镉对柠条种子萌发及幼苗生长的影响

李林芝,韩国君,张喜定

(甘肃农业大学 资源与环境学院,甘肃 兰州 730070)

镉对柠条种子萌发及幼苗生长的影响

李林芝,韩国君,张喜定

(甘肃农业大学 资源与环境学院,甘肃 兰州 730070)

为探讨重金属镉(Cd)对柠条种子萌发的毒物刺激效应，采用培养皿滤纸萌发法，研究了不同Cd2+浓度(0，2，5，10，15，50 mg/L)对柠条种子萌发、幼苗生长和酶活性的影响。结果表明：在5 mg/L 的Cd2+浓度下柠条种子的发芽率、胚芽和胚根的长度达最大,分别比对照提高3.8%，13.4%和11.2%，根和芽的POD活性分别比对照增加19.2%、1.8%，CAT活性比对照增加6.3%、10.4%；Cd2+浓度为50 mg/L时，柠条种子的发芽势、发芽指数、活力指数分别比对照显著降低46.9%，26.1%和27.8%；高浓度Cd2+(10，15和50 mg/L)对柠条种子萌发及酶活性表现为抑制作用，低浓度Cd2+(2、5 mg/L)表现为促进作用。镉对柠条种子萌发具有“低促高抑”的毒物刺激效应，5 mg/L的Cd2+浓度为柠条种子萌发刺激效应的临界浓度。

柠条；镉；刺激效应；发芽

镉(Cd)是一种具严重污染性的重金属元素，很难被生物降解，其生物半衰期长达10～30年[1]，易被植物吸收，主要以Cd2+及其化合物存在于土壤中，通过食物链威胁到人类健康[2]，干旱区绿洲Cd主要以碳酸盐态为主要存在形式[3]。有报道，中国耕地重金属污染的面积占耕地总量的1/6，Cd污染在8种土壤重金属元素中占25.2%[4]。一般来说，镉在植物体内的分布：根>茎>叶>籽粒[5]。当镉在植物体中富集到一定浓度，植物通常会出现发育不良、叶片发黄、生物量下降等毒害症状[6]。对种子植物而言，重金属毒害首先会发生在种子萌发和幼苗生长阶段，该阶段影响到植物以后的生长。因此，研究植物种子萌发受重金属镉胁迫的影响显得尤为重要。

毒物刺激效应指有毒物质对生物体的刺激反应，即在低剂量时表现促进作用，在高剂量时表现抑制作用[7]。学者在研究重金属对生物的作用机制中，提出了“刺激效应”或“兴奋效应”，并称其“剂量效应关系”为“荷尔蒙效应”[8]。镉对小麦[9]、四季豆[10]和紫花苜蓿[11]种子萌发具有双向的剂量效应关系，即“低促高抑”的毒物刺激效应。低浓度Cd对金银花的生长、叶绿素含量均产生一定的刺激作用[12]。当Cd2+浓度从5 mg/L上升到40 mg/L时，苜蓿种子的发芽率降低了45%。虽然高浓度Cd2+不利于玉米萌发，但Cd2+浓度在0.5～1.0 mg/L时，可促进玉米种子萌发[13]。大量研究证实，毒物刺激作用是一种客观存在的剂量反应现象，但是物种间其作用浓度不相同，对毒物刺激效应也不同[14]。低浓度镉污染的情况较普遍，研究低浓度镉对植物的刺激效应具有更重要的意义。

柠条(Caraganakorshinskii)，豆科锦鸡儿属，落叶灌木，是我国重要的水土保持、固氮阻沙的树种[15]，而且它能够在极端干旱下叶片枯萎死亡，复水后仍能长出新叶[16]。有关柠条种子萌发、幼苗生长、土壤种子库和营养繁殖等研究报道较多，但柠条种子萌发和幼苗生长与镉污染的关系研究报道较少。用CdCl2溶液培养柠条种子萌发，测定镉对柠条种子萌发、幼苗生长和根芽酶活性的影响，确定镉对柠条双向剂量效应的临界浓度，即低浓度Cd2+促进作用和高浓度Cd2+抑制作用的转折点浓度。研究结果对于Cd污染土壤中柠条的自然更新及生态环境保护具有理论和实践意义，亦可为柠条在干旱区Cd污染土壤的生态修复提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料及Cd处理

以籽粒饱满、大小均匀的柠条种子为试材，由甘肃省治沙研究所提供。柠条种子用0.4%的KMnO4进行种子表面消毒10 min，去离子水冲洗3次，自然阴干。用CdCl2和蒸馏水配制Cd2+浓度分别为0、2、5、10、15、50 mg/L的处理液，将自然阴干后的种子放入铺有双层无菌滤纸的培养皿(Φ= 9 cm)中，每皿50粒，各处理组培养皿分别加入5 mL上述浓度的CdCl2溶液，每处理设3个重复，在25 ℃ PQX-300D型人工气候箱内培养。每2 d更换1次新滤纸以保持柠条种子Cd浓度。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 种子发芽指标的测定 根据国家标准“农作物种子检验规程”(GB/T3543.1-3543.7-1995)进行发芽试验[17]，取镉处理的种子30 ℃浸种4 h后，置于25～28 ℃人工气候箱，在黑暗环境下催芽。每隔12 h补水1次，以芽长达种子长1/2作为种子发芽的标志，逐日记录发芽情况，共培养6 d，第3 d统计发芽势，第6 d统计发芽率，并称量其种子鲜重。取发芽高峰期的萌发种子，再培养12 h后用游标卡尺测量其胚芽和胚根长度。

