不同棉花基因型种子萌发响应铜胁迫的差异

doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.03.009

不同棉花基因型种子萌发响应铜胁迫的差异

袁长凯, 罗海华, 陈功, 高欣, 彭金剑, 向春玲, 殷梦瑶, 王培培, 徐兰兰, 汤飞宇^,

江西农业大学农学院/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室,330045,江西南昌

The Difference of Seed Germination in Different Cotton Genotypes in Response to Copper Stress

Yuan Changkai, Luo Haihua, Chen Gong, Gao Xin, Peng Jinjian, Xiang Chunling, Yin Mengyao, Wang Peipei, Xu Lanlan, Tang Feiyu^,

College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University/Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Ministry of Education, Nanchang 330045, Jiangxi, China

通讯作者: 汤飞宇,主要从事棉花栽培生理与育种研究,E-mail: fytangcau@163.com

收稿日期: 2019-11-11 修回日期: 2020-03-1 网络出版日期: 2020-06-15

基金资助:

国家自然科学基金(31560364)

Received: 2019-11-11 Revised: 2020-03-1 Online: 2020-06-15

作者简介 About authors

袁长凯,主要从事棉花抗逆生理研究,E-mail:yck711221@163.com 。

摘要

在铜污染耕地种植棉花对提高耕地利用效率和棉农收入具有重要意义,但铜胁迫对棉花种子萌发的影响仍不清楚。以7个陆地棉品种（系）为试验材料,设置0、10、100和2 000μmol/L 4个Cu²⁺浓度处理进行发芽试验,记录10d后棉花种子的发芽率和幼苗的鲜重、根长和芽长。以幼苗鲜重、根长和芽长为指标,采用耐性指数和隶属函数对不同品种（系）种子的耐受性进行综合评价。结果表明,在Cu²⁺浓度10~2 000μmol/L范围内随着浓度的升高,幼苗鲜重、根长和芽长所受抑制增强,且根长的受抑制程度高于芽长。在中低浓度下（10~100μmol/L）能将不同基因型种子萌发对铜胁迫的耐受性较好地区分开来,鄂抗棉10号的耐性指数和隶属函数平均值均居首位,而SGK321均居末位。研究结果初步表明,鄂抗棉10号为铜胁迫钝感基因型,而SGK321为敏感基因型。

关键词： 棉花 ; 铜胁迫 ; 种子萌发 ; 耐性指数 ; 隶属函数

Abstract

It is of great significance for increasing the usage of cultivated land and the income of cotton producers to grow cotton in the copper-polluted soil, but the effect of copper stress on the germination of cotton seeds remains unclear. Seven cotton varieties (lines) were evaluated to a seed germination experiment where seeds were incubated in the solution with four different Cu²⁺ concentration (0, 10, 100 and 2 000μmol/L). The germination rate, seedling fresh weight, root length and shoot length were recorded on ten days after seed incubation. The tolerance index and subordinate function analyses were applied to assess the difference in tolerance capacity to copper toxicity among seven cotton genotypes. The results showed that seedling fresh weight, root length and shoot length decreased with the increasing of Cu²⁺ concentration over the range of 10 to 2 000μmol/L. The reduction of root length due to copper stress was greater than that of shoot length. The tolerance ability to copper stress of seed germination could be well distinguished at low-middle ion levels among these genotypes. Among the seven cotton varieties (lines), Ekangmian 10 ranked first and SGK321 at the end in the terms of tolerance index and subordinate function value. It has been concluded that Ekangmian 10 is a copper resistant genotype and SGK321 is a sensitive genotype to copper stress.

Keywords： Cotton (Gossypium hirsutum L.) ; Copper stress ; Seed germination ; Tolerance index ; Subordinate function

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本文引用格式

袁长凯, 罗海华, 陈功, 高欣, 彭金剑, 向春玲, 殷梦瑶, 王培培, 徐兰兰, 汤飞宇. 不同棉花基因型种子萌发响应铜胁迫的差异[J]. 作物杂志, 2020, 36(3): 53-59 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.03.009

Yuan Changkai, Luo Haihua, Chen Gong, Gao Xin, Peng Jinjian, Xiang Chunling, Yin Mengyao, Wang Peipei, Xu Lanlan, Tang Feiyu. The Difference of Seed Germination in Different Cotton Genotypes in Response to Copper Stress[J]. Crops, 2020, 36(3): 53-59 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.03.009

