Cr6+對狼尾草種子萌發及幼苗生長的影響

葛元英　陳新彤　張鵬　崔旭

摘要：為了解狼尾草種子對重金屬鉻（Cr）污染的耐性，以狼尾草種子為試驗材料，采用水培法，研究不同濃度的Cr6+脅迫對狼尾草種子萌發及幼苗生長的影響。結果表明，當Cr6+質量濃度較低時（≤25 mg/L），狼尾草種子的發芽率、發芽勢、芽長、根長、發芽指數和活力指數等指標與對照組相比均無顯著降低;當Cr6+質量濃度較高時（≥50 mg/L），狼尾草種子的發芽率、發芽勢、芽長、根長、發芽指數和活力指數等指標均隨Cr6+處理濃度的增加而降低。由研究結果可以看出，狼尾草種子對Cr6+有一定的耐受能力，可以應用于Cr6+輕度污染土壤的修復。

關鍵詞：Cr6+;狼尾草;種子萌發;幼苗生長

中圖分類號： S543+.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0126-03

收稿日期：2018-12-15

基金項目：山西省重點研發（指南）項目（編號：201603D21110-1-4）。

作者簡介：葛元英（1977—），女，江蘇泗陽人，碩士，實驗師，主要從事污染土壤修復、實驗室管理工作。E-mail：sxaugyy@126.com。

通信作者：崔 旭，博士，副教授，碩士生導師，主要從事污染土壤的治理工作。E-mail：sxaucx@126.com。

重金屬鉻（Cr）是地球地殼中常見的元素[1]，存在于大氣、水體和自然形成的土壤中，隨著Cr在制革、染料、電鍍和有機合成等行業的廣泛應用，水體、土壤、生物均遭受了不同程度的污染[2]。近年來，常用的修復土壤重金屬污染的方法包括物理、化學、生物修復等，其中生物修復中的植物修復與其他修復方法相比具有高效、經濟和生態協調等優點，因而受到廣泛應用[3]。但是，目前可應用的Cr超積累植物仍然不多，并且缺乏植物對重金屬耐受能力的研究。種子萌發是植物生命的開始，萌發期是植物對環境最敏感的時期，它決定了幼苗的存活率、個體適合環境的程度以及植物生活史的表達等，進而影響到種群動態、植被分布和恢復等生態過程[4-7]。

狼尾草（Pennisetum alopecuroides）是一種在我國絕大部分地區常見的多年生禾本科草本植物，具有生命力旺盛、抗逆性強、根系發達、維護成本低廉、管理簡單等優點[8-10]。目前，對狼尾草在Cr6+污染脅迫下種子萌發及其生長影響的研究較少[11]。因此，本研究選取狼尾草種子，通過在實驗室水培條件下研究Cr6+對狼尾草種子萌發和生長的影響，旨在探索狼尾草對Cr的抗性機制及耐性表現，為選擇具有高耐Cr能力同時能夠富集Cr的植物物種提供一定的參考，也為后續利用植物修復Cr污染土壤的修復技術提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇籽粒飽滿完整、無病蟲害、大小相近的狼尾草種子作為試驗種子，所用的Cr6+試劑為K2Cr2O7（分析純）。

1.2 種子萌發試驗方法

試驗于2018年4月在山西農業大學環境監測實驗室進行。配制Cr6+濃度分別為0、5、10、25、50、100、200 mg/L的鉻溶液，分別注入洗凈、烘干、襯有濾紙的90 mm培養皿中，對照用去離子水。在每個培養皿中放入40粒狼尾草種子，每個濃度設3次重復。將加蓋后的培養皿放入光照度為4 000 lx、光—暗周期為12 h—12 h、相對濕度為80%左右、25 ℃人工氣候培養箱中進行恒溫培養，每隔12h觀察并記錄發芽的種[HJ1.4mm]子數。發芽的第3天掀開培養皿蓋，使其在透氣狀態下自然生長。每天定時加入一定量的去離子水，保持培養皿中的濕潤狀態，保證種子能夠正常生長。當幼苗長出2張子葉時，測量種子的芽長、根長和鮮質量，計算發芽指數、活力指數等指標。

1.3 測定指標

本研究主要測定狼尾草種子的發芽勢、 發芽率、鮮質量，以及芽長、根長、發芽指數等指標，每天記錄發芽的種子數，以處理后第3天的數值計算種子的發芽勢，以處理后第7天的數值計算種子的發芽率。并于第7天計算發芽指數，測定鮮質量，在每個培養皿中選取生長適中的10粒發芽種子，用直尺測量芽長、根長[12]。各項指標的計算方法如下[13]：

（1）發芽勢。發芽勢=（第3天發芽種子數/種子總數）×100%。

（2）發芽率。發芽率=（第7天發芽種子數/種子總數）×100%。

（3）鮮質量。從發芽的種子中挑出長勢較好的3粒，晾干水分，用分析天平稱質量，求平均值，即為單株幼苗鮮質量。

（4）發芽指數。發芽指數=∑Gt/Dt。式中：Gt為td內的發芽數;Dt為相應的發芽時間，d。

（5）活力指數?；盍χ笖?發芽指數×芽長度。

1.4 數據分析

試驗數據用 Excel 2016軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 Cr6+對狼尾草種子萌發的影響

