Cu、Cd污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子萌發和生長的生態毒理效應

王磊，張菲，王從彥，肖鴻光，石艷春，趙璐璐，杜道林

江蘇大學環境生態研究所 環境與安全工程學院，鎮江 212013

Cu、Cd污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子萌發和生長的生態毒理效應

王磊，張菲，王從彥*，肖鴻光，石艷春，趙璐璐，杜道林#

江蘇大學環境生態研究所 環境與安全工程學院，鎮江 212013

在重金屬污染加重及多樣化的背景下，入侵植物對本地植物種子萌發和生長的生態毒理效應可能發生改變甚至增強。因此，本文探究了Cu和Cd單污染及其復合污染下入侵植物加拿大一枝黃花葉水提液對其本地近緣種萵苣種子萌發和生長的生態毒理效應。結果表明：加拿大一枝黃花葉水提液處理及3種重金屬污染類型和加拿大一枝黃花葉水提液復合處理均顯著降低萵苣種子發芽指數，表明重金屬和加拿大一枝黃花葉水提液均對萵苣的種子萌發和生長產生明顯生態毒理效應。Cu和Cd復合污染下加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣幼苗株高產生的生態毒理效應顯著大于在Cu和Cd單污染下的生態毒理效應，而在Cu和Cd復合污染下加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣幼苗發芽速度指數產生的生態毒理效應也大于在Cu和Cd單污染下的生態毒理效應(未達到顯著水平)。這表明在Cu和Cd復合污染下加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子萌發產生的生態毒理效應大于在Cu和Cd單污染下的生態毒理效應，即Cu和Cd復合污染可能對加拿大一枝黃花對本地植物種子萌發和生長產生的生態毒理效應具有一定的疊加效應。

銅；鎘；水提液；加拿大一枝黃花；萵苣；種子萌發

隨著工農業的發展，工業“三廢”排放、城市垃圾的大量堆放及農藥的不合理使用等諸多因素，使得近年來我國一些生態系統的重金屬污染程度日益加重[1]。作為2種毒性較大的常見重金屬元素，銅(Cu)和鎘(Cd)具有降解難度較大且易于在土壤中積累等特性，使其產生了較嚴重的生態影響[2]。所以，Cu和Cd污染造成的生態毒理效應已成為目前日益關注的熱點科學問題之一。同時，入侵植物對其入侵地的生態系統結構和功能也造成明顯的影響[3-4]。相關研究表明：入侵植物可以向其入侵生態環境中釋放一些物質，抑制本地植物種子萌發、生長發育和群落演替等[5-6]。另外，在環境脅迫背景下(如酸雨)，入侵植物對本地植物種子萌發和生長的生態毒理效應進一步增強[7-8]。所以，在重金屬污染加重的背景下，入侵植物對本地植物種子萌發和生長的生態毒理效應也可能會發生一定的改變，甚至是進一步增強。

基于此，本文以加拿大一枝黃花(Solidago canadensis)為入侵植物代表，以其本地近緣種萵苣(Lactuca sativa)為研究對象，探究在不同類型重金屬污染類型(Cu和Cd單污染以及兩者復合污染)背景下加拿大一枝黃花葉水提液對其本地近緣種萵苣種子萌發和生長的生態毒理效應。加拿大一枝黃花是菊科一枝黃花屬外來入侵植物，原產北美洲，20世紀30年代作為觀賞花卉引種于滬、寧等地，隨后逃逸擴散，現已成為華東地區的主要外來入侵雜草之一，并對其入侵地的自然生態系統和農業生態系統造成明顯的生態毒理效應[9]。相關研究表明：加拿大一枝黃花在其入侵進程中顯著影響本地植物的種子萌發和生長[6,10]。因此，本研究結果將對更清楚認識以重金屬污染為代表的全球環境變化背景下入侵植物對本地植物種子萌發和生長的生態毒理效應。本文擬提出以下假設進行驗證：(1)加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子的萌發產生明顯的生態毒理效應；(2)重金屬增強了加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子的萌發產生的生態毒理效應；(3) Cu和Cd復合污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子萌發產生的生態毒理效應大于在Cu和Cd單污染背景下產生的生態毒理效應。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實驗材料和試劑

本文所用的受體植物為萵苣(品種為四季白尖葉)，購于鎮江市京口區菜市場。實驗用Cu(SO4)2·5H2O和CdCl2·2.5H2O固體配制成含Cu2+和Cd2+的溶液。

