重金属胁迫对向日葵种子萌发特征影响评价及花海品种筛选

于华丽, 温四民, 张桂玲, 董传洁, 程 乾

（临沂大学, a.农林科学学院；b.临沂大学实验管理中心, 山东 临沂 276005）

花海是自然界中通过花卉构成的具备一定规模的美丽景观, 主要包括自然花海和人工花海[1］。近年来, 人工花海在国内发展迅猛, 花海植物中的大部分花卉多以直播的方式种植。由于种子萌发是种子植物生长过程的关键阶段, 也是进行植物抗逆性研究的重要时期[2, 3］, 因此, 可选用种子萌发期对植物的抗逆性进行评价和筛选[4］。向日葵（Helianthus annuusL.）为菊科向日葵属的一年生草本植物, 生长迅速, 生物量大, 适应性强, 在全国各地均有种植, 因其花色艳丽, 具有极高的观赏价值[5］, 在花海中应用有逐年增多趋势, 由于人工花海用地多为盐碱、滩涂、沙化或污染等废弃土地, 因此用于花海种植的向日葵品种需要具有较高的耐逆境胁迫能力。而目前对向日葵种子及幼苗逆境胁迫研究多集中于盐胁迫[6］、干旱胁迫[7］、某一种重金属胁迫[8］、两种以上重金属复合胁迫[9］、碱胁迫[10-12］、水淹[13］、缓解胁迫方式[14］等方面, 对混合重金属离子胁迫研究及耐重金属胁迫品种的筛选鲜见报道。

李海洋等[15］发现随着盐浓度的增加以及胁迫时间的延长, 向日葵根、茎、叶中IAA（吲哚-3-乙酸）、ABA（脱落酸）、ZR（玉米素核苷）3 种植物生长调节剂总体表现为先增后降的趋势；凌云鹤等[16］发现随着盐浓度的增加, 从形态指标和生理指标显示出银叶向日葵具有较强的适应能力；周子超等[17］对152 份向日葵重组自交系苗期抗旱性的鉴定与评价中发现, 强耐旱型2 个、耐旱型2 个、弱耐旱型83 个和不耐旱型65 个；有学者研究汞[8］和镍[18］对向日葵种子萌发和幼苗的生理生化特性影响发现, 胁迫浓度低于10 mg/L 时, 对其具有一定的促进作用, 高于50 mg/L 时具有明显的抑制作用；黄开腾等[9］研究发现随着铝锰复合胁迫浓度的增加, 向日葵幼苗叶片的脯氨酸（Pro）含量总体呈上升趋势, 可溶性蛋白质含量先升高后下降, 可溶性糖含量先升高, 再降低, 最后再升高, 且含量均高于对照；罗洁等[13］的研究表明淹水胁迫抑制了观赏向日葵的生长, 但观赏向日葵对淹水胁迫具有一定的耐性, 一方面通过提高抗氧化酶活性和增加渗透调节物质含量来抵抗淹水胁迫, 另一方面通过根系形成通气组织来适应淹水胁迫。

本试验选用营养生长周期短、花期较长、生产中常见的32 个向日葵品种, 通过重金属溶液模拟污染土壤胁迫, 采用培养皿法进行发芽试验, 使用隶属函数法对供试品种进行抗逆性综合评价和筛选, 以期为花海用向日葵品种选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料共32 个向日葵品种, 部分品种购自当地花卉公司, 详见表1。

表1 供试向日葵品种

1.2 方法

根据重金属污染土壤中主要重金属种类, 重金属盐为硝酸铅[Pb（NO3）2］、重铬酸钾（K2Cr2O7）、硝酸镉[Cd（NO4）2·4H2O］、硫酸镍（NiSO4·6H2O）、硫酸铜（CuSO4·5H2O）、硫酸锌（ZnSO4·7H2O）, 设置T1、T2、T3 共3 个浓度梯度和清水对照（CK）, 重金属溶液处理浓度配制如表2 所示。

表2 重金属溶液处理浓度 （单位：mg/L）

选取颗粒饱满度、大小一致的种子, 用2%高锰酸钾溶液消毒, 用无菌水冲洗3～5 次, 放入不同浓度梯度重金属溶液中浸种24 h, 对照为无菌水, 每个处理100 粒种子, 重复3 次, 然后均匀放入无菌培养皿中, 培养皿中铺有双层用无菌水润湿的滤纸, 置于人工气候箱, 昼温25 ℃、湿度60%、光照度6 000 lx；夜温15 ℃、湿度80%, 昼夜时间均设为12 h, 每天适当补充无菌水保持滤纸湿润。

