鎢對小麥種子萌發及生長的影響

李蜜蜜, 樂一樣, 盧磊, 杜輝輝

(湖南農業大學 環境與生態學院,湖南 長沙410128)

鎢(W)是位于元素周期表ⅥB族的一種過渡金屬,由于其硬度大、熔點高、化學性質穩定等特點,被廣泛應用于軍事、冶金、化工等領域[1-2]。金屬鎢在自然條件下可被氧化成鎢酸鹽(WO42-),這些可溶性陰離子具有較高的遷移性[2-3]。我國鎢礦資源豐富,儲量和產量均居世界首位。已探明的鎢礦有200多處,且大多分布在我國南方地區[1]。鎢礦開采冶煉和鎢制品在各行業的應用,增加了鎢及其化合物進入土壤的途徑,其對土壤環境、動植物和人類的潛在危害也日益凸顯[3-5]。因此,美國環境保護署(EPA)2008年將鎢劃分為新興污染物[6]。然而,目前科學界對鎢的環境風險認識及毒性效應研究還很缺乏[3,7-8]。

重金屬脅迫會降低作物的抗逆性,導致作物減產甚至絕收。一般而言,作物主要通過根系吸收土壤中的鎢,且不同作物對鎢的吸收效率也存在差異[9]。鎢是一種植物非必需元素[6,10],作為一種Mo酶抑制劑而受到大量學者關注。關于鎢對植物的毒害作用及在植物體內累積特征已有少數研究,而對植物在鎢污染環境中生長的適應機制的研究還較少[11-12]。對植物生長而言,種子能否成功萌發和正常成苗至關重要[13]。因為這一階段是植物最脆弱、對環境最敏感的階段,同時會受到病蟲害等生物因子和機械損傷、重金屬等非生物因子的脅迫[14-15]。研究表明,植物受到重金屬的毒害影響首先會在種子的萌發和幼苗生長的變化上體現[16-17]。Dawood和Azooz[12]發現,鎢對西蘭花的種子萌發指數、生物量及各類酶活性均有顯著抑制作用。隨著鎢脅迫時間的延長,其對豌豆、棉花幼苗的生長也有顯著的毒害作用,且濃度為500 mg/L時,對棉花根長抑制率達到50%以上[18]。因此,探究鎢對植物種子萌發及幼苗生長的影響十分重要。

本研究以2個常規小麥品種為試驗材料,通過培養皿濾紙萌發試驗,測定不同濃度鎢處理后小麥種子的萌發參數及生物量,計算小麥根長半抑制濃度,為鎢對小麥的毒性效應及劑量關系研究提供理論依據,為鎢污染地區的小麥生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究選用的小麥品種為津春6號[19]和濟麥22號[20]。津春6號為春小麥,常規種,由天津市農作物研究所選育;濟麥22號為冬小麥,常規種,由山東省農業科學院作物研究所選育。

不同濃度鎢溶液配制:稱取一定量Na2WO4·2H2O(分析純)溶解于去離子水中,配制1 000 mg/L鎢母液。不同試驗濃度鎢由相應體積的去離子水稀釋。

1.2 試驗設計

本研究共設置0、5、10、50、100、500、1 000 mg/L等7種鎢濃度處理條件,每種處理條件設3組重復。選取大小一致、健康飽滿的小麥種子,分別用5%的次氯酸鈉溶液浸泡15 min進行表面消毒處理,蒸餾水沖洗干凈后,按每皿20粒置于鋪有兩層紗布的培養皿內,每皿加入10 mL對應濃度鎢溶液。稱重后置于恒溫光照培養箱(光周期:14 h(L)/10 h(D);溫度:23 ℃±1 ℃)中進行培養。每24 h記錄一次發芽種子數,2個品種均在培養7 d后收獲。

