Cd2+脅迫對3種超富集植物種子萌發特征的影響

張 軍,魏 璐,任雪盈,曹書苗,王周鋒,耿雅妮

（1長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室,西安710064;2陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室,寶雞721013;3寶雞文理學院地理與環境學院,寶雞721013）

由于工業“三廢”的不合理排放、固體廢物堆積以及農藥化肥使用量的增加,土壤重金屬污染加劇。其中土壤-植物系統中的鎘污染問題,嚴重影響著農業生產的可持續發展和人類的身體健康[1]。

目前,治理重金屬污染的方法有植物修復法、物理修復法以及化學修復法[2-3],國內外許多研究者通過對重金屬脅迫下植物種子萌發、富集、耐性特征等進行研究,以期篩選出適合的重金屬超富集植物。Kumar等[4]、孫濤等[5]、郭艷杰等[6]研究發現,印度芥菜具有高效的抗氧化系統和損傷修復系統,可以富集-忍耐Cd、Zn等重金屬,具備修復鎘污染土壤的潛力。李虹穎等[7]、李凝玉等[8]研究發現籽粒莧具有重金屬鎘耐性能力。張堯等[9]研究了黑麥草幼苗對鎘耐性能力及吸收積累,發現黑麥草能夠有效的富集土壤中的鎘。以上研究表明,籽粒莧、印度芥菜、黑麥草均為鎘的潛在超富集植物,具有一定的鎘吸收積累能力,但是并未對3種植物鎘修復潛力進行對比性研究,也未對3種植物種子耐鎘能力進行綜合對比評價。

本試驗研究不同濃度Cd2+脅迫下,3種潛在超富集植物籽粒莧、印度芥菜、黑麥草的萌發特征,對比分析這3種植物對Cd2+的耐性及修復Cd2+污染的潛力,從而篩選和確定不同鎘污染濃度下的修復植物種,以期為Cd2+的超富集植物篩選和重金屬污染修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的籽粒莧、印度芥菜、黑麥草種子購自西安金瑞種子有限公司。挑選顆粒飽滿、大小均一的種子用70%酒精消毒2 min,去離子水沖洗數次。CdCl2·2.5H2O為分析純（天津科密歐化學試劑有限公司）。

1.2 試驗方法

試驗于2017年5月10日在陜西省災害監測與模擬重點實驗室進行。試驗共設6個處理,鎘離子的質量濃度分別為0（CK）、1 mg∕L、10 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L。 每種植物挑取 20 粒種子置于底部鋪有雙層濾紙的培養皿中,每個處理設3個重復,放入生化光照培養箱（RGX-450L,寧波賽福試驗儀器有限公司）中,設定溫度為25℃,黑暗條件下發芽,定期補充無菌水使濾紙保持濕潤[10-11]。以植物種子胚芽長度大于1 mm作為發芽初始日,第3天計算發芽勢,第7天計算發芽率,每個培養皿中隨機選取5顆發芽種子,第7天測量幼苗根長和芽長,并稱量其鮮重和干重,計算發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數等指標[12-13]。

各指標計算方法如下:

發芽率（GR）=Cd2+溶液中植物發芽數（7 d）∕供試種子數×100%;

發芽勢（GE）=Cd2+溶液中植物發芽數（3 d）∕供試種子數×100%;

發芽指數（GI） = ∑Gt∕Dt（Gt為 t時間內的發芽數,Dt為相應的發芽天數）;

活力指數（VI）=發芽指數GI×芽長度。

1.3 綜合耐性評價

種子萌發耐鎘指標可以通過隸屬函數法來確定[14],首先利用公式:M（ρ）=（M-Mmin）∕（Mmax-Mmin）分別計算種子發芽率、發芽勢、鮮重、干重、芽長、根長、發芽指數、活力指數在不同Cd2+濃度下具體隸屬函數值。式中,M為植物在某一指標下的實際測定值,Mmax和Mmin分別為該植物在該指標下除去對照的最大、最小值,然后把求得的每一指標在不同Cd2+濃度下隸屬值累加后求平均值,最后把每種植物各項指標隸屬函數值累加求平均值,根據各植物隸屬函數值的大小確定萌發期耐鎘強弱程度,平均值越大表示耐鎘性越強,反之,耐鎘性越弱。

1.4 數據分析

采用Excel 2010進行數據分析,采用SRSS 21.0統計軟件進行多重比較方差分析（Duncan）,Duncan檢驗顯著性水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 鎘對3種植物發芽率和發芽勢的影響

