銅鉛復合污染下加拿大一枝黃花根葉復合化感效應

周嘉龍,許哲倫,仲珊珊,李 玥,李 闖,徐仲毅,于友禮,杜道林,王從彥

(江蘇大學 環境與安全工程學院,江蘇 鎮江 212013)

我國現有的入侵植物隸屬于菊科(Asteraceae)的種類最多,共92種,占17.86%[1]。入侵植物(特別是菊科入侵植物)顯著影響了本地生態系統的結構和功能,如顯著降低本地生物多樣性等[2-3]。所以,闡明入侵植物成功入侵的關鍵機理,已成為當前入侵生態學領域備受關注的重大前沿科學問題之一。相關研究表明,化感效應對一些入侵植物的成功入侵至關重要,特別是菊科入侵植物可以通過分泌化感物質抑制臨近植物的種子萌發、幼苗以及植株生長[4-5]。化感效應在入侵植物中廣泛存在,在調查的113個科中,72%的科均存在明顯的化感效應[4]?；谌肭种参飳εR近植物的化感效應,生態學家提出了新武器假說(Novel Weapon Hypothesis)[6-7]。

重金屬可以顯著影響甚至是增強入侵植物的化感效應及其入侵競爭力[8-9]。但是,當前研究大多僅解析單一種類的重金屬對入侵植物葉化感效應的影響,而忽視了重金屬復合污染對入侵植物根葉復合化感效應的影響。因此,亟需深入闡明不同類型重金屬污染下入侵植物根葉復合化感效應。

加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)隸屬于菊科,原產北美,已在我國大部分地區(特別是蘇南地區,常?？梢孕纬纱蠓秶摹⒏呙芏鹊膯蝺炄郝?造成了顯著的生態環境影響[2,10],被列入了《中國外來入侵物種名單》和《江蘇省外來入侵物種名錄》。研究表明,加拿大一枝黃花對臨近植物的種子萌發和幼苗生長具有較強的化感效應[5,10]。因此,本研究旨在分析不同重金屬污染下加拿大一枝黃花的根葉浸提液對萵苣(Lactucasativa)種子萌發與幼苗生長的單一和復合化感效應。

1 實驗和方法

1.1 重金屬種類的選擇

本研究選擇銅(Cu)和鉛(Pb)作為重金屬污染源,原因如下:(1)它們是鎮江市常見的重金屬種類;(2)它們在鎮江市污染背景值非常接近(Cu≈30.30 mg·kg-1,Pb≈36.28 mg·kg-1)[11-12];(3)均是我國耕地點位超標的主要重金屬類型,有一定的環境生態風險。

1.2 受試植物種類的選擇

本研究選擇萵苣作為種子萌發和幼苗生長受試植物。原因如下:(1)萵苣與加拿大一枝黃花均屬于菊科,可避免所用植物種類的親緣關系過遠而影響實驗結果;(2)萵苣種子萌發速度快且均一,其指標也易測定;(3)萵苣的種子萌發和幼苗生長對外界脅迫(包括入侵植物的化感效應)非常敏感[10,13];(4)在鎮江市的萵苣種植區,被加拿大一枝黃花入侵的情況較嚴重。

1.3 實驗方法和步驟

本研究實驗方法為培養皿培養法,步驟如下:

1)浸提液配制:2021年9月,于加拿大一枝黃花的繁殖期在鎮江市(32.21°N,119.52°E)隨機采集其成熟且完整的葉和根,自然風干,稱重,浸入無菌去離子水,過濾雜質。浸提液濃度設置為10 g·L-1(模擬入侵植物入侵狀態),用無菌去離子水作為對照(模擬入侵植物未入侵狀態)[9,14]。本研究浸提液類型包括:浸提液對照(無菌去離子水)、根浸提液、葉浸提液以及根葉等比例混合浸提液。

2)重金屬溶液配制:銅采用Cu(SO4)2·5H2O配置,鉛采用(CH3COO)2Pb·3H2O配置;濃度均定為35 mg·L-1。本研究重金屬溶液類型包括:重金屬對照(無菌去離子水,模擬無重金屬污染)、銅溶液(35 mg·L-1,模擬銅單一污染)、鉛溶液(35 mg·L-1,模擬鉛單一污染)、兩種重金屬等比例混合溶液(35 mg·L-1,模擬銅和鉛復合污染)。

