重金屬脅迫對不同種源任豆種子萌發及幼苗生長的影響

覃勇榮 趙貞濤 劉旭輝 范金成 廖康全

摘要：為了比較不同種源任豆種子萌發及其幼苗生長對重金屬脅迫抗性的差異，選擇廣西宜州懷遠（HY）、平果（PG）、云南昆明（YN）3個不同來源的任豆種子，研究不同濃度Zn2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+脅迫對任豆種子的萌發特性及其幼苗生長的影響，測定了任豆種子的發芽勢、發芽率、發芽指數、胚芽長度、胚根長度、株高，應用模糊數學的隸屬函數法，對不同來源任豆種子萌發過程中的重金屬耐性進行綜合評價。結果表明：（1）任豆種子對不同重金屬離子脅迫的耐性有較明顯差異，其大小排序為Zn2+>Pb2+>Cu2+>Cd2+，任豆種子萌發過程中Cd2+、Cu2+的毒性明顯大于Pb2+、Zn2+;（2）不同重金屬離子對任豆幼苗生長的抑制作用隨其濃度的增大而明顯增強，且重金屬對任豆胚根生長的抑制作用更為明顯，任豆幼苗對不同重金屬的耐性強弱排序為Zn2+>Pb2+>Cu2+>Cd2+;（3）不同種源任豆幼苗對鉻、銅、鉛、鋅4種重金屬耐性的強弱排序分別為PG>YN>HY、YN>PG>HY、PG>HY>YN、HY>YN>PG;綜合考慮各種重金屬的影響，不同種源任豆幼苗對重金屬耐性強弱排序為PG>YN>HY。盡管不同種源任豆種子的萌發及其幼苗對重金屬的耐性有一定的差異，但均可以作為土壤重金屬污染的修復材料使用。

關鍵詞：不同種源;任豆種子;重金屬脅迫;萌發特性;幼苗;重金屬耐性

中圖分類號： X173;Q945.78文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）12-0156-07

收稿日期：2021-08-12

基金項目：廣西自然科學基金（編號：桂科自0832273）;河池學院碩士專業學位建設基金（編號：2016HJA007）;河池學院高層次人才科研啟動費項目（編號：XJ2018GKQ016）;河池學院重點實驗室項目（編號：校政發[2016]91號）;廣西大學生創新創業計劃（編號：201810605084）。

作者簡介：覃勇榮（1963—），男，廣西貴港人，碩士，教授，從事巖溶地區石漠化綜合治理與生態恢復研究。E-mail：hcxyqyr@126.com。

任豆是中國特有的單種屬植物，主要分布在我國南方的石灰巖地帶，其根系發達，生長迅速，耐旱性強，生態經濟效益較高[1]，因而被廣泛應用于巖溶地區造林綠化和石漠化治理等環境修復工程之中。近年來，隨著我國區域經濟的快速發展，生態環境也受到一定程度的破壞，污染問題日漸突出[2]，環境治理是亟需解決的問題。在土壤重金屬污染治理的諸多方法中，植物修復是一種成本低廉且應用廣泛的技術方法，而優良先鋒物種的選用則是植物修復的重要基礎[3]。為了探討利用任豆樹種進行土壤重金屬污染植物修復的可行性，筆者曾對重金屬脅迫背景下任豆種子萌發及其幼苗抗氧化酶活性進行過一些試驗[4-6]，發現任豆幼苗對不同重金屬元素的耐性具有明顯差異，其大小排序為Zn2+>Pb2+>Cu2+>Cd2+。黃銀珊也對任豆種子的萌發特性和儲藏生理進行了研究，測定了任豆種子的發芽率、發芽勢、發芽指數以及POD、SOD、CAT活性等生理生化指標[7]。高菲菲研究了不同濃度Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+脅迫對沙打旺、紫花苜蓿、紅三葉種子萌發、幼苗生長及重金屬富集能力的影響[8]。此外，陳俊任等以毛竹種子為供試材料，研究了不同重金屬脅迫對毛竹種子萌發的影響，結果表明：Pb2+、Cd2+對毛竹種子的發芽率、發芽勢、發芽指數有抑制作用，低濃度的Cu2+、Zn2+對其發芽勢、發芽率、發芽指數等有促進作用，而高濃度Cu2+、Zn2+則具有顯著抑制作用[9]。

