Cd2+胁迫对3种超富集植物种子萌发特征的影响

张 军,魏 璐,任雪盈,曹书苗,王周锋,耿雅妮

（1长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,西安710064;2陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室,宝鸡721013;3宝鸡文理学院地理与环境学院,宝鸡721013）

由于工业“三废”的不合理排放、固体废物堆积以及农药化肥使用量的增加,土壤重金属污染加剧。其中土壤-植物系统中的镉污染问题,严重影响着农业生产的可持续发展和人类的身体健康[1]。

目前,治理重金属污染的方法有植物修复法、物理修复法以及化学修复法[2-3],国内外许多研究者通过对重金属胁迫下植物种子萌发、富集、耐性特征等进行研究,以期筛选出适合的重金属超富集植物。Kumar等[4]、孙涛等[5]、郭艳杰等[6]研究发现,印度芥菜具有高效的抗氧化系统和损伤修复系统,可以富集-忍耐Cd、Zn等重金属,具备修复镉污染土壤的潜力。李虹颖等[7]、李凝玉等[8]研究发现籽粒苋具有重金属镉耐性能力。张尧等[9]研究了黑麦草幼苗对镉耐性能力及吸收积累,发现黑麦草能够有效的富集土壤中的镉。以上研究表明,籽粒苋、印度芥菜、黑麦草均为镉的潜在超富集植物,具有一定的镉吸收积累能力,但是并未对3种植物镉修复潜力进行对比性研究,也未对3种植物种子耐镉能力进行综合对比评价。

本试验研究不同浓度Cd2+胁迫下,3种潜在超富集植物籽粒苋、印度芥菜、黑麦草的萌发特征,对比分析这3种植物对Cd2+的耐性及修复Cd2+污染的潜力,从而筛选和确定不同镉污染浓度下的修复植物种,以期为Cd2+的超富集植物筛选和重金属污染修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的籽粒苋、印度芥菜、黑麦草种子购自西安金瑞种子有限公司。挑选颗粒饱满、大小均一的种子用70%酒精消毒2 min,去离子水冲洗数次。CdCl2·2.5H2O为分析纯（天津科密欧化学试剂有限公司）。

1.2 试验方法

试验于2017年5月10日在陕西省灾害监测与模拟重点实验室进行。试验共设6个处理,镉离子的质量浓度分别为0（CK）、1 mg∕L、10 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L。 每种植物挑取 20 粒种子置于底部铺有双层滤纸的培养皿中,每个处理设3个重复,放入生化光照培养箱（RGX-450L,宁波赛福试验仪器有限公司）中,设定温度为25℃,黑暗条件下发芽,定期补充无菌水使滤纸保持湿润[10-11]。以植物种子胚芽长度大于1 mm作为发芽初始日,第3天计算发芽势,第7天计算发芽率,每个培养皿中随机选取5颗发芽种子,第7天测量幼苗根长和芽长,并称量其鲜重和干重,计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数等指标[12-13]。

各指标计算方法如下:

发芽率（GR）=Cd2+溶液中植物发芽数（7 d）∕供试种子数×100%;

发芽势（GE）=Cd2+溶液中植物发芽数（3 d）∕供试种子数×100%;

发芽指数（GI） = ∑Gt∕Dt（Gt为 t时间内的发芽数,Dt为相应的发芽天数）;

活力指数（VI）=发芽指数GI×芽长度。

1.3 综合耐性评价

种子萌发耐镉指标可以通过隶属函数法来确定[14],首先利用公式:M（ρ）=（M-Mmin）∕（Mmax-Mmin）分别计算种子发芽率、发芽势、鲜重、干重、芽长、根长、发芽指数、活力指数在不同Cd2+浓度下具体隶属函数值。式中,M为植物在某一指标下的实际测定值,Mmax和Mmin分别为该植物在该指标下除去对照的最大、最小值,然后把求得的每一指标在不同Cd2+浓度下隶属值累加后求平均值,最后把每种植物各项指标隶属函数值累加求平均值,根据各植物隶属函数值的大小确定萌发期耐镉强弱程度,平均值越大表示耐镉性越强,反之,耐镉性越弱。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据分析,采用SRSS 21.0统计软件进行多重比较方差分析（Duncan）,Duncan检验显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 镉对3种植物发芽率和发芽势的影响

