重金属铜、镉对三种十字花科植物种子萌发的影响

张天，范明慧，田胜尼，奚晓宇，吕梦冉

(安徽农业大学 生命科学学院，安徽 合肥 230036)

在农业生产中重金属污染问题严重[1]。有数据显示，目前我国受污染土地面积已达耕地面积的20%，约2500万hm2[2]。土壤重金属污染具有来源广泛、隐蔽性强、毒害性大且不易排出土壤等特点[3-4]。在我国土壤重金属污染中，重金属Cu和Cd危害性较大[5-6]。大量研究结果表明，重金属在植物体内积累量超标时，不仅毒害植物体，还会通过食物链危及人类健康[7-9]。Cu2+是高等植物正常生长代谢所必需的微量元素，但摄入过量会紊乱机体正常代谢，影响其生长发育及产量[10]。Cd毒性较大，受Cd2+污染的食物与空气将严重危害人体健康[11]。Cd2+在人体中代谢较为缓慢，曾出现Cd中毒引发“痛痛病”的案例[12-13]。

目前已被发现的超积累植物将近500种，十字花科植物占据多数[14]。前期调研发现，萝卜、白菜和油菜三种十字花科植物在重金属污染的土壤中能够正常生长，表明其对重金属有较强的耐性，因此研究三者对重金属的耐性具有重要意义。种子萌发是植物生命中重要的阶段之一，对根际的化学和物理条件十分敏感[15]。虽然种皮可以作为主要屏障限制重金属的毒害影响，但多数种子和幼苗在重金属胁迫下表现为萌发率和活力的降低[16]。因此，探究植物种子在重金属处理下萌发情况的变化规律意义重大。

油菜(Brassicapekinensis)、白菜(Brassicapekinensis)，为十字花科(Cruciferae)芸薹属(Brassica)草本植物；萝卜(Raphanussativus)，为萝卜属(Raphanus)草本植物。油菜是我国主要产油作物之一，种植面积逐年提升，其经济价值和营养价值较高。白菜和萝卜是我国重要的农作物。目前油菜对重金属Cd的耐性研究较多[17-18]，对白菜、萝卜的研究较少。本文选用在重金属污染地区较常见的三种十字花科植物—萝卜、白菜和油菜，研究三者在Cu2+和Cd2+处理下萌发率和生物量的变化情况，探究三种植物在生长初期对重金属Cu、Cd的耐性，以期为农业生产早期重金属对农作物的毒害影响效果做出预告，避免或减轻重金属危害的产生，并为重金属污染的相关环境监测工作提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料：萝卜、白菜和油菜，均属十字花科植物，其种子采集于安徽农业大学农萃园内。

1.2 实验方法

随机选择大小一致且饱满的待试种子，在4% KMnO4溶液中浸泡消毒10 min后取出，多次用蒸馏水冲洗，用滤纸吸干表面水分。每个培养皿放20粒油菜种子，设置Cu浓度为0(空白对照)、20、50、100、300、500、800 mg/L，Cd浓度为0、10、25、50、100、150、200 mg/L，各3组重复，各处理中Cu以CuSO4·5H2O形式加入，Cd以CdCl2形式加入。于培养箱中培养，每天用恒重法加水，每12 h记录一次萌发数量，待其萌发结束后，测量其株高、根长、地上部鲜重、根鲜重、地上部干重、根干重。白菜、油菜种子实验方法与之相同。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 萌发率 萌发率是种子萌发个数占种子总数的百分比。以胚芽长度大于种子直径为萌发标准，每12 h记录一次萌发个数。

1.3.2 生物量的测定 待萌发结束后，随机选取各浓度梯度下幼苗各20株，用游标卡尺测量其株高、根长并用天平称重，置于80℃恒温箱中24 h后取出，称其地上部干重、根干重。

1.3.3 数据分析 耐性指数=(处理组根长/对照组根长)×100%[19]。耐性指数高于50%，表明植物对重金属有一定耐性；耐性指数低于50%，表明植物在重金属胁迫下难以正常生长。