1.2 加拿大一枝黃花葉水提液制備

2014年8月在江蘇大學主校區校園內(32°20'N，119°51'E)采集生長旺盛期的加拿大一枝黃花的成熟葉片。取新鮮葉片100 g加蒸餾水至1 L，浸泡48 h，雙層紗布過濾2次后得加拿大一枝黃花葉水浸提原液(濃度為100 g·L-1)，冰箱中4 °C保存備用。

1.3 重金屬離子溶液的配制

稱取適量的Cu(SO4)2·5H2O和CdCl2·2.5H2O固體，溶于蒸餾水，分別配制成含Cu2+和Cd2+的重金屬溶液(Cu2+與Cd2+濃度均為5 mg·L-1)。以蒸餾水處理為對照組。

1.4 種子萌發實驗

采用培養皿濾紙法[11]進行種子萌發實驗，將萵苣種子用1%的次氯酸鈉溶液消毒10 min，種子消毒后用蒸餾水清洗數次。挑選大小一致、健壯飽滿的種子，蒸餾水浸泡30 min，用濾紙吸干種子表面水分，放入鋪有2層濾紙的培養皿(直徑9 cm)中，每個培養皿含30粒種子。將加拿大一枝黃花葉片浸提液原液稀釋至25 g·L-1，同時分別加入僅含有Cu2+和Cd2+一種離子以及含有Cu2+和Cd2+兩種離子的溶液，并保證培養皿中重金屬離子濃度為5 mg·L-1。以等量蒸餾水處理作為對照(CK)。然后置于光照培養箱中，25 °C、7 000 lx光照12 h，16 °C黑暗處理12 h，每處理5個重復。觀察并記錄每天種子的出芽數量及幼苗生長情況(共7 d)。在培育期間保持培養皿的濕度。

1.5 測定指標和方法

按照《國際種子發芽規程》(胚根突出種皮的長度的一半即為發芽的種子)在第7天測定萵苣幼苗的相關指標。其中發芽率計算公式為[12]：

發芽勢是指在發芽過程中日發芽種子數達到最高峰時，發芽的種子數占供測樣品種子數的百分率，其計算公式為[13]：

種子萌發的簡易活力指數=發芽指數×幼苗鮮重(g)[14]。

種子發芽速度指數=發芽率×發芽指數[15]。

另外，每天記錄種子的萌發數量，取第7天的幼苗，從每個培養皿中隨機挑選10株幼苗測量苗高和生物量(鮮重)。

1.6 數據處理

用SPSS 17.0軟件對實驗數據進行統計分析，采用LSD多重比較分析各項指標的差異，采用Two-way ANOVAs分析各個處理因子對測定指標的顯著影響水平。用Pearson相關系數分析各指標間的相關性。顯著性水平均設置在0.05水平。

2 結果(Results)

2.1 不同處理對萵苣種子各測定指標的影響

不同處理對萵苣種子萌發的影響見表1。從表1可知：各個處理對萵苣幼苗株高、生物量、發芽勢、發芽率、活力指數、發芽速度指數的影響均不顯著(P>0.05)。Cu和Cd復合污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液處理對萵苣幼苗株高產生的生態毒理效應顯著大于在Cu和Cd單污染背景下產生的生態毒理效應(P<0.05)。Cu單污染以及Cu和Cd復合污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液處理下萵苣幼苗的生物量分別顯著大于在Cu單污染及Cu和Cd復合污染處理下萵苣幼苗的生物量(P<0.05)。加拿大一枝黃花葉水提液處理以及3種重金屬類型(Cu和Cd單污染、Cu和Cd復合污染)和加拿大一枝黃花葉水提液復合處理均顯著降低了萵苣的發芽指數(P<0.05)。Cu和Cd復合污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液處理對萵苣幼苗發芽速度指數產生的生態毒理效應大于在Cu和Cd單污染背景下產生的生態毒理效應，但未達到顯著水平(P>0.05)。

表1 不同處理對萵苣幼苗各指標的影響Table 1 Effects of different treatments on the indices of L.sativa seedlings

注：表中同一列標不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Data with different letters in a vertical row indicate a significant difference (P<0.05).

