鎘脅迫對兩頭毛種子萌發的影響

張書東 王憲菊 龍江英 凌立貞

摘要 [目的]研究兩頭毛的耐鎘性。[方法]選取兩頭毛、小麥、韭菜和紫花苜蓿為研究材料，以蒸餾水為對照，在不同鎘濃度（50、100、200、350和500 mg/L）下測定每種植物種子萌發的相關指標（萌發率、發芽勢和發芽指數）;同時，利用平均隸屬函數值綜合評價這些植物的耐鎘性。[結果]在鎘脅迫下這4種植物種子萌發均受到明顯抑制，且隨著鎘濃度的增加抑制作用逐漸增強。在100 mg/L鎘脅迫下兩頭毛種子萌發受到明顯抑制，而在50 mg/L時其他3種植物的種子萌發指標出現明顯下降。隸屬函數值結果顯示，這4種植物的耐鎘能力存在差異，由強到弱依次為兩頭毛、小麥、韭菜、紫花苜蓿。[結論]該研究結果可為兩頭毛在重金屬鎘土壤污染修復中奠定一定的基礎。

關鍵詞 兩頭毛;鎘脅迫;種子萌發;影響

中圖分類號 S567.23文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）08-0077-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Cadmium Stress on the Germination of Incarvillea arguta Seed

ZHANG Shu-dong，WANG Xian-ju，LONG Jiang-ying et al （School of Biological Sciences and Technology， Liupanshui Normal University，Liupanshui， Guizhou 553004）

Abstract [Objective]To study the cadmium resistance of Incarvillea arguta.[Method]Incarvillea arguta， wheat， leeks and alfalfa were selected as the research materials， and distilled water was used as the control， and the related indexes （germination rate， germination vigor and germination index） of various plant seeds were determined under different cadmium concentrations （50， 100， 200， 350 and 500 mg/L）; at the same time， the average membership function value was used to comprehensively evaluate the cadmium tolerance of these plants.[Result]Under cadmium stress， the seed germination of these four plants was significantly inhibited， and the inhibition gradually increased with the increase of cadmium concentration.Under the stress of 100 mg/L cadmium， the germination of the Incarvillea arguta seeds was significantly inhibited， while the seeds germination index of the other three plants decreased significantly at 50 mg/L.The membership function value results showed that the cadmium tolerance of these four plants were different， from strong to weak， they were Incarvillea arguta， wheat， leeks， and alfalfa.[Conclusion]The results of this study can lay a certain foundation for Incarvillea arguta in the remediation of heavy metal cadmium soil pollution.

Key words Incarvillea arguta;Cadmium stress;Seed germination;Effect

我國是一個農業大國，土壤是人類賴以生存的自然資源之一。然而隨著工業的快速發展以及人類自身的活動，導致土壤重金屬污染問題日益嚴重。重金屬污染物主要包括汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、砷（As）、銫（Se）、鉛（Pb）和鋅（Zn）等[1]。根據2010年我國環境保護部、國家統計局和農業部聯合發布的《第一次全國污染源普查公報》顯示，我國重金屬污染物的排放總量為0.09萬t，每年由于重金屬污染造成的直接經濟損失超過200億元[2-3]。在我國重金屬污染中，污染最嚴重的是Cd、Hg、Pb和As。其中，Cd和As污染的比重最大，約占被污染耕地的40%[4]。目前，重金屬污染問題已經成為國家議題。

Cd在自然界中主要存在于成硫鎘礦中，主要是以硫化物、氧化物、磷酸鹽形式與閃鋅礦共存[5]。它本身并不具有毒性，在土壤中常會與羥基、氯化物形成絡合離子而毒性增強。隨著土壤Cd富集量的增加，Cd會伴隨著植物—人類食物鏈的傳遞在人體內富集，導致各種疾病的發生，如食用“鎘大米”“鎘菜”能導致骨痛病，嚴重的甚至會危害生命健康[6]。土壤鎘污染不僅能夠影響土壤酶活性，而且影響土壤中微生物群落結構，直接造成土壤營養元素的供應不足和肥力下降[7-8]。另外，鎘在植物體內過量積累也會嚴重影響植物的生長，通過破壞植株的葉綠素，使光合作用下降而導致植物生長緩慢、矮小和抑制根系生長等[9-10]。

