微量元素Cu對低溫脅迫下玉米種子活力影響的研究

劉源霞 賈春蘭 唐 琳 蘭進好，3

（1青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東青島 266109；2山東登海種業(yè)股份有限公司，萊州 261418；3山東省玉米技術(shù)創(chuàng)新中心，萊州 261418）

汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、銀（Ag）、銅（Cu）、鋅（Zn）等重金屬造成的環(huán)境污染一直引起人們的高度關(guān)注[1]。Fe、Cu、Mn、Zn等是動植物生長發(fā)育所必需的元素，而諸如Pb、Hg等則不是動植物所必需的元素。重金屬通過被植物吸收利用進入食物鏈，對人類的健康造成危害，也有關(guān)于銅對植物毒性的報道，但關(guān)于銅元素對種子活力影響的研究卻鮮見。在植物生長發(fā)育的過程中，銅是一種必需的微量元素，它能夠參與植物光合作用，是多酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶等酶類的組成成分[2]。有試驗表明，對大多數(shù)的植物來說，種皮對銅等重金屬離子具有低滲透性，一直到胚根突破種皮[3]。種子的萌發(fā)和幼苗根的生長是植物生長發(fā)育中特別重要的階段，同時也是植物對環(huán)境改變最敏感的階段[4]，因此在這個階段可以明顯地表現(xiàn)出銅對植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)作用。

玉米對溫度的要求較高，對低溫抗性較弱[5]，溫度對玉米種子的萌發(fā)和植株生長發(fā)育都有著重要的影響。有研究表明，溫度對玉米出苗速度、葉片光合作用、雄穗發(fā)育情況以及籽粒的形成和灌漿等都能造成一定影響。北方春玉米區(qū)是我國最重要的玉米產(chǎn)區(qū)，早春的玉米容易因溫度過低造成冷害、凍害而影響種子發(fā)芽，造成缺苗斷壟，最終導(dǎo)致減產(chǎn)[6-7]。高活力種子對田間逆境有較強的抗性，能夠提高田間成苗率，節(jié)省播種費用。對種子進行播前處理在一定程度上能夠提高種子活力，增強其在低溫等逆境下的成苗能力，對作物生產(chǎn)具有重要實踐意義[8]。

隨著玉米單粒機械化精準(zhǔn)播種技術(shù)的日漸普及，農(nóng)業(yè)對高活力玉米種子的需求更加迫切，如何快捷有效地提高種子活力以滿足應(yīng)急播種和單粒播種的要求，成為玉米生產(chǎn)中亟待解決的問題。目前，關(guān)于Cu元素在常溫下對玉米種子的萌發(fā)具有促進作用的研究已有報道，而低溫脅迫條件下，微量元素銅與種子活力的關(guān)系尚未見報道。本研究選用了5個不同基因型玉米雜交種進行試驗，旨在探討低溫脅迫條件下Cu2+浸種處理方法能否有效提高種子活力。

1 材料與方法

1.1 試驗材料本試驗用的5個玉米雜交種為登海315、德玉四號、登海1302、登海506和農(nóng)星207，種子由淄博禾豐種業(yè)科技有限公司和山東登海種業(yè)股份有限公司提供；所用的CuSO4·5H2O購自諸城市康泰化工有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子處理選取種皮完好、籽粒完整、大小一致的玉米種子，用30%的NaClO消毒處理30s，用蒸餾水漂洗3次，晾干備用。每個雜交種的種子分成6等份，室溫下將其分別置于濃度為0mg/L（CK，即水處理）、0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L、2.0mg/L的CuSO4溶液中浸種8～10h，然后自然回干至含水量為20%～25%（用電腦水分測定儀LDS-1H測定）。

1.2.2 發(fā)芽試驗及測定指標(biāo)各雜交種的每個處理設(shè)3次重復(fù)，每次重復(fù)50粒種子。采用紙床發(fā)芽法，將浸種處理回干后的種子整齊排列在墊有3層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，置于10℃光照培養(yǎng)箱做發(fā)芽試驗。每天定時觀察種子需水情況，并補水至濾紙飽和。每隔24h記錄種子的發(fā)芽情況，第14天計算脅迫發(fā)芽勢；第20天計算脅迫發(fā)芽率，并測量苗高、根長、根數(shù)、苗干重以及根干重。