1.3 项目测定

播种后第二天开始, 以胚根与种子等长作为萌发标准, 统计每天发芽数, 第4 天计算发芽势, 连续3 d 无新萌发种子即为试验结束。发芽率（G）=（发芽种子数/供试种子数）×100%；发芽势=（第4 天发芽种子数/供试种子数）×100%；发芽指数（GI）=∑G/t,t为发芽时间（d）,GI为在t时间内发芽种子数；平均发芽日数=∑（Gt×Dt）/G,Gt为第t天发芽种子数,Dt为发芽天数。

1.4 数据分析

用Excel、IBM SPSS Statistics 19 软 件 对 试 验 数据进行处理和分析, 为消除不同向日葵品种间遗传性特性差异, 先计算各项测定指标相对值（测定值/对照值）, 然后采用隶属函数法和聚类分析法对供试材料的耐重金属胁迫能力进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 重金属胁迫对向日葵种子萌发特征的影响

由表3 可见, 随着重金属处理浓度的升高, 32 个品种的发芽率、发芽势和发芽指数均呈降低的趋势, 而32 个供试品种的平均发芽日数均呈逐渐升高的趋势。

从不同品种向日葵发芽率分析可见, 与对照相比, 当重金属浓度为T1 时, 深秋、柠檬碧翠、黄钻、玫瑰情、乐翻天和桃之春发芽率有所下降, 其他26 个品种发芽率均出现不同程度的升高, 其中月光和莫奈升高显著；当重金属浓度为T2 时, 全部供试品种发芽率均呈下降趋势, 即均低于对照, 其中满天星和金富贵下降不显著；当重金属浓度为T3 时, 发芽率均下降显著, 其中重金属对金富贵和活力的发芽率抑制作用较小, 与对照相比分别下降了29.92、29.05个百分点, 而对开心小矮人和金海星的抑制作用较大, 发芽率分别下降了46.01、37.35 个百分点。

由发芽势变化情况可见, 与对照相比, 不同向日葵品种在T1 处理下, 深秋、柠檬碧翠、黄钻、玫瑰情、乐翻天和桃之春的发芽势降低, 其他26 个品种发芽势均有所升高, 且好运多、活力、欢乐火炮竹、帕蒂小葵、小熊、丰收乐、丽日、美丽微笑和宝石红芳升高显著；在T2 处理下, 32 个品种发芽势均开始呈下降趋势, 即均低于对照, 除金富贵的发芽势下降不显著外, 其他31 个品种均显著下降；在T3 处理下, 32 个品种发芽势均显著下降, 其中小熊和活力发芽势下降相对较少, 较对照均下降了18.67 个百分点, 而丽日和美丽微笑的发芽势下降最为明显, 较对照均下降了55.32 个百分点。

从发芽指数变化情况来看, 与对照相比, T1 处理下, 深秋、柠檬碧翠、黄钻、魔术回旋、小熊、玫瑰情、乐翻天和宝石红芳发芽指数降低, 其他24 个品种的发芽指数均升高, 并且欢乐火炮竹、穆天子、月光、金太阳、丽日和美丽微笑的发芽指数显著升高；T2、T3 处理下, 发芽指数均呈下降趋势, 且均显著低于对照, 其中T3 处理下, 欢乐火炮竹和活力的发芽指数下降相对较少, 分别下降了43.86%和42.42%, 而金海星和乐翻天下降相对较多, 分别下降了80.51%和76.76%。

不同浓度重金属处理均使向日葵种子平均发芽日数延长, 并且处理浓度越大平均发芽日数升高越明显, 与对照相比, T1 处理下, 除满天星、金富贵和

魔术回旋的平均发芽日数升高不显著外, 其他29 个品种的平均发芽日数均升高显著；T2 和T3 处理下, 32 个品种平均发芽日数均显著升高, 说明重金属胁迫抑制向日葵种子发芽速度, 处理浓度越大抑制作用越明显。

2.2 向日葵种子萌发耐重金属胁迫能力比较

根据不同品种的每个指标不同处理下的相对值计算出隶属函数值, 得出隶属函数综合值, 最后根据隶属函数综合值进行排序。由表4 可见, 隶属函数综合值的大小能直观体现不同向日葵品种在重金属胁迫下的萌发能力强弱, 隶属函数综合值越大表明耐重金属胁迫能力越强, 不同向日葵种子萌发期耐受重金属胁迫能力的差异较大, 其中金富贵和魔术回旋的隶属函数综合值较大, 分别为9.04 和8.81, 综合排序分别为第1 和第2, 美丽微笑和玫瑰情隶属函数综合值较小, 综合排序分别为第31 和第32。由此可见, 在重金属胁迫下金富贵和魔术回旋种子萌发能力较强, 而美丽微笑和玫瑰情萌发能力较弱。

