Cu、Cd污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子萌发和生长的生态毒理效应

王磊，张菲，王从彦，肖鸿光，石艳春，赵璐璐，杜道林

江苏大学环境生态研究所 环境与安全工程学院，镇江 212013

Cu、Cd污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子萌发和生长的生态毒理效应

王磊，张菲，王从彦*，肖鸿光，石艳春，赵璐璐，杜道林#

江苏大学环境生态研究所 环境与安全工程学院，镇江 212013

在重金属污染加重及多样化的背景下，入侵植物对本地植物种子萌发和生长的生态毒理效应可能发生改变甚至增强。因此，本文探究了Cu和Cd单污染及其复合污染下入侵植物加拿大一枝黄花叶水提液对其本地近缘种莴苣种子萌发和生长的生态毒理效应。结果表明：加拿大一枝黄花叶水提液处理及3种重金属污染类型和加拿大一枝黄花叶水提液复合处理均显著降低莴苣种子发芽指数，表明重金属和加拿大一枝黄花叶水提液均对莴苣的种子萌发和生长产生明显生态毒理效应。Cu和Cd复合污染下加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣幼苗株高产生的生态毒理效应显著大于在Cu和Cd单污染下的生态毒理效应，而在Cu和Cd复合污染下加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣幼苗发芽速度指数产生的生态毒理效应也大于在Cu和Cd单污染下的生态毒理效应(未达到显著水平)。这表明在Cu和Cd复合污染下加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子萌发产生的生态毒理效应大于在Cu和Cd单污染下的生态毒理效应，即Cu和Cd复合污染可能对加拿大一枝黄花对本地植物种子萌发和生长产生的生态毒理效应具有一定的叠加效应。

铜；镉；水提液；加拿大一枝黄花；莴苣；种子萌发

随着工农业的发展，工业“三废”排放、城市垃圾的大量堆放及农药的不合理使用等诸多因素，使得近年来我国一些生态系统的重金属污染程度日益加重[1]。作为2种毒性较大的常见重金属元素，铜(Cu)和镉(Cd)具有降解难度较大且易于在土壤中积累等特性，使其产生了较严重的生态影响[2]。所以，Cu和Cd污染造成的生态毒理效应已成为目前日益关注的热点科学问题之一。同时，入侵植物对其入侵地的生态系统结构和功能也造成明显的影响[3-4]。相关研究表明：入侵植物可以向其入侵生态环境中释放一些物质，抑制本地植物种子萌发、生长发育和群落演替等[5-6]。另外，在环境胁迫背景下(如酸雨)，入侵植物对本地植物种子萌发和生长的生态毒理效应进一步增强[7-8]。所以，在重金属污染加重的背景下，入侵植物对本地植物种子萌发和生长的生态毒理效应也可能会发生一定的改变，甚至是进一步增强。

基于此，本文以加拿大一枝黄花(Solidago canadensis)为入侵植物代表，以其本地近缘种莴苣(Lactuca sativa)为研究对象，探究在不同类型重金属污染类型(Cu和Cd单污染以及两者复合污染)背景下加拿大一枝黄花叶水提液对其本地近缘种莴苣种子萌发和生长的生态毒理效应。加拿大一枝黄花是菊科一枝黄花属外来入侵植物，原产北美洲，20世纪30年代作为观赏花卉引种于沪、宁等地，随后逃逸扩散，现已成为华东地区的主要外来入侵杂草之一，并对其入侵地的自然生态系统和农业生态系统造成明显的生态毒理效应[9]。相关研究表明：加拿大一枝黄花在其入侵进程中显著影响本地植物的种子萌发和生长[6,10]。因此，本研究结果将对更清楚认识以重金属污染为代表的全球环境变化背景下入侵植物对本地植物种子萌发和生长的生态毒理效应。本文拟提出以下假设进行验证：(1)加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子的萌发产生明显的生态毒理效应；(2)重金属增强了加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子的萌发产生的生态毒理效应；(3) Cu和Cd复合污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子萌发产生的生态毒理效应大于在Cu和Cd单污染背景下产生的生态毒理效应。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 实验材料和试剂