2.2 不同處理因子對萵苣種子指標的影響

表2顯示的是不同處理因子對萵苣種子萌發相關指標的多因素分析結果。從表2中可知，加拿大一枝黃花葉水提液處理對萵苣幼苗的生物量、發芽指數、活力指數和發芽速度指數均有顯著性影響(P<0.05)，而對萵苣幼苗的株高、發芽勢、發芽率均無顯著性影響(P>0.05)。不同重金屬類型處理對萵苣種子的各項指標均無顯著性差異影響(P>0.05)。重金屬污染與加拿大一枝黃花葉水提液復合處理對萵苣幼苗的株高產生極顯著影響(P<0.01)，而對萵苣種子的生物量、發芽勢、發芽指數、活力指數和發芽速度指數均未產生顯著性影響(P>0.05)。

2.3 萵苣種子各測定指標相關性分析

萵苣種子各測定指標相關性分析見表3。從表3可知：萵苣幼苗的株高與活力指數顯著正相關(P<0.05)；萵苣幼苗的生物量與發芽指數和發芽速度指數均呈極顯著負相關(P<0.01)；萵苣種子的發芽勢與發芽率、發芽指數、活力指數和發芽速度指數極顯著正相關(P<0.01)。

3 討論(Discussion)

本研究結果顯示：加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子的萌發具有一定的生態毒理效應，特別是萵苣種子的發芽指數在加拿大一枝黃花葉水提液處理后顯著降低。這與本文假設(1)一致。相關研究結果也表明：加拿大一枝黃花對本地一些豆科、菊科、十字花科、禾本科草本植物及入侵地的伴生植物均具有明顯的生態毒理效應[16-17]。這表明加拿大一枝黃花對入侵地的本地植物的生長和發育具有明顯的生態毒理效應。其原因可能是加拿大一枝黃花葉片中含有多種物質，如酚類、萜類物質等，它們均會對本地植物種子的萌發和生長產生一定的抑制作用[6,18]。相關研究結果也表明：植物這種對其他植物生長和發育所產生的生態毒理效應可能較為普遍，甚至是一些本地植物也是如此，如油菜(Brassica campestris)對多種其他植物的種子萌發和幼苗生長均具有明顯的抑制作用[19-21]。這可能是植物為了其自身更好的生長所采取的一種策略以便獲得其自身生長的最優環境條件。

表2 Two-way ANOVAs分析加拿大一枝黃花葉水提液處理和不同重金屬類型處理對萵苣幼苗各指標的影響Table 2 Two-way ANOVAs on the effects of leaf aqueous extract of S.canadensis and different types of heavy metal pollution on the indices of L.sativa seedlings

表3 萵苣種子各測定指標相關性分析Table 3 Relationships between the indices of L.sativa seedlings

注： *和**分別表示在統計水平0.05和0.01顯著。

Note: *and ** indicates significant differences at the 0.05 and 0.01 probability level,respectively.

在本研究中，不同類型的重金屬離子對萵苣種子萌發的影響并無顯著性差異。相關研究表明：Cu作為高等植物生長發育的必需的重要的微量營養元素之一，在較低濃度時，對植物生長發育有促進作用；但在高濃度時，重金屬離子富集在種子的根部，引起根系活力顯著下降，導致水分、養分吸收不平衡，從而影響植物體內正常的生理代謝平衡，并對植物的光合、呼吸代謝功能產生不利影響，最終導致植株生長不良、根黃等現象[11,13]。其他研究也表明：其他類型的重金屬污染(如Zn和Pb)對植物(如油菜)種子的萌發也存在這種現象[22]。這表明重金屬對植物萌發產生的效應存在濃度依賴性。本研究結果表明: Cu單污染及Cu和Cd復合污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液處理下萵苣幼苗的生物量分別顯著大于在Cu單污染及Cu和Cd復合污染處理下萵苣幼苗的生物量，而在Cd單污染和加拿大一枝黃花葉水提液復合處理下萵苣幼苗的生物量與僅Cd單污染處理下萵苣幼苗的生物量無顯著差異。導致這種現象的因素可能是Cd非植物生長必需元素。這表明金屬對植物生長的影響具有一定的特異性。同時，3種金屬類型和加拿大一枝黃花葉水提液復合處理下萵苣幼苗各指標與加拿大一枝黃花葉水提液處理下萵苣幼苗各指標之間無顯著差異。這表明重金屬并未顯著增強加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子的萌發產生的生態毒理效應。這與本文的假設(2)不一致。

另外，本文結果還顯示：Cu和Cd復合污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液處理對萵苣幼苗株高的生態毒理效應顯著大于在Cu和Cd單污染背景下產生的生態毒理效應，同時Cu和Cd復合污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液處理對萵苣幼苗發芽速度指數的生態毒理效應大于在Cu和Cd單污染背景下產生的生態毒理效應(但未達到顯著水平)。這表明在Cu和Cd復合污染背景下加拿大一枝黃花對萵苣種子萌發產生的生態毒理效應大于在Cu和Cd單污染背景下產生的生態毒理效應，即Cu和Cd復合污染對加拿大一枝黃花對本地植物種子萌發和生長產生的生態毒理效應具有一定的疊加效應。相關研究結果也表明：多種重金屬的復合污染具有一定的生態疊加效應[13,22-23]。這也表明了，在人類活動日益增加的背景下，特別是多種重金屬在農業和工業等生產過程中排放至生態系統內，外來入侵植物對本地植物種子萌發和生長的生態毒理效應可能會進一步提升。

