跟着工农业坐褥的迅猛发展，各式期凌物络续排放，并在环境中络续累积和滚动，导致泥土环境期凌日益严重。泥土重金属期凌因其高富集、难降解、毒性强等原因越来越受到东说念主们的平凡暖和。比年来我国泥土重金属期凌问题越来越严重，据报说念，我国受Cd、As、Pb、Hg、Zn等重金属期凌的耕大地积近2000万hm2，约占总耕大地积的五分之一；每年因重金属期凌减产食粮超1000万t，被重金属期凌食粮达1200万t，由此形成的经济失掉至少达200亿元[1]。据2014年环保部和国土资源部纠合发布的宇宙初度泥土期凌景况看望公报[2]闪现，我国泥土总样点超标率为16.1%，耕地超标率达到19.4%，其中重金属超标比较严重，Cd期凌超标络续加重。长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域泥土期凌问题比较隆起，西南、中南地区泥土重金属超标领域较大。泥土重金属期凌起首主如果东说念主为起首，包括矿产引诱、金属冶真金不怕火、化工、汽车尾气排放、污泥使用、浑水灌溉、农药和化肥施用、大气千里降等[3]。泥土中重金属通过植物经受、积聚、富集，并通过食品链阶梯插足东说念主体，从而对东说念主类健康形成威胁中国 拳交，因而有必要选择不同期间措施对重金属期凌进行灵验建设。

Cd是水稻滋长发育非必需元素，水稻对其有一定的耐受性。接洽标明低浓度Cd对水稻的滋长推崇出一定的促进作用，但当Cd浓度增多时，水稻的滋长会受到赫然阻止[4]。Cd可通过阻止种子中的淀粉酶、卵白酶活性影响淀粉和卵白质的解析，从而对种子萌坐褥生影响[5]。水稻当作我国主要食粮作物，种子萌生期间幼芽的滋长景况对其日后的滋长及产量有着急的影响，因而提高水稻种子在萌生期间对重金属的耐受性，缓解重金属对水稻种子萌生的糟塌作用就显得尤为着急。褪黑素（Melatonin，MT），别号果体素，1958岁首度从牛的松果体分离出来[6]，早期被觉得仅存在于动物体内，其与生物个体的发育、生殖等诊疗机制密切筹商。由于褪黑素低价易得，医学上早已将其用于疾病的退缩和重金属形成的神经糟塌的缓解[7]。跟着比年来褪黑素在越来越多的植物体内被发现，其在植物体内的作用迟缓被东说念主们所解析[8]。越来越多的接洽发现，外源褪黑素的添加能提高植物对窘境（紫外线辐照、高温、低温、干旱、重金属等约束）的耐受性以及提高植物对病虫害的违背才略[9-13]，褪黑素对植物窘境的缓解作用主要通过撤消目田基、提高抗氧化酶活性等模样完了。Turk等[14]的接洽发现通过诊疗矿质元素及抗氧化才略，外源施加褪黑素能缓解低温导致的水稻种子氧化毁伤。Tal等[15]的接洽标明，大型海藻在不同重金属（Cd、Pb、Zn等）的约束下，褪黑素的含量均赫然增多，其中金属Cd对褪黑素含量的影响最大，Pb和Zn的影响相对较小。这也评释了内源褪黑素对Cd糟塌的缓解作用及外源褪黑素的施加对缓解植物重金属约束的可行性。然则迄今为止褪黑素对Cd约束下植物滋长发育的影响尚未见报说念。本文以水稻为接洽对象，探求外源褪黑素添加对Cd约束下水稻种子萌生的影响。