本文所用的受体植物为莴苣(品种为四季白尖叶)，购于镇江市京口区菜市场。实验用Cu(SO4)2·5H2O和CdCl2·2.5H2O固体配制成含Cu2+和Cd2+的溶液。

1.2 加拿大一枝黄花叶水提液制备

2014年8月在江苏大学主校区校园内(32°20'N，119°51'E)采集生长旺盛期的加拿大一枝黄花的成熟叶片。取新鲜叶片100 g加蒸馏水至1 L，浸泡48 h，双层纱布过滤2次后得加拿大一枝黄花叶水浸提原液(浓度为100 g·L-1)，冰箱中4 °C保存备用。

1.3 重金属离子溶液的配制

称取适量的Cu(SO4)2·5H2O和CdCl2·2.5H2O固体，溶于蒸馏水，分别配制成含Cu2+和Cd2+的重金属溶液(Cu2+与Cd2+浓度均为5 mg·L-1)。以蒸馏水处理为对照组。

1.4 种子萌发实验

采用培养皿滤纸法[11]进行种子萌发实验，将莴苣种子用1%的次氯酸钠溶液消毒10 min，种子消毒后用蒸馏水清洗数次。挑选大小一致、健壮饱满的种子，蒸馏水浸泡30 min，用滤纸吸干种子表面水分，放入铺有2层滤纸的培养皿(直径9 cm)中，每个培养皿含30粒种子。将加拿大一枝黄花叶片浸提液原液稀释至25 g·L-1，同时分别加入仅含有Cu2+和Cd2+一种离子以及含有Cu2+和Cd2+两种离子的溶液，并保证培养皿中重金属离子浓度为5 mg·L-1。以等量蒸馏水处理作为对照(CK)。然后置于光照培养箱中，25 °C、7 000 lx光照12 h，16 °C黑暗处理12 h，每处理5个重复。观察并记录每天种子的出芽数量及幼苗生长情况(共7 d)。在培育期间保持培养皿的湿度。

1.5 测定指标和方法

按照《国际种子发芽规程》(胚根突出种皮的长度的一半即为发芽的种子)在第7天测定莴苣幼苗的相关指标。其中发芽率计算公式为[12]：

发芽势是指在发芽过程中日发芽种子数达到最高峰时，发芽的种子数占供测样品种子数的百分率，其计算公式为[13]：

种子萌发的简易活力指数=发芽指数×幼苗鲜重(g)[14]。

种子发芽速度指数=发芽率×发芽指数[15]。

另外，每天记录种子的萌发数量，取第7天的幼苗，从每个培养皿中随机挑选10株幼苗测量苗高和生物量(鲜重)。

1.6 数据处理

用SPSS 17.0软件对实验数据进行统计分析，采用LSD多重比较分析各项指标的差异，采用Two-way ANOVAs分析各个处理因子对测定指标的显著影响水平。用Pearson相关系数分析各指标间的相关性。显著性水平均设置在0.05水平。

2 结果(Results)

2.1 不同处理对莴苣种子各测定指标的影响

不同处理对莴苣种子萌发的影响见表1。从表1可知：各个处理对莴苣幼苗株高、生物量、发芽势、发芽率、活力指数、发芽速度指数的影响均不显著(P>0.05)。Cu和Cd复合污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液处理对莴苣幼苗株高产生的生态毒理效应显著大于在Cu和Cd单污染背景下产生的生态毒理效应(P<0.05)。Cu单污染以及Cu和Cd复合污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液处理下莴苣幼苗的生物量分别显著大于在Cu单污染及Cu和Cd复合污染处理下莴苣幼苗的生物量(P<0.05)。加拿大一枝黄花叶水提液处理以及3种重金属类型(Cu和Cd单污染、Cu和Cd复合污染)和加拿大一枝黄花叶水提液复合处理均显著降低了莴苣的发芽指数(P<0.05)。Cu和Cd复合污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液处理对莴苣幼苗发芽速度指数产生的生态毒理效应大于在Cu和Cd单污染背景下产生的生态毒理效应，但未达到显著水平(P>0.05)。

表1 不同处理对莴苣幼苗各指标的影响Table 1 Effects of different treatments on the indices of L.sativa seedlings

注：表中同一列标不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)。

Note: Data with different letters in a vertical row indicate a significant difference (P<0.05).

