不同大麻品种种子萌发期耐重金属铜胁迫能力评价

张亚娟，王倩，龙瑜菡，李璇，李光菊，邓纲，刘飞虎

（云南大学农学院，昆明650091）

大麻（Cɑnnɑbis sɑtivɑL.）为大麻科、大麻属一年生草本绿色纤维植物，大麻可密植、生物量大、生长快。大麻纤维可制成许多高档纺织品，植株全杆可替代木材造纸、制造建筑材料，大麻籽可作为食品、药品和饲料，大麻籽榨出的油还可作为化工原料、燃料，大麻的根、花、叶、种子皆可制成药品，叶、枝梢、果壳皆可作为良好的杀虫防病的土壤肥料［1-2］，故大麻已成为当今适应社会绿色、环保、经济需求的绿色经济作物之一。

近年来，随着城市现代化、工业化的发展，以及化肥滥用等现象加剧，土壤重金属铜进入环境而导致的污染不断恶化，尤其通过食物链对动植物以及人类产生重大危害［3-4］。因此，解决重金属铜污染问题已是当今环境可持续发展和人类绿色健康需求的迫切问题。筛选、培育出吸收铜能力强、生物量大、生长快、且不进入食物链的植物是生物修复的一项重要任务［5］。有研究［6-7］表明，大麻已成为修复重金属污染土壤的候选植物之一，其具有生长快，生物量大，经济价值高的特点。作物的萌发期是生长起始阶段，直接关系到以后的生长发育。前人［8-9］对萌发期的“云麻2号”进行4种重金属（Cu、Zn、Pb、Cd）处理，发现云麻2号对这4种重金属的抗性不同，还发现萌发期不同品种大麻耐铅性有差异。但由于现今大麻品种繁杂，品种间耐重金属差异显著，缺乏科学系统的重金属铜耐性评价体系，进而严重影响大麻耐铜品种选育、生物修复备选经济作物推广，故进行大麻耐铜性评价具有重要的科学实践意义。因此，本研究开展了大麻萌发期重金属铜耐性研究。

本试验针对重金属铜污染问题，对不同品种萌发期大麻进行不同浓度铜（Cu2+）处理，并进行相关指标测量，以隶属函数评价不同品种间的耐铜性差异，旨在为筛选耐铜大麻品种以及利用大麻作物修复重金属铜污染土壤提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

广西的巴马火麻（BM）、云南的云麻 1号（Y1）、云麻5号（Y5）、云麻6号（Y6）、云麻 7号（Y7）、云晚6号（YW6）、安徽的皖麻1号（W1）、山西的晋麻1号（J1）和黑龙江的庆麻1号（Q1）9个大麻品种。

1.2 试验方法

铜离子 Cu2+（CuSO4·5H2O）浓度设置为0（CK）、50、100、150、300、600、900 mg/L。

先将9个大麻品种种子用蒸馏水冲洗干净表皮，然后用吸水纸吸干大麻种子表面水分，再挑选外型优良一致的30粒种子均匀置于培养皿（直径9 cm）内，最上面铺一层滤纸，下铺三层吸水纸，加入15 mL 7个不同浓度梯度的铜溶液，设置3个重复，将培养皿置于25℃光照培养箱暗培养3 d进行催芽；后4 d置于光照12 h/d、光强8000 lx、光照期温度25℃，黑暗期12 h/d、温度20℃培养箱培养，由于每天水分蒸发，期间补充重金属溶液，以保持发芽水分和重金属铜的质量浓度。以胚根长大于大麻种子长度一半为发芽标准［10］，每天观察记录发芽种子数，共统计7 d，第3天统计发芽势；第7天统计发芽率、发芽指数、活力指数、根长（主根）、芽长、鲜重，计算根长抑制指数（主根）、芽长抑制指数，以侧根长≥0.5 mm统计侧根数量［11］。

相关计算公式如下［12-13］：

其中：GI：发芽指数；Gt：指定时间（天）的发芽种子数；Dt：相应的发芽试验时间（天）。

1.3 数据处理与分析

试验中各数据采用Excel 2010软件进行记录统计，利用SPSS17.0软件进行单因素（Duncan法）方差分析，用Excel 2010软件制作图表。

1.4 不同大麻品种耐铜性综合评价

对9个大麻品种进行耐铜性评价。首先将各项指标值换算成相对值（相对值=处理值/对照值），然后按下面公式计算隶属函数值。如果各指标相对值与大麻耐性呈正相关，就代入（6）式进行计算，反之则代入（7）式进行计算。将各品种大麻各指标的耐性隶属函数值累加起来，求其平均值［14-15］。

隶属函数值计算公式为：

式中：xij表示i品种j个相对指标的隶属函数值；xj为第j个指标的隶属函数值；xjmax和xjmin分别表示所有品种第j个相对指标的最大值和最小值；再根据平均隶属函数X值的大小对9个品种进行耐性鉴定，即X≥0.7为1级高耐型，0.50≤X≤0.70为2级中耐型，0.30≤X<0.50为3级低耐型，X<0.3为 4级不耐型［9］。