近年来,农业生产上含铜杀菌剂的频繁使用,过度开采铜矿,以及工业生产中含铜污染物的大量排放,严重影响了农作物的产量和质量,且Cu²⁺在土壤中具有较强的化学活性,易被植物吸收,可通过食物链在人体内富集,对人体健康造成严重危害^[1,2,3]。与其他重金属元素不同,铜是植物生长发育必需的微量元素之一,是细胞色素氧化酶和多酚氧化酶等蛋白质的重要辅酶因子,参与呼吸作用的代谢反应^[4],同时也是叶绿体中质蓝素的成分之一,参与光合作用的电子传递过程。Cu²⁺胁迫对植物的影响比较复杂,因物种、器官组织、浓度和时间等而异。长时间的铜胁迫对植物根系长度和叶片叶绿素起抑制作用,且胁迫浓度越高抑制作用越强^[5,6,7]。有研究证实,玉米幼苗在含Cu²⁺ 5~20μmol/L的培养液中培养10d后,根系生长明显受到抑制且幼苗干物质量的积累下降^[8]。10μmol/L Cu²⁺胁迫导致14d玉米幼苗根和叶生物量显著下降^[9]。白菜幼苗的根长和芽长均受Cu²⁺抑制,但低浓度Cu²⁺（0.008mmol/L）对芽的伸长具有促进作用^[10]。600mg/kg的铜处理会促进凤丹根颈增粗^[11]。100mg/L Cu²⁺胁迫显著抑制红三叶的萌发和根长,但促进根系增粗^[12]。随着铜胁迫程度的增加,小麦种子发芽率先升高后下降,根长和芽长逐渐降低,且对根的抑制效应早于芽^[13]。对绿豆在不同Cu²⁺浓度下的形态变化研究发现,适当浓度的Cu²⁺有助于根的伸长,但随着Cu²⁺浓度的提高,对绿豆根部会产生毒害作用^[14]。4个烟草品种种子萌发率均随着Cu²⁺浓度的增加而下降^[15]。用不同浓度的外源Cu²⁺对不同基因型谷子种子处理发现,黄米和朝谷的苗长随着Cu²⁺浓度的上升而持续下降,另外2个品种的根长、苗长和生物量则表现为低浓度上升而高浓度降低^[16]。

棉花作为经济作物,有生物量大和抗逆性强等特点,且棉花的主要经济产物是纤维,与粮食作物的产品相比不会通过食用途径危害人体。因此,在土地资源紧张的今天,筛选出耐铜性较好的棉花基因型并在铜污染地区种植,不仅可以增加农民的收益,也可以利用棉花减缓粮棉用地竞争压力和污染地区的铜污染。在铜污染耕地上种植棉花首先面临的关键问题就是种子的萌发及随后幼苗的生长,这个过程对铜胁迫的响应目前鲜见报道,且其究竟能耐多高浓度的Cu²⁺尚不清楚。此外,不同棉花基因型耐铜毒害的能力存在差异。本研究通过设置不同浓度的Cu²⁺处理,观察其对7个陆地棉品种（系）种子萌发率及根芽生长的影响,确定合适的处理浓度,在此基础上筛选耐铜胁迫能力具有较大差异的基因型,为进一步研究棉花耐铜胁迫的生理和分子机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为7个陆地棉品种（系）鲁7619、鲁301、鄂抗棉10号、CN01、2870、A409和SGK321。鲁7619和鲁301由山东省农业科学院棉花研究中心张军惠赠,CN01由湖北省农业科学院经济作物研究所张友昌惠赠,鄂抗棉10号和SGK321是商业品种,A409和2870是江西农业大学棉花课题组选育的中长绒棉品系。

1.2 试验设计

试验于2017年9月-11月在江西农业大学农学院拾禄楼实验室进行。用带孔泡沫板作为支撑,每个孔放入1张卷好的滤纸,润湿后将种子放在上面,将泡沫板放入盛有CuSO₄溶液的盆中,设4个浓度梯度0、10、100和2 000μmol/L,即空白对照和低、中、高Cu²⁺浓度处理。采用随机区组设计,4次重复,每重复20粒种子,种子先用NaClO溶液消毒20min,再用无菌水洗净后使用。试验于人工气候箱中进行,条件为日长10h,光照强度1 250lx,温度30℃,湿度65%;夜长14h,温度26℃,湿度60%。于培养箱中培养10d后记录发芽率,并将长出子叶的幼苗取出,测定幼苗鲜重、根长和芽长。