2.2 不同处理因子对莴苣种子指标的影响

表2显示的是不同处理因子对莴苣种子萌发相关指标的多因素分析结果。从表2中可知，加拿大一枝黄花叶水提液处理对莴苣幼苗的生物量、发芽指数、活力指数和发芽速度指数均有显著性影响(P<0.05)，而对莴苣幼苗的株高、发芽势、发芽率均无显著性影响(P>0.05)。不同重金属类型处理对莴苣种子的各项指标均无显著性差异影响(P>0.05)。重金属污染与加拿大一枝黄花叶水提液复合处理对莴苣幼苗的株高产生极显著影响(P<0.01)，而对莴苣种子的生物量、发芽势、发芽指数、活力指数和发芽速度指数均未产生显著性影响(P>0.05)。

2.3 莴苣种子各测定指标相关性分析

莴苣种子各测定指标相关性分析见表3。从表3可知：莴苣幼苗的株高与活力指数显著正相关(P<0.05)；莴苣幼苗的生物量与发芽指数和发芽速度指数均呈极显著负相关(P<0.01)；莴苣种子的发芽势与发芽率、发芽指数、活力指数和发芽速度指数极显著正相关(P<0.01)。

3 讨论(Discussion)

本研究结果显示：加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子的萌发具有一定的生态毒理效应，特别是莴苣种子的发芽指数在加拿大一枝黄花叶水提液处理后显著降低。这与本文假设(1)一致。相关研究结果也表明：加拿大一枝黄花对本地一些豆科、菊科、十字花科、禾本科草本植物及入侵地的伴生植物均具有明显的生态毒理效应[16-17]。这表明加拿大一枝黄花对入侵地的本地植物的生长和发育具有明显的生态毒理效应。其原因可能是加拿大一枝黄花叶片中含有多种物质，如酚类、萜类物质等，它们均会对本地植物种子的萌发和生长产生一定的抑制作用[6,18]。相关研究结果也表明：植物这种对其他植物生长和发育所产生的生态毒理效应可能较为普遍，甚至是一些本地植物也是如此，如油菜(Brassica campestris)对多种其他植物的种子萌发和幼苗生长均具有明显的抑制作用[19-21]。这可能是植物为了其自身更好的生长所采取的一种策略以便获得其自身生长的最优环境条件。

表2 Two-way ANOVAs分析加拿大一枝黄花叶水提液处理和不同重金属类型处理对莴苣幼苗各指标的影响Table 2 Two-way ANOVAs on the effects of leaf aqueous extract of S.canadensis and different types of heavy metal pollution on the indices of L.sativa seedlings

表3 莴苣种子各测定指标相关性分析Table 3 Relationships between the indices of L.sativa seedlings

注： *和**分别表示在统计水平0.05和0.01显著。

Note: *and ** indicates significant differences at the 0.05 and 0.01 probability level,respectively.

在本研究中，不同类型的重金属离子对莴苣种子萌发的影响并无显著性差异。相关研究表明：Cu作为高等植物生长发育的必需的重要的微量营养元素之一，在较低浓度时，对植物生长发育有促进作用；但在高浓度时，重金属离子富集在种子的根部，引起根系活力显著下降，导致水分、养分吸收不平衡，从而影响植物体内正常的生理代谢平衡，并对植物的光合、呼吸代谢功能产生不利影响，最终导致植株生长不良、根黄等现象[11,13]。其他研究也表明：其他类型的重金属污染(如Zn和Pb)对植物(如油菜)种子的萌发也存在这种现象[22]。这表明重金属对植物萌发产生的效应存在浓度依赖性。本研究结果表明: Cu单污染及Cu和Cd复合污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液处理下莴苣幼苗的生物量分别显著大于在Cu单污染及Cu和Cd复合污染处理下莴苣幼苗的生物量，而在Cd单污染和加拿大一枝黄花叶水提液复合处理下莴苣幼苗的生物量与仅Cd单污染处理下莴苣幼苗的生物量无显著差异。导致这种现象的因素可能是Cd非植物生长必需元素。这表明金属对植物生长的影响具有一定的特异性。同时，3种金属类型和加拿大一枝黄花叶水提液复合处理下莴苣幼苗各指标与加拿大一枝黄花叶水提液处理下莴苣幼苗各指标之间无显著差异。这表明重金属并未显著增强加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子的萌发产生的生态毒理效应。这与本文的假设(2)不一致。