河池地處桂西北，被譽為中國有色金屬之鄉，土壤重金屬污染是當地礦區和冶煉廠周邊區域普遍存在的問題[2]。本研究采用人工模擬方法，根據不同種源任豆種子在重金屬脅迫條件下的萌發情況及其幼苗生長對重金屬抗性（耐受性）的差異，篩選優良的任豆種源，以便為土壤重金屬的植物修復提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為任豆種子，分別來自廣西河池市宜州區懷遠鎮、廣西平果縣、云南省昆明市，相應標記為HY、PG、YN。其中，HY種子為2018年1月在野外采集，PG種子為2017年12月從廣西平果縣任豆銷售商網購，YN種子為2018年1月從云南昆明美地苗木育種有限公司網購。3種不同來源的任豆種子均保存于4 ℃冰箱中備用。

1.2 試驗方法

任豆種子的凈度、百粒質量、千粒質量及含水量測定，均采用《林木種子檢驗規程》（GB 772—1999）中的方法進行[10]。

1.2.1 種子形狀的測定

為了減少因選種不當而造成低發芽率問題，試驗之前，按照常規方法篩選不同來源的任豆種子，去除不飽滿、畸形、破損或被蟲蛀的種子，使種子的凈度達到96%，外形完好率達到99.5%以上。將不同來源的任豆種子放在操作臺上，然后分別隨機抽取純凈種子30粒，使用游標卡尺測量每粒種子的長度、寬度、厚度（種子最厚處），要求精確到0.01 mm。任豆種子百粒質量、千粒質量的具體測量方法見參考文獻[11]。

1.2.2 種子含水量的測定

任豆種子含水量的測定采用低溫烘干法[12]。

1.2.3 重金屬溶液配制和金屬離子濃度的設置

重金屬離子濃度依據《土壤環境質量標準》（GB 15618—2008）3級土壤環境標準量進行配制[8-13]，其中4種離子的供源分別為CuSO4·5H2O、CdSO4·8H2O、Pb（NO3）2、ZnSO4·7H2O，以上試劑均為分析純。濃度梯度分別為Cu2+ （50、100、150、200 mg/L）;Cd2+（25、50、100、150 mg/L）;Pb2+ （300、600、800、1 000 mg/L）;Zn2+ （400、800、1 000、1 500 mg/L）。用去離子水設置對照組處理。

1.2.4 種子預處理

用TTC法測定不同來源任豆種子的活力，根據測定的種子活力，選取種子活力達95%以上的任豆種子進行試驗[8]。將不同來源的任豆種子放入不同燒杯中，用初始溫度為80～90 ℃的蒸餾水浸種，以蒸餾水剛好淹過種子的一半為宜;待冷卻后，重復上述方法3次;最后用去離子水浸種24 h，使種子充分吸水膨脹。

1.2.5 種子的發芽試驗

吸脹后的任豆種子經前期消毒處理，再進行人工模擬重金屬脅迫試驗[13]。取直徑為9 cm的培養皿，皿內以雙層濾紙為發芽床，每皿均勻放入20粒充分吸脹的任豆種子。將配好的重金屬溶液置于培養皿中，每皿3 mL，每個處理重復3次。采用光照培養箱變溫模式培養[14]，模擬自然生長環境，即光/暗比12 h/12 h，30 ℃/25 ℃，濕度80%，發芽試驗共6 d。為了保證每個處理組重金屬離子的濃度不變，每24 h定期更換相應處理液1次，對照組則更換去離子水。以胚芽長度達到種子一半作為種子發芽的判斷標準，每24 h統計1次，并做好種子萌發的相關記錄。發芽試驗結束后，經過后期處理[12]，用游標卡尺測量任豆幼苗相關指標。

1.3 測量指標及方法

1.3.1 測量指標 發芽率和發芽勢是種子活力的重要指標[15]，可用常規方法進行檢測，根據檢測結果計算其相對發芽勢和相對發芽率。隨機選取5粒飽滿的任豆種子，發芽試驗結束后用鑷子輕輕將萌發種子取出，用數顯游標卡尺（精度0.1 mm）測量其幼苗的胚根、胚芽長度、株高;重金屬脅迫的第3天，統計種子的發芽勢;重金屬脅迫的第6天，統計種子的發芽率[16]。所有處理均重復3次。

1.3.2 測量方法

發芽率=前6 d內供試種子的發芽數/供試種子數×100%，發芽勢=前3 d內供試種子的發芽數/供試種子數×100%，發芽指數 GI=∑（Gt/Dt）（Gt為t時間的發芽種子數，Dt為相應的發芽天數），相對發芽勢=前3 d內供試種子的發芽勢/對照組的發芽勢×100%[16];相對發芽率=前6 d內供試種子的發芽率/對照組的發芽率×100%，相對胚根長=處理組胚根長/對照組胚根長×100%，相對胚芽長=處理組胚芽長/對照組胚芽長×100%[17]。