发芽势(%)=(3 d发芽种子数/供试种子总数)×100%

发芽率(%)=(6 d发芽种子数/供试种子总数)×100%

发芽指数(GI)= ∑(Gt/Dt)

活力指数(VI)= 发芽指数(GI)× 第6 d种子鲜质量(g)

式中：Dt为发芽时间，Gt为与Dt相对应的每天种子发芽数。

1.2.2 根芽酶活性及膜透性的测定 根芽酶活性测定：待柠条种子发芽后，继续用不同浓度CdCl2溶液培养10 d，取各处理的芽和根各1 g，采用愈创木酚法[18]测定柠条种子芽和根的POD活性，取芽和根各0.5 g，采用紫外吸收法[19]测定柠条种子芽和根的CAT活性。各项指标测定均3次重复，测定所用试剂均为分析纯(AR)。

膜透性测定：细胞膜相对透性参照文献[20]的方法，并略有改动。取芽或根1 g，3次重复，用蒸馏水冲洗3遍，用定性滤纸吸干根、芽表面浮水，将其放入洁净的10 mL试管中，并加入适量蒸馏水，以未经镉处理的根芽作为对照，在25 ℃室温中静置12 h后，用DDS-307型数字电导仪测定浸出液电导率。将测定电导率后的试管100 ℃煮沸30 min，再冷却至室温后测定浸出液电导率，并计算相对电导率。

相对电导率=(煮沸前电导率/煮沸后电导率)×100%

1.3 数据处理

用SPSS 18.0软件进行数据统计分析，用Duncan法进行显著性(α=0.05)检验，用Excel 2007作图，图表中的数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Cd对柠条种子萌发特性的影响

用浓度2～50 mg/L的CdCl2溶液处理后，柠条种子的出芽高峰期比对照(0 mg/L)延迟1 d。在2和5 mg/L Cd浓度下柠条种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数与对照无显著差异，但Cd浓度>10 mg/L(15、50 mg/L)时柠条种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均显著降低。其中，5 mg/L的Cd处理下柠条种子的平均发芽率比15 mg/L的处理提高18%。50 mg/L的Cd处理下柠条种子的发芽指数和活力指数减小为5 mg/L的处理下78%和77%。可见，5 mg/L的Cd处理对柠条种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数无影响。

表1 不同浓度镉处理下柠条种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数Table1 The effect of cadmium solutions with different concentrations on germination percentage,germination potential,germination index and vigor index of Caragana korshinskii

注：发芽数为3次重复的平均值，*表示发芽高峰期，同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下表同

2.2 不同浓度Cd对柠条幼苗生长的影响

柠条种子萌发的第7 d，5 mg/L的Cd处理的根长和芽长均显著大于对照，分别比对照显著增加13%和11%，而2 mg/L的Cd处理与对照无显著差异。但是种子萌发的10 d和13 d，5 mg/L的Cd浓度下柠条的根长比对照显著减小了5%和16%，柠条的芽长比对照显著减小了10%和18%。随Cd胁迫时间的延长，柠条的根长和芽长均受到显著的抑制作用，且Cd浓度越大抑制作用越明显。在柠条种子萌发的第7 d，Cd胁迫对柠条的根和芽均表现为：低浓度促进生长、高浓度抑制生长的刺激效应(图1)。

2.3 不同浓度Cd对柠条幼苗根芽酶活性及膜透性的影响

柠条幼苗芽、根的相对电导率随Cd浓度增大而增大，且芽的相对电导率大于根的相对电导率。当Cd浓度≤5 mg/L时，芽、根的相对电导率与对照无显著差异；当Cd浓度≥10 mg/L时，幼苗的相对电导率随Cd浓度的增大而显著增大，Cd浓度为50 mg/L时，芽、根的相对电导率分别为对照的3.2倍、2.5倍。当Cd浓度≥5 mg/L时，根、芽POD和CAT活性随Cd浓度增大而减弱。Cd浓度为5 mg/L时，幼苗根的POD和CAT活性的最大，分别比对照增加19%和6%，但芽的POD和CAT活性与对照之间无显著差异(表2)。说明镉对柠条根的酶活性的刺激效应明显大于芽的酶活性。

图1 不同浓度镉处理下柠条幼苗根长和芽长Fig.1 The effect of cadmium solutions with different concentrations on root and bud of Caragana korshinskii注：图中条形图上方不同的小写字母表示5%水平的差异显著性(P<0.05)