1 材料与要领 1.1 材料

水稻品种为湘早灿24号。选取实足的水稻种子，在履行前均用3%NaClO浸泡消毒10 min，蒸馏水反复冲洗3~5遍。

1.2 实验要领

在预实验中，成立5、10、20、50、100、200 μmol·L-1 6个不同Cd浓度解决，选出与空缺解决比拟对水稻幼苗萌坐褥生不同进程影响的10、100 μmol·L-1两个解决浓度当作认真Cd解决浓度实验，即成立3个Cd浓度解决0、10、100 μmol·L-1。褪黑素解决浓度参考Posmyk等[12]和Zhang等[16]早期对外源褪黑素抗逆接洽所选用的浓度，成立4个褪黑素浓度解决：0、10、100、1000 μmol·L-1。共组合成12个实验解决。Cd以CdCl2神志加入。将消毒过的种子均匀放入直径9 cm的培养皿中，内铺两层无菌试纸。每个培养皿50粒种子，按照成立浓度加入10 mL含有Cd和褪黑素的解决液，移入28 ℃生化培养箱中进行暗培养。每个解决3次近似。培养期间逐日不雅察和记载种子的发芽情况，并用称重法补充挥发的水分。

1.3 测定技俩与要领 1.3.1 萌生方针测定

培养期间每天记载水稻种子萌生的数目，第3 d统计种子的发芽势，第8 d测定水稻幼芽的根长、芽长、根鲜重和芽鲜重（其中芽鲜重、根鲜重按皿蓄意），并统计水稻种子的发芽率。发芽势和发芽率的蓄意公式如下：

发芽势=3 d内发芽种子粒数/供试种子数×100%

发芽率=8 d内发芽种子粒数/供试种子数×100%

1.3.2 生理方针测定

取萌生8 d的幼芽，于-80 ℃下超低温保存，用于生理方针的测定。水稻根系活力用α-萘胺法测定[17]，丙二醛（MDA）含量的测定参考《植物生理生化实验旨趣和期间》[18]，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）活性的测定收受Zhang等[16]的要领。收受根系扫描仪（Epson Expression 10000XL）对水稻根系进行扫描，并用WinRhizo根系分析软件进行根时势方针分析。

1.4 数据解决

实验数据收受Origin 9.0和 SPSS 19统计分析软件进行分析及互异显赫性捕快。对不同解决的数据进行独身分方差分析（ANOVA）和Duncan多重比较。数据以平均值±要领差示意。

2 罢了与分析 2.1 褪黑素对水稻种子发芽率和发芽势的影响

图 1为外源添加褪黑素对Cd约束下水稻种子发芽率的影响。Cd约束对水稻种子的发芽势和发芽率均有裁减作用，10 μmol·L-1 Cd约束分辩裁减水稻种子发芽势和发芽率5%和8%，100 μmol·L-1 Cd约束裁减水稻种子发芽势和发芽率幅度均为6%。褪黑素添加对Cd约束下水稻种子发芽具有一定的促进作用。当Cd浓度为10 μmol·L-1时，添加10 μmol·L-1褪黑素比拟对照解决显赫提高水稻种子发芽率7.8%，而添加100、1000 μmol·L-1褪黑素时种子发芽率莫得显赫变化；当Cd浓度提高到100 μmol·L-1时，添加100 μmol·L-1褪黑素比拟对照解决显赫提高水稻种子发芽率5.3%。褪黑素浓渡过高阻止水稻种子的发芽，在莫得Cd约束时，10、100 μmol·L-1褪黑素添加对水稻种子发芽莫得影响，而当其浓度提高到1000 μmol·L-1时，水稻种子发芽率比对照裁减5.7%。

外源添加褪黑素对Cd约束下水稻种子发芽势的影响见图 2。外源添加褪黑素对Cd约束下水稻种子发芽势也有一定的促进作用。当Cd浓度为100 μmol·L-1时，与莫得添加褪黑素的对照比拟，添加10、100、1000 μmol·L-1褪黑素分辩提高水稻种子发芽势9.0%、10.2%和5.6%。褪黑素浓渡过高对水稻种子的发芽势有阻止作用，在莫得Cd约束时，1000 μmol·L-1褪黑素导致水稻种子发芽势比对照裁减6.1%。

