2.2 鎘脅迫對葉片生理指標的影響

由表2可知，隨鎘濃度的增加，脯氨酸和MDA含量逐漸升高，在鎘濃度10 μmol·L-1時與對照差異均不顯著（P>0.05），表明此濃度對黃瓜葉片細胞膜的傷害不明顯，其他處理與對照差異均達顯著水平（P<0.05）;氨基酸含量亦呈升高趨勢且處理間差異均顯著（P<0.05）;可溶性糖含量呈先升高再降低的趨勢，于10 μmol·L-1時最高，但與對照差異不顯著（P>0.05），其他濃度處理均顯著低于對照且處理間差異亦達顯著水平（P<0.05），至240 μmol·L-1時較對照降低73.21%;SPAD值逐漸降低，在10 μmol·L-1時與對照差異不顯著（P>0.05），表明低濃度的鎘脅迫對葉綠素的抑制不明顯，其他濃度處理與對照差異均顯著（P<0.05），至240 μmol·L-1時較對照降低64.04%。

3 結(jié)論與討論

鎘是植物生長的非必需元素，當其在植物體內(nèi)累積到一定量時會對植株產(chǎn)生毒害效應(yīng)[7]。種子萌發(fā)是植物生長發(fā)育進程中對環(huán)境因子變化最敏感的一個時期[8]。鎘可以使細胞中的DNA和RNA活性降低，抑制細胞有絲分裂[9]，同時還能抑制多種水解酶的活性，使胚體在發(fā)育過程中不能獲得足夠的物質(zhì)和能量供應(yīng)，最終抑制種子的萌發(fā)。歐麗等[10]研究指出，鎘濃度>10 mg·L-1時抑制野茼蒿種子萌發(fā)，鎘濃度<5 mg·L-1時則表現(xiàn)為促進作用;陳志德等[11]研究認為，0～10 mg·L-1時的鎘脅迫對水稻種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)影響不顯著，但隨脅迫強度的增加上述指標被抑制的程度增大。本試驗結(jié)果表明，黃瓜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨鎘脅迫濃度的增加而降低，除10 μmol·L-1時發(fā)芽率和發(fā)芽勢與對照差異不顯著之外，其他均達到顯著水平，這與前人研究并不完全相同，可能是因為植物種子對鎘的耐性受其遺傳基因的影響，與植物的種類、品種、生長發(fā)育階段有關(guān)[12]。

植物在遭受逆境脅迫時可通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)節(jié)細胞滲透壓，使其更好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化[13]。脯氨酸、氨基酸和可溶性糖都是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[14]。本試驗結(jié)果表明，在0～240 μmol·L-1范圍，脯氨酸、氨基酸含量隨鎘濃度的增加而增加，這可能因為重金屬離子通過與蛋白質(zhì)的巰基或酶的活性中心結(jié)合使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變，蛋白質(zhì)合成受阻使游離氨基酸積累[15]，脯氨酸在蛋白質(zhì)合成受阻情況下進一步積累。MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量高低能夠反映膜系統(tǒng)受傷害程度的強弱[16]。本試驗條件下，MDA含量呈升高趨勢，這表明隨鎘脅迫強度增加黃瓜葉片膜系統(tǒng)發(fā)生膜脂過氧化的程度加劇，膜系統(tǒng)受到損傷，而膜系統(tǒng)受損PS II活性被抑制，碳代謝途徑受到破壞，光合能力下降，可溶性糖等同化物積累減少[17]，這進一步解釋了可溶性糖含量降低的原因。

SPAD值能夠在不損傷葉片的前提下獲取，可用來反映葉片葉綠素的相對含量[18]。本試驗結(jié)果表明，SPAD值隨鎘脅迫的增強而降低，與李雪玲[19]等在苧麻上的研究結(jié)論一致，表明鎘脅迫使黃瓜葉片葉綠素含量降低，這可能是因為鎘一方面可與葉綠素的某些酶結(jié)合如膽色素原脫氨酶結(jié)合，抑制酶活，阻礙葉綠素合成[20]，另一方面與葉綠體蛋白上的巰基結(jié)合破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，使葉綠素合成減少、分解加快。

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