表2 不同浓度镉处理下柠条幼苗相对电导率，POD和CATTable2 The effect of cadmium solutions with different concentrations on relative conductivity,peroxidase and catalase of Caragana korshinskii

3 讨论与结论

发芽率表明种子出芽的多少，发芽势则表明种子萌发的整齐度，发芽指数和活力指数可反映重金属胁迫对种子萌发的抑制程度。有研究表明，不同质量分数的Cd对杉木种子发芽与根伸长均存在抑制效应，且发芽高峰期推迟1～2 d[21]。当Cd浓度为10 mg/L时，二月蓝种子的发芽无明显抑制作用，但Cd浓度提高到20 mg/L以上明显抑制二月蓝的发芽[22]。当Cd浓度≤5 mg/L对金银花的最大根长、植株干质量及叶绿素和类胡萝卜素含量均有显著的促进作用，而Cd浓度≥10 mg/L对金银花的生长具显著的抑制作用[7]。在干旱区绿洲供试土壤上，低浓度的Cd、Zn、Ni重金属复合处理促进芹菜根、茎叶的生长，而浓度增大时其生长受到明显的抑制[23]。研究中，用浓度2～50 mg/L的CdCl2溶液处理后，柠条种子的出芽高峰期推迟1 d。当Cd浓度为2、5 mg/L对柠条种子萌发无显著影响，5 mg/L的Cd处理下促进了柠条的根、芽的生长且达最大，而15、50 mg/L的Cd处理显著抑制了柠条种子萌发。这些均符合毒物刺激效应的特征。

相对电导率可反映细胞膜受伤害的程度，过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等被称为植物抗氧化酶保护系统。研究中，高浓度Cd胁迫(≥10 mg/L)后柠条幼苗的相对电导率随Cd浓度的增大而显著增大。这与张治安等[24]研究得到大豆种子电导率随Cd浓度升高而升高的研究结果一致。很多研究证明，Cd对植物细胞膜具有严重破坏作用，使细胞膜透性增加[6]。在胁迫初期植物体内的POD和CAT活性氧清除系统被启动，其产生的促进作用超过了活性氧对植物的损伤作用[25]。当Cd浓度为10～100 mg/L，在蜀葵种子萌发阶段无明显毒害，而在幼苗形态建成阶段，镉浓度高于20 mg/L 时表现明显的毒害效应[22]。分析认为，低浓度Cd胁迫(2、5 mg/L)激活了四季豆幼苗的保护酶系统，POD和CAT活性迅速增高以清除体内自由基，当Cd浓度超过一定临界值，POD和CAT活性会迅速下降[10]。豆科植物中吸收的镉仅有2%被运送至地上部，绝大部分存在于根部，故根POD和CAT活性随Cd浓度变化较显著[26]。研究中，低浓度Cd(2、5 mg/L)胁迫在柠条种子萌发和幼苗阶段对种子芽、根的生长有明显的促进效应，但随胁迫时间延长镉对柠条的抑制效应增大。当Cd浓度为5 mg/L时，幼苗根的POD和CAT的活性最大，当Cd浓度>5 mg/L时，根、芽的POD和CAT活性随Cd浓度的增大而减弱，且根的POD和CAT活性大于芽的。因此，5 mg/L的Cd浓度为柠条种子萌发的刺激效应的临界浓度。

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Effects of cadmium stress on seed germination and seedling growth ofCaraganakorshinskii

LI Lin-zhi,HAN Guo-jun,ZHANG Xi-ding

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

In order to study the hormesis effect of heavy metal cadmium onCaraganakorshinskii,the seed germination,seedling growth,enzyme activity was measured in petri dishes with different concentration of Cd2+stress (0，2，5，10，15，50 mg/L).The results showed that the seed germination,bud and root length reached to the maxium when the concentration of Cd2+was 5 mg/L.Compared with the controls,the seed germination,bud and root length improved 3.8%,13.4% and 11.2%,respectively,the POD activity in root and bud increased 19.2% and 1.8%,respectively,CAT activity increased 6.3 % and 10.4%.When the concentration of Cd2+was 50 mg/L,the seed germination potential,germination index,vigor index were decreased 46.9%,26.1% and 27.8% respectively compared with the controls.In the range of Cd2+concentration between 2 to 50 mg/L,the high concentration of Cd2+solution (10 mg/L,15 mg/L,50 mg/L) had the stress on germination and enzyme activity inhibitory,however,the low concentration of Cd2+solution (2 mg/L,5 mg/L) promoting them.The Cd2+concentration with 5 mg/L was the upper limit to hormesis effect on seed germination.

Caraganakorshinskii；cadmium；hormesis；germination

2015-05-18；

2015-06-15

973前期项目(2012CB722902)资助;甘肃省高等学校基本科研业务费专项资金项目(037-041015)资助

李林芝(1983-)，女，甘肃甘谷人，助教，硕士，主要研究方向为植物生理生态。 E-mail：lilinzhi@gsau.edu.cn 韩国君为通讯作者。

S 793.3

A

1009-5500(2015)04-0061-05