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摘要 通过种子发芽试验研究重金属镉（Cd）与铅（Pb）在不同浓度梯度单一和复合胁迫下对玉米种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明：低浓度的Cd2 （0.5 mg/L）和Pb2 （10 mg/L）单一处理及其复合处理对玉米种子发芽率、发芽指数及对幼苗的芽长、根长、根数和根突起等具有一定的促进作用；高浓度的Cd2 、Pb2 单一及复合处理对种子萌发和幼苗生长具有抑制作用，且随着处理浓度的增加其抑制作用逐渐增强。高浓度Pb2 （200 mg/L）、Cd2 （100 mg/L）对玉米根长和芽长抑制率的影响最大，芽伸长抑制率与根伸长抑制率最高分别可达到58.86%和79.81%，表明重金属胁迫对根的抑制作用比芽大。在不同胁迫处理中，对玉米种子萌发指标影响最大的是镉铅复合处理，其次是镉处理，最小的是铅处理，表明镉铅复合污染对玉米种子萌发的影响表现形式为协同作用。
关键词 重金属胁迫；镉；铅；玉米；种子萌发；幼苗生长
中图分类号 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）24-0021-02
镉、铅是环境污染中2种重要的污染源[1]，其抑制作物生长发育，影响农产品安全[2]。近年来，国内外大量文献报告了镉、铅对作物产生毒害作用，但大部分集中在镉或铅单一胁迫对作物的毒害，而对镉、铅复合胁迫研究较少[3]。为此，该试验通过研究镉、铅单一胁迫及其复合胁迫对玉米种子发芽和幼苗生长的影响，旨在了解镉、铅对玉米种子的毒性效应，为作物的重金属毒害机理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料为从种子市场购买的特选糯玉米种子。
1.2 试验设计
试验设Cd2 、Pb2 及其复合形式多个浓度梯度，分别为Cd2 0.5、5.0、15.0、50.0、100.0 mg/L，Pb2 10.0、20.0、50.0、100.0、200.0 mg/L，Cd2 Pb2 0.5 10.0、5.0 20.0、15.0 50.0、50.0 100.0、100.0 200.0 mg/L。以不添加Cd2 、Pb2 的去离子水为对照组（CK），共16个处理，每个浓度处理设3次重复。
1.3 试验方法
选择大小均匀、健康饱满的玉米种子，先用2.5% 次氯酸钠消毒15 min后，再用无菌水反复冲洗数次，最后用滤纸吸干。将种子分成与处理组相同份额，每份60粒，用相应处理重金属溶液浸种12 h。将处理后的种子移入铺有2层滤纸的9 cm培养皿中，每皿20粒，在人工气候箱中培养，培养温度25 ℃，光照12 h，每隔12 h补充等量相应浓度的重金属溶液或去离子水，观察种子的萌发情况，以有种子露白为第1天，记录种子的发芽数，以幼芽达到种子长度的一半，幼根相当于种子长度时，作为发芽标准开始统计发芽数，第3天计算发芽势（%），第7天计算发芽率（%）。
1.4 测定指标计算方法
发芽率（%）=发芽种子数/种子数×100
发芽指数=Σ（t天时间内的发芽数/发芽日数）
发芽抑制率（%）=[（空白对照组种子萌发数-处理组种子萌发数）/空白对照种子萌发数]×100
芽伸长抑制率=[（空白对照组芽长-处理组芽长）/空白组芽长]×100
根伸长抑制率（%）=[（空白对照组根长-处理组根长）/空白组根长]×100
1.5 数据统计与分析
采用Excel制作图表，DPS软件进行数据统计与分析。
2 结果与分析
2.1 Cd2 、Pb2 单一浓度及其复合污染对种子发芽的影响
从表1可以看出，在低浓度Cd2 （0.5 mg/L）和Pb2 （10 mg/L）单一处理与这2种低浓度金属离子复合胁迫下，玉米种子发芽率和发芽指数均高于对照组，且随着重金属离子浓度的增加，种子发芽率和发芽指数逐渐降低。
当Cd2 浓度大于5 mg/L或者Pb2 浓度大于20 mg/L时，发芽抑制率、根长抑制率和芽长抑制率随着浓度的增加，其抑制率也随之增大，抑制效果大小依次为根长抑制率>芽长抑制率>发芽抑制率。比较Cd2 与Pb2 这2种重金属对玉米种子发芽的影响，可以发现在不同浓度梯度中，镉对发芽抑制率、芽伸长抑制率和根伸长抑制率都要高于铅。此试验结果与Siddiqui的研究结论是一致的[4]。
2.2 不同Cd2 、Pb2 单一浓度及其复合污染对玉米幼苗根长、芽长、根数和突起的影响
