重金属铜铅对2种凤尾鸡冠花品种种子萌发的影响1)

高东菊 张凤娥 孔德颖 鲍文敏 张微微

(上海农林职业技术学院，上海，201699) (上海市农业学校) (上海农林职业技术学院)

重金属污染是当前全球的生态危机，给农业和园林绿化都带来了很大的影响。重金属胁迫是全球普遍存在的一种非生物胁迫，是限制植物生长和发育的主要环境因素之一。重金属进入土壤中，不仅不能被土壤微生物分解，而且易于形成有毒物质并积累，打破土壤中各种营养元素的比例平衡，对植物生长发育造成损害。据研究统计，我国耕地面积的五分之一，约2 000万hm2都不同程度被重金属污染[1]，每年有1 200万t农作物被重金属污染[2]，不仅仅造成粮食的浪费，而且给人类的健康带来潜在危险。

铜是常见的重金属元素，也是植物生长过程中必需的微量元素。铜参与植物体内多种生理生化代谢过程，与植物的生长发育及繁殖息息相关[3]。如植物体内积累过量的铜，其光合作用会受到抑制、破坏植物体中的离子平衡，导致植物生理紊乱，进而引起铜毒害[4]。铅作为重金属污染成分之一，被植物通过土壤及降水吸收，进入系统内部循环[5]。相关研究表明，过量的铅会影响植物根细胞的有丝分裂速度，增加植物吸水量及耗氧量[6-7]，进而影响植物的生长发育。因此，探究植物在铜、铅胁迫时的适应范围、响应机制，筛选出对重金属胁迫环境适应性较强的植物，对环境修复和园林绿化具有重要意义。

凤尾鸡冠花(Celosiaplumosa)为苋科(Amaranthaceae)青葙属(Celosia)1年生草本植物，原产印度；其花穗丰满、形似火炬、花色丰富、花期较长，是夏秋两季的常见观赏花卉，可布置花坛、花境和做基础栽植。目前关于鸡冠花的研究，主要在杂交育种和规模化生产、盐胁迫等方面[8-9]，该种植物对重金属胁迫的相关研究较少。本文以凤尾鸡冠花的2个品种‘和服’、‘红塔山’的种子为对象，研究重金属铜、铅对其种子萌发的影响，探讨2种凤尾鸡冠花的种子重金属胁迫适应范围，旨在为重金属土壤污染修复和扩大凤尾鸡冠花的园林应用提供参考。

1 材料与方法

试验于2019年5月份在上海农林职业技术学院实验室进行。供试的‘和服’、‘红塔山’凤尾鸡冠花种子，购买于北京花仙子花卉公司。Cu2+、Pb2+溶液分别以分析纯的CuSO4·5H2O、Pb(NO3)2配制，试验设计的2种重金属处理液质量浓度梯度一致，依次为50、200、350、500 mg/L。

重金属胁迫处理方法：采用纸上发芽的方法进行种子萌发胁迫试验。在培养皿中加入配制好的重金属溶液，随机且均匀摆放30粒种子，保证每个培养皿中加入等量的重金属溶液，盖好皿盖放在恒温培养箱中25 ℃培养。每个处理设3个重复，以等量的蒸馏水处理为对照。每个培养皿中，除了溶液不同，保持其他因素一致。每天定时观察种子的发芽情况，以胚根突破种皮的长度超过2 mm作为发芽的标准，直到种子不再萌发或处于低水平萌发为止。

根据各处理种子发芽率、发芽势、发芽指数，计算种子耐金属胁迫的适宜处理液质量浓度、半致死处理液质量浓度、极限处理液质量浓度。

发芽率=(正常发芽的种子数/供检种子总量)×100%；相对发芽率=(发芽率/对照发芽率)×100%；发芽势=(发芽种子数达到高峰时正常发芽种子总数/供检种子总数)×100%；发芽指数=∑Nt/Tt(Nt为不同时间当天的发芽数，Tt为相应的发芽试验时间(以天计))。