1.3 測定和計算方法

發芽勢:在培養72 h后測定。計算公式為:發芽勢=(發芽種子數/供試種子總數)×100%。

發芽率:在培養7 d后測定。計算公式為:發芽率=(發芽種子數/供試種子總數)×100%。

苗高、根長:在培養7 d后測定。用游標卡尺分別測量其苗高和根長。各處理苗高、根長值取其3個重復的平均值。

活力指數=(株高+根長)×發芽率,無單位,表征種子活力[12]。

半抑制濃度:以培養7 d后的各組根長數據與鎢濃度作非線性擬合,得到小麥根長抑制率為50%時對應的鎢濃度。

鮮重、干重:用去離子水將幼苗沖洗3次,表面水分用吸水紙擦干,用天平稱其此時重量,記為鮮重(g);之后將其置于烘箱中,95 ℃殺青30 min,之后60 ℃烘干至恒重后稱重,記為干重(g)。

1.4 數據分析

采用IBM SPSS Statistics軟件和Origin軟件進行數據分析和繪圖,單因素方差分析和LSD多重比較確定不同處理之間的差異,其中P<0.05表示具有統計學顯著差異。

2 結果與分析

2.1 鎢對小麥種子發芽勢的影響

從圖1可以看出,對于津春6號,1 000 mg/L鎢處理對其種子發芽勢有顯著抑制,其他濃度鎢處理對其種子發芽勢有促進作用,當鎢處理濃度為5 mg/L時發芽勢最高,為83.3%,但顯著性分析表明,鎢對發芽勢的促進作用并不顯著(P>0.05)。對于濟麥22號,各處理組間的發芽勢無顯著差異。由上述結果可知,鎢處理不會顯著影響濟麥22號小麥種子的發芽勢,當鎢濃度達到1 000 mg/L時會顯著抑制津春6號小麥種子的發芽勢。

圖1 不同濃度鎢對小麥發芽勢的影響Figure 1 Effect of different concentrations of tungsten on the germination force of wheat注:不同字母表示相互間有顯著差異(P<0.05),下同。

2.2 鎢對小麥種子發芽率的影響

對萌發7 d后的小麥種子發芽率的統計結果如圖2所示。當鎢濃度為1 000 mg/L時,津春6號的發芽率為76.6%,且各鎢濃度處理間無顯著差異。同樣,不同濃度鎢處理下的濟麥22號種子發芽率無顯著差異,鎢濃度為100 mg/L時發芽率為100%。通過差異性分析可知,不同鎢濃度(0～1 000 mg/L)處理間,津春6號與濟麥22號種子發芽率差異都不顯著。

圖2 不同濃度鎢對小麥發芽率的影響Figure 2 Effect of different concentrations of tungsten on the germination rate of wheat

2.3 鎢對小麥根長的影響

如圖3和圖4所示,隨著鎢濃度的升高,2個小麥品種幼苗的根長逐漸降低。當鎢濃度≤50 mg/L時,津春6號的根長在各處理組間差異不顯著(P>0.05),但高于此濃度時對其有顯著抑制作用,鎢濃度為1 000 mg/L時,根長抑制率高達80%以上。濟麥22號在鎢濃度≤10 mg/L時,處理組與對照組無顯著差異;在鎢濃度為50 mg/L時,根長為9.1 cm,抑制率為30%;鎢濃度為1 000 mg/L時,抑制率達到90%。由此可知,鎢對小麥幼苗根長的抑制作用具有濃度效應,濃度較低時對根長的抑制作用不顯著,隨著濃度升高,抑制作用會逐漸增強。同時,不同品種小麥根長對鎢處理的敏感性略有不同,濟麥22號小麥根的伸長生長對鎢濃度的升高更敏感。

圖3 不同濃度鎢對小麥根長的影響Figure 3 Effect of different concentrations of tungsten on root length of wheat