在長期進化的過程中，自然界中一些植物能夠在污染環境中如煤礦區生存。它們在受到鎘毒害的同時，自身也產生了一系列適應毒害的機制。因此，這些具有高Cd污染環境適應能力的植物通常被用于作為修復土壤重金屬污染的首選植物。調查研究發現兩頭毛（Incarvillea arguta （Royle） Rovle）作為一種能夠在煤矸山生長的優勢植物，具有富集多種重金屬如Cd、Pb、Cu和Zn的能力[11]，其中兩頭毛的地下部分對Cd的富集能力要高于地上部分。兩頭毛是紫葳科（Bignoniaceae）角蒿屬（Incarvillea）的一種多年生草本植物。兩頭毛全草入藥，是我國少數民族如彝族常用的一種中草藥。研究表明兩頭毛在多種疾病上都具有療效，如肝炎、痢疾、跌打損傷、風濕骨痛、月經不調、解毒止痛、止血和消食健胃等[12]。長期以來的研究主要集中于對兩頭毛有效化學成分的分離、鑒定、藥理方面[13-15]。隨著對兩頭毛研究的深入，這種植物的開發利用價值逐漸被發掘出來。盡管兩頭毛能夠在重金屬污染的煤矸山上生長，但是對于兩頭毛在重金屬脅迫下的研究還知之甚少。為此，該研究將利用不同濃度的鎘離子對兩頭毛種子進行脅迫處理，測定其種子發芽率、發芽勢和發芽指數，同時對比在相同條件下其他3種常見植物（小麥、紫花苜蓿和韭菜）種子的相關指標，探討兩頭毛的耐鎘性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

該研究使用的種子來自兩頭毛、紫花苜蓿、韭菜和小麥4種植物。兩頭毛成熟的種子收集于貴州省六盤水市煤矸山，其余種子從網上購買。氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）購買于上海億欣生物科技有限公司。

1.2 鎘脅迫處理

選取籽粒飽滿、大小均勻的兩頭毛、紫花苜蓿、小麥、韭菜種子，用75%乙醇消毒3 s，取出后用無菌水沖洗3～5次，放入無菌水中吸脹24 h后置于濾紙上晾干。然后用不同濃度的鎘離子溶液（0、50、100、200、350、500 mg/L）進行處理。具體操作如下：在培養皿中鋪墊2層濾紙，每種植物取100粒種子置于培養皿中并加入等量不同濃度的鎘離子溶液（以浸濕濾紙為宜），用無菌水做空白對照。每個處理3個生物學重復。將培養皿置于20 ℃的人工氣候箱內培養，每日滴加等量各溶液保持濾紙濕潤，從種子播種之日起觀察并記錄每天種子發芽數。

1.3 測定指標計算方法

種子萌發率（Gr）=（發芽種子粒數/供試種子粒數）×100%（1）

種子發芽勢（Gp）=（發芽高峰時發芽種子數/供試種子粒數）×100%（2）

發芽指數（Gi） =Gt/Dt（3）

式中，Gt為t天的萌發數;Dt為發芽日數。

1.4 鎘耐性綜合評價

相對發芽率、相對發芽勢、相對發芽指數均為各處理發芽率、發芽勢和發芽指數與對照相應指標之百分比。這些萌發指標被用于計算不同濃度下的隸屬函數值X（μ）。同時，計算3個萌發指標的隸屬函數值平均值，對每種植物的耐鎘性進行綜合評價。具體計算公式如下：

μ（Xij）=Xij-XjminXjmax-Xjmin（4）

=1nnj=1μ（Xij）（5）

式中，Xij為第i個植物物種第j項評價指標的測定值;Xjmin和Xjmax分別代表所有植物中第j個評價指標的最小和最大觀察值;μ（Xij）為第i個植物物種第j指標的隸屬函數值;n是指測定指標的數目;是一個植物物種的所有評價指標耐鎘隸屬函數值的平均值。平均耐鎘隸屬函數數值越大則表明該植物對重金屬鎘的耐性越強。

1.5 數據統計與分析

采用Microsoft Excel進行原始數據處理，計算平均值和標準誤差。所有的數據用軟件SPSS 19.0 進行方差分析，用Duncans法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同濃度鎘離子脅迫對4種植物種子萌發的影響

由表1可知，隨著鎘離子濃度的增加，4種植物種子萌發率均呈下降趨勢。

兩頭毛在50 mg/L鎘脅迫下萌發率為89.00%，與對照相比差異不顯著;但在100 mg/L鎘脅迫下，兩頭毛的種子萌發開始受到了明顯的抑制，其萌發率下降至26.67%;當鎘濃度超過200 mg/L時，兩頭毛種子萌發率均降至6.00%以下，與100 mg/L相比顯著下降，但是高濃度鎘脅迫之間沒有顯著差異。與兩頭毛不同的是，其他3種植物的種子在50 mg/L 的鎘脅迫下，其萌發率與對照相比均有顯著下降，如韭菜的萌發率從81.33%下降至24.67%;在100 mg/L的鎘脅迫下，這3種植物種子的萌發率與對照相比下降了7倍，與50 mg/L和較高濃度（200～500 mg/L）的鎘脅迫相比，均出現顯著性差異。這些結果表明不同植物種子萌發對鎘脅迫有不同的響應。但是，鎘的濃度越高對這4種植物的種子萌發影響越大，且到了足夠高的濃度時它們的種子幾乎不萌發。