种子耐金属胁迫适宜范围，为发芽率达到对照发芽率75%时相对应的重金属溶液质量浓度；半致死处理液质量浓度，为发芽率达到对照发芽率的50%的重金属溶液质量浓度；极限处理液质量浓度，为发芽率达到对照发芽率的10%的重金属溶液质量浓度。

复水处理：待种子发芽数不再发生变化时，将各处理未发芽的种子用清水清洗3次，放入新的培养皿中，置于培养箱中25 ℃培养。每天定时观察记录种子萌发情况，萌发恢复率=(复水后种子萌发的总数/重金属胁迫中未萌发的种子数)×100%。

胚根长度观测：在种子已经不再发芽或者处于低水平发芽时，在已经发芽的各处理中随机选择10粒种子，测量出每个胚根的长度。

数据分析：采用DPS(数据处理系统)统计分析进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 Cu2+、Pb2+胁迫对2个凤尾鸡冠花品种种子萌发力的影响

由表1可见：不同质量浓度的Cu2+对2个凤尾鸡冠花品种的种子萌发影响情况相似。随着Cu2+溶液质量浓度的升高，2个凤尾鸡冠花品种的发芽率、发芽势、发芽指数均呈下降趋势。其中：‘和服’的发芽率，在处理液质量浓度为50 mg/L胁迫时，与对照差异显著(P<0.05)；在处理液质量浓度为200 mg/L时，发芽率为对照的78.7%；在处理液质量浓度为500 mg/L时，发芽率仅为对照的70.0%；说明不同质量浓度的Cu2+，均显著抑制了‘和服’种子的萌发。发芽势的数据显示，Cu2+质量浓度达到200～350 mg/L时，‘和服’的发芽势下降极为显著(P<0.05)，之后略有下降，下降程度不显著。

‘红塔山’的常规发芽率比‘和服’稍低，且处理液质量浓度50 mg/L的Cu2+对其影响不显著，其余Cu2+质量浓度对其发芽率影响显著(P<0.05)。处理液质量浓度为350 mg/L时，其发芽率下降15.1%；处理液质量浓度为500 mg/L时，仍有所下降，但下降程度不显著。发芽势、发芽指数的结果与发芽率类似，抑制强弱与Cu2+溶液质量浓度有关。

表1 Cu2+胁迫2个凤尾鸡冠花品种种子萌发状况

将Cu2+胁迫时种子发芽率与Cu2+质量浓度作相关分析发现，2种凤尾鸡冠花的Cu2+溶液质量浓度与萌发率均呈显著负相关(见表2)。

表2 2个凤尾鸡冠花品种种子耐Cu2+溶液质量浓度范围

由表3可见：Pb2+对2个凤尾鸡冠花品种种子的萌发影响与Cu2+的影响有所差异。主要表现为，Pb2+处理液质量浓度为50 mg/L时，2品种的种子发芽率比对照均有所上升，尤其是‘红塔山’种子发芽率显著高于对照；Pb2+处理液质量浓度为200 mg/L时，‘红塔山’种子发芽率有小幅提高，但与对照差异不显著。其他Pb2+处理液质量浓度处理，则会抑制种子的萌发，且随着Pb2+处理液质量浓度的增加，抑制作用增强。发芽势数据同样表明，Pb2+处理液质量浓度为50 mg/L时，2个凤尾鸡冠花品种的种子萌发整齐度比对照更高，说明低质量浓度的铅处理对2种凤尾鸡冠花种子的萌发有一定的促进作用，高质量浓度的铅处理会抑制种子的萌发，表现为低促高抑。

表3 Pb2+胁迫2个凤尾鸡冠花品种种子萌发状况

将Pb2+胁迫时种子发芽率与Pb2+质量浓度作相关分析发现，‘和服’凤尾鸡冠花的Pb2+溶液质量浓度与萌发率呈显著负相关，但‘红塔山’凤尾鸡冠花的Pb2+溶液质量浓度与萌发率未达显著水平(见表4)。