用Excel、SPSS软件作图及差异性分析。

2 结果与分析

2.1 重金属Cu、Cd对三种植物萌发率的影响

不同浓度Cu2+和Cd2+处理对三种植物种子萌发率的影响如图1～6所示。由图1～6可知，在种子萌发过程中，随着Cu2+浓度升高，三种植物种子萌发率均呈现出相似的变化规律。种子萌发结束后，据图1可知，萝卜种子萌发率在Cu2+处理下均低于对照组；据图3和图5可知，Cu2+在浓度为20 mg/L时，白菜、油菜种子萌发率高于对照组；当Cu2+在浓度达到800 mg/L时，三种植物萌发率均低于50%，说明此时的重金属胁迫强度下三种植物已经无法正常萌发生长。当Cu2+浓度高于100 mg/L时，出现根尖发黑、根长变短、根毛数量减少直至消失等现象。当Cu2+浓度达到500 mg/L以上时，部分种皮不脱落，种子未萌发。

在重金属Cd的胁迫下，三种植物种子的萌发率受Cd2+影响相对较小。但相比对照组，种子萌发速度受到一定影响。随Cd2+浓度逐渐升高，种子萌发速度受到抑制：Cd2+的浓度越高，种子萌发周期越长。白菜在Cd2+浓度为10 mg/L处理下，萌发在3.5 d之内完成；在Cd2+浓度为200 mg/L处理下，萌发在4.5 d之内完成。三种植物首先完成种子萌发过程的是白菜，其次是油菜，最后是萝卜。

总体而言，不同浓度下重金属Cu和Cd对萝卜、白菜和油菜种子萌发影响不同。低浓度下(Cu2+浓度为20 mg/L、Cd2+浓度为25 mg/L)促进三种植物生长，当重金属浓度增高表现出抑制作用，并随重金属浓度上升，抑制作用增强。

2.2 重金属Cu对三种植物株高、根长的影响

由表1可见，随着Cu2+浓度逐渐升高，三种植物株高大致呈现先升后降的变化趋势，根长逐渐降低。油菜幼苗株高和根长平均值分别为27.18 mm、72.87 mm；当Cu2+浓度为20 mg/L时，株高、根长分别为29.56 mm、60.97 mm，株高相比对照组增加8.76%，根长相比对照减少16.33%；当Cu2+浓度为50 mg/L时，株高、根长分别为21.60 mm、32.94 mm，与对照组相比分别减少20.53%、54.80%，变化差异显著(P<0.05)；当Cu2+浓度为300 mg/L时，株高、根长分别为6.52 mm、4.57 mm，与对照组相比分别减少76.01%、93.73%，差异显著(P<0.05)。试验表明，随着重金属浓度的增加，三种植物生长受抑制作用逐渐增大。

表1 不同浓度Cu2+对萝卜、白菜、油菜株高、根长的影响

三种植物的根和地上部在高浓度的重金属Cu处理下生长受到抑制，其中根长所受抑制作用更为明显。如表2所示，在Cu2+浓度为100 mg/L处理下，萝卜、白菜、油菜根长耐性指数为59.11%、41.41%、45.20%，萝卜耐性指数高于50%，说明萝卜对此浓度Cu2+处理具有较强耐性。Cu2+浓度为100 mg/L时，萝卜、白菜、油菜株高分别为对照组的57.70%、70.18%、50.00%，根长分别为对照组的30.96%、10.80%、15.08%，重金属Cu对根长的抑制作用明显大于株高。

表2 不同浓度Cu2+对萝卜、白菜、油菜株高、根长耐性指数(TI)的影响

三种植物种子萌发结束后保持原状，发现幼苗形态如图7所示，当Cu2+浓度大于300 mg/L时，Cu2+胁迫下三种植物根系受到明显抑制作用，出现根尖发黑现象，根须减少甚至消失。当Cu2+浓度为800 mg/L时，三种植物尤其是萝卜几乎不展叶，根长最短。其中白菜根长为0.0 mm，植株无法长久生存。