1.3 結(jié)果記載與數(shù)據(jù)處理各結(jié)果記載與數(shù)據(jù)處理方法如下。

脅迫發(fā)芽勢（%）=在脅迫發(fā)芽試驗第14天，發(fā)芽種子百分?jǐn)?shù)；脅迫發(fā)芽率（%）=在脅迫發(fā)芽試驗第20天，發(fā)芽種子百分?jǐn)?shù)；苗高：測量并記錄每一粒發(fā)芽種子的苗高，計算平均數(shù)；根長：測量并記錄每一粒發(fā)芽種子的最長根的根長，計算平均數(shù)；根數(shù)：計數(shù)每一粒發(fā)芽種子的根數(shù)，計算平均數(shù)；苗干重：將同一處理發(fā)芽種子的苗沿種子處剪下，裝入紙袋，105℃殺青15min，80℃烘干至恒重，電子天平稱重烘干樣并記錄，計算單根幼苗的平均干重；根干重：將同一處理發(fā)芽種子的根沿種子處剪下，裝入紙袋，105℃殺青15min，80℃烘干至恒重，電子天平稱重烘干樣并記錄，計算每粒種子單條根的平均干重。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫下不同濃度硫酸銅溶液對種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響發(fā)芽勢、發(fā)芽率體現(xiàn)種子發(fā)芽力的強弱，是種子質(zhì)量優(yōu)劣的主要評價指標(biāo)，種子自身因素和外界條件均對種子發(fā)芽力有較大影響[9]。

由表1可知，在低溫脅迫處理下，5個玉米雜交種的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均隨硫酸銅溶液濃度的升高呈先升后降的趨勢，表明硫酸銅溶液對玉米種子萌發(fā)在一定范圍內(nèi)起促進作用，超過這一范圍則起抑制作用，并且Cu2+的濃度越高，其抑制作用越強。與對照相比，在低溫脅迫下，硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時對發(fā)芽勢和發(fā)芽率的促進作用最明顯，低溫對玉米萌發(fā)造成的抑制作用明顯減弱，5個品種的發(fā)芽勢和發(fā)芽率都達到最高，發(fā)芽率最高的可以達到99%；濃度升高到0.8mg/L時，促進作用變?nèi)?，各雜交種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率除德玉四號外均較對照略有提高或與之持平，說明此時Cu2+對玉米的萌發(fā)仍有一定的促進作用；濃度達到1.2mg/L時轉(zhuǎn)為抑制作用，發(fā)芽勢和發(fā)芽率與對照相比都有明顯下降，說明抑制作用增強，濃度越高，抑制作用越強，濃度為2.0mg/L時抑制作用達到最強。

由表1發(fā)芽率指標(biāo)可以看出，登海1302的萌發(fā)狀況最好，各處理的發(fā)芽率基本在60%以上，Cu2+對登海315和農(nóng)星207在發(fā)芽率上的促進作用表現(xiàn)最明顯，在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，這2個品種的發(fā)芽率均不低于95.0%，農(nóng)星207高達99.0%，與對照相比，這2個品種發(fā)芽率提高幅度最大，分別為35.71%和29.41%；硫酸銅溶液濃度達到2.0mg/L時，Cu2+對德玉四號發(fā)芽率表現(xiàn)出的抑制作用最明顯，發(fā)芽率僅為39.0%。通過對硫酸銅溶液處理后雜交種發(fā)芽率比較，可以看出不同基因型的玉米雜交種對Cu2+的萌發(fā)促進作用的敏感性不同。

表1 低溫下不同濃度硫酸銅溶液處理種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率

綜上所述，雖然在低溫脅迫的條件下，Cu2+對這5個玉米雜交種萌發(fā)的影響略有不同，但整體趨勢都是相同的，即Cu2+對玉米種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率的影響均表現(xiàn)為濃度低時具有較明顯的促進作用，濃度變高超過一定范圍后就會產(chǎn)生抑制作用，并且Cu2+對萌發(fā)情況的促進作用最強時的濃度均為0.4mg/L。

2.2 低溫下不同濃度硫酸銅溶液對玉米雜交種苗高的影響由表2可知，低溫脅迫20d后，硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時苗高最高，濃度達1.2mg/L后，苗高與對照持平或開始下降，且濃度越高苗越矮。因此，硫酸銅溶液浸種處理與水處理（CK）相比，Cu2+對低溫處理下玉米苗高的影響總體表現(xiàn)為低濃度的促進作用和高濃度的抑制作用，具體表現(xiàn)為在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，Cu2+對玉米雜交種苗高具有促進作用，并且此濃度下的促進作用最強；在濃度為0.8mg/L時促進作用變?nèi)?；?dāng)濃度為1.2mg/L時轉(zhuǎn)變?yōu)橐种谱饔?，而?dāng)濃度達到2.0mg/L時，抑制作用最強。同一雜交種在不同濃度硫酸銅溶液處理后，0.4mg/L濃度處理下的苗高有明顯的優(yōu)勢。