2 结果与分析

2.1 铜胁迫对不同大麻品种种子萌发的影响

2.1.1 铜胁迫对大麻发芽势的影响

由表1可看出，除Y6、Y7、W1在低浓度发芽势有所增加外，其余品种发芽势随着铜浓度增加呈下降趋势，表现出铜对大麻发芽势抑制效果显著。Y6、W1、Y7在铜浓度为50 mg/L时较之对照发芽势升高，其中Y6、Y7在铜浓度至100 mg/L时发芽势仍较之对照上升或差异不显著，但Y6、W1、Y7的发芽势随着铜浓度高于150 mg/L时皆较之对照显著下降，表现为“低促高抑”现象。其余6个品种发芽势随着铜浓度增加呈下降趋势，且与对照差异显著。

表1 不同浓度铜对大麻发芽势的影响Tab.1 Effects of different Cu2+concentration on the germination energy of hemp seeds %

2.1.2 铜胁迫对大麻发芽率的影响

由表2可看出，除Y6、Y7在低浓度发芽率有所增加外，其余品种发芽率随着铜浓度增加呈下降趋势，表现出铜对9个大麻品种发芽率抑制效果显著。Y6在铜浓度50、100 mg/L时较之对照发芽率有所增加，Y7在铜浓度50 mg/L时较之对照发芽率增加且差异显著，而后Y6、Y7发芽率随着铜浓度的增加而下降。当铜浓度为50 mg/L时，Q1、Y1发芽率显著低于对照，J1、W1、Y5、YW6在铜浓度100 mg/L时发芽率开始显著低于对照，Y6、Y7在铜浓度为150 mg/L时发芽率开始显著低于对照。

表2 不同浓度铜对大麻发芽率的影响Tab.2 Effects of different Cu2+concentration on the germination rate of hemp seeds %

2.1.3 铜胁迫对大麻发芽指数的影响

由表3可看出，除Y6、Y7在低浓度50 mg/L、100 mg/L发芽指数较之对照有所增加外，其余品种发芽指数随着铜浓度增加呈下降趋势，表现出铜对大麻发芽指数抑制效果显著。BM、Y1、Q1在所有铜浓度下发芽指数皆显著低于对照；Y6、J1、W1、Y5、Y7、YW6在铜浓度为50 mg/L时与对照差异不显著，可见 Y6、J1、W1、Y5、Y7、YW6对低浓度铜有一定耐性。

表3 不同浓度铜对大麻发芽指数的影响Tab.3 Effects of different Cu2+concentration on the germination index of hemp seeds

2.1.4 铜胁迫对大麻活力指数的影响

由表4可看出，除Y7在低浓度活力指数较之对照有所增加外，其他品种大麻活力指数总体随着铜浓度的上升呈下降趋势，表现出铜对9个大麻品种活力指数抑制效果显著。除Y7在铜浓度50 mg/L时活力指数显著高于对照外，其余8个品种在铜浓度50 mg/L时活力指数显著低于对照。

2.2 铜胁迫对大麻芽苗生长的影响

2.2.1 铜胁迫对大麻根长的影响

由表5可看出，各个大麻品种的根长均随着铜浓度的上升呈下降趋势，表现出铜对根长抑制效果显著。供试大麻品种在各铜浓度下根长均低于对照，彼此间差异显著。Q1在50～900 mg/L浓度范围内受抑制效果无显著差别，说明50 mg/L即对Q1表现出强烈的抑制作用，以至于再增加浓度后抑制空间不大。

表4 不同浓度铜对大麻活力指数的影响Tab.4 Effects of different Cu2+concentration on the vigor index of hemp seeds

表5 不同浓度铜对根长（主根）的影响Tab.5 Effects of different Cu2+concentration on the radice length of hemp germination cm

2.2.2 铜胁迫对大麻芽长的影响

由表6可看出，各个大麻品种的芽长总体随铜浓度的上升呈下降趋势，表现出铜对9个大麻品种芽长的抑制效果。J1在铜浓度50 mg/L时芽长较对照显著增加，说明低浓度对J1的芽长有促进作用，Y7芽长在铜浓度50 mg/L、100 mg/L时与对照差异不显著，可见J1、Y7有一定的耐铜性；BM、Y1、Y6、W1、Y5、Q1、YW6在低铜浓度50 mg/L时芽长皆显著低于对照。总体上可见高铜浓度600～900 mg/L对芽长强烈抑制，使之难有下降空间，同时同一品种的芽长对不同铜浓度处理反应有所差异，不同品种之间的芽长对同一铜浓度处理反应有所差异。