由表3可见，重金属Cd对三种植物株高、根长的胁迫与重金属Cu胁迫变化规律类似，三种植物随着Cd2+浓度逐渐升高株高大致呈现先升后降的变化趋势，根长则逐渐降低。对照组萝卜幼苗株高和根长分别为37.54 mm、101.43 mm；在10 mg/L Cd2+处理下，其株高、根长分别为37.58 mm、85.41 mm，株高相比对照组增加0.11%，根长相比对照组降低15.79%；在25 mg/L Cd2+处理下，株高、根长分别为30.89 mm、68.04 mm，与对照组相比分别降低17.71%、32.92%，差异显著(P<0.05)。

表3 不同浓度Cd2+对萝卜、白菜、油菜株高、根长的影响

Cd胁迫对地下部伸长的抑制高于地上部。如表4所示，当Cd2+浓度为25 mg/L时，三者根长相比对照组降低67.08%、48.81%、76.30%，萝卜、油菜地下部的耐性指数高于50%，说明萝卜、油菜对此浓度Cd2+具有较强耐性。当Cd2+浓度为50 mg/L时，萝卜、白菜、油菜株高分别比对照组降低25.07%、25.10%、1.75%，萝卜、白菜、油菜根长相比对照组降低53.76%、71.08%、49.39%；当Cd2+浓度为100 mg/L时，萝卜、白菜、油菜根长相比对照组降低77.62%、94.82%、86.29%。与对照相比，在Cd2+处理下三种植物根长受抑制作用较强，且随着Cd2+含量的上升，毒害作用加强。

表4 不同浓度Cd2+对萝卜、白菜、油菜株高、根长耐性指数(TI)的影响

观察三种植物种子萌发结束后的幼苗形态(图8)发现，在高浓度Cd2+(大于100 mg/L)处理下，根长度变短甚至发霉，幼苗无法长期正常生长。

2.3 重金属Cu、Cd对三种植物生物量的影响

不同浓度重金属Cu处理对三种植物幼苗生物量的影响如表5所示。随着重金属Cu、Cd浓度逐渐升高，三种植物地上部鲜重和干重基本呈现先增后减的变化趋势，地下部生物量逐渐减少。经差异性分析可知，萝卜、白菜、油菜与重金属含量呈显著负相关(P<0.05)。对照组处理的白菜幼苗地上部鲜重和干重分别为11.8 mg、1.0 mg，当Cu2+浓度为20 mg/L时，白菜幼苗地上部鲜重和干重分别为12.2 mg、1.1 mg，相较对照组增加3.38%、10.00%；当Cu2+浓度为300 mg/L时，白菜幼苗地上部鲜重和干重分别为6.2 mg、0.8 mg，相较对照组降低47.46%、20.00%。因此当Cu2+浓度为20 mg/L时促进白菜幼苗地上部的生长发育，Cu2+浓度达到或超过50 mg/L时，抑制白菜幼苗的生长。对照组处理的白菜幼苗地下部鲜重和干重分别为4.2 mg、0.6 mg，当Cu2+浓度为50 mg/L时，白菜幼苗地下部鲜重和干重分别为2.2 mg、0.4 mg，相较对照组降低45.45%、33.33%，因此重金属Cu处理对白菜幼苗地下部的生长产生抑制作用。

表5 不同浓度Cu2+对萝卜、白菜、油菜生物量的影响

由表6可见，在六种不同浓度Cd2+的处理下，萝卜、白菜、油菜在不同浓度Cu2+处理下变化规律基本一致。三种植物地上部鲜重和干重先升高后降低，地下部鲜重、干重逐渐降低。对照组处理的油菜幼苗地上部鲜重和干重分别为32.1 mg、3.6 mg，在10 mg/L Cd2+处理下，油菜幼苗地上部鲜重和干重分别为36.1mg、4.0 mg，相较对照组增加12.46%、11.11%；在100 mg/L Cd2+处理下，油菜幼苗地上部鲜重和干重分别为22.8 mg、2.7mg，相较对照组降低28.97%、25.00%，因此当Cd2+浓度达到或超过100 mg/L时对油菜幼苗地上部的生长发育产生显著抑制作用(P<0.05)。对照组处理的油菜幼苗地下部鲜重和干重分别为6.5 mg、1.1 mg，在100 mg/L Cd2+处理下，油菜幼苗地下部鲜重和干重分别为2.8 mg、0.5 mg，相较对照组降低56.92%、54.55%，因此重金属Cd处理抑制油菜幼苗地下部的生长。