表2 低溫下不同濃度硫酸銅溶液處理種子的苗高

在同濃度硫酸銅溶液處理下，5個玉米雜交種中登海506苗高最高，對照與濃度為0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L硫酸銅溶液處理后的苗高均高于2.0cm，即使達到2.0mg/L高抑制濃度時，苗高也維持在1.5cm。在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，對登海1302的苗高促進作用表現(xiàn)最明顯，比對照增長0.9cm，增幅達56.25%；對登海506的促進作用表現(xiàn)最弱，只比對照增長0.2cm，增幅僅8.70%?？梢?，不同基因型玉米雜交種對Cu2+的幼苗促進作用的敏感程度不同。

2.3 低溫下不同濃度硫酸銅溶液對種子根部性狀的影響研究表明，玉米根尖細胞的原生質(zhì)體會因為微量元素銅的大量存在而遭到破壞，過量的銅會令細胞膜的強度逐漸降低，導(dǎo)致Cu2+能夠滲入細胞從而產(chǎn)生毒害作用，進而影響到各種細胞器的結(jié)構(gòu)和功能[10]。通過試驗可以看出，低濃度的Cu2+不會對玉米的根系產(chǎn)生毒害作用，反而會產(chǎn)生一定的促進作用。

由表3可知，在20d的低溫脅迫處理下，玉米雜交種的根長隨硫酸銅溶液濃度的升高呈先升后降的趨勢，濃度在0.4mg/L以下時呈上升趨勢，濃度高于0.4mg/L時呈下降趨勢。在低溫環(huán)境的脅迫下，各玉米雜交種的根數(shù)都比較少，與水處理（CK）相比，僅在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，玉米雜交種的根數(shù)保持不變或略有增加，其他濃度硫酸銅溶液處理后，大部分雜交種的根數(shù)都有不同程度的減少。不同處理間根數(shù)變化不明顯，可能是因為根數(shù)主要受遺傳因素控制，或是對低溫過度敏感的原因。

表3 低溫下不同濃度硫酸銅溶液處理種子的根長和根數(shù)

相同濃度的硫酸銅溶液處理下，5個雜交種中登海506的根部長勢最好，各處理根長均≥2.4cm，根數(shù)僅在硫酸銅溶液濃度為2.0mg/L時為1條，其余處理均≥2條。在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時，登海506的根長最長。5個雜交種均在硫酸銅溶液濃度為0.4mg/L時根長達最高，隨硫酸銅溶液濃度升高根長下降，不同材料略有差別?？梢姴煌蛐陀衩纂s交種根的生長發(fā)育對Cu2+的促進作用敏感程度不同。

2.4 低溫下不同濃度硫酸銅溶液對萌發(fā)種子干物質(zhì)積累的影響由表4可知，低溫脅迫下，用不同濃度的硫酸銅溶液處理后，苗干重和根干重隨硫酸銅溶液濃度的增加呈先升后降的趨勢，即都表現(xiàn)為低濃度時具有促進作用，高濃度時具有抑制作用，并且在其濃度為0.4mg/L時達最高值。濃度為0.4mg/L的硫酸銅溶液對5個玉米雜交種苗干重和根干重的促進作用最強，其中登海506的苗干重和根干重均最大，分別達0.013g和0.015g。

表4 低溫下不同濃度硫酸銅溶液處理種子的苗干重和根干重

3 結(jié)論與討論

在植物的整個生命周期當(dāng)中，種子的萌發(fā)是一個十分重要的階段，是生理代謝最為旺盛的階段，在這個敏感時期，最容易受到外界環(huán)境脅迫的刺激。溫度是作物能否正常生長發(fā)育的決定因素，在種子萌發(fā)期，低溫會影響作物種子萌發(fā)初期能量與物質(zhì)代謝，增加膜透性，降低種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率等，對植物生長發(fā)育影響極大。銅是植物所必需的一種微量元素，它能夠參與酶的代謝調(diào)節(jié)，對生長素的合成、作物的生長發(fā)育、種子的萌發(fā)有十分重要的影響[11]。本試驗表明銅對玉米種子活力的影響表現(xiàn)為低濃度時起促進作用，當(dāng)濃度增加到一定值后，則會產(chǎn)生抑制作用，并且隨著濃度的逐漸增加抑制作用增強。