從表1可以看出，隨著鎘濃度的增加，這4種植物的發芽勢和發芽指數的變化趨勢與其萌發率基本一致，尤其是小麥和韭菜種子萌發的這3個指標在相同的鎘濃度下都出現了相同的顯著變化。而兩頭毛的發芽勢和發芽指數分別在50和100 mg/L的鎘脅迫下與對照相比均有顯著差異，隨著鎘濃度的增加發芽勢與100 mg/L相比無太大的變化，直到在500 mg/L高濃度鎘脅迫下時才出現了明顯下降;而發芽指數在高于100 mg/L的鎘脅迫下均出現了顯著下降。紫花苜蓿的發芽勢和發芽指數在不同鎘濃度的脅迫下發生的顯著變化幾乎與萌發率指標是一致的。

2.2 4種植物種子萌發的耐鎘性綜合評價

為了比較這4種植物種子萌發的耐鎘性，該研究通過對不同植物的多個測量指標進行相對萌發率、相對發芽勢和相對發芽指數的計算，并通過這些結果算出每個指標的隸屬函數值，具體的數據見表2。從單個指標來看，兩頭毛的隸屬函數值均是最高的，說明兩頭毛種子的耐鎘性更高。通過計算每個植物種子萌發3個指標的隸屬函數平均值，對這4種植物進行了耐鎘性排名。從表2可以看出，兩頭毛種子萌發3個指標的隸屬函數平均值是最高的，依次是小麥、韭菜和紫花苜蓿。這些結果表明這4種植物的耐鎘性從強到弱依次是兩頭毛、小麥、韭菜、紫花苜蓿。

3 討論與結論

鎘對植物來說是一種有毒的重金屬元素。植物對鎘脅迫的響應主要取決于植物的種類和鎘的濃度。種子萌發是植物生長的一個最初過程，能夠最先感知和判斷植物是否具有耐鎘性[16]。因此，在鎘脅迫條件下種子的萌發情況通常可以被用于反映植物對鎘脅迫的耐性強弱。煤礦區煤矸石的長期堆放已經成為土壤重金屬污染的一個主要來源之一。多年來人們致力于對煤矸石山進行植被恢復與重建，也是目前最經濟實惠且行之有效的防治方法。經過調查，兩頭毛是六盤水煤矸山上自然生長的一種優勢植物，且對多種重金屬，尤其是鎘具有較強的富集能力[11]。但是關于重金屬鎘對兩頭毛生長的影響還鮮見報道。在該研究中，測定在不同鎘濃度脅迫下兩頭毛種子萌發的3個指標（萌發率、發芽勢和發芽指數），并與3種常見植物（小麥、韭菜、紫花苜蓿）的相同種子萌發指標進行了比較。

該研究結果表明，在鎘脅迫下這4種植物的種子萌發都受到了不同程度的限制。隨著鎘濃度的增加，抑制效應越明顯，直至種子幾乎不萌發。有研究表明，在低濃度鎘脅迫（如≤50 mg/L）下一些植物的種子萌發有被促進的作用[17]。在該研究中設定的鎘初始濃度是50 mg/L，因此，無法得到低濃度鎘脅迫下促進種子萌發的結果。在該研究中，對比了兩頭毛與常見的作物、蔬菜和牧草在鎘脅迫下種子萌發的情況以及耐性，試驗結果表明在鎘脅迫下兩頭毛種子比其他3種植物受到的影響都小，且顯示出較高的耐鎘性，其中，紫花苜蓿的耐鎘性最低。楊姝等[18]研究表明紫花苜蓿對鎘具有一定的耐性，但是不同的品種對鎘的吸收和累積存在著較大的差異。如阿爾岡金和新疆大葉2個品種在5 mg/L的鎘脅迫下種子萌發就受到了明顯抑制[19]。相對而言，在該研究中小麥和韭菜具有較高的耐鎘性。陳麗麗等[20-21]研究表明小麥種子和韭菜種子在相對較高濃度的鎘脅迫下萌發受到抑制。從該研究結果來看，兩頭毛具有一定的耐鎘性，且耐性比小麥、韭菜和紫花苜蓿的強，其耐鎘的生理生化、分子機理還需要進一步研究。

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