隨著Cd2+濃度增加,籽粒莧、印度芥菜、黑麥草的發芽率GR均呈下降趨勢（表1）。在Cd2+質量濃度1—100 mg∕L條件下,籽粒莧發芽率不隨Cd2+質量濃度升高而明顯變化。1 mg∕L和25 mg∕L Cd2+質量濃度下,印度芥菜發芽率對照相比差異不顯著。50 mg∕L和100 mg∕L Cd2+質量濃度下,與對照有顯著差異。50 mg∕L、100 mg∕L 與1 mg∕L Cd2+質量濃度下,印度芥菜發芽率差異顯著。 50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草顯著低于對照。

在Cd2+質量濃度1—100 mg∕L,籽粒莧發芽勢均小于對照,但與對照相比差異不顯著,表明籽粒莧發芽勢隨 Cd2+濃度升高沒有明顯變化。 10 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L Cd2+質量濃度下,印度芥菜發芽勢均小于對照,與對照相比差異不顯著。100 mg∕L Cd2+質量濃度處理,與對照有顯著差異。1 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草種子發芽勢與對照無顯著差異。10 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度處理,黑麥草發芽率與對照差異顯著,但10 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草發芽勢明顯大于對照,100 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草發芽勢明顯小于對照,這說明不同Cd2+質量濃度對黑麥草發芽勢有低促高抑特征,這可能是由于黑麥草與籽粒莧、印度芥菜對Cd2+脅迫的耐性機制不同。

表1 Cd2+處理對3種植物發芽率和發芽勢的影響Table 1 Effects of Cd2+stress on germination rate and energy of three plant seeds

2.2 鎘對3種植物鮮重和干重的影響

由表2可知,在試驗所設置的重金屬Cd2+質量濃度范圍內（1—100 mg∕L）,隨著Cd2+質量濃度增加,籽粒莧和印度芥菜的鮮重明顯下降。1 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧鮮重與對照沒有顯著差異。10—100 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧鮮重與對照相比有顯著差異（P ＜ 0.05）,10 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度之間沒有顯著性差異。1 mg∕L、10 mg∕L Cd2+質量濃度下,印度芥菜鮮重與對照處理處理相比無顯著差異,25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度下,印度芥菜鮮重與對照處理相比差異顯著。1 mg∕L、25 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草的鮮重有所增加,但是與對照差異不顯著。在質量濃度為10 mg∕L時,黑麥草的鮮重達到了最高值,且比對照高了33.3%。50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草的鮮重明顯受到Cd2+濃度的抑制。

由表2可知,隨著Cd2+濃度的不斷增加,籽粒莧、印度芥菜干重呈下降趨勢。50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧干重與對照相比有顯著差異。 在10 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度下印度芥菜干重與對照處理相比差異顯著。在質量濃度為25 mg∕L時,黑麥草的干重達到了最高值,且比對照高了10.4%。在100 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草的干重明顯受到Cd2+濃度的抑制作用,與對照相比差異顯著。

表2 Cd2+對3種植物種子鮮重和干重的影響Table 2 Effects of Cd2+on flesh and dry weight of three plant seeds

2.3 鎘對3種植物芽長和根長的影響

由表3可知,隨著Cd2+濃度的不斷增加,籽粒莧、印度芥菜和黑麥草的芽長呈下降趨勢。在1—100 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧芽長與對照有顯著差異。100 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧芽長與對照相比明顯下降。50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度下印度芥菜芽長明顯下降,與對照樣相比差異顯著,但50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度之間印度芥菜芽長沒有顯著性差異,表明在50 mg∕L Cd2+質量濃度下,印度芥菜已經明顯受到抑制。1—100 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草芽長與對照相比有顯著差異。25—100 mg∕L Cd2+質量濃度下黑麥草的芽長明顯受到Cd2+質量濃度的抑制作用,表明在較高Cd2+質量濃度下,黑麥草芽長受到明顯抑制。

表3 Cd2+對3種植物種子芽長和根長的影響Table 3 Effects of Cd2+on seedling and root length of three plant seeds

由表3可知,隨著Cd2+質量濃度的不斷增加,籽粒莧、印度芥菜和黑麥草的根長呈明顯下降趨勢,根對Cd2+脅迫更加敏感。1—100 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧根長與對照有差異顯著,各濃度之間也存在著顯著差異性,100 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧根長僅為對照的8.4%。1—100 mg∕L Cd2+質量濃度下,印度芥菜根長與對照有差異顯著,各濃度梯度之間也存在著顯著差異性,100 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧根長僅為對照的5.4%。1—100 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草根長都顯著小于對照。在1—10 mg∕L Cd2+質量濃度之間,黑麥草的根長沒有顯著差異,但是與25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度之間差異顯著,且根長明顯小于對照,在100 mg∕L Cd2+質量濃度時,黑麥草根長僅為對照的7.5%。