1.3.3 種子對重金屬脅迫耐性的綜合評價

任豆種子萌發過程中對鎘、銅、鉛、鋅4種重金屬的耐性，用隸屬函數法進行綜合評價。在不同重金屬濃度下的具體隸屬函數值X（μ）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），X為參試任豆種源某一指標的測定值，Xmax、Xmin分別為所有種源中該指標的最大值、最小值，把每一指標在4種重金屬不同濃度下的隸屬值累加求平均值，最后把各份不同種源任豆種子的各項指標隸屬函數值累加求平均值。根據各種源平均隸屬函數值大小，確定其萌發期對4種重金屬的耐受性，隸屬函數值越大，耐受性越強[14，18-19]。

1.3.4 數據分析

每個試驗均重復3次，結果取平均值。數據處理用Excel 013和SPSS 4.0進行，用LSD法進行差異性顯著檢驗，繪圖用Origin 018軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同種源任豆種子的比較

表1為不同種源任豆種子的基本參數，可見，除了百粒質量，不同種源任豆種子的長度、寬度、厚度、凈度、含水量、千粒質量均有一定的差異。

2.2 不同濃度重金屬脅迫對任豆種子發芽勢的影響

由表2可知，不同種源任豆種子對重金屬脅迫的反應有一定的差異。除個別情況外，不同濃度重金屬脅迫對任豆種子發芽勢的影響均有顯著或極顯著差異;低濃度的重金屬離子對任豆種子發芽勢略有促進作用;隨著濃度的增大，重金屬離子對任豆種子發芽勢的抑制作用明顯增強。

2.3 不同濃度重金屬脅迫對任豆種子發芽率的影響

由表3可見，重金屬脅迫對任豆種子發芽率的影響效果沒有對發芽勢影響的效果明顯，除了高濃度的Zn2+（>1 000 mg/L）脅迫外，其余各種不同處理的重金屬離子脅迫對不同種源任豆種子發芽率的影響差異并不明顯。

2.4 不同濃度重金屬脅迫對任豆種子發芽指數的影響

由表4可知，總體來說，在相同重金屬離子脅迫情況下，隨著重金屬離子濃度的增大，不同種源任豆種子的發芽指數均呈下降的趨勢，降低的幅度因種源不同而有一定的差異。但個別試驗也出現了一些反常現象，即與低濃度重金屬離子脅迫的任豆種子發芽指數相比，后者反而有所提高，其原因有待進一步分析。

2.5 不同濃度重金屬脅迫對任豆幼苗胚根生長的影響

由圖1至圖4可知，重金屬離子對任豆幼苗胚根生長有一定的抑制作用，不同種源的任豆幼苗受影響的程度和結果有一定的差異;與對照組相比，不同種源任豆幼苗的胚根長度均有明顯縮短，且差異顯著 （P< 0.05）;低濃度的重金屬離子可能對任豆胚根生長有一定的促進作用，但隨著重金屬離子濃度的增大，其對任豆胚根生長的抑制作用明顯增強。總的來說，在重金屬的脅迫下，任豆胚根生長呈下降的趨勢。

2.6 不同濃度重金屬脅迫對任豆幼苗胚芽生長的影響

與任豆幼苗胚根生長的情況相似，不同重金屬脅迫對任豆幼苗胚芽生長也有明顯的影響，具體見圖5至圖8。盡管低濃度的Cu2+對部分不同種源任豆幼苗胚芽生長有促進作用，部分任豆幼苗胚芽生長對Cu2+、Pb2+脅迫的反應也不太敏感，但總的來說，隨著重金屬離子濃度的增加，任豆幼苗胚芽的生長均受到不同程度的抑制。

2.7 不同濃度重金屬脅迫對任豆幼苗株高的影響

由圖9至圖12可知，不同重金屬脅迫對任豆幼苗株高的影響不同，同一重金屬對不同種源任豆幼苗株高的影響也有差異;與對照處理組相比，低濃度的部分重金屬（Cd2+、Pb2+、Zn2+）對部分種源（PG、YN）的任豆幼苗株高略有促進作用，但差異并不顯著; 總的來說，無論是何種重金屬脅迫，隨著其濃度的增大，所有任豆幼苗的株高均呈下降的趨勢，其中Cd2+、Zn2+脅迫處理的效果更為明顯。

2.8 不同種源任豆對重金屬耐性的綜合評價

對重金屬脅迫條件下不同種源任豆種子的發芽指數耐受性、胚根耐受性、胚芽耐受性、株高耐受性進行隸屬函數值計算，可得其種子萌發期及幼苗期對不同重金屬脅迫的隸屬函數總平均值[14，18]，結果見表5至表8。可以初步確定，不同種源任豆幼苗對鎘、銅、鉛、鋅的耐受性強弱排序為PG>YN>HY、YN>PG>HY、PG>HY>YN、HY>YN>PG。