另外，本文结果还显示：Cu和Cd复合污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液处理对莴苣幼苗株高的生态毒理效应显著大于在Cu和Cd单污染背景下产生的生态毒理效应，同时Cu和Cd复合污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液处理对莴苣幼苗发芽速度指数的生态毒理效应大于在Cu和Cd单污染背景下产生的生态毒理效应(但未达到显著水平)。这表明在Cu和Cd复合污染背景下加拿大一枝黄花对莴苣种子萌发产生的生态毒理效应大于在Cu和Cd单污染背景下产生的生态毒理效应，即Cu和Cd复合污染对加拿大一枝黄花对本地植物种子萌发和生长产生的生态毒理效应具有一定的叠加效应。相关研究结果也表明：多种重金属的复合污染具有一定的生态叠加效应[13,22-23]。这也表明了，在人类活动日益增加的背景下，特别是多种重金属在农业和工业等生产过程中排放至生态系统内，外来入侵植物对本地植物种子萌发和生长的生态毒理效应可能会进一步提升。

相关性分析结果显示：莴苣幼苗的株高与活力指数显著正相关；而莴苣幼苗的生物量与发芽指数和发芽速度指数均呈极显著负相关；这可能是因为植株高度是植物体生长状况的重要量度，其与植物的寿命、种子产量和成熟时间、获得光照等密切相关[24]，特别是在资源受限的生境中，株高和生物量间的关系对植物生长的调节尤为重要[25]。而本文结果也显示加拿大一枝黄花叶水提液以及重金属污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液对本地植物莴苣幼苗的株高均具有显著影响。所以，随着重金属污染加重及其污染类型的多样化背景下，外来入侵植物可能主要通过影响本地植物幼苗的株高，进而降低其对生存资源(特别是光)的获取和利用，从而达到其凸显其生态毒理效应的目的。

[1] Jin C W,Zheng S J,He Y F,et al.Lead contamination in tea garden soils and factors affecting its bioavailability [J].Chemosphere,2005,59(8): 1151-1159

[2] Eccles H.Treatment of metal-contaminated wastes: Why select a biological process [J].Trends in Biotechnology,1999,17(12): 462-465

[3] Hendriks M,Mommer L,Caluwe H,et al.Independent variations of plant and soil mixtures reveal soil feedback effects on plant community overyielding [J].Journal of Ecology,2013,101(2): 287-297

[4] Gruntman M,Pehl A K,Joshi S,et al.Competitive dominance of the invasive plant Impatiens glandulifera: Using competitive effect and response with a vigorous neighbour [J].Biological Invasions,2014,16(1): 141-151

[5] Jonathan M L,Elizaveta P,Bruce E K,et al.Plant-soil feedbacks and invasive spread [J].Ecology Letters,2006,9(9): 1005-1014

[6] Yuan Y G,Wang B,Zhang S S,et al.Enhanced allelopathy and competitive ability of invasive plant Solidago canadensis in its introduced range [J].Journal of Plant Ecology,2013,6(3):253-263

[7] Wang R L,Staehelin C,Dayan F E,et al.Simulated acid rain accelerates litter decomposition and enhances the allelopathic potential of the invasive plant Wedelia trilobata (creeping daisy) [J].Weed Science,2012,60(3): 462-467

