3种甜高粱萌发期对Cr6+胁迫的响应及抗性评价

陈梦妮，张泽宇，杜天庆，薛建福，祁剑英，崔福柱，杨 琳，刘彩霞

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学信息学院，山西太谷030800）

3种甜高粱萌发期对Cr6+胁迫的响应及抗性评价

陈梦妮1，张泽宇2，杜天庆1，薛建福1，祁剑英1，崔福柱1，杨 琳1，刘彩霞1

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学信息学院，山西太谷030800）

为探讨Cr6+胁迫对甜高粱种子萌发的影响，以晋甜杂1号、晋甜杂2号、晋甜杂3号为试验材料，采用发芽毒理试验，研究了不同Cr6+浓度对3种甜高粱种子萌发及幼苗生长的影响。结果表明，在Cr6+胁迫下，晋甜杂1号和晋甜杂3号的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、胚根长、胚根鲜质量、胚芽长以及胚芽鲜质量均随Cr6+浓度的增加而呈下降趋势；晋甜杂2号的胚根长、胚根鲜质量、胚芽长以及胚芽鲜质量均随Cr6+浓度的增加而呈下降趋势，但其发芽势、发芽率和发芽指数在浓度＜1.15 mmol/L时呈上升趋势；3种甜高粱种子的耐Cr6+性大小为晋甜杂2号＞晋甜杂3号＞晋甜杂1号。

Cr6+胁迫；甜高粱；萌发期；耐Cr6+性指数

铬（Cr）是广泛存在于环境中的“五毒”元素之一。在采矿、冶炼、制革、电镀等工业活动中Cr被大量使用，所产生的工业“三废”排放到环境中，通过各种途径进入农业生态系统中，造成了土壤、水体的污染[1-4]。且一旦污染很难消除，长期滞留在土壤、水体中，严重影响植物的生长，还会进一步通过食物链进入人体，危及人类健康。因此，治理Cr污染成为国际科学界研究的热点问题。Cr有多种价态，其中6价铬的毒性强、危害大，对生物有致畸、致突变的作用，研究其危害具有十分重要的生物学意义[5-6]。

目前，在水稻、小麦、玉米、大豆等[7-10]农作物上，已有研究表明，种子的萌发在Cr6+不同浓度胁迫下表现出不同程度的抑制效果。农作物中的甜高粱除了作为粮食，还具有生产糖浆、饲料、乙醇以及造纸等多种用途。已有关于Cd，Zn，Pb，Cu等多种重金属元素胁迫对甜高粱生长影响的研究，结果发现，高粱具有较强抗逆性，且具有生物量大、生长速度快等优势，是一种极具利用价值及开发前景的修复性植物[11-12]。但目前关于甜高粱对重金属Cr6+胁迫的影响研究较少，尤其关于多个甜高粱品种间的抗性比较更是鲜有报道。

种子萌发是植物生命活动从相对静止状态转变为相对活跃状态，也是植物感知周围环境变化的起点，通过种子萌发试验能够了解种子的抗逆性以及其生态适应性[13]。本研究以3个甜高粱品种为试验材料，分析Cr6+胁迫对甜高粱萌发期的影响，并采用赋值法比较3种甜高粱的耐Cr6+性强弱，以期为重金属Cr污染区选育耐性强的甜高粱品种提供可靠的理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料及试剂

供试材料晋甜杂1号、晋甜杂2号和晋甜杂3号3种甜高粱，均由山西省农业科学院高粱研究所提供，均具有茎秆产量高、生长速度快、抗性强等优势，为土壤修复较理想的作物。施加的重金属为K2Cr2O7分析纯。

1.2 试验设计

精选均匀一致的饱满种子，用0.1%HgCl2消毒10 min后，用蒸馏水冲洗干净，置于直径为10 cm的培养皿中，皿内以双层滤纸为发芽床。每个培养皿均匀放置20粒种子，各个处理重复3次。重金属Cr6+以K2Cr2O7溶液形式加入培养皿中，Cr6+浓度梯度为 0.15，1.15，2.15，3.15，4.15，5.15，6.15，7.15 mmol/L，依次编号为 Cr1，Cr2，Cr3，Cr4，Cr5，Cr6，Cr7，Cr8。每个皿中加入10 mL相对应浓度的溶液，同时以加入10 mL的蒸馏水作为对照（CK）。在25℃恒温培养箱内光照培养14 h，暗培养10 h。培养期间观察滤纸湿度和溶液的多少，定时给各处理组加相应的Cr6+溶液至原质量，保持一定的浓度和湿度。