2.2 褪黑素对水稻根长、芽长、根重和芽重的影响

外源添加褪黑素对Cd约束下水稻根长、芽长的影响如图 3所示。Cd约束下，水稻幼芽、根的滋长受到赫然的为止，根系尤为显赫。10 μmol·L-1 Cd约束下，与对照组比拟水稻幼芽芽长、根长分辩下落了19.9%和25.3%；而100 μmol·L-1 Cd约束下，相应方针下落幅度更为赫然，分辩为33.2%和50.2%。 外源褪黑素的添加对Cd约束下水稻根长有赫然的促进作用。当Cd浓度为10 μmol·L-1时，与莫得添加褪黑素的对照比拟，添加10 μmol·L-1褪黑素显赫提高根长19.3%；当Cd约束浓度达100 μmol·L-1时，100、1000 μmol·L-1褪黑素比拟对照解决均提高水稻根长28.9%，而当褪黑素浓度提高至1000 μmol·L-1时，对根长的影响反而推崇为阻止作用，比对照解决下落39.5%。外源褪黑素的加入对Cd约束下水稻芽长的变化莫得显赫影响。在莫得Cd约束时，添加1000 μmol·L-1褪黑素使水稻芽长比对照解决下落13.3%。

图 4为外源褪黑素添加对Cd约束下水稻根鲜重和芽鲜重的影响。Cd约束下，水稻幼芽芽鲜重、根鲜重赫然下落。与对照解决比拟，10 μmol·L-1 Cd约束下，与对照组比拟水稻幼芽芽鲜重、根鲜重分辩下落了21.2%、43.9%；而100 μmol·L-1 Cd约束下，相应方针下落幅度更为赫然，分辩为50.7%、67.2%。添加外源褪黑素能赫然提高水稻的根鲜重。当Cd浓度为10 μmol·L-1时，与莫得添加褪黑素的对照比拟，添加10 μmol·L-1褪黑素使水稻根鲜重提高40.0%；当Cd约束浓度为100 μmol·L-1时，10、100 μmol·L-1褪黑素的添加使水稻根鲜重分辩比对照解决提高31.0%和42.0%，但当褪黑素浓度为1000 μmol·L-1时，根鲜重反而下落35.7%。外源褪黑素的添加对水稻芽鲜重也有一定的提高招用。10 μmol·L-1 Cd约束下，添加10 μmol·L-1褪黑素比拟对照解决赫然提高水稻芽鲜重9.6%，而添加100、1000 μmol·L-1褪黑素对水稻芽重莫得显赫影响；当Cd浓度增多到100 μmol·L-1时，与对照解决比拟，添加100 μmol·L-1褪黑素可提高8.1%芽鲜重，但是褪黑素浓度为10、1000 μmol·L-1时，对Cd约束下水稻芽鲜重无赫然影响。在无Cd约束的情况下，10、100 μmol·L-1褪黑素对水稻芽鲜重无赫然影响，1000 μmol·L-1褪黑素会导致水稻芽鲜重下落7.0%。

2.3 褪黑素对水稻幼芽MDA含量和酶活性的影响

外源添加褪黑素对Cd约束下水稻幼芽MDA含量的影响见图 5。Cd约束下，MDA含量跟着Cd约束浓度的增多而飞腾，在10、100 μmol·L-1 Cd解决后，联系于对照组MDA分辩增多了40.1%和66.8%。添加褪黑素可显赫裁减Cd约束下水稻幼芽的MDA含量。Cd浓度为10 μmol·L-1时，添加10 μmol·L-1褪黑素使MDA含量从对照解决的358.0 nmol·g-1 FW下落至312.0 nmol·g-1 FW，当褪黑素浓度提高到100、1000 μmol·L-1时，MDA含量有所飞腾，但仍是显赫低于莫得添加褪黑素的对照组；当Cd浓度提高到100 μmol·L-1时，添加100 μmol·L-1褪黑素对MDA含量影响最大，从对照解决的424.3 nmol·g-1 FW降至356.0 nmol·g-1 FW，裁减幅度为16.1%。