随着Cd2+浓度增加,籽粒苋、印度芥菜、黑麦草的发芽率GR均呈下降趋势（表1）。在Cd2+质量浓度1—100 mg∕L条件下,籽粒苋发芽率不随Cd2+质量浓度升高而明显变化。1 mg∕L和25 mg∕L Cd2+质量浓度下,印度芥菜发芽率对照相比差异不显著。50 mg∕L和100 mg∕L Cd2+质量浓度下,与对照有显著差异。50 mg∕L、100 mg∕L 与1 mg∕L Cd2+质量浓度下,印度芥菜发芽率差异显著。 50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草显著低于对照。

在Cd2+质量浓度1—100 mg∕L,籽粒苋发芽势均小于对照,但与对照相比差异不显著,表明籽粒苋发芽势随 Cd2+浓度升高没有明显变化。 10 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L Cd2+质量浓度下,印度芥菜发芽势均小于对照,与对照相比差异不显著。100 mg∕L Cd2+质量浓度处理,与对照有显著差异。1 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草种子发芽势与对照无显著差异。10 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度处理,黑麦草发芽率与对照差异显著,但10 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草发芽势明显大于对照,100 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草发芽势明显小于对照,这说明不同Cd2+质量浓度对黑麦草发芽势有低促高抑特征,这可能是由于黑麦草与籽粒苋、印度芥菜对Cd2+胁迫的耐性机制不同。

表1 Cd2+处理对3种植物发芽率和发芽势的影响Table 1 Effects of Cd2+stress on germination rate and energy of three plant seeds

2.2 镉对3种植物鲜重和干重的影响

由表2可知,在试验所设置的重金属Cd2+质量浓度范围内（1—100 mg∕L）,随着Cd2+质量浓度增加,籽粒苋和印度芥菜的鲜重明显下降。1 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋鲜重与对照没有显著差异。10—100 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋鲜重与对照相比有显著差异（P ＜ 0.05）,10 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度之间没有显著性差异。1 mg∕L、10 mg∕L Cd2+质量浓度下,印度芥菜鲜重与对照处理处理相比无显著差异,25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度下,印度芥菜鲜重与对照处理相比差异显著。1 mg∕L、25 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草的鲜重有所增加,但是与对照差异不显著。在质量浓度为10 mg∕L时,黑麦草的鲜重达到了最高值,且比对照高了33.3%。50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草的鲜重明显受到Cd2+浓度的抑制。

由表2可知,随着Cd2+浓度的不断增加,籽粒苋、印度芥菜干重呈下降趋势。50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋干重与对照相比有显著差异。 在10 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度下印度芥菜干重与对照处理相比差异显著。在质量浓度为25 mg∕L时,黑麦草的干重达到了最高值,且比对照高了10.4%。在100 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草的干重明显受到Cd2+浓度的抑制作用,与对照相比差异显著。

表2 Cd2+对3种植物种子鲜重和干重的影响Table 2 Effects of Cd2+on flesh and dry weight of three plant seeds

2.3 镉对3种植物芽长和根长的影响

由表3可知,随着Cd2+浓度的不断增加,籽粒苋、印度芥菜和黑麦草的芽长呈下降趋势。在1—100 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋芽长与对照有显著差异。100 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋芽长与对照相比明显下降。50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度下印度芥菜芽长明显下降,与对照样相比差异显著,但50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度之间印度芥菜芽长没有显著性差异,表明在50 mg∕L Cd2+质量浓度下,印度芥菜已经明显受到抑制。1—100 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草芽长与对照相比有显著差异。25—100 mg∕L Cd2+质量浓度下黑麦草的芽长明显受到Cd2+质量浓度的抑制作用,表明在较高Cd2+质量浓度下,黑麦草芽长受到明显抑制。

表3 Cd2+对3种植物种子芽长和根长的影响Table 3 Effects of Cd2+on seedling and root length of three plant seeds

由表3可知,随着Cd2+质量浓度的不断增加,籽粒苋、印度芥菜和黑麦草的根长呈明显下降趋势,根对Cd2+胁迫更加敏感。1—100 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋根长与对照有差异显著,各浓度之间也存在着显著差异性,100 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋根长仅为对照的8.4%。1—100 mg∕L Cd2+质量浓度下,印度芥菜根长与对照有差异显著,各浓度梯度之间也存在着显著差异性,100 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋根长仅为对照的5.4%。1—100 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草根长都显著小于对照。在1—10 mg∕L Cd2+质量浓度之间,黑麦草的根长没有显著差异,但是与25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度之间差异显著,且根长明显小于对照,在100 mg∕L Cd2+质量浓度时,黑麦草根长仅为对照的7.5%。

