重金屬鉛、鎘及其復合物對葉菜種子萌發(fā)的影響

熊晶華，章潔瓊，陳 弘，張 超，常莉麗

(1.貴州師范大學，貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)作物技術(shù)推廣總站，貴陽 550001)

隨著工業(yè)與科技的不斷發(fā)展，數(shù)量龐大的工廠所產(chǎn)生的“三廢”、汽車尾氣的排放、工業(yè)冶煉、化石燃料的燃燒、農(nóng)業(yè)上化肥的使用和污水灌溉等人為活動都是導致重金屬污染加劇的原因[1-3]。農(nóng)田土壤安全問題與人類糧食生產(chǎn)安全問題息息相關(guān)，因此土壤污染問題成為了全人類都廣泛關(guān)注的、極為重要的問題之一[4]。蔬菜含有豐富的營養(yǎng)元素，是人類必不可少的食物，但由于土壤受到了嚴重的重金屬污染，致使蔬菜植株內(nèi)重金屬的富集，而可食用部分重金屬富集的情況更為嚴重[5]。重金屬含量超標的蔬菜供給人類食用后，重金屬會經(jīng)過食物鏈進入人體內(nèi)對人體健康造成危害[6]。已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬污染情況中受Cd的污染最為嚴重，其次是Pb[7]。Cd、Pb都是植物生長的非必需元素，Cd是毒性最強的金屬元素之一，具有致癌作用，對人體危害甚大。Pb的毒性較強且具有蓄積性[8]，能夠引各種生理異常。隨著土壤中重金屬污染問題的日益加劇，在受重金屬污染的土壤中篩選Pb、Cd低累積蔬菜品種具有重要意義[9]。

莧菜(AmaranthustricolorL.)原產(chǎn)自我國，在我國南北部都有栽培，尤其在長江流域普遍栽培[10]。莧菜可藥食兩用,具有豐富的營養(yǎng)和藥用價值[11]。油麥菜(Lactucasativavarlongifoliaf.Lam)是菊科萵苣屬的一種苦荬菜，具有豐富的營養(yǎng)價值，是易于栽培益于食用的一種天然無公害的“綠色蔬菜”[12]。菜心(BrassicacampestrisL.ssp.chinensisvar.utilis Tsen et Lee)又名白菜薹，水白菜花，是華南地區(qū)栽培的特產(chǎn)蔬菜之一，營養(yǎng)豐富具有非常高的食用價值[13]。本實驗采用四季抗熱甜脆油麥17號、80天粗條菜心、白圓莧菜為研究材料，對重金屬Pb、Cd及其復合物的脅迫對葉菜種子萌發(fā)的影響進行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料：四季抗熱甜脆油麥17號、80天粗條菜心、白圓莧菜，試驗試劑：0.1%次氯酸鈉、無水氯化鉛、無水氯化鎘、蒸餾水。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設(shè)計

挑選大小一致、健康飽滿的3種葉菜種子，用濃度為1%的次氯酸鈉分別消毒，后用蒸餾水將葉菜種子清洗3～4次，以每皿50粒的數(shù)量將3種葉菜種子分別置于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑為9 cm)中，用無水氯化鉛、無水氯化鎘分別配制出濃度分別為10.0、20.0、50.0、100.0、200.0 mg/L的Pb單一溶液，濃度為0.5、5.0、15.0、50.0、100.0 mg/L的Cd單一溶液處理以及濃度為(0.5+10.0)、(5.0+20.0)、(15.0+50.0)、(50.0+100)、(100+200)mg/L的復合溶液，溶液配制完成后分別倒入培養(yǎng)皿中，每個處理3次重復(用馬克筆在培養(yǎng)皿上做好標記以便記錄)，以蒸餾水處理為對照。最后將處理完成后的種子放在溫度24 ℃，光照時間24 h的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。從24 h后開始記錄種子的萌發(fā)數(shù)(以胚根突破種皮為標準，記錄露白粒數(shù))，直到第7天。萌發(fā)第3天記算發(fā)芽勢，萌發(fā)第7天計算發(fā)芽率。

1.2.2種子萌發(fā)參數(shù)的統(tǒng)計

種子萌發(fā)特性分析軟件包GERMINATOR中的方法[14]，用以下6個萌發(fā)參數(shù)來衡量種子發(fā)芽特性：

3 d發(fā)芽勢(%)=(2 d內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)/每皿總種子數(shù))×100%；

7 d發(fā)芽率(%)=(4 d內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)/每皿總種子數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，Gt為第t天的發(fā)芽種子數(shù)，Dt為萌發(fā)的第t天；

AUC(發(fā)芽曲線下面積)：將1～7 d的值連接起來，看覆蓋的面積，作為生活力指標；

T 50：發(fā)芽率達到50%所需要的時間；

U 7525：發(fā)芽一致性，即25%～75%發(fā)芽所需的時間。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016軟件和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。運用R 3.6.3統(tǒng)計軟件基于離差平方和法(Ward)的聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb、Cd及其復合脅迫對葉菜種子萌發(fā)的影響