表6 不同浓度Cd2+ 对萝卜、白菜、油菜生物量的影响

3 讨论

重金属污染已成为当今生态保护亟待解决的问题，尤其是土壤中重金属含量超标将破坏植物组织生理代谢，阻碍甚至抑制植物正常生长。从生理学角度出发，植物种子萌发是其生长进程的开端，是植物受重金属胁迫的最初始时期，是研究重金属胁迫机理的较好阶段[20]。

实验结果表明，Cu2+浓度在20 mg/L、Cd2+浓度为25 mg/L对白菜、油菜植物种子萌发个数呈现促进作用；随Cu2+和Cd2+浓度提高抑制种子萌发。当Cu2+浓度达到800 mg/L、Cd2+浓度达到200 mg/L时对三种植物生长抑制作用达到显著水平(P<0.05)。在低浓度重金属Cu、Cd胁迫下，三种植物株高、根长与对照相比略有增加，说明三种植物均能抵抗低浓度Cu2+和Cd2+的胁迫，对其具有较强的耐性。重金属对三种植物种子萌发影响的规律普遍为低浓度促进高浓度抑制。Cu是植物生长所必须的微量元素，一定范围浓度下利于植物生长发育，Cd是植物生长的非必须元素，低浓度的Cd2+处理在三种植物正常生长需要的浓度范围之内，对其生长有利；若Cd2+的浓度超过此范围，则对其生长有害。这与张义贤[21]研究汞、镉、铅胁迫对油菜的影响结果一致。根系受到溶液中Cu2+毒害，其生长和对营养元素的吸收被抑制，影响水分运输，扰乱酶促反应，降低萌发率[22]。低浓度的Cu2+和Cd2+，可以刺激相关酶的活性，利于植物根尖细胞有丝分裂，促进植物正常生长[23]。白菜和油菜在较高浓度Cu2+和Cd2+处理下生物量降低量低于萝卜，同等条件下表现出对Cu2+和Cd2+较强的耐性。

对于生长在重金属污染土壤中的植物而言，植株高度是判断其耐受性大小的指标之一。根是植物生长过程中重要的吸收器官，根过低的生长量将导致其无法正常完成后续的生长进程[24]。三种植物株高、地上部鲜重、地上部干重在Cu2+浓度为20 mg/L、Cd2+浓度为25 mg/L处理下高于对照组，Cu2+和Cd2+浓度升高，其生物量呈现下降趋势。Cu2+和Cd2+胁迫对三种植物幼苗生长的抑制效果为:根长>株高。实验中还发现，在高浓度的Cu2+和Cd2+处理下，三种植物的株高、根长及其生物量相比对照组均有明显下降，且在三种植物幼苗生长发育过程中，对根长的抑制作用更加明显，Cd2+的毒害作用大于Cu2+。这与龚宁[25]等人的实验研究结果基本一致。Cu2+和Cd2+对植物根系具有抑制作用，根作为植物幼苗汲取营养的器官，与污染物直接接触，使植物暴露于过量重金属离子环境中，影响根对营养物质的吸收，同时根的生长受到抑制[26]。

4 结论

本实验通过种子萌发实验，探究重金属Cu和Cd对萝卜、白菜和油菜三种十字花科植物种子萌发的影响，初步判断其对重金属Cu和Cd的耐性。低浓度Cu和Cd(Cu2+浓度为20 mg/L、Cd2+浓度为25mg/L)处理对三种植物的种子萌发率、株高、根长、生物量呈现促进作用，高浓度(20 mg/L油菜>白菜，三种植物对Cd的耐性大小为油菜>萝卜>白菜。

因此，三种十字花科植物对重金属Cu和Cd具有一定的耐受性，但植株对重金属胁迫的耐受能力十分复杂，除同种植物不同植株之间其适应性存在一定差异，还受生长环境中其它因素影响，因此关于萝卜、白菜和油菜对重金属的耐受机理及十字花科植物对重金属污染土壤的修复等方面还有待更深入的研究。