2.4 鎢對小麥苗高的影響

由圖4和圖5可以看出,2個小麥品種的苗高均隨鎢濃度的升高而降低。對于津春6號,鎢濃度低于10 mg/L時對其苗高無影響,但當鎢濃度≥50 mg/L時,對幼苗苗高有抑制作用,鎢濃度為1 000 mg/L時苗高最低,為5.6 cm,抑制率達到60%。同樣,濟麥22號也呈現相同的下降趨勢,在鎢濃度為1 000 mg/L時苗高最低,抑制率為40%,且其各處理組的總體抑制率要低于津春6號。由此可見鎢對小麥苗高的抑制作用同樣具有濃度效應,濃度較低時對苗高的抑制作用不顯著,隨著濃度升高,抑制作用逐漸增強。不同品種小麥苗高對鎢處理的敏感性略有不同,津春6號小麥苗高對鎢濃度的升高更敏感。

圖4 不同濃度鎢處理7天后小麥的根和植株的圖像Figure 4 Images of root and plant under different concentrations of tungsten for 7 days

圖5 不同濃度鎢對小麥苗高的影響Figure 5 Effect of different concentrations of tungsten on seedling height of wheat

2.5 鎢對小麥種子活力指數的影響

活力指數能更好地評價不同濃度鎢對小麥種子萌發和幼苗生長的影響,因此計算獲得的2個品種的活力指數,如圖6所示。2個小麥品種的活力指數受鎢濃度影響的趨勢相近。鎢處理濃度≤10 mg/L時,津春6號各處理組間活力指數無顯著差異,當鎢濃度達到50 mg/L時,活力指數開始降低,鎢濃度為1 000 mg/L時最低,為0.8,抑制率達到75%。濟麥22號活力指數也在鎢濃度為1 000 mg/L時最低,抑制率為70%。由上述結果可知,鎢濃度高于50 mg/L時顯著抑制了津春6號的活力指數,鎢濃度高于100 mg/L時,濟麥22號的活力指數受到顯著抑制,濃度越高則抑制作用越強。

2.6 鎢對小麥幼苗鮮重和干重的影響

由表1可知,當鎢濃度為10 mg/L時,津春6號幼苗鮮重及干重最高,為1.26 g和0.23 g,說明此濃度鎢對津春6號幼苗生長有促進作用,但差異性分析表明,無顯著差異(P>0.05)。鎢濃度為1 000 mg/L時,鮮重和干重最低,分別為0.58 g和0.09 g,抑制率為48%和50%。對于濟麥22號,當鎢濃度高于50 mg/L時,其干重和鮮重與對照組相比顯著下降,當鎢濃度為1 000 mg/L時,其鮮重抑制率達到50%。對于津春6號,鎢濃度高于100 mg/L時,會顯著抑制其生物量。因此,隨著鎢處理濃度的升高,小麥幼苗的鮮重和干重呈下降趨勢,但兩個品種間有差別。

圖6 不同濃度鎢對小麥活力指數的影響Figure 6 Effect of different concentrations of tungsten on the vigor index of wheat

表1 不同濃度鎢對小麥鮮重、干重的影響Table 1 Effects of different concentrations of tungsten on fresh weight and dry weight of wheat

2.7 鎢的小麥半抑制濃度

為探究鎢對小麥幼苗的劑量影響效應,取各處理組根長數據與鎢濃度擬合后計算了不同處理組小麥的半抑制濃度,灰色區域為95%置信區間(圖7)。由圖可知,津春6號和濟麥22號根長與鎢濃度擬合值分別為0.90和0.91,擬合效果良好。2個小麥品種的半抑制濃度不同,分別為182.1和139.9 mg/L。津春6號小麥根系耐性要強于濟麥22號。