表4 2个凤尾鸡冠花品种种子耐Pb2+溶液质量浓度范围

2.2 Cu2+、Pb2+胁迫对2凤尾鸡冠花品种种子发芽进程的影响

由图1～图4可见：Cu2+、Pb2+处理的‘和服’、‘红塔山’凤尾鸡冠花种子与对照的发芽进程基本一致，均是多数种子迅速萌发而后进入缓慢增加的状态，即置种后第1天开始萌发且当天发芽数最多，开始萌发后的2～4 d处于缓慢萌发水平，5～7 d种子萌发数达到一个峰值后发芽率基本保持不变。Cu2+、Pb2+胁迫没有推迟种子开始萌发时间，但推迟了累计发芽率达到高峰时间。对照在置种后第4天达到发芽高峰，质量浓度50、200 mg/L的Cu2+胁迫时，‘和服’、‘红塔山’种子的发芽高峰推迟1 d；质量浓度350、500 mg/L的Cu2+胁迫时，‘和服’、‘红塔山’种子发芽高峰推迟2 d。Pb2+胁迫时，‘和服’种子发芽高峰的变化情况与Cu2+胁迫一致；‘红塔山’种子的发芽高峰，则在50、200、350 mg/L Pb2+胁迫时发芽高峰推迟1 d；质量浓度500 mg/L的Pb2+胁迫时，‘红塔山’种子的发芽高峰保持不变，但随后几天的发芽率波动较大。

图1 Cu2+胁迫时‘和服’种子的发芽进程

2.3 Cu2+、Pb2+胁迫时2个凤尾鸡冠花品种种子复水效果

本试验中，无论哪种重金属胁迫溶液质量浓度，凤尾鸡冠花种子的发芽率都超过60%。经过未萌发种子的复水试验，低质量浓度(50～200 mg/L)Cu2+胁迫后的未发芽种子有少量萌发；高质量浓度(350～500 mg/L)重金属胁迫后的未发芽种子基本没有新的萌发，萌发恢复率为0(见表5)。Pb2+胁迫后种子的复水萌发率，整体趋势与Cu2+胁迫一致，但整体发芽率高于Cu2+胁迫的，说明同等质量浓度时，Cu2+胁迫对凤尾鸡冠花种子的毒害作用更强，且高质量浓度时这种毒害是不可逆的。

图4 Pb2+胁迫时‘红塔山’种子的发芽进程

表5 2个凤尾鸡冠花品种种子复水萌发率

2.4 Cu2+、Pb2+胁迫时2个凤尾鸡冠花品种种子胚根长度

经过Cu2+胁迫的凤尾鸡冠花种子，在第1天初发芽时的胚根长度显著低于对照。在Cu2+处理液质量浓度50 mg/L时，种子胚根的长度变化缓慢，极显著低于对照(见表6)，胚根近50%的长度为黑色；在Cu2+处理液质量浓度200 mg/L时，种子胚根的长度变短，未出现子叶，且胚根接近全黑；在Cu2+处理液质量浓度350～500 mg/L时，胚根长度更短，种子发芽后胚根基本未见生长，并且在后期全部发生色变，接近死亡状态。由此可见，重金属Cu2+对种子胚根的抑制作用十分显著。

Pb2+处理液质量浓度50 mg/L则促进了胚根的生长(见表6)。其中，‘和服’凤尾鸡冠花种子的胚根长度显著高于对照(P<0.05)。其他质量浓度Pb2+胁迫抑制了胚根的生长，胚根长度与对照相比差异显著(P<0.05)。在Pb2+处理液质量浓度50 mg/L时，胚根先端没有色变，子叶发育正常；在Pb2+处理液质量浓度200 mg/L至更高时，胚根的生长显著受到抑制，与对照相比急剧变短，并在胚根先端出现色变、有灰色斑点，随着处理液质量浓度增加，斑点颜色加深、面积增大。

