不同浓度镉(Cd)对水稻幼苗生长的影响

　　摘 要：探究水稻幼苗植株对镉(Cd)的适应能力，为水稻的重金属防治提供理论基础。利用琼脂培养条件模拟湿地环境，研究在不同Cd浓度条件下水稻幼苗植株生长、Cd含量及生理指标的所受影响及其对Cd的适应能力。结果表明：水稻幼苗内Cd元素含量随添加的Cd浓度升高而升高，根系中的Cd含量远高于地上部，当Cd浓度≥2.5 mg· L-1时，水稻幼苗鲜重、干重、株高和根长的抑制均达到了显著程度。琼脂培养基质中的镉浓度在0～20 mg· L-1范圍内，富集系数在Cd浓度为10.0 mg·L-1时达到最小，随后趋于平稳;转运系数呈先增长后趋于平稳的趋势。综上说明水稻幼苗在Cd浓度≥2.5 mg· L-1时生长受到显著抑制，水稻幼苗对Cd具有一定的富集和转运能力。

　　关键词：镉(Cd);水稻;琼脂培养基质;植株生长

　　镉(Cd)是一种具有很强毒性的金属物质，土壤中的镉有较强的向植物根系迁移的能力，因此植物往往容易富集镉[1-2]。植物受镉毒害的程度因植物种类、镉浓度以及植物受胁迫的发育阶段不同而存在较大差异[3-4]。水稻是世界第二大粮食作物，也是我国第一大粮食作物，因此稻谷的品质与人们的健康密切相关。科学研究发现镉污染在水稻中表现得尤为突出[5]。目前针对Cd胁迫下水稻的生长、Cd积累特征的研究多是从重金属复合胁迫等角度入手且大多限于对水稻形态指标的考查和分析[6-8]。但单一重金属Cd对水稻幼苗生长及生理特性的影响，显著影响水稻幼苗生长和生理指标的Cd胁迫浓度，及转运规律尚待进一步明确。有研究表明，生长在琼脂培养基质中的水稻所形成的形态和结构与生长在厌氧的湿地环境中相似[9]。本试验选用琼脂培养基质模拟水稻厌氧的湿地环境，研究在接近水稻生长的实际环境中，不同浓度Cd对水稻幼苗生长的影响和Cd在水稻幼苗体内的转运富集情况，可为Cd低积累水稻品种的选育提供信息，也为水稻的重金属Cd污染防治提供理论参考，对稻米的安全生产和环境保护具有重要意义。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验材料

　　供试水稻品种为Y两优911，种子购于福建省种子公司。

　　Hogland溶液：购于福州飞净生物科技有限公司。

　　1.2 试验方法

　　1.2.1 试验处理 选取籽粒饱满的水稻种子，以30% H2O2浸泡15 min，用去离子水冲洗后置于培养皿中，恒温避光催芽。

　　配制不同Cd浓度的琼脂基质(Hogland溶液)。将琼脂粉煮沸1 h，其间不断搅拌，待至室温时再加入Hogland溶液混匀，然后加入CdCl2·2H2O，配成不同Cd浓度梯度的琼脂溶液，将制好的琼脂溶液置于聚氯乙烯盆(直径9 cm、高12 cm)中，每盆500 mL。

　　待水稻幼苗长至1叶1心时，选择长势优良、植株情况相近的幼苗分别移植至处理好的琼脂培养基质中，设置6个Cd浓度梯度(0、1.0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0 mg·L-1)，其中以不添加Cd为对照(CK)，每个处理3次重复，每次重复3株植株。每5 d更新1次琼脂培养基质。处理10 d后测定Cd对水稻幼苗的影响。

　　1.2.2 测定指标及方法 水稻幼苗的植株高度、植株根部及地上部分的鲜重和干重、植株中元素(Cd、As、Pb)含量、转移系数和富集系数。

　　其中幼苗的株高以游标卡尺测定;植株不同部位的鲜重及干重使用电子天平测定，干重先105℃下杀青10 min，再在60℃下烘干至恒重[10];Cd元素含量使用电感耦合等离子体质谱仪测定;转移系数是指水稻幼苗地上部分与地下部分Cd含量的比值[11];富集系数是指水稻幼苗地上部分镉含量与琼脂基质中镉含量的比值[12]。

　　1.3 数据处理方法

　　数据图表采用Excel 2013软件处理，多重差异显著性采用SPSS 21软件分析，有效数据使用Duncan′s新复极差法进行多重比较分析。试验结果为3次测定结果的平均值。