在线数独

图 6为添加外源褪黑素对Cd约束下水稻幼芽POD活性的影响。外源褪黑素添加能显赫提高Cd约束下水稻幼芽的POD活性。Cd约束浓度为10 μmol·L-1时，添加10、100、1000 μmol·L-1褪黑素比拟对照组使水稻幼芽POD活性分辩提高21.5%、31.3%和42.2%；当Cd浓度为100 μmol·L-1时，添加10、100、1000 μmol·L-1褪黑素比拟对照组POD活性分辩提高21.3%、40.6%和45.5%。外源褪黑素添加也不错显赫提高Cd约束下水稻幼芽的CAT、SOD活性（图 7和图 8），其变化趋势与POD类似。当Cd浓度为10 μmol·L-1时，添加10、100、1000 μmol·L-1褪黑素使水稻幼芽CAT活性分辩比对照解决提高62.2%、75.7%和74.8%，SOD活性分辩提高16.7%、46.9%和54.2%；当Cd约束浓度飞腾至100 μmol·L-1时，10、100、1000 μmol·L-1褪黑素添加使水稻幼芽CAT活性分辩比对照解决提高77.8%、143.1%和145.8%，SOD活性分辩提高24.2%、32.2%和28.7%。

2.4 褪黑素对水稻幼芽根系活力和根系时势的影响

图 9为添加外源褪黑素对Cd约束下水稻根系活力的影响。10 μmol·L-1 Cd约束对水稻幼芽根系活力无赫然影响，100 μmol·L-1 Cd能赫然裁减水稻根系活力，与对照组比拟下落了33.1%，添加外源褪黑素能显赫提高根系活力。当Cd约束浓度为10 μmol·L-1时，添加10、100 μmol·L-1外源褪黑素对根系活力影响不大，而褪黑素浓度为1000 μmol·L-1时却显赫地阻止水稻的根系活力；当Cd约束浓度普及至100 μmol·L-1时，10、100 μmol·L-1褪黑素均能显赫提高水稻根系活力，增幅分辩为14.0%和15.2%。

表 1为添加外源褪黑素对Cd约束下水稻根系时势筹商参数的影响。在Cd约束下，水稻根系总长度、名义积、根体积均有赫然的下落趋势，与对照解决比拟，10 μmol·L-1 Cd约束下分辩下落了28.4%、40.0%和50.0%，100 μmol·L-1 Cd约束下分辩下落了59.1%、60.9%和65.0%。总根尖数在10 μmol·L-1 Cd约束下与对照组比拟无赫然互异，而在100 μmol·L-1 Cd约束下，与对照组比拟平均值下落了34.9%，罢了显赫。在Cd约束下，根系直径、根分支数与对照组比拟莫得显赫互异。外源褪黑素解决能显赫地提高Cd约束下水稻的总根长、根名义积和根体积。在10 μmol·L-1 Cd约束下，添加10 μmol·L-1褪黑素使水稻总根长、根名义积和根体积分辩比对照解决提高84.5%、104.1%和129.9%；而Cd浓度为100 μmol·L-1时，添加100 μmol·L-1褪黑素可分辩提高水稻总根长、根名义积和根体积133.7%、100.0%和85.7%。添加褪黑素对Cd约束下水稻根系直径也有影响。在10、100 μmol·L-1 Cd浓度约束下，添加10 μmol·L-1褪黑素导致水稻根系直径分辩比对照解决显赫裁减11.0%和9.9%。当Cd约束浓度为100 μmol·L-1时，添加外源褪黑素对水稻根尖数有一定影响，与未添加褪黑素的对照解决比拟，10、100 μmol·L-1褪黑素使水稻根尖数分辩比对照解决提高73.7%和93.4%。添加褪黑素对Cd约束下水稻分叉数影响不显赫。