相關性分析結果顯示：萵苣幼苗的株高與活力指數顯著正相關；而萵苣幼苗的生物量與發芽指數和發芽速度指數均呈極顯著負相關；這可能是因為植株高度是植物體生長狀況的重要量度，其與植物的壽命、種子產量和成熟時間、獲得光照等密切相關[24]，特別是在資源受限的生境中，株高和生物量間的關系對植物生長的調節尤為重要[25]。而本文結果也顯示加拿大一枝黃花葉水提液以及重金屬污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液對本地植物萵苣幼苗的株高均具有顯著影響。所以，隨著重金屬污染加重及其污染類型的多樣化背景下，外來入侵植物可能主要通過影響本地植物幼苗的株高，進而降低其對生存資源(特別是光)的獲取和利用，從而達到其凸顯其生態毒理效應的目的。

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Insights into the Ecotoxicological Effects of Leaf Aqueous Extract ofSolidagocanadensison Seed Germination and Growth ofLactucasativaunder Cu and Cd Pollution

Wang Lei,Zhang Fei,Wang Congyan*,Xiao Hongguang,Shi Yanchun,Zhao Lulu,Du Daolin#

Institute of Environment and Ecology,School of the Environment and Safety Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China

8 December 2014 accepted 21 January 2015

The ecotoxicological effects of invasive species on the seed germination and growth of native allied species may be altered or even enhanced under increased and diversified heavy metal pollution.This study aimed to determine the ecotoxicological effects of leaf aqueous extract of the invasive plant Solidago canadensis on the seed germination and growth of its native allied species Lactuca sativa under three types of heavy metal pollution (Cu single pollution,Cd single pollution,as well as Cu and Cd combined pollution).Results showed that the treatment of leaf aqueous extract of S.canadensis and the three types of heavy metal pollution significantly decreased the germination index of L.sativa seedlings.This finding indicated that leaf aqueous extract of S.canadensis and heavy metal pollution may exert obvious ecotoxicological effects on the seed germination and growth of L.sativa.The ecotoxicological effects of leaf aqueous extract of S.canadensis under Cu and Cd combined pollution on the plant height of L.sativa seedlings were significantly higher than those under Cu and Cd single pollution,respectively.The ecotoxicological effects of leaf aqueous extract of S.canadensis under Cu and Cd combined pollution on the germination rate index of L.sativa seedlings were also higher than those under Cu and Cd single pollution,respectively,but the differences were not substantial.This result implied that the ecotoxicological effects of S.canadensis on the seed germination and growth of L.sativa under Cu and Cd combined pollution were significantly higher than those under Cu or Cd single pollution.Thus,the combined pollution of Cu and Cd may confer a synergistic effect on the ecotoxicological effects of S.canadensis on the seed germination and growth of L.sativa.

Cu; Cd; leaf aqueous extract; Solidago canadensis; Lactuca sativa; seed germination

江蘇大學大學生實踐創新訓練計劃項目(No：201410299157W); 江蘇大學大學生科研立項項目(Y13A228,Y13A229,Y13A232)

王磊(1988-) 男,碩士研究生,主要研究方向為環境生態學,E-mail: 326637442@qq.com；

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: liuyuexue623@163.com

10.7524/AJE.1673-5897.20141208001

2014-12-08 錄用日期：2015-01-21

1673-5897(2015)4-203-07

X171.5

A

王從彥(1982-)，男，生物學博士，副教授，主要研究方向為環境生態學。

杜道林(1970-)，男，農學博士，教授，主要研究方向為環境生態學。

#共同通訊作者(Co-corresponding author),E-mail: ddl@ujs.edu.cn

王磊,張菲,王從彥,等.Cu、Cd污染背景下加拿大一枝黃花葉水提液對萵苣種子萌發和生長的生態毒理效應[J].生態毒理學報，2015,10(4): 203-209

Wang L,Zhang F,Wang C Y,et al.Insights into the ecotoxicological effects of leaf aqueous extract of Solidago canadensis on seed germination and growth of Lactuca sativa under Cu and Cd pollution [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2015,10(4): 203-209 (in Chinese)