由图1可知，处于低浓度梯度的情况下（Cd 0.5 mg/L、Pb 10 mg/L、Cd Pb 0.5 10 mg/L）玉米幼苗的根长和芽长高于对照组。在高浓度下，根长和芽长低于对照组，浓度越高，差异越明显，说明重金属浓度对幼苗的生长有“低促高抑”的效应。从玉米幼苗培养期观察来看，镉和铅复合污染物对玉米种子萌发和幼苗生长的影响相对于单一重金属污染物效果更强，说明镉铅复合污染对玉米种子萌发和幼苗生长的影响表现形式为协同作用。
3 结论与讨论
镉、铅是作物生长发育过程中非必需的2种重金属元素，重金属对作物的毒害可以通过种子发芽及幼苗生长的变化来反映。该试验结果表明，镉、铅对玉米种子萌发和幼苗生长的影响表现为低浓度下的促进效应和高浓度下的抑制效应，这一结果与王兴明等的研究结果一致[5]。在较高浓度Pb2 、Cd2 单一及复合处理下，对玉米幼苗根长的抑制率高于芽长，说明重金属对幼苗根的生长比芽的生长影响更大，这与种子萌发和根生长过程是相关的。在种子发芽过程中，重金属对种子萌发的毒害作用因有来自胚内养分的供应而被部分掩盖，故导致种子萌发在重金属胁迫下比根不敏感。根是植物吸收水分的器官，在其生长和发育全过程中，一直完全与重金属溶液接触，故受到重金属的影响最为严重[6]。
该试验结果表明，Cd2 对玉米种子萌发和幼苗生长的毒害效应高于Pb2 ，可能是由于Cd2 在作物细胞中的存在形式以有效性高的可溶态为主，有利于在作物體内由根部向其他部位迁移，而Pb2 则主要集中在细胞壁，向其他部位迁移和运输性差。镉、铅复合处理组对玉米种子萌发和幼苗生长的影响要比单一污染处理组要强，表明镉铅复合污染对作物的毒害效应为协同作用，其中的机理还需进一步研究。
4 参考文献
[1] 李元，祖艳群.Cd，Pb及其相互作用对小麦种子生活力的影响[J].云南农业大学学报，1994，9（2）：75-81.
[2] 张大鹏，蔡春菊，范少辉，等.重金属Pb2 和Cd2 对毛竹种子萌发及幼苗早期生长的影响[J].林业科学研究，2012，25（4）：500-504.
[3] 邹文桐.铅镉复合胁迫对芥菜种子萌发、幼苗生长及光合色素含量的影响[J].种子，2013，32（3）：41-45.
[4] SIDDIQUI M M，ABBASI B H，AHMAD N，et al.Toxic effects of heavy metals（Cd，Cr and Pb）on seed germination and growth and DPPH-scavenging activity in Brassica rapa var.turnip[J].Toxicol Ind Health，2012（30）：1-12.
[5] 王兴明，李晶，涂俊芳，等.Cd对油菜种子发芽与幼苗生长的生态毒性[J].土壤通报，2006，37（6）：1218-1223.
[6] 王海华.不同浓度镍对水稻种子萌发及其生理特征的影响[J].湖南农业大学学报，2006，26（5）：332-334.
关键词 重金属胁迫；镉；铅；玉米；种子萌发；幼苗生长
中图分类号 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）24-0021-02
镉、铅是环境污染中2种重要的污染源[1]，其抑制作物生长发育，影响农产品安全[2]。近年来，国内外大量文献报告了镉、铅对作物产生毒害作用，但大部分集中在镉或铅单一胁迫对作物的毒害，而对镉、铅复合胁迫研究较少[3]。为此，该试验通过研究镉、铅单一胁迫及其复合胁迫对玉米种子发芽和幼苗生长的影响，旨在了解镉、铅对玉米种子的毒性效应，为作物的重金属毒害机理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料为从种子市场购买的特选糯玉米种子。
1.2 试验设计
试验设Cd2 、Pb2 及其复合形式多个浓度梯度，分别为Cd2 0.5、5.0、15.0、50.0、100.0 mg/L，Pb2 10.0、20.0、50.0、100.0、200.0 mg/L，Cd2 Pb2 0.5 10.0、5.0 20.0、15.0 50.0、50.0 100.0、100.0 200.0 mg/L。以不添加Cd2 、Pb2 的去离子水为对照组（CK），共16个处理，每个浓度处理设3次重复。
1.3 试验方法
选择大小均匀、健康饱满的玉米种子，先用2.5% 次氯酸钠消毒15 min后，再用无菌水反复冲洗数次，最后用滤纸吸干。将种子分成与处理组相同份额，每份60粒，用相应处理重金属溶液浸种12 h。将处理后的种子移入铺有2层滤纸的9 cm培养皿中，每皿20粒，在人工气候箱中培养，培养温度25 ℃，光照12 h，每隔12 h补充等量相应浓度的重金属溶液或去离子水，观察种子的萌发情况，以有种子露白为第1天，记录种子的发芽数，以幼芽达到种子长度的一半，幼根相当于种子长度时，作为发芽标准开始统计发芽数，第3天计算发芽势（%），第7天计算发芽率（%）。