1.3 测定指标及方法

从置芽床开始发芽之日起，逐日观察并记录发芽数，种子发芽的标准为种子的胚芽长度超过种子的全长。培养7 d后，用镊子轻轻将萌芽种子取出，用滤纸吸干后，每个皿中选择5个具有代表性且长势一致的种子，测定其胚芽长、胚根长、胚芽鲜质量及胚根鲜质量，发芽数不足5个的，量取已发芽全部种子的各项指标。并计算发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数以及各项指标的耐性指数[14-15]。

发芽势＝前3 d正常发芽的种子数/供试种子数×100%；发芽率＝前7 d正常发芽的种子数/供试种子数×100%；发芽指数其中，Gt为t时间内的发芽数，Dt为相应的发芽天数）；活力指数＝发芽指数×苗长；耐性指数＝Cr处理组测定值/对照组测定值。

1.4 数据分析

数据均采用Excel 2010统计并制图和制表，应用SPSS 19.0软件（Duncan法）对各项指标不同处理的差异显著性进行比较。

2 结果与分析

2.1 Cr6+胁迫对3种甜高粱种子发芽势、发芽率的影响

从图1可以看出，晋甜杂1号和晋甜杂3号的发芽势、发芽率随着Cr6+浓度升高均呈下降趋势，表明不同浓度的Cr6+对晋甜杂1号、晋甜杂3号的发芽势和发芽率有不同程度的抑制作用；而晋甜杂2号的发芽势、发芽率在Cr6+胁迫下呈先升高后下降的趋势，表明Cr6+胁迫对晋甜杂2号低浓度下为促进作用，高浓度下为抑制作用。晋甜杂1号和晋甜杂3号的发芽势在Cr6+浓度为1.15 mmol/L时，与其对照组相比显著下降，均下降了11.67百分点；发芽率在Cr6+浓度为0.15 mmol/L时，与对照组相比显著下降，分别下降了20.0，16.67百分点；晋甜杂2号在Cr6+浓度为0.15，1.15 mmol/L时，其发芽势和发芽率显著高于对照组，尤其是在Cr6+浓度为0.15 mmol/L时，发芽势和发芽率高达88.33%和90.0%。

2.2 Cr6+胁迫对3种甜高粱种子发芽指数、活力指数的影响

由图2可知，3个品种的发芽指数和活力指数的变化趋势与发芽势和发芽率的变化趋势一致。其中，晋甜杂1号和晋甜杂3号的发芽指数、活力指数随着Cr6+浓度升高均呈下降趋势；而晋甜杂2号的发芽指数、活力指数在Cr6+胁迫下呈先升高后下降的趋势。晋甜杂1号和晋甜杂3号的发芽指数、活力指数均在Cr6+浓度≥0.15 mmol/L时，随Cr6+浓度增加呈显著下降趋势；晋甜杂2号的发芽指数在Cr6+浓度≤1.15 mmol/L时，显著高于对照组；而活力指数仅Cr6+浓度为0.15 mmol/L时，显著高于对照组。

2.3 Cr6+胁迫对3种甜高粱种子胚根长、胚根鲜质量的影响

从图3可以看出，3种甜高粱的胚根长和胚根鲜质量随Cr6+浓度的增大均呈下降趋势，且处理组显著低于对照组，表明Cr6+对根生长的抑制作用较大；当Cr6+浓度超出1.15 mmol/L时，其下降速度缓慢且趋于稳定，当Cr6+浓度≥2.15 mmol/L时各品种处理间的胚根长和胚根鲜质量均无显著差异。

2.4 Cr6+胁迫对3种甜高粱种子胚芽长、胚芽鲜质量的影响

由图4可知，3种甜高粱的胚芽长和胚芽鲜质量随Cr6+浓度的增大均呈下降趋势，但随浓度增大下降幅度较为缓慢，且不同处理与对照间均存在显著差异。

2.5 3种甜高粱种子萌发期的耐Cr6+性比较

参考韩宝贺等[13]和梅丽娜等[16]的耐镉性综合评价方法，对3种甜高粱种子萌发期的耐铬性进行综合性的评价，均采用耐性系数值来衡量各指标，可以消除品种间生物学特性差异[17]。由于某一指标的耐性指数在不同浓度下的值大小顺序不一样，因此不能单凭某一浓度下的耐性指数来评价该品种的耐Cr6+性强弱，而应从整体上进行分析。由于活力指数是一个综合指数，具有综合效应，计算综合效应应排除活力指数，避免加重综合效应数值。本试验根据每个品种在不同浓度下的各个发芽指标耐性指数的平均值，从小到大分别赋值1～3来评价3种甜高粱萌发期的耐Cr6+性。由表1可知，晋甜杂1号、晋甜杂2号和晋甜杂3号的耐Cr6+性指数分别为9，19，14，则萌芽期耐Cr6+性大小3个品种排序为晋甜杂2号＞晋甜杂3号＞晋甜杂1号。