圖7 小麥根系的半抑制鎢濃度Figure 7 Semi-inhibition tungsten concentration of wheat root

3 討 論

鎢作為一種新興污染物,目前人們對其環境風險及毒性效應的認識還不多,尤其是針對植物體系的相關研究還十分缺乏。種子活力可由其發芽勢和發芽率來反映,是判斷重金屬對植物影響的重要指標[21-23]。本研究結果表明,不同鎢濃度處理對不同品種小麥種子萌發的影響不同。鎢濃度低于100 mg/L時略微促進了濟麥22號種子的萌發,但無顯著差異。這與羅巧玉等[15]發現鎘對青稞種子萌發有一定的促進作用的研究結果相似,可能是由種子受到鎢刺激后產生應激反應所導致。周秋峰等[24]研究也發現,重金屬對小麥種子萌發的影響表現為“低促高抑”現象。本研究還發現,鎢濃度高于100 mg/L時,對小麥種子的萌發也沒有顯著影響,但Dawood和Azooz[12]發現,鎢濃度為100 mg/L時,顯著抑制了西蘭花種子的萌發。由此可見,不同植物種子萌發對鎢脅迫的響應不同。

根是植物的營養器官,土壤水分及無機鹽都由其吸收和溶解,植物根系發育受到影響,將會直接影響到植物幼苗后續的生長發育[25-26]。雖然鎢對小麥種子萌發的影響不顯著,但鎢會對小麥幼苗產生毒害作用,影響其后續的生長發育。本試驗結果表明,隨著鎢濃度的升高,小麥幼苗的根長和苗高及活力指數都受到不同程度抑制,且小麥根系受到的抑制作用要明顯高于其苗高。這與羅巧芝[27]研究發現鎘處理濃度為40 mg/L以上時對植物幼苗胚根生長有明顯抑制作用,更高濃度下幾乎無根系生成結果相一致。鎢與鉬作為同主族元素,鎢會影響植物對各類大量及微量營養元素的吸收利用[28]。當植物體內磷、鉀元素不足時,將會直接影響其細胞分裂、葉綠素的合成,進而影響植物正常光合作用[29]。本研究也發現,鎢濃度為10 mg/L時津春6號小麥幼苗生物量最高,同樣隨著鎢處理濃度的升高,生物量降低,且在更高濃度鎢脅迫之下,對其生物量抑制效果更為明顯,這與張東旭[30]研究發現高濃度銻抑制小麥生物量的實驗結果相一致。有學者發現,鎢作為鉬酶抑制劑,會顯著影響植物硝酸還原酶的活性,進而影響氮的同化作用[2]。故可知,鎢對小麥種子萌發影響并不顯著,但可能會通過影響其根系對各類營養元素的吸收利用來抑制各類酶活性,進而導致其生物量降低。

津春6號和濟麥22號的根系半抑制鎢濃度也不同,分別為182.1和139.9 mg/L,濟麥22號對鎢的敏感性要明顯高于津春6號。姜瑢等[31]研究發現,小麥根長比芽長對重金屬脅迫更為敏感,其半抑制濃度更低,小麥在鎘、銅、鋅脅迫下的半抑制濃度分別為25.4、15.8、89 mg/L,遠低于此半抑制鎢濃度,說明鎢對植物的毒性可能要低于這三種常見重金屬。張春榮[32]研究發現,鎘脅迫下紫花苜蓿種子半抑制濃度為27 mg/L,鎘濃度達到100 mg/L以上時,種子幾乎不能發芽。故鎢相較于其他重金屬對植物的毒性可能不高,為低毒性重金屬,但其同樣存在劑量效應。在極高濃度時植物幾乎無根系生成,嚴重影響植物后續的生長發育。前人研究報道在鎢污染土壤中[9],鎢含量往往高達3 000 mg/kg?；诒狙芯堪l現鎢濃度高于100 mg/L時,小麥苗高、根長及生物量都受到不同程度的抑制,故可推測鎢礦區附近的農作物生長和產量會受到土壤鎢污染的影響。

4 結 論

鎢對津春6號和濟麥22號種子萌發影響并不顯著,僅在1 000 mg/L鎢處理下對津春6號種子萌發有抑制作用。鎢濃度高于100 mg/L時,對小麥幼苗生物量及活力指數有很強的抑制作用,但不同品種間半抑制濃度不相同。相比其他高毒性重金屬,鎢對植物來說可能表現為低毒性,但也存在劑量效應。本研究結果可為鎢對植物的毒性效應及劑量關系提供基礎數據和參考。