2.2.3 重金属铜对大麻芽苗根长与芽长抑制指数的差异性的影响

由表7可知，总体上随着铜浓度增加根长抑制指数、芽长抑制指数增加，9个大麻品种各处理浓度根长抑制指数大于芽长的抑制指数，说明铜胁迫对根长的抑制作用比对芽长强。在铜浓度为600 mg/L时根长抑制指数与芽长抑制指数都高达0.7以上，J1在低铜浓度50 mg/L时芽长抑制指数为-0.18，而后随胁迫增加芽长受抑制，可见低铜浓度对J1芽长有促进作用。

表6 不同浓度铜对芽长的影响Tab.6 Effects of different Cu2+concentration on the hypocotyl length of hemp germination cm

表7 不同浓度铜对大麻品种根长（主根）、芽长抑制指数的影响Tab.7 Effects of different Cu2+concentration on the inhibition index of root and shoot length of 9 varieties

2.2.4 铜胁迫对大麻芽苗鲜重的影响

由表8可知，各个品种鲜重都随着铜浓度增加呈下降趋势，表现出铜对9个大麻品种鲜重抑制效果显著。当铜浓度≥50 mg/L时，BM、Y1、Y6、W1、Y5、Q1、Y7、YW6鲜重不断减少且显著低于对照，J1在铜浓度50～150 mg/L时鲜重与对照差异不显著，当铜浓度≥300 mg/L时显著低于对照。

表8 铜浓度对芽苗鲜重的影响Tab.8 Effects of different Cu2+concentration on the fresh weight of hemp germination g/10株

2.2.5 铜胁迫对大麻芽苗侧根数量的影响

如表9所示，各个品种侧根数量随着铜浓度增加呈下降趋势，表现出铜对9个大麻品种侧根数抑制效果显著。各个品种在铜浓度为50 mg/L时侧根数显著低于对照，在铜浓度600 mg/L已无侧根产生。

表9 不同浓度铜对侧根数量的影响Tab.9 Effects of different Cu2+concentration on the lateral root number of hemp germination

2.3 不同大麻品种铜耐性评价

选择对大麻发芽、根、芽、侧根生长具有显著限制性作用的铜浓度（600 mg/L），以相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数、相对活力指数、相对根长、相对芽长为评价指标，采用隶属函数法对各品种耐铜性进行评价，结果如表10所示。根据隶属函数的大小，得到9个品种铜耐性强弱：Y6>YW6>Y7>J1>Y5>W1>BM>Y1>Q1。

根据隶属函数的标准分类结果如下（表11），得到9个品种铜耐性强弱：Y7、Y6、YW6为高耐铜型，J1、Y5、W1为中耐铜型，BM、Y1、Q1为低耐铜型。

表10 铜（600 mg/L）胁迫下大麻各相对指标的隶属函数值Tab.10 The subordinative values of relative values germination indexes under Cu2+

表11 9个大麻品种的平均隶属函数铜耐型分类Tab.11 Average membership function tolerance classification for 9 varieties

3 讨论与总结

本试验中随着铜浓度的增加，9个大麻品种的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数总体呈下降趋势，特别是高浓度铜胁迫对大麻萌发抑制作用强烈，该研究结果与张文娟等［16］发现高浓度重金属铜胁迫抑制萌发过程相一致。原因可能是铜抑制了种子萌发所需要的淀粉酶和蛋白酶的活性，降低了贮存物质的分解速度，导致种子萌发所需物质和能量的供给受阻，从而降低了萌发率［17-18］。

随着铜浓度的增加，9个大麻品种的根长、芽长、鲜重、侧根数量显著低于对照，重金属铜对根长的抑制作用比芽长抑制作用大，表明铜对9个大麻品种萌发期的生长抑制作用强烈且对根长的抑制作用比芽长大，与王翰等［19］的试验结果一致。可能原因是种子萌发胚根最先突破种皮吸水，使胚根的重金属累积量以及受胁迫时间比胚芽大，重金属离子被根尖细胞吸收并累积，诱发细胞产生自由基［20-21］，当自由基产生量超过根系自身的抗氧化酶的清除能力时，就会对根系产生伤害，使根系活力下降［22］，植物根部损伤严重，主根伸长受到抑制，根尖出现硬化，生长点细胞分裂受到抑制，根毛数量减少甚至枯死［23］。同时，根系生长受到抑制后，胚芽的生长、鲜重均发生不同程度的下降，其中以根长下降最为剧烈。不同大麻品种对高浓度铜胁迫的表现不尽相同，在一定程度上出现分化，各个品种基因的差异导致耐性不同［24］，是基因与环境的综合表现［9］。本研究采用隶属函数法对大麻品种进行综合评价，消除了个别指标带来的片面性，用隶属函数法将本次所选9个大麻品种分为3种不同耐铜型大麻品种。

由于植物生长发育在萌发期和苗期所需条件和营养物质不同，应对胁迫方式可能存在差异，萌发期耐性不能完全代表植物总体耐性，最好结合某些物种苗期耐性进行跟踪试验，同时开展重金属复合影响试验，以及进一步深入研究其作用机理，从而指导实践。