表4 重金属胁迫下各项测定指标相对值的隶属函数值

2.3 对32 个向日葵品种耐重金属胁迫能力的聚类分析

由图1 可以看出, 依据32 个向日葵品种的隶属函数综合值, 用Ward 方法进行聚类分析比较, 将耐重金属胁迫能力相近的品种聚在一起, 结果表明, 在欧氏距离平方值大约为7 时, 可将32 个向日葵品种划分为三大类, 耐性较好的品种是金富贵、魔术回旋、满天星、金庸碧翠、醉云长和活力；耐性中等的品种是黄钻、宝石红芳、红柠檬、欢乐火炮竹、小熊、穆天子、莫奈、月光、墨池吐金和三阳开泰；耐性较差的品种是出水芙蓉、帕蒂小葵、金太阳、绿波仙子、绿天使、开心小矮人、丰收乐、桃之春、深秋、金海星、丽日、好运多、柠檬碧翠、乐翻天、美丽微笑和玫瑰情。

图1 32 个向日葵品种的种子萌发期耐重金属胁迫的聚类分析

3 小结与讨论

向日葵是耐干旱、耐瘠、耐盐碱、适应性较强的经济作物, 已被证实对重金属有较强的耐受性[19］, 重金属胁迫下, 向日葵通过激活抗氧化系统、络合重金属离子[20］、有毒离子区隔化、细胞壁吸附沉积作用[21］等方式来降低重金属对细胞的伤害。有研究表明, 当汞胁迫浓度低于10 mg/L 时, 对向日葵种子萌发有促进作用, 高于10 mg/L 时会抑制种子萌发[8］, 本试验与以上研究结果有相同之处, 重金属浓度为T1（Pb2+、Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+浓度分别为8、4、2、8、8、20 mg/L）时, 对24 个向日葵品种的种子萌发有促进作用, 当重金属浓度为T2（Pb2+、Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+浓度分别为32、16、8、32、32、80 mg/L）时, 对所有供试品种均产生抑制作用, 试验中有部分品种在低浓度重金属胁迫（T1）时也受到抑制作用, 可能是由于不同品种间存在生物学遗传特性差异, 试验中所设置的最低浓度处理仍然超出其耐受范围, 与低浓度可促进种子萌发并不矛盾。重金属胁迫对向日葵种子萌发之所以产生低浓度促进高浓度抑制的作用, 有研究认为, 在种子萌发过程中, 低浓度的重金属离子与种子萌发所必需的酶反应或特异性结合, 可提高胚的生理活性[22, 23］, 快速提高种子萌发初期的蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等酶活性[24］, 提高种子的呼吸速率, 加快胚乳中营养物质的降解, 从而促进萌发代谢[25］。随着重金属浓度的升高, 植物体产生过量活性氧自由基, 使细胞膜结构过氧化作用加强, 最终导致膜通透性增大, 胞内物质外渗[26］, 同时高浓度重金属离子可能抑制淀粉酶、蛋白酶、酸性磷酸酯酶等酶活性, 进而抑制种子储藏营养成分分解, 减少种子萌发所需的物质和能量供给[27］, 致使发芽率、萌发指数和活力值各项指标均呈下降趋势, 种子萌发进程受到严重抑制[28］。

以发芽率、发芽势、发芽指数、平均发芽日数为测定指标, 研究32 个向日葵品种的种子萌发期耐重金属胁迫差异, 采用隶属函数和聚类分析法, 进行抗逆性综合评价和筛选。研究发现, 重金属胁迫对多数向日葵种子萌发产生低浓度促进高浓度抑制的作用, 不同品种间耐重金属胁迫能力差异较大, 筛选出耐重金属胁迫性较好的品种有金富贵、魔术回旋、满天星、金庸碧翠、醉云长和活力；耐性中等的品种有黄钻、宝石红芳、红柠檬、欢乐火炮竹、小熊、穆天子、莫奈、月光、墨池吐金和三阳开泰；耐性较差的品种有出水芙蓉、帕蒂小葵、金太阳、绿波仙子、绿天使、开心小矮人、丰收乐、桃之春、深秋、金海星、丽日、好运多、柠檬碧翠、乐翻天、美丽微笑和玫瑰情。