　　2 结果与分析

　　2.1 不同浓度Cd对水稻幼苗生长的影响

　　由表1可知，随镉浓度的增加水稻幼苗的生长受到一定影响。与不添加Cd的对照组CK相比，琼脂培养基质中添加Cd浓度为1.0 mg·L-1时，株高略有下降但差异不显著(P>0.05)，说明较低浓度的镉胁迫对水稻幼苗植株长势的影响不大;而当琼脂培养基质中Cd浓度≥2.5 mg·L-1时，随着Cd浓度的增加，株高及植株生长状态均受到明显抑制(P<0.05);与CK组相比，Cd浓度为2.5、5.0、10.0 mg·L-1时，植株高度依次下降，且伴有越来越明显的叶根系褐变、植株发育不良、叶尖呈现褐色坏死斑、叶色变黄现象(图1);当Cd浓度≥15 mg·L-1时，15 d后大部分水稻植株萎蔫干枯甚至停止生长。

　　2.2 不同浓度Cd对水稻幼苗生长量的影响

　　由图2可知，随Cd浓度的增加水稻幼苗的生长量受镉危害影响明显。与不添加Cd的对照组CK相比，琼脂培养基质中添加Cd浓度为1.0 mg· L-1時，植株不同部位的鲜重略有下降，不同部位的干重基本不变;当琼脂培养基质中Cd浓度≥2.5 mg· L-1时，随着Cd浓度的增加，植株不同部位的鲜、干重均呈现显著抑制(P<0.05);与CK相比，Cd浓度为2.5、5.0、10.0 mg· L-1时，植株叶、根因受镉为害难越来越难以萌发，导致植株鲜重依次下降34.18%、50.63%和58.23%，植株干重依次下降22.22%、33.33%和33.33%;当Cd浓度≥15.0 mg· L-1时，植株各项生长量为试验最低，且存活植株试验结束后全部死亡。

　　2.3 不同浓度Cd对水稻幼苗重金属分布的影响

　　由表2可知，水稻幼苗中不同部分的Cd含量均随琼脂培养基质中不同Cd浓度的增加而上升，Cd分布规律为根系大于地上部。在整个植株中，水稻幼苗根部对镉具有较强的吸收与积累能力，其中当Cd浓度为20.0 mg·L-1时，地上部和地下部Cd含量分别达到最大值，为24.532 mg·kg-1和265.509 mg·L-1;伴随着植株中Cd含量的增加，水稻幼苗中富集的砷(As)及铅(Pb)含量呈现逐渐增大的吸收和富集趋势，当幼苗地下部Cd含量达到最大值时，相同部位富集的As及Pb含量也达到了最大值，分别为0.010 mg·L-1和0.120 mg·L-1，这部分As及Pb可能来自配置Cd溶液药品中的杂质，这说明水稻幼苗中富集的重金属存在一定协同吸收作用。

　　2.4 水稻幼苗对Cd富集和转移的情况

　　由图3可知，试验水稻幼苗对镉的富集能力在不同Cd浓度的琼脂培养基质处理中差异显著。在低浓度Cd处理时其富集能力高于高浓度 Cd处理。供试水稻幼苗的富集系数随琼脂培养基质中Cd浓度的增加而呈现先降低后趋于平稳的趋势。结合表1和图3可知，高浓度Cd处理植株的根部由于受Cd毒害而难以萌发，导致干重较小，影响了其对琼脂培养基质中镉的吸收能力。当Cd浓度为10 mg· L-1时，富集系数达到最小，伴随Cd浓度继续递增，富集系数呈平稳趋势。在琼脂培养基质中的Cd浓度在0～20 mg· L-1范围内，转运系数呈先增长后趋于平稳的趋势，由于供试品种的转运系数普遍较小(0.092～0.142) ，可知Cd被根系吸收后，大部分被富集于水稻幼苗根部，只有少量的Cd被转运至地上部分。这与周全等[13]、王新等[14]研究认为的Cd在水稻体内积累的一般规律为根部>地上部分具有一致性。

　　3 结论与讨论

　　水稻幼苗植株在琼脂培养基质中受Cd毒害的表现为植株发育不良、生长矮小、叶片黄化和新根难以萌发甚至死亡现象，说明Cd对水稻幼苗的胁迫会抑制水稻的生长发育，伤害植株根系，使植株叶片中的叶绿素含量降低，影响水稻幼苗正常的光合作用。本研究结果表明，不同Cd浓度处理对水稻幼苗根长的抑制作用都明显大于苗长和苗鲜重，且随着Cd浓度的增加逐渐加强。当Cd浓度≥2.5 mg· L-1时，水稻幼苗鲜重、干重、株高和根长的抑制均达到了显著程度，这必将对水稻幼苗后续生长和作物产量造成不利影响。通过比较分析发现当水稻幼苗富集Cd含量达到最大值时植株富集的As及Pb含量也达到了最大值，说明水稻幼苗中富集的重金属存在一定协同吸收作用，且对水稻幼苗的鲜重、干重、株高和根长影响趋势是一致的。这对于研究该水稻品种对复合重金属污染的抗性具有一定的参考价值。

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