表6 重金属胁迫2种凤尾鸡冠花胚根长度

3 讨论

种子萌发是植物生活史的起点，也是植物感知外界环境条件最初生命阶段，对重金属污染最为敏感。很多研究表明，重金属胁迫对植物的种子萌发及幼苗生长具有不同的影响。肖志华等[10]研究表明，外源Cu2+胁迫对不同基因型谷子幼苗发育具有低质量浓度促进、高质量浓度抑制的效应；王桠楠等[11]研究表明，在Pb2+胁迫下鸡爪大黄种子的发芽率、发芽势、活力指数均比对照组极显著下降；齐世静等[12]在小白菜对Pb2+的响应机理研究中发现，Pb2+处理对小白菜根长和地上部分生长均有一定的抑制作用，且随着质量浓度的升高，抑制作用逐渐增强。本研究中，2个凤尾鸡冠花品种的发芽率、发芽势、活力指数，均随着Cu2+处理液质量浓度的升高而降低；Pb2+处理液质量浓度50 mg/L时，凤尾鸡冠花的各项萌发指标有所升高，高质量浓度的Pb2+胁迫会抑制种子的萌发，说明低质量浓度的Pb2+处理促进种子发芽。低质量浓度的Pb2+可以刺激植物自身的抗逆性反应，使植物胚乳液化和分解的能力增强，提高胚的生理活性，因此，在形态学上呈现发芽率、发芽势、胚根生长等暂时升高的现象；而高质量浓度的重金属离子，破坏了植物的自我防御机制，造成植物机体代谢紊乱，生长受阻，甚至死亡。本研究试验的结果与陈伟等[13]、张震等[14]的研究结果基本一致。凤尾鸡冠花在处理液质量浓度500 mg/L的Cu2+、Pb2+胁迫时，种子仍分别有60%、70%以上的发芽率，说明凤尾鸡冠花对Cu2+、Pb2+有一定的耐受性，其中对Pb2+的耐受性高于对Cu2+的耐受性，‘红塔山’的耐受性略高于‘和服’的耐受性。

从胚根的生长情况看，2种凤尾鸡冠花在各质量浓度Cu2+处理时，均表现出对胚根的抑制作用；而在低质量浓度Pb2+处理时，表现出对胚根的促进作用，体现了Pb2+对种子萌发的“低促高抑”作用。质量浓度50 mg/L以上的铜、铅胁迫时，胚根颜色变深、根尖受害显著，说明质量浓度50 mg/L以上的2种重金属已经造成了根尖细胞的异常分裂，胚根生长滞懈；较高质量浓度的2种重金属胁迫，甚至导致凤尾鸡冠花种子发芽后几乎不再生长，成坏死状态。通常重金属对植物根的抑制作用大于芽[15-16]，种子萌发后，根最先突破种皮吸水，从而使根尖的重金属累积量以及受胁迫时间较重。这与恩慈等[17]、李军红等[18]的重金属胁迫研究结果相一致。

综合Cu2+、Pb2+胁迫对‘和服’、‘红塔山’凤尾鸡冠花种子萌发的发芽率、发芽势、发芽指数、发芽动态变化的影响，相对而言，Cu2+对2种凤尾鸡冠花种子萌发的抑制较强，在Pb2+低质量浓度时表现出促进发芽的作用。较高质量浓度的Cu2+、Pb2+胁迫，均使发芽速度变慢，发芽不集中，发芽后的胚根生长速度也比较慢，高质量浓度的Cu2+、Pb2+胁迫造成了种子和胚根的伤害，出现胚根停止生长、变黑甚至腐烂的情况。本试验根据相关方程预测2品种凤尾鸡冠花种子耐受金属的质量浓度范围，为凤尾鸡冠花进一步的抗重金属污染研究提供参考。凤尾鸡冠花在质量浓度500 mg/L的Cu2+、Pb2+胁迫时，仍有较高的萌发率，但在萌发后会出现胚根受金属胁迫影响严重的现象，说明裸露的胚根对这2种重金属胁迫反映敏感；凤尾鸡冠花种子不同萌发阶段和对应器官的重金属耐受性、耐受机理还有待进一步的研究。