1.3 测定指标及计算方法

测定指标有发芽率、幼苗鲜重、幼苗根长和芽长,计算发芽抑制率、根长抑制率和芽长抑制率,发芽（根长、芽长）抑制率=（处理组数据-对照组数据）/对照组数据×100%^[17]。

1.4 耐性评价

1.4.1 耐性指数耐性指数用逆境胁迫处理下根伸长量或地上部高度与各自对照的比值表示^[18]。为研究棉花耐受性,选择幼苗的根长、芽长和鲜重这3个指标并计算各指标相应的耐性指数。公式如下:

$\hat{A}_{ij}=\frac{A_{ij}}{A_{iCK}} \qquad X=1/n\sum_{i=1}^{n}\hat{A}_{ij}$

其中,$\hat{A}_{ij}$指的是A基因型i指标j处理的耐性指数值,$A_{iCK}$指的是A基因型i指标对照的值, X表示A基因型所有指标的耐性指数平均值。

1.4.2 隶属函数为进一步评价棉花对铜胁迫的耐受性,参照陶向新^[19]的方法和公式计算各基因型对铜胁迫的耐性强弱。公式如下:

$A_{ij}=\frac{X_{ij}-X_{i\min}}{X_{j\max}-X_{j\min}} \qquad A_{i}=1/n\sum_{j=1}^{n}A_{ij}$

其中,A_ij为i基因型j指标的抗逆隶属函数值,X_ij为i基因型j指标的测定值,X_jmax和X_jmin表示每个基因型j指标的最大值和最小值,A_i为该基因型中所有测定指标的隶属函数平均值,n为指标数。

1.5 数据分析

用Excel对数据进行整理分析,并计算发芽抑制率、根长抑制率和芽长抑制率。用SPSS进行单因素方差分析,采用Duncan法多重比较。

2 结果与分析

2.1 铜胁迫对不同基因型棉花种子发芽率的影响

从表1中发现,不同基因型棉花种子发芽率对Cu²⁺胁迫的响应不同。其中鄂抗棉10号表现为Cu²⁺胁迫抑制种子的发芽,CN01和SGK321表现为高浓度Cu²⁺（2 000μmol/L）促进发芽,2870、鲁7619、鲁301和A409表现为不同处理水平间均无显著差异。

表1 铜胁迫对不同基因型棉花种子发芽率的影响

Table 1 Effects of copper stress on seed germination percentage in different cotton genotypes %

Cu²⁺浓度 Cu²⁺ concentration (μmol/L)	2870		鲁7619 Lu 7619		鲁301 Lu 301		A409		CN01		鄂抗棉10号Ekangmian 10		SGK321
Cu²⁺浓度 Cu²⁺ concentration (μmol/L)	GP	IGP	GP	IGP	GP	IGP	GP	IGP	GP	IGP	GP	IGP	GP	IGP
0	55a	-	76a	-	35a	-	83a	-	45b	-	69a	-	61b	-
10	49a	11.36	73a	4.69	40a	-14.29	81a	1.52	35b	22.22	40b	41.82	63b	-2.04
100	46a	15.91	83a	-8.33	50a	-42.86	83a	0.00	45b	0.00	48b	29.70	63b	-3.40
2 000	58a	-4.55	83a	-8.33	40a	-14.29	74a	10.61	71a	-58.33	51b	25.45	74a	-20.41

注: GP、IGP分别为发芽率和发芽抑制率。同列不同字母表示处理间差异达显著水平（P<0.05）。下同

Note: GP and IGP represent germination percentage and inhibited germination percentage, respectively.Values within the same column followed by different letters are significantly different (P < 0.05). The same below

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2.2 铜胁迫对不同基因型棉花幼苗鲜重的影响

从表2可以看出,各基因型棉花幼苗鲜重在铜胁迫下均降低,且随着Cu²⁺浓度的增加而降低,100和2 000μmol/L浓度处理与对照的差异均达显著水平（P<0.05）,2870、鲁301和SGK321各处理之间幼苗鲜重差异均达到显著水平。2 000μmol/L浓度处理各基因型的幼苗鲜重较对照的降幅均达到50%以上,鲁301在2 000μmol/L浓度处理下的降幅最大,达到了68.9%,且其在10、100μmol/L浓度处理的降幅在7个基因型中也最大,分别达到了20.1%和40.3%,说明鲁301对Cu²⁺胁迫敏感。