實驗共4種處理:增施1 mL的無菌去離子水、增施1 mL的重金屬溶液、增施1 mL的浸提液、增施1 mL的重金屬溶液和浸提液。

3)種子消毒和培養:將大小均一的萵苣種子用1%NaClO消毒約15 min,用無菌去離子水清洗后放入鋪有兩層濾紙的培養皿(口徑為9 cm)中,每皿30粒,每個處理5個培養皿。所有培養皿移至恒溫培養箱培養,溫度25 ℃,每天光照12 h,光照強度2 200 Lux。每天記錄發芽種子數量,若胚根凸顯即確認發芽。

4)指標測定:培養8 d后,每個培養皿隨機選擇10個幼苗,同一天測量種子萌發和幼苗生長指標。

1.4 相關指標測定方法

種子萌發指標包括:(1)發芽率為已萌發種子的數量與測試種子的總數量之比值(指示種子萌發能力)[15-16];(2)發芽勢為第三天(發芽高峰期)已萌發種子的數量與測試種子的總數量之比值(指示種子萌發均勻性)[15-16];(3)發芽指數(指示種子萌發活性)=∑Gi/i[17-18],其中Gi為已萌發種子的數量,i為培養時間(d);(4)發芽速度指數(指示種子萌發速度)=發芽指數×發芽率[19-20];(5)發芽活力指數(指示種子萌發活力)=發芽指數×幼苗鮮重[18,21];(6)發芽快速響應指數(指示種子萌發響應速度)=nd2+0.75×nd4+0.5×nd6+0.25×nd8[22-24],其中nd2、nd4、nd6、nd8分別為第2、4、6、8天的種子發芽數量。

幼苗生長指標包括:(1)株高(指示幼苗對陽光獲取的競爭能力)、根長(指示幼苗對水分和鹽分獲取的競爭能力)、葉長和葉寬(指示幼苗葉片光合面積的大小)使用直尺法測量[15-16];(2)綠色葉面積(指示幼苗葉片光合面積的大小)以葉長和葉寬乘積的0.75倍計算[25-26];(3)生物量(包括鮮重和干重,指示幼苗的生長競爭力)采用0.001 g精度的電子天平稱重測定[15-16];(4)濕度(指示幼苗含水率)為幼苗鮮重和干重之差與鮮重的比值[15-16];(5)脅迫強度指數(指示處理的脅迫強度)=1-(Xs/Xck)[27-28],其中Xs為某一脅迫處理下萵苣種子萌發和幼苗生長指標的平均值,Xck為對照處理下萵苣種子萌發和幼苗生長指標的平均值。

1.5 數據分析

通過單因素方差分析比較不同處理間萵苣種子萌發和幼苗生長指標的差異水平,并采用S-N-K檢驗進行多重比較。通過雙因素方差分析比較重金屬類型與浸提液類型對萵苣種子萌發和幼苗生長指標的影響。通過通徑分析(基于通徑系數的大小)探討萵苣種子萌發和幼苗生長指標對脅迫強度指數的貢獻強度。P<0.05代表差異顯著。數據統計分析應用SPSS 26.0完成。種子萌發和幼苗生長指標均以平均值±標準差表示。

2 結 果

2.1 浸提液對萵苣種子萌發和幼苗生長的影響

與浸提液對照相比,所有類型的浸提液在大多情況下顯著降低了萵苣種子萌發指標(P<0.05,圖1),但顯著增加了萵苣的根長和幼苗鮮重(P<0.05,圖2B、G)。

在不同類型的浸提液處理下,萵苣的種子萌發指標大小依次為:根浸提液>葉浸提液>根葉混合浸提液(P<0.05,圖1)。

2.2 重金屬溶液對萵苣種子萌發和幼苗生長的影響

與重金屬對照相比,所有重金屬類型處理均顯著降低了除發芽率之外的萵苣種子萌發指標(P<0.05,圖1B—F),以及萵苣的株高、根長、葉寬、綠色葉面積和鮮重(P<0.05,圖2A、B、D—F)。

在大多情況下,銅溶液處理下萵苣種子萌發和幼苗生長指標顯著低于鉛溶液和銅鉛混合溶液處理下萵苣種子萌發和幼苗生長指標(P<0.05,圖1和圖2)。不同類型重金屬溶液處理下,萵苣的發芽指數大小依次為:鉛溶液>銅鉛混合溶液>銅溶液(P<0.05,圖1C)。