[8] Wang R L,Rehman S U,Liang X T,et al.Effects of simulated acid rain on the allelopathic potential of invasive weed Wedelia trilobata [J].Allelopathy Journal,2012,30(1): 23-32

[9] Liao M,Xie X M,Peng Y,et al.Changes of soil microbiological characteristics after Solidago canadensis L.invasion [J].Agricultural Sciences in China,2011,10(7): 1064-1071[10] 沈荔花,郭琼霞,林文雄,等.加拿大一枝黄花对土壤微生物区系的影响研究[J].中国农学通报,2007,23(4): 323-327

Shen L H,Guo Q X,Li W X,et al.Impacts of invasive alien weed Solidago canadensis L.on microbial population in the root soil [J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2007,23(4): 323-327 (in Chinese)

[11] 孙涌栋,罗未蓉.铜对黄瓜种子萌发特性的影响研究[J].广东农业科学,2007,9: 20-25

Sun Y D,Luo W R.Study on the effect of Cu on the germination characteristics of cucumber seed [J].Guangdong Agricultural Sciences,2007,9: 20-25 (in Chinese)

[12] Hou Q Q,Chen B M,Peng S L,et al.Effects of extreme temperature on seedling establishment of nonnative invasive plants [J].Biological Invasions,2014,16(10): 2049-2061

[13] 张春荣,李红,夏立江,等.镉、锌对紫花苜蓿种子萌发及幼苗的影响[J].华北农学报,2005,20(1): 96-99

Zhang C R,Li H,Xia L J,et al.Effect of zinc cadmium germination of Medicago sativa seeds and growth of seeding [J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2005,20(1): 96-99[14] Lin W X,Kim K U,Smin D H.Rice allelopathic potential and its modes of action on barnyard grass [J].Allelopathy,2000,7(2): 215-224

[15] Steinmaus S J,Timonthy S P,Jodie S H.Estimation of base temperature for nine weed species [J].Experiment Botany,2000,51(343): 275-286

[16] 郭水良,方芳.入侵植物加拿大一枝黄花对环境的生理适应性研究[J].植物生态学报,2003,27(1): 47-52

Guo S L,Feng F.Physiological adaptation of the invasive plant Solidago canadensis to environments [J].Acta Phytoecologica Sinica,2003,27(1): 47-52 (in Chinese)

[17] Callaway P M,Aschehong E T.Invasive plants versus their new and on neighbors: A mechanism for exotic invasion [J].Science,2000,290(5491): 521-523

[18] Reigosa M J,Pazos-Malvido E.Phytotoxic effects of 21 plant secondary metabolites on Arabidopsis thaliana germination and root growth [J].Journal of Chemical Ecology,2007,33(7): 1456-1466

[19] 杨瑞吉.油菜根系分泌物对不同作物幼苗生长的化感效应[J].生态环境,2006,15(5): 1062-1066

Yang R J.Allelopathic effects of rape root exudates on growth of seedlings of different crops [J].Ecology and Environment,2006,15(5): 1062-1066 (in Chinese)

[20] 刘苏闽,王奎萍,董立尧.油菜对千金子的化感作用及其化感物质分离鉴定[J].杂草科学,2010,3: 5-8

Liu S M,Wang K P,Dong L Y.Allelopathic effects of rape on Leptochloa chinensis and allelochemicals isolation and identification [J].Weed Science,2010,3: 5-8 (in Chinese)[21] 卢敏敏,潘文杰,王丰,等.油菜秸秆水提液对烤烟种子萌发的影响[J].种子,2011,30(10): 36-39

Lu M N,Pan W J,Wang F,et al.Effect of water extract from rape on seed germination of flue-cured tobacco [J].Seed,2011,30(10): 36-39 (in Chinese)

[22] 李军红,田胜尼,孙萌.Cu、Pb、Zn及复合重金属对油菜种子萌发的抑制性研究[J].安徽农学通报,2007,13(19): 69-72

Li J H,Tian S N,Sun M.Studies on the inhibition of Cu,Pb,Zn and their compound heavy metals to seed germination of Brassica campestris [J].Anhui Agricultural Science Bulletin,2007,13(19): 69-72 (in Chinese)