表2 铜胁迫对不同基因型棉花幼苗鲜重的影响

Table 2 Effects of copper stress on the seedling fresh weight in different cotton genotypes g

Cu²⁺浓度 Cu²⁺ concentration (μmol/L)	2870	鲁7619 Lu 7619	鲁301 Lu 301	A409	CN01	鄂抗棉10号 Ekangmian 10	SGK321
0	0.6342a	0.6258a	0.7158a	0.6153a	0.5897a	0.6298a	0.6220a
10	0.5452b	0.4675b	0.5722b	0.5805a	0.5665a	0.5760a	0.5035b
100	0.4454c	0.4330b	0.4267c	0.4357b	0.3682b	0.4711b	0.3787c
2 000	0.2819d	0.2802c	0.2226d	0.2651c	0.2641c	0.2953c	0.2577d

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2.3 铜胁迫对不同基因型棉花幼苗根长的影响

从表3可以看出,各基因型棉花幼苗根长随Cu²⁺浓度的升高而显著变短,且各处理之间均达到显著差异。根据根长抑制率可以把参试基因型分为2类,一类为根敏感型,包括2870、鲁301、A409和SGK321,在低浓度（10μmol/L）和中浓度（100μmol/L）下根生长受抑制较严重,根长抑制率分别为46.1%~69.5%和74.1%~80.7%。另一类为根钝感型,包括鄂抗棉10号、鲁7619和CN01,在低浓度（10μmol/L）和中浓度（100μmol/L）下根生长受抑制较轻,根长抑制率分别为15.5%~20.8%和41.1%~50.4%。各基因型在2 000μmol/L浓度下根的生长均受到严重抑制。

表3 铜胁迫对不同基因型棉花幼苗根长的影响

Table 3 Effects of copper stress on the root length of seedling in different cotton genotypes

Cu²⁺浓度 Cu²⁺ concentration (μmol/L)	2870		鲁7619 Lu 7619		鲁301 Lu 301		A409		CN01		鄂抗棉10号 Ekangmian 10		SGK321
Cu²⁺浓度 Cu²⁺ concentration (μmol/L)	RL (cm)	IPRL (%)	RL (cm)	IPRL (%)	RL (cm)	IPRL (%)	RL (cm)	IPRL (%)	RL (cm)	IPRL (%)	RL (cm)	IPRL (%)	RL (cm)	IPRL (%)
0	7.34a	-	8.04a	-	8.53a	-	7.80a	-	6.97a	-	7.08a	-	10.83a	-
10	3.50b	52.3	6.37b	20.8	3.41b	60.1	4.20b	46.1	5.63b	19.3	5.98b	15.5	3.30b	69.5
100	1.90c	74.1	3.99c	50.4	1.95c	77.2	2.00c	74.4	3.83c	45.0	4.17c	41.1	2.09c	80.7
2 000	0.85d	88.4	0.74d	90.8	0.57d	93.3	0.98d	87.4	0.81d	88.4	0.75d	89.4	1.02d	90.5

注: RL和IPRL分别表示根长和根长抑制率

Note: RL and IPRL represent root length and inhibition percentage of root length, respectively

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2.4 铜胁迫对不同基因型棉花幼苗芽长的影响

从表4可以看出,随着Cu²⁺浓度的升高,各基因型棉花幼苗芽长整体表现为逐渐下降趋势,不同处理间差异达显著水平。从芽长抑制率来看,各基因型在低浓度（10μmol/L）的芽长抑制率均较低,最低为9.7%（A409）,最高为15.5%（鲁7619）;在中浓度（100μmol/L）各基因型的芽长抑制率有较大差异,鄂抗棉10号和A409的芽长抑制率分别为16.9%、18.1%,其他基因型介于26.7%~36.3%;铜浓度达到2 000μmol/L时,各基因型的芽长抑制率均最大,但相对于根长的受抑制程度要小。

表4 铜胁迫对不同基因型棉花幼苗芽长的影响

Table 4 Effects of copper stress on the shoot length of seedling in different cotton genotypes