以上可知,Cd2+質量濃度的變化對植物芽長、根長的影響相比其對植物發芽勢、發芽率的影響更加明顯,這是由于植物在萌發后,其芽、根完全暴露在外界環境中,不受種殼保護,直接受到培養皿中Cd2+的脅迫所致[13]。

2.4 鎘對3種植物種子發芽指數和活力指數的影響

由表4可知,隨著Cd2+質量濃度的不斷增加,籽粒莧、印度芥菜的發芽指數均呈下降趨勢。在100 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧發芽指數與對照相比有顯著差異,與50 mg∕L Cd2+質量濃度處理相比無顯著差異。在50mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度下印度芥菜發芽指數與對照處理相比差異顯著。在1—25 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草發芽指數與對照處理相比明顯上升,100 mg∕L Cd2+質量濃度下黑麥草的發芽指數與對照相比有明顯變化,但50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度之間差異不顯著。

表4 Cd2+對3種植物種子發芽指數和活力指數的影響Table 4 Effects of Cd2+on germination and vital index of three plant seeds

活力指數是表示種子發芽活力的一項指標,可以把種子的發芽能力和幼苗長勢綜合表示,指數數值越高,種子活力越大。由表4可知,籽粒莧、印度芥菜、黑麥草種子的活力指數總體上隨著Cd2+質量濃度的增加而降低,在100 mg∕L時,種子活力指數均達到最低值,與對照相比分別降低了80.9%、71.5%、84.4%。 在1 mg∕L、10 mg∕L Cd2+質量濃度下,籽粒莧活力指數與對照相比,差異不顯著,在1—100 mg∕L Cd2+質量濃度處理間沒有顯著性差異。1—25 mg∕L Cd2+質量濃度下,印度芥菜活力指數與對照相比沒有顯著變化。50mg∕L、100mg∕L處理印度芥菜活力指數與對照樣相比差異顯著。在10 mg∕L Cd2+質量濃度下,黑麥草活力指數與對照差異不顯著,但 1 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+質量濃度下活力指數與對照相比明顯下降。

2.5 3種超富集植物種子萌發鎘耐性綜合評價

種子萌發鎘耐性采用模糊數學隸屬函數法[15-16]計算綜合隸屬函數值,對籽粒莧、印度芥菜、黑麥草的發芽率、發芽勢、鮮重、干重、發芽指數、活力指數、根長、芽長8項指標進行計算（表5）。籽粒莧、印度芥菜、黑麥草的綜合隸屬函數值分別為0.402、0.434和0.556,3種植物耐鎘強弱順序依次為黑麥草＞印度芥菜＞籽粒莧。

表5 3種植物種子萌發期對Cd2+的耐性隸屬函數值Table 5 The value of subordinate function of three species under Cd2+stress during seed germination period

3 結論與討論

不同植物種子在鎘脅迫下萌發特征表現出一定的差異性,這可能與不同植物種子對鎘的耐性機制不同有關。本研究發現,低濃度Cd2+脅迫對籽粒莧、印度芥菜、黑麥草萌發影響不顯著,但高濃度Cd2+脅迫下表現為一定的抑制作用。相對于籽粒莧和印度芥菜,Cd2+質量濃度為1—25 mg∕L時,對黑麥草鮮重、干重、發芽指數有促進作用,籽粒莧和印度芥菜生長指標受到抑制,但抑制作用不顯著。在Cd2+質量濃度為50—100 mg∕L時,對籽粒莧、印度芥菜、黑麥草的生長指標具有較顯著的抑制作用。有研究表明,低濃度Cd2+對植物種子萌發有先揚后抑作用,可能是低濃度Cd2+促進某些植物種子細胞內活性氧自由基升高,激發蛋白酶的活性,進而促使細胞加速分裂和增值,從而促進種子的生長[17]。在高濃度Cd2+脅迫下,重金屬通過表皮進入種子內部,干擾植物細胞中的核酸,誘發高活性氧自由基,導致過氧化現象,從而抑制了種子萌發[18]。這與惲燁等[19]、孫曉梅等[20]、劉金光等[21]研究結果一致。采用隸屬函數法對3種植物種子耐鎘性計算可得,耐Cd2+脅迫強弱順序為黑麥草＞印度芥菜＞籽粒莧,表明黑麥草對鎘污染具有一定的耐性能力和修復潛力。

綜上所述,黑麥草對Cd2+脅迫具有一定的耐性,可以進一步應用于重金屬Cd2+生態修復中。考慮到不同植物種子對鎘脅迫機理可能不同,在此基礎上有必要進一步進行種子生理生化及遺傳結構方面的試驗研究。此外,本研究只是針對Cd2+單一污染的水培試驗選種,對于多種重金屬復合污染植物修復和土壤重金屬污染有待于進一步研究。