鎘脅迫對鹽膚木種子萌發特性的影響研究

林楊斌 王 超 顧 菊 溫聯好

（1 西南林業大學園林園藝學院，云南昆明 650224；2 廣東產品質量監督檢驗研究院，佛山 528300）

我國部分地區土壤污染較重，耕地土壤點位污染超標率達19.4%，重度污染點位比例達1.1%，鎘（Cd）是主要重金屬污染物之一[1-5]，耕地土壤中Cd的點位超標率為7.0%[1-3]。各種重金屬污染發生概率排序為：Cd＞Ni＞Hg＞As＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn。Cd 含量超標率達到25.20%，遠超過Pb、Hg、Cr、As 等重金屬[3-7]。Cd 不是植物生長的必需元素，Cd 超標會降低植物體內酶的活性及光合強度，使代謝紊亂，改變細胞膜透性、阻礙根系生長、抑制水分和養分吸收，影響作物的產量和品質[8-12]。更重要的是，Cd通過蓄積在農產品中借助食物鏈進入人體，嚴重危害人類健康。由于Cd 對植物、動物和人類的危害最大，且重金屬污染發生概率最高[10-15]，土壤Cd 污染已成為人類安全的重大隱患，也成為了研究者關注的重點和熱點問題之一[16-20]。

鹽膚木（Rhus chinensisMill）又名五倍子樹，為漆樹科鹽膚木屬落葉灌木或小喬木，是中國主要經濟樹種之一，可供制藥和工業染料的原料，其皮部、種子可榨油，在園林景觀中可作為優良的觀花、觀葉、觀果樹種，具有重要的觀賞價值，可用于園林綠化[21-23]。鹽膚木具有生長快、根蘗力強以及逆境適應能力強等優勢，是廢棄地恢復的先鋒植物，具有重要的生態意義[24-26]。已有研究表明鹽膚木是一種有效的重金屬吸附和富集的植物，對鉛、鉻、銅、汞具有吸收和富集作用，能夠有效進行土壤修復[21-27]。然而，截至目前鮮有鹽膚木對重金屬Cd 脅迫的生長和富集的影響研究，鑒于此，有必要開展Cd 對鹽膚木生長和富集的影響研究。本文以鹽膚木種子萌發特性為研究對象，研究了在重金屬鎘（Cd）不同濃度（50～400mg/L）的脅迫下，種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數的變化規律，以期為鹽膚木種子在Cd 污染的耐受能力研究提供一定理論參考。

1 材料與方法

1.1試驗材料選用商品化的鹽膚木種子，種子經晾曬后存放于干燥、陰涼處。

1.2試驗試劑過氧化氫（H2O2，30%，分析純）、濃硫酸（H2SO4，98%，分析純）、高錳酸鉀（固體，KMnO4，99%，分析純）、氯化鎘（固體，CdCl2·2.5H2O，99%，分析純），采購于佛山西隴化工有限公司。去離子水（H2O），實驗室自制。

1.3試驗儀器千分天平、燒杯、容量瓶、直尺等。

1.4試驗方法

1.4.1配制溶液（1）配制質量分數為0.5%的KMnO4溶液。準確稱量5.55g 的KMnO4固體，置于500mL 燒杯中，用200mL 去離子水將KMnO4固體溶解，得到均一紫紅色溶液。將溶液轉移至1000mL容量瓶中，用去離子水洗滌燒杯中殘余的KMnO4溶液。之后，定容至1000mL。

（2）配制質量分數為濃度梯度的Cd 溶液（質量分數以Cd 計）。準確稱量一定質量的CdCl2·2.5H2O 固體（稱量質量見表1），置于500mL 燒杯中，用200mL 去離子水將CdCl2·2.5H2O 固體溶解，得到均一溶液。將溶液轉移至1000mL 容量瓶中，用去離子水洗滌燒杯中殘余的溶液。之后，定容至1000mL。分別配制濃度為50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、250mg/L、300mg/L、350mg/L、400mg/L 的Cd 溶液。

表1 濃度梯度Cd 溶液的配制

1.4.2脅迫試驗由于鹽膚木種子硬實率高達90.2%，其種皮對于種子吸水有明顯的機械阻礙作用。采用酸蝕處理鹽膚木種子，從而提高種子萌發率。選取適量籽粒飽滿、均勻的鹽膚木種子，用去離子水浮選以去掉癟粒，用30%過氧化氫浸泡15min消毒，防止微生物等因素對種子萌發產生影響，再用去離子水反復沖洗3 次。將鹽膚木種子在98%濃硫酸中浸泡90min，使用0.5%的KMnO4溶液浸泡30min，接著用去離子水清洗數次，直至不殘留酸性氧化物溶液。之后，將處理后的種子放入去離子水中浸種12h 充分吸脹，便于直接研究鎘對種子萌發的影響。鋪放2 層濾紙于無菌培養皿，將種子均勻地灑在培養皿上，并保持種子的間距適當，在培養皿中分別加入8mL 不同濃度的培養液，空白對照組中添加等體積去離子水，保持25 ℃下恒溫培養。每天定時記錄種子萌發情況，種子萌發以種子露出白芽為標準，連續10d 內沒有新種子萌發時結束。根據試驗結果測量和記錄種子發芽數量、幼芽長度。其中，每個濃度的試驗采用種子數均為100 個，濃度為0mg/L 指空白試驗。