[23] 鲁先文，丁时和.Cd、Pb污染对油菜种子萌发及幼苗生物量的影响 [J].中国农学通报,2011,27(6): 124-127

Lu X W,Ding S H.Effect of cadmium,lead pollution on seed germination and biomass of rape [J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2011,27(6): 124-127 (in Chinese)

[24] Moles A T,Warton D I,Warman L.Global patterns in plant height [J].Journal of Ecology,2009,97(5): 923-932

[25] Hermans C,Hammond J Y,White Y J.How do plants respond to nutrient shortage by biomass allocation [J].Trends in Plant Science,2006,11(12): 610-617

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Insights into the Ecotoxicological Effects of Leaf Aqueous Extract ofSolidagocanadensison Seed Germination and Growth ofLactucasativaunder Cu and Cd Pollution

Wang Lei,Zhang Fei,Wang Congyan*,Xiao Hongguang,Shi Yanchun,Zhao Lulu,Du Daolin#

Institute of Environment and Ecology,School of the Environment and Safety Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China

8 December 2014 accepted 21 January 2015

The ecotoxicological effects of invasive species on the seed germination and growth of native allied species may be altered or even enhanced under increased and diversified heavy metal pollution.This study aimed to determine the ecotoxicological effects of leaf aqueous extract of the invasive plant Solidago canadensis on the seed germination and growth of its native allied species Lactuca sativa under three types of heavy metal pollution (Cu single pollution,Cd single pollution,as well as Cu and Cd combined pollution).Results showed that the treatment of leaf aqueous extract of S.canadensis and the three types of heavy metal pollution significantly decreased the germination index of L.sativa seedlings.This finding indicated that leaf aqueous extract of S.canadensis and heavy metal pollution may exert obvious ecotoxicological effects on the seed germination and growth of L.sativa.The ecotoxicological effects of leaf aqueous extract of S.canadensis under Cu and Cd combined pollution on the plant height of L.sativa seedlings were significantly higher than those under Cu and Cd single pollution,respectively.The ecotoxicological effects of leaf aqueous extract of S.canadensis under Cu and Cd combined pollution on the germination rate index of L.sativa seedlings were also higher than those under Cu and Cd single pollution,respectively,but the differences were not substantial.This result implied that the ecotoxicological effects of S.canadensis on the seed germination and growth of L.sativa under Cu and Cd combined pollution were significantly higher than those under Cu or Cd single pollution.Thus,the combined pollution of Cu and Cd may confer a synergistic effect on the ecotoxicological effects of S.canadensis on the seed germination and growth of L.sativa.

Cu; Cd; leaf aqueous extract; Solidago canadensis; Lactuca sativa; seed germination

江苏大学大学生实践创新训练计划项目(No：201410299157W); 江苏大学大学生科研立项项目(Y13A228,Y13A229,Y13A232)

王磊(1988-) 男,硕士研究生,主要研究方向为环境生态学,E-mail: 326637442@qq.com；

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: liuyuexue623@163.com

10.7524/AJE.1673-5897.20141208001

2014-12-08 录用日期：2015-01-21

1673-5897(2015)4-203-07

X171.5

A

王从彦(1982-)，男，生物学博士，副教授，主要研究方向为环境生态学。

杜道林(1970-)，男，农学博士，教授，主要研究方向为环境生态学。

#共同通讯作者(Co-corresponding author),E-mail: ddl@ujs.edu.cn

王磊,张菲,王从彦,等.Cu、Cd污染背景下加拿大一枝黄花叶水提液对莴苣种子萌发和生长的生态毒理效应[J].生态毒理学报，2015,10(4): 203-209

Wang L,Zhang F,Wang C Y,et al.Insights into the ecotoxicological effects of leaf aqueous extract of Solidago canadensis on seed germination and growth of Lactuca sativa under Cu and Cd pollution [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2015,10(4): 203-209 (in Chinese)