Pb、Cd及其復合脅迫對葉菜種子萌發(fā)的影響見圖1～圖3。

2.2 葉菜種子萌發(fā)參數(shù)相關(guān)性分析

通過表1～表3萌發(fā)參數(shù)Pearson相關(guān)性分析可知，在重金屬Pb脅迫下，葉菜種子萌發(fā)參數(shù)中有3個參數(shù)間表現(xiàn)出相關(guān)，其中發(fā)芽率與發(fā)芽勢在0.01水平上呈顯著相關(guān)，AUC與發(fā)芽勢在0.05水平上也呈顯著相關(guān)，并且這3種萌發(fā)參數(shù)之間的關(guān)系為正相關(guān)；在Cd脅迫下，除了T 50以外，其他4個萌發(fā)參數(shù)間表現(xiàn)相關(guān)，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和AUC四個萌發(fā)指數(shù)均在0.01水平上呈顯著相關(guān)，并且4個萌發(fā)參數(shù)之間的關(guān)系為正相關(guān)；在Pb、Cd復合脅迫下，萌發(fā)參數(shù)除了T 50之外，其他4個萌發(fā)參數(shù)之間呈顯著相關(guān)，其中發(fā)芽勢與發(fā)芽率在0.01水平上顯著相關(guān)，發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽勢、發(fā)芽率在0.05水平上顯著相關(guān)，AUC與發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)在0.01水平上顯著相關(guān)，并且相關(guān)的萌發(fā)參數(shù)間的關(guān)系都是正相關(guān)。

表1 Pb脅迫下蔬菜種子萌發(fā)參數(shù)的相關(guān)系分析

表3 Pb、Cd復合脅迫下蔬菜種子萌發(fā)參數(shù)的相關(guān)系分析

2.3 葉菜種子極端種質(zhì)的初步篩選

綜合葉菜種子的萌發(fā)參數(shù)對3種蔬菜種質(zhì)進行聚類分析，并對不同類群的萌發(fā)參數(shù)進行分析(表4)。對在Pb脅迫萌發(fā)下將種質(zhì)劃分成3個大的類群(圖4)，3個類群間的6個萌發(fā)參數(shù)(發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、AUC、T 50、U 7525)均存在差異，其中Pb-Ⅱ群種受Cd影響現(xiàn)象較明顯，與對照相比，Pb-Ⅱ在發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、AUC上均有顯著降低。在Cd脅迫萌發(fā)時也將種質(zhì)劃分成3個大類群(圖5)，3個不同類群間發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、AUC、T 50、u 7525也都存在差異，類群Cd-Ⅲ的6個萌發(fā)參數(shù)數(shù)值均低于其他兩個類群。Pb、Cd復合脅迫時，同樣將種質(zhì)分為三大類群(圖6)，如表4所示，F(xiàn)-Ⅱ受復合脅迫影響較大，該類群的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、AUC均呈現(xiàn)出顯著降低。

表4 不同重金屬脅迫處理下葉菜種質(zhì)聚類分析和萌發(fā)參數(shù)的差異分析

表5 編號說明

3 討 論

因蔬菜的生長容易受重金屬的污染，所以重金屬對蔬菜生長影響的研究是非常有意義的。在過去也有不少學者涉及此類研究[15-19]。在對植物生長研究中發(fā)現(xiàn)，在植物種子萌發(fā)的初階段，對萌發(fā)環(huán)境較為敏感，易受重金屬干擾，導致種子萌發(fā)產(chǎn)生異常甚至基因突變[20]。

3.1 重金屬鉛、鎘及其復合物脅迫對種子萌發(fā)的影響

本研究表明重金屬Pb單一脅迫時，在低濃度(10.0、20.0 mg/L)表現(xiàn)出較明顯的促進作用，隨著濃度增高對種子萌發(fā)的影響變得不顯著，最后在最高濃度(200.0 mg/L)時種子的萌發(fā)參數(shù)明顯降低，表現(xiàn)出較明顯的抑制作用。在重金屬Cd單一脅迫中，濃度為0.5 mg/L時葉菜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率較對照略微提高，說明低濃度的Cd對葉菜種子的萌發(fā)有一定的促進激活作用，從濃度升高至5.0 mg/L開始，隨著鎘離子溶液的濃度增高，種子的萌發(fā)受到抑制作用愈發(fā)明顯，在100 mg/L濃度下萌發(fā)率達到最低。與Pb脅迫相比較，相同濃度下Cd對葉菜種子萌發(fā)的抑制作用更明顯。重金屬復合脅迫中也表現(xiàn)出低促高抑的影響，但較單一脅迫相比，復合脅迫對葉菜種子的影響比Pb大，比Cd小。從總體看，Pb、Cd對葉菜種子萌發(fā)的影響為低濃度促進，高濃度抑制，此結(jié)果與季麗英調(diào)幅等[21]，徐芬芬等[22]，劉俊華等[23]，曾維超等[24]的研究結(jié)果相似。

3.2 基于復合萌發(fā)參數(shù)對極端種質(zhì)篩選

為了解Pb、Cd及其復合物對葉菜種子影響，基于種子萌發(fā)的6個參數(shù)指標，將3種葉菜種子在5種濃度梯度脅迫萌發(fā)下進行聚類分析，從類群間的方差分析得出，Pb-Ⅱ在發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、AUC上均有顯著降低；Cd-Ⅲ的6個萌發(fā)參數(shù)數(shù)值較其他2個類群相比更低；F-Ⅱ類群的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、AUC均呈現(xiàn)出顯著降低。此3個類群對重金屬脅迫敏感，不適宜在受Pb、Cd污染的地區(qū)種植。