1.5數據處理各指標計算如公式（1）～（4）所示，采用Excel 軟件進行數據處理；采用Origin 軟件進行作圖。

第8 天為種子發芽數量高峰期，第10 天種子發芽結束，幼芽長度指第10 天種子發芽的幼芽長度。

2 結果與分析

2.1不同濃度Cd脅迫下鹽膚木種子的發芽率變化從圖1 和表2 可以看出，在Cd 濃度50～400mg/L的脅迫下，鹽膚木種子發芽率在1%～78%之間。發芽率隨著Cd 濃度增加不斷下降，直到Cd 濃度為300mg/L 時，發芽率下降速率有所放緩。此外，對比空白試驗來看（發芽率為87%），Cd 脅迫下種子發芽率整體呈現明顯的下降趨勢。結果表明，Cd 對鹽膚木種子萌發具有明顯的抑制作用，且Cd 濃度越大，抑制作用越明顯。

圖1 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發芽率變化趨勢

表2 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發芽率變化數據

2.2不同濃度Cd脅迫下鹽膚木種子的發芽勢變化從圖2 和表3 可以看出，種子發芽勢變化趨勢與發芽率相似，隨著Cd 濃度不斷增大，均表現為持續下降，發芽勢數值在0～51%之間。然而，空白試驗的發芽勢高達75%。當Cd 濃度達到50mg/L 時，發芽勢降低至空白試驗的2/3 左右（51%）。結果表明，發芽勢受Cd濃度影響較大。與發芽率不同的是，當Cd 濃度小于100mg/L 時，發芽勢降低明顯，大于等于100mg/L 時，發芽勢降低程度放緩。

圖2 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發芽勢變化趨勢

表3 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發芽勢變化數據

2.3不同濃度Cd脅迫下鹽膚木種子的發芽指數變化從圖3 和表4 可以看出，當Cd 濃度為0mg/L 時，發芽指為14。但是，隨著Cd 濃度不斷增加，種子發芽指數持續下降，并于Cd濃度為350mg/L時下降為0，表明Cd 對鹽膚木種子脅迫作用明顯，發芽指數受Cd 濃度影響明顯。

圖3 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發芽指數變化趨勢

表4 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發芽指數變化數據

2.4不同濃度Cd脅迫下幼芽長度和活力指數的變化從圖4、圖5 和表5 可以看出，隨著Cd 濃度增加，相比空白試驗種子幼芽長度為3.3cm，Cd 脅迫下種子幼芽長度有一定程度下降，從3.1cm 下降至2.6cm；對應的活力指數從34.1%下降至0，相對空白試驗活力指數46.2%，Cd 脅迫下的活力指數下降明顯。

圖4 Cd 脅迫下鹽膚木種子的幼芽長度變化趨勢

圖5 Cd 脅迫下鹽膚木種子的活力指數變化趨勢

表5 Cd 脅迫下鹽膚木種子的幼芽長度和活力指數變化數據

3 討論與結論

隨著Cd 濃度的不斷增大，種子發芽率和發芽勢隨之下降，這可能是Cd 抑制了種子內細胞生命活動，導致種子萌發所需的營養物質不足，從而導致種子萌發所需的能量減少，進而抑制了種子萌發[10-12]。研究表明，當植物受到Cd 脅迫，種子受到不利條件時，體內會產生大量活性氧自由基，使得細胞膜脂過氧化對植物產生毒害。當Cd 濃度增大時，會使種子產生活性氧的能力超過清除能力，使生物膜及酶系統受到的傷害增加、內環境紊亂，抗氧化酶最適環境遭到破壞，最終降低種子體內的抗氧化酶活性，從而抑制種子萌發，表現為發芽率和發芽勢降低[10-15]。因此，推測鹽膚木種子幼芽長度、活力指數隨Cd 濃度的變化情況，與Cd 脅迫破壞種子的抗氧化酶系統，引起種子體內產生活性氧，導致種子萌發受到抑制有關。在沒有外部有效作用的情況下，種子難以自發提高光合色素含量、增強光合作用，從而提高種子的抗逆性。當Cd 濃度達到較高水平時，土壤環境無法維持種子萌發[10-15]。

種子的萌發指標是評價種子萌發能力的重要參數，直接與幼苗的生長和生物量相關[1-5]。萌發期是植物生長發育過程中受外界非生物因素影響最敏感的時期之一，幼苗期對Cd 脅迫產生的毒害反應尤為顯著[10-12]。研究發現，隨著Cd 濃度增加，對植物根長的抑制程度加大[10-15]。本研究中，Cd 對發芽率的抑制作用明顯，這可能與種子幼芽更容易富集重金屬元素有關，種子將重金屬元素固定在根系中，也是一種自我保護機制，最大可能地減少重金屬元素向莖、葉中運輸，減少重金屬對植物的損害[6-9]。本試驗研究表明，與空白對照組比較，鹽膚木種子萌發受到Cd 脅迫不同程度的影響，Cd 濃度越高，脅迫作用越明顯。推測高濃度Cd 可能對胚、芽等產生毒害，從而抑制種子萌發以及后期生長發育。

綜上所述，本文通過Cd 脅迫對鹽膚木種子萌發特性的影響研究，可以得到如下結論：鹽膚木對Cd 脅迫具有一定的耐受力，在Cd 濃度范圍為50～400mg/L 的脅迫下，鹽膚木種子的萌發特性指標（包括發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數）隨著Cd 濃度不斷增加均呈下降趨勢。本研究可為鹽膚木種子在Cd 污染的耐受能力研究提供一定理論參考。