重金属是重要的环境污染物质,其在生态学、进化学、营养学和环境学方面的毒害问题受到了越来越多的关注。水稻生长尤其是在幼苗阶段容易遭受Pb、Hg和Ni等重金属的毒害。此外,在亚洲地区雨养型低产田地区,由于根区水位波动频繁以及集约化的种植模式,水稻通常会遇到大量营养元素的缺乏。水稻生长发育受到N、P、K等营养元素的供应水平已成为世界范围内水稻生长发育和产量提升的主要限制因子。重金属毒害与NPK养分缺乏类似,可能导致水稻生长受抑制、营养不平衡、激素变化、氧化性损伤以及与胁迫反应相关联代谢物的改变。种子引发是在控制条件下使种子缓慢吸水,为萌发提前准备的一种播前处理技术,可以促进种子萌发、提高幼苗活力和保障农作物尤其是在不利环境下的正常生长。目前关于在逆境环境下有效地种子引发处理的报道文献不多,而在考虑重金属与养分缺乏条件交互作用下种子引发作用效果的研究更少。因此,本文通过在人工气候箱进行了一系列的溶液培养试验,研究了不同重金属胁迫(Ni、Hg和Pb)与不同养分供应条件(完全养分、缺N、缺P和缺K)交互作用下种子引发处理和非引发处理水稻的生理、生化及矿质营养响应机制。主要的研究结果如下:(1)Ni胁迫及缺N、缺P或缺K对水稻立苗产生负效应。Ni毒害与养分缺乏显著降低水稻幼苗高度和地上部生物量,其中在缺N和Ni共同胁迫下水稻地上部长势最差。缺N显著降低水稻根长和根部生物量,Ni胁迫降低水稻根部生物量,但对缺N条件下水稻的根长无影响。缺P或缺K处理水稻的根部生物量与正常养分供应处理条件下的大致相同。Ni胁迫或其与养分缺乏共同胁迫下,均能诱导水稻幼苗产生ROS,并引起脂质过氧化反应。抗氧化物中仅有GR和Ve在正常养分供应条件下受到Ni胁迫的影响。Ni胁迫降低水稻幼苗尤其是地上部N、Ca、Mg、Fe和Mo的含量。缺N水稻地上部的Ni含量最高,而缺K水稻根部的Ni含量最高。种子引发处理能消减养分缺乏和镍胁迫对水稻幼苗的危害,促进水稻幼苗生长,其原因是减少了ROS物质产生与积累,提高膜稳定性、增强了抗氧化防御系统以及维持矿质养分。(2)Hg毒害处理导致水稻秧苗出现毒害症状,具体表现为水稻幼苗高度、根长以及鲜重和干物质量降低。另外,尽管Hg毒害提高水稻Hg含量,但是对养分缺乏(缺N、缺P或缺K)并没有改善作用,相反养分缺乏处理尤其是缺氮有加重水稻秧苗Hg毒害的现象。Hg胁迫增加水稻幼苗体内氧化反应,导致水稻叶片中MDA和ROS的积累。汞胁迫和养分缺乏也降低保护酶(SOD、POD、CAT、GPX、GR,GST)活性和非酶性抗氧化剂(GSH、VC)含量。Hg毒害和缺N共同胁迫下抗氧化防御性能最差。汞胁迫下水稻幼苗的氮、磷和钙的浓度较低,促进水稻钾素从根部向地上部的转移。在受胁迫条件下,种子引发处理能促进水稻的生长,提高水稻的生物量和养分含量,降低过氧化产物,提高水稻叶片中保护酶活性和非酶抗氧化剂含量。总之,种子引发可能通过减少过氧化反应和提高抗氧化系统活性或水平进而影响幼苗生长和生物量,减轻Hg毒害和氮磷钾养分缺乏所造成的不良影响。(3)在水稻幼苗缺N或缺P条件下,Pb毒害严重抑制了水稻地上部的生长,但是对水稻根系生长没有影响。在水稻供给全部的养分或缺K情况下,Pb毒害对水稻幼苗生长没有抑制作用。Pb胁迫在所有的养分处理下(尤其是缺N或缺P处理)触发了氧化应激反应。与对照相比,Pb毒害不利于水稻地上部N、P、K、Ca、Mg、Cu、Mn和Mo养分的积累,但地上部Zn、B和Pb养分浓度不受影响或增加。与其他元素相比,Pb毒害降低地上部P和地上部Mn含量的趋势更明显。缺K可能抑制水稻对Pb的吸收,导致Pb毒害水稻幼苗在缺K情况下的生长表现较好。种子引发处理可以有效地缓解Pb毒害对水稻生长所造成的不利影响。在Pb毒害和或养分缺乏情况下,水稻因产生ROS造成氧化损伤,而种子处理后的水稻幼苗表现出最小的氧化损伤。种子引发通过调节水稻叶片中的抗氧化酶活性和谷胱甘肽(GSH)水平来增强水稻幼苗的抗氧化防御系统。此外,种子引发处理能降低水稻地上部Pb的积累从而防止Pb的积累损伤。显而易见,降低了水稻幼苗根部向地上部Pb素的迁移和积累,也就减轻了铅毒害。综上,试验结果证明种子引发能够有效增强水稻抵抗铅毒及养分胁迫的能力。