3 运筹帷幄

Cd约束对植物滋长发育有赫然的阻止和糟塌作用，举例它对水稻的糟塌作用主要推崇为阻止水稻萌生、滋长、细胞分裂，影响水稻的光合营用和呼吸作用，产生氧化约束，对细胞结构和亚细胞结构形成毁伤[19]。本接洽发现Cd约束可赫然阻止水稻种子的萌生，种子发芽率和发芽势赫然下落，水稻幼芽和幼根滋长赫然受到阻止，添加顺应的外源褪黑素则灵验缓解了Cd约束对水稻种子萌生的影响。这与Tan等[20]报说念的筹商褪黑素促进Cu约束下豌豆种子萌生的罢了一致。

Cd约束可携带植物产生包括过氧化氢（H2O2）、超氧目田基（O2-·）、羟基（OH-）等活性氧物资，这些活性氧物资可阻碍植物的膜系统，加重膜脂过氧化进程，影响植物的光合营用等平淡生理功能，进而影响诸如脂质、核酸、卵白质等生物大分子的代谢流程[21-22]。MDA是植物膜脂过氧化评价的着急方针。一般觉得，Cd约束产生的目田基会损害水稻细胞内的膜系统，导致水稻体内MDA含量增多。本接洽也发现Cd约束导致水稻幼芽MDA含量显赫提高，但是外源褪黑素的添加能显赫裁减水稻幼芽的MDA含量，证实褪黑素可灵验缓解水稻体内的过氧化约束。Cd约束对植物体内抗氧化酶活性也有赫然影响，接洽标明Cd约束导致的植物抗氧化酶活性变化跟着植物基因型的不同而不同[23]。本接洽中，在10 μmol·L-1 Cd浓度约束下水稻幼芽的POD、SOD活性比莫得Cd约束时有所提高，但是水稻幼芽CAT活性却跟着Cd约束浓度的增多而显赫裁减。外源添加10~1000 μmol·L-1褪黑素均能显赫提高Cd约束下水稻幼芽的POD、SOD和CAT的活性，况且褪黑素浓度越高这种作用越赫然（图 6、图 7、图 8）。POD和CAT可将植物细胞中的H2O2赶快解析为H2O和O2，从而撤消过氧化体中产生的H2O2，它们在阻止植物膜脂过氧化方面阐发着着急的作用。SOD是植物体内发现的独一专职撤消O2-·的抗氧化酶，是撤消活性氧目田基的关节酶，能把O2-·规复成H2O2，还能将O2-·氧化为O2[24]。褪黑素施用显赫提高水稻体内POD、SOD和CAT的活性，从而提高植物撤消H2O2、O2-·等活性氧物资的才略。这可能是褪黑素缓解Cd约束对水稻糟塌的主要机制之一。另外，褪黑素是现在已知的抗氧化作用最强的内源性目田基撤消剂[25]。Pieri等[26]发现褪黑素与维生素E、维生素C、规复性谷胱甘肽比拟，是更为灵验的亲脂性氧化剂，况且褪黑素抗氧化流程的中间家具N1-乙酰基-N2-甲酰基-5-甲氧基犬尿胺（AFMK）和N1-乙酰基-5-甲氧基犬尿胺（AMK）本人亦然灵验的目田基撤消剂，会增多其对目田基的撤消才略。植物体内SOD/POD、SOD/CAT比值的均衡也会影响植物的膜脂过氧化景况。Shah等[27]接洽发现，SOD的过量抒发会加快O2-·滚动为H2O2和O2，如果撤消H2O2的酶活性无法同等进程地提高，则剩余的H2O2会同O2-·相联接生成氧化性更强的·OH，进而加重植物的氧化毁伤。Kanazawa等[28]也报说念SOD/POD、SOD/CAT比值的普及会进一步增多植物体的氧化约束。本接洽发现，尽管添加褪黑素对水稻幼芽SOD/POD比值影响不大，但是却显赫裁减Cd约束下水稻幼芽SOD/CAT比值，这可能亦然褪黑素缓解水稻氧化约束、裁减Cd糟塌的机制之一。