Cu²⁺浓度 Cu²⁺ concentration (μmol/L)	2870		鲁7619 Lu 7619		鲁301 Lu 301		A409		CN01		鄂抗棉10号 Ekangmian 10		SGK321
Cu²⁺浓度 Cu²⁺ concentration (μmol/L)	SL (cm)	IPSL (%)	SL (cm)	IPSL (%)	SL (cm)	IPSL (%)	SL (cm)	IPSL (%)	SL (cm)	IPSL (%)	SL (cm)	IPSL (%)	SL (cm)	IPSL (%)
0	7.45a	-	7.90a	-	8.70a	-	8.63a	-	7.78a	-	7.37a	-	8.16a	-
10	6.38b	14.4	6.68b	15.5	7.75b	10.8	7.79b	9.7	6.98b	10.2	7.34a	0.4	7.13b	12.5
100	5.44c	26.7	5.75c	27.2	5.68c	34.7	6.38c	18.1	4.95c	36.3	6.12b	16.9	5.37c	34.1
2 000	2.20d	70.5	3.19d	59.6	2.08d	76.0	2.14d	72.4	2.41d	69.0	2.52c	65.8	2.18d	73.3

注: SL和IPSL分别表示芽长和芽长抑制率

Note: SL and IPSL represent shoot length and inhibition percentage of shoot length, respectively

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2.5 不同基因型棉花在不同Cu²⁺浓度下的耐性指数

耐性指数反映棉花种子在不同Cu²⁺浓度下的受胁迫程度及其对Cu²⁺胁迫的抗性强度。耐性指数越大说明该基因型对Cu²⁺胁迫的耐受性越强。从表5可以看出,各基因型棉花幼苗鲜重在10μmol/L Cu²⁺浓度下与对照差异不大,耐性指数为0.74~0.96。10μmol/L Cu²⁺浓度下根长的耐性指数跨度较大,其中SGK321根长的耐性指数低至0.30,说明SGK321的根对Cu²⁺胁迫敏感。10μmol/L Cu²⁺浓度下芽长的耐性指数均在0.85及以上,A409和鄂抗棉10号的耐性指数分别为1.07和1.00,说明10μmol/L Cu²⁺胁迫对其芽长的影响较小。100μmol/L Cu²⁺浓度下各基因型根长的耐性指数差异较大,其中鄂抗棉10号耐性指数最大（0.59）,SGK321和鲁301较小,分别为0.19和0.23。2 000μmol/L Cu²⁺浓度下各基因型根长的耐性指数均在0.15以下,其中鲁301、SGK321和鲁7619均低于0.10,分别是0.07、0.09和0.09;各基因型幼苗鲜重和芽长的耐性指数均低于0.50。

表5 不同基因型棉花在不同Cu²⁺浓度下的耐性指数

Table 5 Tolerance indexes of different cotton genotypes at different Cu²⁺ levels

基因型Genotype	10μmol/L					100μmol/L					2 000μmol/L
基因型Genotype	幼苗鲜重Seedling fresh weight	根长 Root length	芽长 Shoot length	平均 Mean	排序 Rank	幼苗鲜重 Seedling fresh weight	根长 Root length	芽长 Shoot length	平均 Mean	排序 Rank	幼苗鲜重 Seedling fresh weight	根长 Root length	芽长 Shoot length	平均 Mean	排序 Rank
A409	0.94	0.54	1.07	0.851	3	0.71	0.26	0.82	0.595	4	0.48	0.13	0.28	0.293	3
CN01	0.96	0.81	0.90	0.890	2	0.63	0.55	0.64	0.604	3	0.45	0.12	0.31	0.292	4
鄂抗棉10号 Ekangmian 10	0.92	0.84	1.00	0.921	1	0.76	0.59	0.83	0.725	1	0.47	0.11	0.34	0.307	2
鲁301 Lu 301	0.80	0.40	0.89	0.697	6	0.60	0.23	0.65	0.493	6	0.31	0.07	0.24	0.206	7
2870	0.86	0.48	0.86	0.731	5	0.70	0.26	0.73	0.565	5	0.44	0.12	0.30	0.285	5
SGK321	0.81	0.30	0.88	0.663	7	0.61	0.19	0.66	0.487	7	0.41	0.09	0.27	0.259	6
鲁7619 Lu 7619	0.74	0.79	0.85	0.794	4	0.69	0.50	0.73	0.639	2	0.45	0.09	0.40	0.315	1