如果綜合考慮各種重金屬的影響，即將表5至表8中相同種源任豆的平均隸屬函數值相加后取平均值，便可得到不同種源任豆對重金屬耐性的總平均值，其結果分別為PG（0.502 7）>YN（0.499 5）>HY（0.471 1）。也就是說，相對而言，來自廣西平果的任豆幼苗對重金屬的耐性最強，云南種源次之，廣西宜州懷遠種源最差。

3 討論

本試驗在人工模擬重金屬離子脅迫時，隨著Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+濃度的增加，不同種源任豆種子的發芽勢、發芽率、發芽指數均呈下降的趨勢;重金屬離子濃度越高，其對任豆種子萌發的抑制作用就越明顯。究其原因，可能是因為種子萌發是植物生長的關鍵時期，也是植物對環境因子影響的敏感期[12，20-21]。重金屬脅迫對種子萌發具有一定的影響，且隨著重金屬離子濃度的增大，其對種子萌發的抑制作用就越明顯，該結果與前人的相關研究結果[19]一致。

隨著重金屬離子濃度的增大，大部分任豆幼苗的胚根長度、胚芽長度、株高都小于對照組，且差異顯著。從試驗結果可知，重金屬離子對胚根的抑制作用比胚芽更加明顯，該結果與馬敏等的相關研究結果[20]相似。這可能是因為任豆種子萌發時，胚根最先萌動突破種皮，最先受到重金屬離子的脅迫，重金屬對其作用的時間既比胚芽早，也比胚芽長，因此，重金屬對其影響更為嚴重[22]。在種子萌發的過程中，胚根生長受到抑制后，其根毛的吸收作用必定受到一定的影響，從而影響胚芽和植株的生長。在重金屬脅迫下，任豆幼苗的胚芽長度、胚根長度、株高均呈下降的趨勢，其中胚根長度的下降更為明顯。

據報道，在種子萌發過程中，胚芽的生長僅與細胞伸長有關，而胚根的生長除了與細胞伸長有關外，還與細胞分裂有關[23];高濃度的Cu2+抑制細胞的分裂，所以能夠抑制種子胚根的生長;高濃度的Pb2+抑制種子胚根和胚芽的生長，可能與Pb2+對種子中脫氫酶活性的影響有關[24]。從本研究的結果來看，不同種源任豆種子萌發及其幼苗生長對重金屬的耐性都有明顯差異，其大小排序為Zn2+>Pb2+>Cu2+>Cd2+，與本人前期的相關研究結果[3-5]一致。但不同重金屬離子的生態毒理及作用機制等諸多問題還有待進一步研究[16]。

林瑋等報道，不同種源任豆種子的表型性狀有極顯著差異，具有明顯的地理區域性，并將之分為多個不同的類群[25];唐文秀等對廣西任豆主要分布區23個不同種源任豆種子的萌發及幼苗生長特性進行了比較研究，發現不同種源任豆種子的發芽率、發芽勢、株高、地徑等生理指標具有明顯差異[26]。本研究選擇了廣西宜州懷遠、平果，以及云南昆明3個不同種源的任豆種子進行試驗研究，所得結果也與以上研究相似。

4 結論

根據以上試驗結果及分析討論，可以初步得到以下結論：（1）任豆種子對不同重金屬離子脅迫的耐性有較明顯的差異，其大小排序為Zn2+>Pb2+>Cu2+>Cd2+，在任豆種子萌發過程中，Cd2+、Cu2+的毒性明顯大于Pb2+、Zn2+。（2）不同重金屬離子對任豆幼苗生長的抑制作用隨其濃度的增大而明顯增強，且重金屬對任豆胚根生長的抑制作用更為明顯，任豆幼苗對不同重金屬的耐性強弱排序為 Zn2+>Pb2+>Cu2+>Cd2+。（3）應用隸屬函數法對不同種源任豆幼苗的重金屬耐性進行綜合評價，其對鉻、銅、鉛、鋅4種重金屬耐性的強弱排序分別為PG>YN>HY、YN>PG>HY、PG>HY>YN、HY>YN>PG;綜合考慮各種重金屬的影響，不同種源任豆幼苗對重金屬耐性強弱排序為PG>YN>HY。（4）盡管不同種源任豆種子及其幼苗對重金屬的耐性有一定的差異，但均可作為土壤重金屬污染修復的材料使用。

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