以上可知,Cd2+质量浓度的变化对植物芽长、根长的影响相比其对植物发芽势、发芽率的影响更加明显,这是由于植物在萌发后,其芽、根完全暴露在外界环境中,不受种壳保护,直接受到培养皿中Cd2+的胁迫所致[13]。

2.4 镉对3种植物种子发芽指数和活力指数的影响

由表4可知,随着Cd2+质量浓度的不断增加,籽粒苋、印度芥菜的发芽指数均呈下降趋势。在100 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋发芽指数与对照相比有显著差异,与50 mg∕L Cd2+质量浓度处理相比无显著差异。在50mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度下印度芥菜发芽指数与对照处理相比差异显著。在1—25 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草发芽指数与对照处理相比明显上升,100 mg∕L Cd2+质量浓度下黑麦草的发芽指数与对照相比有明显变化,但50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度之间差异不显著。

表4 Cd2+对3种植物种子发芽指数和活力指数的影响Table 4 Effects of Cd2+on germination and vital index of three plant seeds

活力指数是表示种子发芽活力的一项指标,可以把种子的发芽能力和幼苗长势综合表示,指数数值越高,种子活力越大。由表4可知,籽粒苋、印度芥菜、黑麦草种子的活力指数总体上随着Cd2+质量浓度的增加而降低,在100 mg∕L时,种子活力指数均达到最低值,与对照相比分别降低了80.9%、71.5%、84.4%。 在1 mg∕L、10 mg∕L Cd2+质量浓度下,籽粒苋活力指数与对照相比,差异不显著,在1—100 mg∕L Cd2+质量浓度处理间没有显著性差异。1—25 mg∕L Cd2+质量浓度下,印度芥菜活力指数与对照相比没有显著变化。50mg∕L、100mg∕L处理印度芥菜活力指数与对照样相比差异显著。在10 mg∕L Cd2+质量浓度下,黑麦草活力指数与对照差异不显著,但 1 mg∕L、25 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L Cd2+质量浓度下活力指数与对照相比明显下降。

2.5 3种超富集植物种子萌发镉耐性综合评价

种子萌发镉耐性采用模糊数学隶属函数法[15-16]计算综合隶属函数值,对籽粒苋、印度芥菜、黑麦草的发芽率、发芽势、鲜重、干重、发芽指数、活力指数、根长、芽长8项指标进行计算（表5）。籽粒苋、印度芥菜、黑麦草的综合隶属函数值分别为0.402、0.434和0.556,3种植物耐镉强弱顺序依次为黑麦草＞印度芥菜＞籽粒苋。

表5 3种植物种子萌发期对Cd2+的耐性隶属函数值Table 5 The value of subordinate function of three species under Cd2+stress during seed germination period

3 结论与讨论

不同植物种子在镉胁迫下萌发特征表现出一定的差异性,这可能与不同植物种子对镉的耐性机制不同有关。本研究发现,低浓度Cd2+胁迫对籽粒苋、印度芥菜、黑麦草萌发影响不显著,但高浓度Cd2+胁迫下表现为一定的抑制作用。相对于籽粒苋和印度芥菜,Cd2+质量浓度为1—25 mg∕L时,对黑麦草鲜重、干重、发芽指数有促进作用,籽粒苋和印度芥菜生长指标受到抑制,但抑制作用不显著。在Cd2+质量浓度为50—100 mg∕L时,对籽粒苋、印度芥菜、黑麦草的生长指标具有较显著的抑制作用。有研究表明,低浓度Cd2+对植物种子萌发有先扬后抑作用,可能是低浓度Cd2+促进某些植物种子细胞内活性氧自由基升高,激发蛋白酶的活性,进而促使细胞加速分裂和增值,从而促进种子的生长[17]。在高浓度Cd2+胁迫下,重金属通过表皮进入种子内部,干扰植物细胞中的核酸,诱发高活性氧自由基,导致过氧化现象,从而抑制了种子萌发[18]。这与恽烨等[19]、孙晓梅等[20]、刘金光等[21]研究结果一致。采用隶属函数法对3种植物种子耐镉性计算可得,耐Cd2+胁迫强弱顺序为黑麦草＞印度芥菜＞籽粒苋,表明黑麦草对镉污染具有一定的耐性能力和修复潜力。

综上所述,黑麦草对Cd2+胁迫具有一定的耐性,可以进一步应用于重金属Cd2+生态修复中。考虑到不同植物种子对镉胁迫机理可能不同,在此基础上有必要进一步进行种子生理生化及遗传结构方面的试验研究。此外,本研究只是针对Cd2+单一污染的水培试验选种,对于多种重金属复合污染植物修复和土壤重金属污染有待于进一步研究。