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对7个基因型棉花在各个浓度处理下的耐性指数比较并对各指标的平均值排序,发现鄂抗棉10号在3种浓度处理下的耐性指数的平均值都排在前列,说明其对Cu²⁺胁迫相对钝感;鲁301和SGK321的耐性指数平均值均排在末尾,说明其对Cu²⁺胁迫相对敏感。随着Cu²⁺浓度的升高,耐性指数下降最快的是根长,相对于幼苗鲜重和芽长,根长的耐性指数最低,说明根系是响应Cu²⁺胁迫最明显的部位。

2.6 不同基因型棉花在不同Cu²⁺浓度下的隶属函数

为更好地比较不同基因型棉花种子对铜胁迫耐受能力的差异,进行了隶属函数分析。隶属函数值越大说明其耐受性越强^[19,20]。从表6可以看出,10μmol/L Cu²⁺浓度下,鄂抗棉10号和A409的隶属函数平均值分列第1和第2位,说明其对10μmol/L Cu²⁺胁迫具有较好的耐受能力,SGK321的隶属函数平均值最小,表明其对Cu²⁺胁迫敏感。100μmol/L Cu²⁺浓度下鄂抗棉10号和A409的隶属函数平均值依然排在前列（分别是第1和第3位）,而鲁7619的隶属函数平均值提升到第2位,SGK321仍排最末位。2 000μmol/L Cu²⁺浓度下鲁7619的隶属函数平均值最大,A409和鄂抗棉10号仍较大,CN01和鲁301降到最低。

表6 不同基因型棉花在不同Cu²⁺浓度胁迫下的隶属函数值

Table 6 Subordinate function values of different cotton genotypes at different Cu²⁺ levels

基因型 Genotype	10μmol/L					100μmol/L					2 000μmol/L
基因型 Genotype	幼苗鲜重 Seedling fresh weight	根长 Root length	芽长 Shoot length	平均 Mean	排序 Rank	幼苗鲜重 Seedling fresh weight	根长 Root length	芽长 Shoot length	平均 Mean	排序 Rank	幼苗鲜重 Seedling fresh weight	根长 Root length	芽长 Shoot length	平均 Mean	排序 Rank
A409	1.00	0.29	1.00	0.765	2	0.65	0.04	1.00	0.565	3	0.98	0.91	0.06	0.649	2
CN01	0.88	0.76	0.31	0.648	3	0.00	0.85	0.00	0.284	6	0.57	0.53	0.30	0.464	6
鄂抗棉10号 Ekangmian 10	0.96	0.87	0.49	0.775	1	1.00	1.00	0.82	0.941	1	1.00	0.39	0.39	0.594	3
鲁301 Lu 301	0.93	0.03	0.71	0.556	4	0.57	0.02	0.51	0.368	5	0.00	0.00	0.00	0.000	7
2870	0.69	0.06	0.00	0.252	6	0.74	0.00	0.36	0.369	4	0.82	0.62	0.11	0.515	5
SGK321	0.33	0.00	0.39	0.238	7	0.10	0.08	0.29	0.159	7	0.48	1.00	0.08	0.522	4
鲁7619 Lu 7619	0.00	1.00	0.15	0.384	5	0.63	0.92	0.56	0.703	2	0.79	0.38	1.00	0.723	1

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综上所述,鄂抗棉10号和A409在Cu²⁺浓度10~2 000μmol/L范围内的隶属函数平均值均处于前列,说明这2个基因型对Cu²⁺胁迫具有较好的耐受能力。CN01对低浓度Cu²⁺胁迫有一定的耐受能力,但对中高浓度Cu²⁺胁迫的耐受能力较差,而鲁7619反之。

3 讨论

棉花是我国重要的经济作物之一,有生物量大和对生长逆境适应性强等特点。Bae等^[21]研究发现Cu²⁺胁迫会降低百脉根种子的发芽率,Sethy等^[22]也认为铜胁迫会降低种子发芽率。但本研究发现,Cu²⁺对棉花种子发芽率的影响因基因型而异。CN01和SGK321在高浓度Cu²⁺（2 000μmol/L）胁迫下发芽率显著高于对照,但幼苗鲜重、根长和芽长均显著低于对照。铜是植物生长发育必需的微量元素,但体内含量过高也会对植物造成毒害。有研究发现,适量的铜胁迫对植物生长发育反而有利,可能是激活了植物的防御机制。在0~80mg/L Cu²⁺浓度范围内,随着Cu²⁺浓度升高,海州香薷种子发芽率先升后降,在20mg/L Cu²⁺浓度水平发芽率最高^[23]。高羊茅幼苗鲜重、干重和叶绿素含量等随Cu²⁺浓度升高也表现出先升高后降低的趋势^[24]。尚未见高浓度的Cu²⁺促进棉花种子发芽的报道,该现象有待于进一步深入研究。