2.3 重金屬溶液和根葉浸提液復合處理對萵苣種子萌發和幼苗生長的影響

與對照相比,所有類型的重金屬溶液和所有類型的浸提液復合處理在大多情況下均顯著降低了萵苣種子萌發和幼苗生長指標(P<0.05,圖1和圖2)。

在大多情況下,所有類型的重金屬溶液和浸提液復合處理下萵苣種子萌發和幼苗生長指標顯著低于僅有浸提液處理下萵苣種子萌發和幼苗生長指標(P<0.05,圖1和圖2)。

在大多情況下,所有類型的重金屬溶液和浸提液復合處理下,浸提液對萵苣種子萌發和幼苗生長指標抑制程度依次為:根葉混合浸提液>葉浸提液>根浸提液(P<0.05,圖1和圖2)。

2.4 重金屬類型以及浸提液類型對萵苣種子萌發和幼苗生長指標的影響

雙因素方差分析結果顯示(表1):重金屬類型顯著影響萵苣的所有種子萌發指標以及除幼苗干重之外的幼苗生長指標(P<0.05);浸提液類型顯著影響萵苣的所有種子萌發指標以及幼苗干重(P<0.05);重金屬類型和浸提液類型交互作用顯著影響萵苣的發芽率、發芽速度指數、發芽活力指數、發芽快速響應指數、鮮重和濕度(P<0.05)。

表1 雙因素方差分析分析重金屬類型和浸提液類型對萵苣種子萌發和幼苗生長指標的影響Table 1 Effects of heavy metal type and extracts type on the seed germination and seedling growth indexes of L.sativa by Two-Way ANOVA

2.5 不同處理對萵苣種子萌發和幼苗生長的脅迫強度

結果顯示(圖3):無浸提液處理下,銅溶液對萵苣的脅迫強度顯著高于鉛溶液以及銅鉛混合溶液(P<0.05)。葉浸提液以及根葉混合浸提液對萵苣的脅迫強度顯著高于根浸提液(P<0.05)。在銅溶液以及銅鉛混合溶液處理下,所有浸提液類型對萵苣的脅迫強度顯著高于無重金屬處理下同一浸提液類型對萵苣的脅迫強度(P<0.05)。與根浸提液復合處理下,銅及銅鉛混合溶液對萵苣的脅迫強度顯著高于鉛溶液(P<0.05)。與葉浸提液復合處理下,銅鉛混合溶液對萵苣的脅迫強度顯著高于鉛溶液(P<0.05)。與根葉浸提液復合處理下,銅鉛混合溶液對萵苣的脅迫強度顯著高于鉛溶液(P<0.05)。與銅溶液復合處理下,葉浸提液及根葉混合浸提液對萵苣的脅迫強度顯著高于根浸提液復合處理(P<0.05)。與鉛溶液復合處理下,葉浸提液對萵苣的脅迫強度顯著高于根浸提液(P<0.05)。與銅鉛混合溶液復合處理下,葉浸提液及根葉混合浸提液對萵苣的脅迫強度顯著高于根浸提液(P<0.05)。

2.6 萵苣種子萌發和幼苗生長指標對脅迫強度指數的貢獻強度

根據通徑分析結果,萵苣發芽率、發芽勢、發芽指數、發芽速度指數和發芽快速響應指數的通徑系數絕對值明顯高于其他指標的通徑系數絕對值(表2)。

表2 各指標的通徑系數Table 2 The path coefficient of each index

3 討 論

3.1 浸提液對萵苣種子萌發和幼苗生長的影響

已有研究表明,化感效應對加拿大一枝黃花的成功入侵至關重要[5,10]。在本研究中,所有類型的加拿大一枝黃花浸提液均對萵苣產生了顯著的化感效應,特別是對萵苣種子萌發產生的化感效應更為明顯。原因可能是加拿大一枝黃花的化感物質顯著抑制萵苣的種子萌發,特別是顯著影響萵苣的營養吸收和細胞分裂等代謝[4-5]。然而,加拿大一枝黃花浸提液也對萵苣的幼苗生長產生了一定的促進作用,尤其是在植株生長能力方面。因此,加拿大一枝黃花的化感效應可能會對萵苣的幼苗生長產生一定程度的正面影響。原因可能是加拿大一枝黃花釋放的低水平化感物質觸發了參與植物細胞延伸的活性氧分子,并隨后促進萵苣幼苗的生長,即:低入侵水平的化感效應可能促進臨近植物的幼苗生長[8,15]。該現象通常被認為是一種毒物興奮效應,這是植物在適應生境環境條件變化進程中的一種進化響應策略[29-30]。