發芽勢和發芽率是評價種子發芽速度和整齊度的重要指標[12]，由表1可以看出，當Cr6+濃度≤25 mg/L時，狼尾草種子的發芽率和發芽勢沒有明顯的變化，但是隨著重金屬Cr6+脅迫濃度的增大，發芽率和發芽勢都表現出不同程度的下降。在5 mg/L Cr6+處理濃度下，狼尾草種子的發芽率、發芽勢與對照相比，雖然上升幅度不是很高，但仍可表明，低濃度Cr6+處理對狼尾草種子的萌發有一定的刺激作用，促進了狼尾草種子的萌發;而當Cr6+處理濃度大于100 mg/L時，狼尾草種子的發芽率和發芽勢都呈下降趨勢，其中當Cr6+濃度為 200 mg/L 時，狼尾草種子發芽率、發芽勢分別為對照的56%、51%。

2.2 Cr6+對狼尾草芽長的影響

由圖1可見，在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+處理下，狼尾草種子的芽長均高于對照組;當Cr6+濃度為5 mg/L時，芽長最長。說明低濃度的Cr6+處理對狼尾草種子芽長有一定的促進作用，隨著Cr6+濃度的增加，表現出一定的抑制作用，且隨著脅迫濃度的增加，對狼尾草種子芽長的抑制作用也越強。狼尾草種子萌發的芽長變短以后，必然會影響狼尾草在隨后生長期內的正常生長。

2.3 Cr6+對狼尾草根長的影響

由圖2可知，在不同濃度的Cr6+處理下，狼尾草根長隨Cr6+脅迫濃度增大，先略微上升，然后急劇下降，5～25 mg/L Cr6+處理對狼尾草種子根長有一定的促進作用，但Cr6+濃度≥50 mg/L 時，抑制作用就很明顯。此外，由圖1、圖2可以看出，Cr6+對狼尾草種子根生長的抑制作用要大于對種子芽生長的抑制作用。

2.4 Cr6+對狼尾草種子發芽指數及活力指數的影響

發芽指數和活力指數也是能夠反映種子萌發能力強弱的重要指標[12]。如圖3所示，在低濃度（5～25 mg/L）Cr6+脅迫下，發芽指數隨著Cr6+濃度的上升變化不大;當Cr6+脅迫濃度大于50 mg/L時，發芽指數表現出下降趨勢，在200 mg/L Cr6+處理下的狼尾草種子發芽指數為對照的50.5%。活力指數是綜合反映種子發芽速率和生長量的指標，是反映種子活力高低的一種可靠性指標[12]。由圖4可以看出，狼尾草種子的活力指數變化規律與發芽指數的變化規律相似，在低濃度（5～25 mg/L）Cr6+脅迫下，狼尾草種子活力指數隨著Cr6+濃度的上升而有所上升;當Cr6+脅迫濃度≥50 mg/L時，狼尾草種子活力指數呈下降趨勢，在200 mg/L Cr6+處理下的狼尾草種子活力指數為對照的11.6%。這進一步說明，在低濃度Cr6+脅迫下，重金屬對狼尾草種子萌發有促進作用，而高濃度的Cr6+對狼尾草種子萌發表現出一定的抑制作用。

3 討論與結論

種子發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數都是表示種子發芽程度及其生存能力大小的主要參數，根據這些參數在不同Cr6+質量濃度處理下的響應狀況或被抑制程度，可以判斷狼尾草種子在萌發期間耐受重金屬Cr6+的狀況[7，12]。不同濃度的Cr6+對狼尾草種子萌發及幼苗生長的影響一般表現為低濃度促進、高濃度抑制。在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+處理下，Cr6+處理狼尾草種子的發芽率、發芽勢、芽長、根長、發芽指數、活力指數與對照組間的差異不大，表明鉻可能是植物生長過程中體內必需的微量元素之一。在高濃度（≥50 mg/L）Cr6+處理下，Cr6+處理對狼尾草種子的發芽率、發芽勢、芽長、根長、發芽指數和活力指數等指標開始表現出抑制作用，且對各指標的影響相似。本研究結果與其他研究者對小麥種子、水稻種子、玉米種子和小香蒲種子的研究結果類似[14-16]。

Cr6+與植物作用時，首先接觸到根部，因此重金屬Cr6+進入植物體后，大部分會在根部蓄積，同時，根細胞壁中存在大量的交換位點，能夠將重金屬離子固定或吸收在這些位點上，從而阻止重金屬離子向地上部分運移[17]。隨著根部吸收或固定Cr6+離子的增加，加劇了細胞內染色體和核仁的破壞程度，這可能是抑制狼尾草種子根生長的主要原因。植物體中絡合重金屬最重要的部位就是根，因此根也是最易受重金屬毒性影響的部位[7]。植物種子萌發所需要的能量和物質來源于貯存于種子中的物質氧化分解，這些物質的分解過程需要大量酶的參與，可能由于低質量濃度的Cr6+會與這些酶發生反應，產生物質刺激促進其萌發[18]，而高濃度的Cr6+對植物種子萌發及幼苗生長表現為明顯的抑制作用，可能由于高濃度的Cr6+增加了細胞膜透性，導致細胞內物質外滲[7，16]。

本研究結果表明，高濃度的Cr6+（≥50 mg/L）明顯抑制了狼尾草種子的萌發和幼苗生長，且高濃度的Cr6+對狼尾草根生長的抑制作用大于對芽生長的抑制作用。但在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+作用下，狼尾草表現出一定的耐受能力，這為選擇具有高抗Cr能力，同時能夠富集Cr的植物物種以及后續利用植物修復Cr污染的土壤凈化治理提供了參考，但是對于Cr6+脅迫對狼尾草生長的影響機制，以及對于重金屬Cr污染土壤的修復效率等還有待進一步的探索和系統的研究。

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