棉花幼苗根的生长受铜胁迫的抑制,且随着Cu²⁺浓度的升高,抑制作用越明显。低浓度的Cu²⁺对小麦根的伸长有刺激作用,高浓度的Cu²⁺对其具有抑制作用^[25]。适宜浓度的Cu²⁺对绿豆根的伸长也有促进作用^[14]。祝沛平等^[26]研究认为,过量的Cu²⁺抑制脱羧酶活性,最终造成根部大量NH₄⁺的积累,植物根部损伤严重,主根伸长受到抑制,根尖出现硬化,生长点细胞分裂受到抑制,根毛数量减少甚至枯死。Tanyolac等^[27]研究发现过量铜处理降低玉米幼苗的根长和茎长。本研究中,不同棉花基因型根的生长对铜胁迫表现出不同的耐受性。其中鄂抗棉10号在中低浓度Cu²⁺（10~100μmol/L）胁迫下耐受性最强,SGK321表现最差。在高浓度Cu²⁺（2 000μmol/L）胁迫下根的生长均受到严重抑制。与根的生长反应表现一致,棉花幼苗芽长表现为随着Cu²⁺浓度的升高,所受抑制程度也越高,且存在基因型的差异。如鄂抗棉10号在10μmol/L Cu²⁺胁迫下芽长抑制率只有0.4%,而其余6个基因型均在10.0%以上。但在白菜中发现低浓度Cu²⁺（0.008mmol/L）对芽的伸长具有促进作用^[10]。本试验中,Cu²⁺胁迫对根长的抑制程度均高于芽长,这与以小麦、甘蓝幼苗为试验材料的研究结果一致^[28,29]。根系是植物吸收无机离子的主要器官,所不同的是,棉花种子在低浓度和高浓度Cu²⁺条件下均能够生长发育,可能是在低浓度时,Cu²⁺留在根组织中,形成难溶性化合物或者特定的有机物,限制了Cu²⁺的运输,属于植物对重金属离子的排斥机制^[30]。而当根系吸收的Cu²⁺量超过其蓄积能力时,才开始向芽中运输,影响芽的伸长。

本研究发现,在10~100μmol/L Cu²⁺浓度范围内能较好地将不同基因型棉花种子发芽耐铜毒害的能力区分开,而在2 000μmol/L浓度下,参试基因型的种子发芽均受到严重抑制,耐受性难以区别,说明已超出了棉花种子的忍耐能力。Ali等^[31]报道在0~50μmol/L Cu²⁺浓度范围内,随着Cu²⁺浓度升高,棉花幼苗株高、根长、单株叶面积、单株叶片数和叶绿素含量等均下降。

以幼苗鲜重、根长和芽长为考察指标,采用耐性指数和隶属函数综合评价7个棉花品种（系）种子萌发对铜胁迫的耐受性,发现鄂抗棉10号的隶属函数和耐性指数在中低水平铜胁迫下均位于前列,因而初步认定其为铜胁迫钝感基因型。SGK321在中低水平铜胁迫下耐性指数和隶属函数均居末尾,因而初步认定其为铜胁迫敏感基因型。本试验研究了7个棉花基因型对Cu²⁺耐受性强弱,后续将增加试验材料以筛选对铜胁迫敏感程度差异大的基因型,为棉花响应铜胁迫的生理与分子机制研究提供参考。

4 结论

在Cu²⁺胁迫下,棉花幼苗的根长、芽长和幼苗鲜重均受到抑制,且Cu²⁺浓度越高,抑制越强。Cu²⁺对棉花幼苗根长的抑制程度高于对芽长。在7个基因型中鄂抗棉10号种子萌发对Cu²⁺胁迫具有较好的耐受性,可作为耐铜基因型进行深入研究,SGK321对Cu²⁺胁迫的耐受性较差,为敏感基因型。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

武红

铜胁迫对玉米根系生长发育的影响研究

兰州:西北师范大学, 2015.