一般情況下,入侵植物可以通過地上部分(主要是凋落物降解)以及地下部分(主要是根系分泌物)的代謝活動對其臨近植物產生明顯的化感效應[16,31]。由于化感效應的來源不同,其化感效應強度可能也不同,這可能與化感物質的種類和含量及其化感強度密切相關[16,32]。在本研究中,加拿大一枝黃花葉浸提液產生的化感效應明顯高于根浸提液,即:加拿大一枝黃花地上部分產生的化感效應強度更高。已有研究也驗證了入侵植物地上部分產生的化感效應更強[16,33]。這可能是由于入侵植物地上部分的化感物質含量更高,或化感物質種類更多,亦或化感物質更易溶出[16,33]。

在本研究中,加拿大一枝黃花根葉混合浸提液產生的復合化感效應明顯高于其葉浸提液和根浸提液。因此,加拿大一枝黃花地上部分和地下部分的復合化感效應對萵苣種子萌發存在一定程度的疊加效應。這可能是在加拿大一枝黃花地上部分和地下部分復合處理下,釋放的化感物質含量可能更高和(或)化感物質種類可能更多。

3.2 重金屬溶液對萵苣種子萌發和幼苗生長的影響

在本研究中,所有類型的重金屬溶液均顯著抑制了萵苣的種子萌發和幼苗生長。這可能是因為重金屬會擾亂質膜通透性,增加活性氧的產生,減少細胞分裂,影響水分和養分吸收,進而抑制萵苣的新陳代謝,如光合作用等[34-35]。此外,也可能是因為在本研究中,兩種重金屬污染顯著降低了萵苣幼苗對陽光獲取的競爭能力、萵苣幼苗對水分和鹽分獲取的競爭能力以及萵苣幼苗葉片光合面積的大小,從而明顯抑制萵苣的生長。

此外,銅對萵苣種子萌發和幼苗生長的影響強度明顯高于鉛。這可能是因為鉛并非植物生長所需必要元素,而銅則是參與植物生長發育過程所必需的重要微量元素之一,且當其濃度超過閾值時會對植物生長產生一定的抑制作用:當銅離子超過一定濃度后會通過影響酶活性和滲透作用來抑制植物種子的萌發,或通過改變根分生組織細胞增殖速度或調節生長素和細胞分裂素等植物激素影響根系發育,亦或通過抑制葉綠素的合成使得植物光合效率降低[34,36]。

與銅單一污染對萵苣種子萌發和幼苗生長產生的影響強度相比,銅鉛復合污染對萵苣種子萌發的影響強度更弱。因此,銅鉛復合污染對萵苣種子萌發具有一定程度的拮抗作用。前期研究也發現,兩種重金屬對植物生長和生理性能的復合效應存在拮抗作用[8,37]。該現象可能是由一種重金屬對另一種重金屬吸收的平衡作用所致[8,37]。

3.3 重金屬溶液和浸提液復合處理對萵苣種子萌發和幼苗生長的影響

在本研究中,兩種重金屬污染顯著增強了加拿大一枝黃花對萵苣種子萌發和幼苗生長的化感效應強度。原因可能是加拿大一枝黃花的浸提液以及重金屬污染均對萵苣種子萌發和幼苗生長產生顯著的負面影響,從而致使兩種處理產生協同作用[8-9]。已有研究表明,呈弱酸性的酚類(特別是多酚)是加拿大一枝黃花化感物質的主要成分[9,38],而酸性環境會顯著增加重金屬的溶解度和生態毒性[9,39]。因此,重金屬污染通常會顯著增強入侵植物的化感效應強度[8-9]。

根據通徑分析結果可知,在重金屬污染下,加拿大一枝黃花的化感效應主要是對萵苣種子萌發的脅迫所致。而且,在本研究中,加拿大一枝黃花的地上部分和地下部分均顯著抑制萵苣的種子萌發;且根據雙因素方差分析結果,重金屬類型和浸提液類型均顯著影響萵苣的所有種子萌發指標。因此,在兩種重金屬污染下,加拿大一枝黃花的化感效應主要表現為對臨近植物種子的抑制作用。

在本研究中,在兩種重金屬污染下,加拿大一枝黃花地上部分對萵苣產生的化感效應強度顯著高于其地下部分對萵苣產生的化感效應強度。更為關鍵的是,與兩種重金屬污染對根或葉浸提液產生化感效應的影響強度相比,兩種重金屬污染對根葉混合浸提液產生復合化感效應的影響強度更高。所以,重金屬污染可能通過增強加拿大一枝黃花(特別是地上部分和地下部分復合)對臨近植物種子萌發和幼苗生長的化感效應強度,促進了其成功入侵。