1.4 测定指标计算方法
发芽率（%）=发芽种子数/种子数×100
发芽指数=Σ（t天时间内的发芽数/发芽日数）
发芽抑制率（%）=[（空白对照组种子萌发数-处理组种子萌发数）/空白对照种子萌发数]×100
芽伸长抑制率=[（空白对照组芽长-处理组芽长）/空白组芽长]×100
根伸长抑制率（%）=[（空白对照组根长-处理组根长）/空白组根长]×100
1.5 数据统计与分析
采用Excel制作图表，DPS软件进行数据统计与分析。
2 结果与分析
2.1 Cd2 、Pb2 单一浓度及其复合污染对种子发芽的影响
从表1可以看出，在低浓度Cd2 （0.5 mg/L）和Pb2 （10 mg/L）单一处理与这2种低浓度金属离子复合胁迫下，玉米种子发芽率和发芽指数均高于对照组，且随着重金属离子浓度的增加，种子发芽率和发芽指数逐渐降低。
当Cd2 浓度大于5 mg/L或者Pb2 浓度大于20 mg/L时，发芽抑制率、根长抑制率和芽长抑制率随着浓度的增加，其抑制率也随之增大，抑制效果大小依次为根长抑制率>芽长抑制率>发芽抑制率。比较Cd2 与Pb2 这2种重金属对玉米种子发芽的影响，可以发现在不同浓度梯度中，镉对发芽抑制率、芽伸长抑制率和根伸长抑制率都要高于铅。此试验结果与Siddiqui的研究结论是一致的[4]。
2.2 不同Cd2 、Pb2 单一浓度及其复合污染对玉米幼苗根长、芽长、根数和突起的影响
由图1可知，处于低浓度梯度的情况下（Cd 0.5 mg/L、Pb 10 mg/L、Cd Pb 0.5 10 mg/L）玉米幼苗的根长和芽长高于对照组。在高浓度下，根长和芽长低于对照组，浓度越高，差异越明显，说明重金属浓度对幼苗的生长有“低促高抑”的效应。从玉米幼苗培养期观察来看，镉和铅复合污染物对玉米种子萌发和幼苗生长的影响相对于单一重金属污染物效果更强，说明镉铅复合污染对玉米种子萌发和幼苗生长的影响表现形式为协同作用。
3 结论与讨论
镉、铅是作物生长发育过程中非必需的2种重金属元素，重金属对作物的毒害可以通过种子发芽及幼苗生长的变化来反映。该试验结果表明，镉、铅对玉米种子萌发和幼苗生长的影响表现为低浓度下的促进效应和高浓度下的抑制效应，这一结果与王兴明等的研究结果一致[5]。在较高浓度Pb2 、Cd2 单一及复合处理下，对玉米幼苗根长的抑制率高于芽长，说明重金属对幼苗根的生长比芽的生长影响更大，这与种子萌发和根生长过程是相关的。在种子发芽过程中，重金属对种子萌发的毒害作用因有来自胚内养分的供应而被部分掩盖，故导致种子萌发在重金属胁迫下比根不敏感。根是植物吸收水分的器官，在其生长和发育全过程中，一直完全与重金属溶液接触，故受到重金属的影响最为严重[6]。
该试验结果表明，Cd2 对玉米种子萌发和幼苗生长的毒害效应高于Pb2 ，可能是由于Cd2 在作物细胞中的存在形式以有效性高的可溶态为主，有利于在作物體内由根部向其他部位迁移，而Pb2 则主要集中在细胞壁，向其他部位迁移和运输性差。镉、铅复合处理组对玉米种子萌发和幼苗生长的影响要比单一污染处理组要强，表明镉铅复合污染对作物的毒害效应为协同作用，其中的机理还需进一步研究。
4 参考文献
[1] 李元，祖艳群.Cd，Pb及其相互作用对小麦种子生活力的影响[J].云南农业大学学报，1994，9（2）：75-81.
[2] 张大鹏，蔡春菊，范少辉，等.重金属Pb2 和Cd2 对毛竹种子萌发及幼苗早期生长的影响[J].林业科学研究，2012，25（4）：500-504.
[3] 邹文桐.铅镉复合胁迫对芥菜种子萌发、幼苗生长及光合色素含量的影响[J].种子，2013，32（3）：41-45.
[4] SIDDIQUI M M，ABBASI B H，AHMAD N，et al.Toxic effects of heavy metals（Cd，Cr and Pb）on seed germination and growth and DPPH-scavenging activity in Brassica rapa var.turnip[J].Toxicol Ind Health，2012（30）：1-12.
[5] 王兴明，李晶，涂俊芳，等.Cd对油菜种子发芽与幼苗生长的生态毒性[J].土壤通报，2006，37（6）：1218-1223.
[6] 王海华.不同浓度镍对水稻种子萌发及其生理特征的影响[J].湖南农业大学学报，2006，26（5）：332-334.