根系当作水稻着急的经受和代谢器官，其滋长、时势对植物营养经受有着急的作用。根长、根名义积、根体积、根直径、根尖数和根分叉数是评价植物根系滋长发育、营养经受、与环境介质互动的着急方针。Cd约束对水稻根系滋长发育有着急影响，不时觉得Cd对水稻的糟塌领先反应在根系上。根系活力主要反应植物根氧化、规复和合成的才略，是迤逦揣度根系功能的着急方针。本接洽发现，添加10、100 μmol·L-1褪黑素对Cd约束下水稻根系活力有赫然的促进作用（图 9），同期褪黑素可促进水稻总根长、根直径、根名义积、根体积的增长，证实褪黑素能提高水稻根系的推陈出新速率，从而有意于水稻根系发育和植株滋长。Sarropoulou等[29]接洽证抓行用0~10 μmol·L-1褪黑素可促进樱桃根系再生，提高樱桃根生物量、脯氨酸含量和总糖含量等。褪黑素的添加对渗入约束下导致植物侧根数主义减少有缓解作用[30]。

比年来，科学使命者在提高植物抗逆方面进行了多方面的探索，主要通过矿质元素、植物滋长诊疗物资来裁减重金属对植物体的糟塌。植物滋长诊疗物资（如水杨酸、谷胱甘肽等）对水稻Cd约束均有较为显赫的缓解作用，相较于其他抗氧化剂（如维生素E、谷胱甘肽），褪黑素的抗氧化才略更强，同期褪黑素的加入还不错提高植物体内其他抗氧化剂（如抗坏血酸和谷胱甘肽）的含量[31]。由于褪黑素具有亲水和亲脂的双重性质，不祥目田收支细胞，也使其在重金属约束情况下能赶快转变至反应位置。另外，褪黑素容易取得，范畴化使用时本钱不高。这些上风使褪黑素在植物抗逆，相配是在抗重金属约束方面具有潜在的运用出路。

对植物而言，由于浓度不同，褪黑素对窘境约束可能具有缓解作用，也可能加重植物体的受毒进程。本履行中不同施用浓度的褪黑素对植物抗Cd约束作用影响较大，如10、100、1000 μmol·L-1褪黑素对重金属Cd导致的氧化约束均推崇出赫然的缓解作用，均能提高抗氧化酶活性，裁减脂质过氧化。10、100 μmol·L-1褪黑素对Cd约束下水稻种子萌生及水稻根系滋长有显赫的促进作用，而1000 μmol·L-1褪黑素对水稻种子萌生及水稻根系滋长则无赫然影响或呈负面影响。这可能是因为褪黑素具有较强的活性氧撤消作用，而高浓度褪黑素对活性氧的过多撤消反过来却退却了植物体内的信号传递，蔓延了植物体对Cd约束作念出的反应。因此，在本体运用流程中还需要把柄具体作物种类及不同窘境条款，对外源褪黑素的施用浓度作出相应的选拔。

4 小结

（1） 添加外源褪黑素可促进Cd约束下水稻的种子萌生，提高种子的发芽率和发芽势，提高水稻根系活力，促进水稻根系和幼芽的滋长，但是褪黑素浓渡过高（1000 μmol·L-1）却不利于水稻种子萌生、根系和幼芽的滋长。

（2） 添加褪黑素可显赫裁减Cd约束下水稻幼芽的MDA含量，显赫提高POD、SOD和CAT的活性，证实褪黑素添加可灵验地阻止Cd约束对水稻的膜脂过氧化中国 拳交，缓解Cd对水稻的糟塌作用。