表1 各指标的赋值及不同品种甜高粱的耐Cr6+性评价

3 讨论与结论

3.1 3种甜高粱种子萌发对Cr6+胁迫的响应

种子萌发是一系列复杂生命活动和感知外界的开始，也是最敏感、最关键的时期。在施加外源重金属Cr6+条件下，能否正常发芽及其发芽质量状况均可以反映出该种子生活力的强弱。而评价种子发芽能力的常用指标有发芽势、发芽率、发芽指数，这些指标能够反映出种子发芽速度、整齐度以及幼苗健壮的潜势[18]。

本试验结果表明，不同浓度的Cr6+对3个品种的甜高粱具有不同的抑制作用，晋甜杂1号和晋甜杂3号的发芽势、发芽率以及发芽指数和活力指数均随Cr6+浓度的增大而降低，Cr6+对甜高粱的生长有一定的毒害作用。这与前人在其他作物对Cr6+胁迫的响应变化研究结果一致。晋甜杂2号在Cr6+浓度≤1.15 mmol/L时，发芽势、发芽率、发芽指数显著高于对照组，表现为促进作用；当Cr6+浓度高于1.15 mmol/L时，发芽势、发芽率、发芽指数显著低于对照组，表现为抑制作用，造成了“低浓度促进高浓度抑制”的现象。

本研究结果表明，晋甜杂1号和晋甜杂3号2种甜高粱的萌发未表现出低浓度促进作用，可能与抗性较弱有关，在试验浓度范围内均对这2个品种产生了毒害作用，抑制其萌发。

3.2 Cr6+胁迫对3种甜高粱种子萌发后胚根和胚芽生长的影响

本研究结果表明，在不同浓度的Cr6+胁迫下，甜高粱的胚根和胚芽均表现出不同程度的抑制，相比较胚芽和胚根的生长状况发现，对胚根的抑制作用更大。相关重金属胁迫研究表明，胚根可能最先突破种皮，而胚芽突破种皮相对较晚，则胚根吸收重金属要早，胚根的积累量也相对较大些。根部是吸收水分和矿质元素的主要部位，重金属离子进入根部细胞内，但其细胞壁中存在大量交换位点可以固定通过的重金属离子，从而阻止向地上部分进一步转移重金属离子。因而，根最易受重金属的毒害[13，19-20]。

3.3 3种甜高粱种子萌发期的耐Cr6+性综合评价

不同作物耐逆性比较时，由于不同指标、不同浓度对重金属胁迫存在效应差异，单一指标、单一浓度难以评判作物的耐逆性，而将不同指标在不同浓度下的响应差异结合起来进行综合评价更具有可靠性。本研究综合比较发芽势、发芽率、发芽指数、胚根长、胚根鲜质量、胚芽长以及胚芽鲜质量7个指标，得出3个品种甜高粱萌发期的耐Cr6+性大小排序为晋甜杂2号＞晋甜杂3号＞晋甜杂1号。同时，种子萌发是一个复杂的调控过程，今后应结合生理生化变化进一步对其分析研究。

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Resistance Evaluation and Response of 3 Sweet Sorghum Varieties at Germination Stage to Cr6+Stress

CHENMengni1，ZHANGZeyu2，DUTianqing1，XUE Jianfu1，QI Jianying1，CUI Fuzhu1，YANGLin1，LIUCaixia1
（1.College ofAgronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College ofInformation，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China）

The aim of the paper was to discuss the seed germination and seedling growth under Cr6+stress.Using Jintianza 1, Jintianza 2 and Jintianza 3 as the material,the effects of different concentration of Cr6+on seed germination and seedling growth of sweet sorghum were studied comparatively through germination toxicology test.The results showed that the germination energy,germination rate,germination index,vigor index,root length,bud length,root quality and bud quality ofJintianza 1 and Jintianza 3 were all decreased with the increasing of Cr6+concentration.The root length,bud length,root quality and bud quality of Jintianza 2 were all decreased with the increasingofCr6+concentration.The germination energy,germination rate and germination indexofJintianza 2 seeds showed a pattern of rising at the concentration less than 1.15 mmol/L.According to the Cr-tolerance indexes for the three sweet sorghum varieties,the capacityofCr-tolerance followed the sequence:Jintianza 2＞Jintianza 3＞Jintianza 1.

Cr6+stress;sweet sorghum;germination stage;Cr-tolerance indexes

S514.01

：A

：1002-2481（2017）01-0017-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.01.05

2016-08-29

山西省自然科学基金项目（2014011031-1）；国家公益性行业（农业）科研专项（201503121-07）

陈梦妮（1992-），女，山西运城人，在读硕士，研究方向：作物土壤生态。杜天庆为通信作者。