铜铅复合污染下加拿大一枝黄花根叶复合化感效应

周嘉龙,许哲伦,仲珊珊,李 玥,李 闯,徐仲毅,于友礼,杜道林,王从彦

(江苏大学 环境与安全工程学院,江苏 镇江 212013)

我国现有的入侵植物隶属于菊科(Asteraceae)的种类最多,共92种,占17.86%[1]。入侵植物(特别是菊科入侵植物)显著影响了本地生态系统的结构和功能,如显著降低本地生物多样性等[2-3]。所以,阐明入侵植物成功入侵的关键机理,已成为当前入侵生态学领域备受关注的重大前沿科学问题之一。相关研究表明,化感效应对一些入侵植物的成功入侵至关重要,特别是菊科入侵植物可以通过分泌化感物质抑制临近植物的种子萌发、幼苗以及植株生长[4-5]。化感效应在入侵植物中广泛存在,在调查的113个科中,72%的科均存在明显的化感效应[4]。基于入侵植物对临近植物的化感效应,生态学家提出了新武器假说(Novel Weapon Hypothesis)[6-7]。

重金属可以显著影响甚至是增强入侵植物的化感效应及其入侵竞争力[8-9]。但是,当前研究大多仅解析单一种类的重金属对入侵植物叶化感效应的影响,而忽视了重金属复合污染对入侵植物根叶复合化感效应的影响。因此,亟需深入阐明不同类型重金属污染下入侵植物根叶复合化感效应。

加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)隶属于菊科,原产北美,已在我国大部分地区(特别是苏南地区,常常可以形成大范围的、高密度的单优群落)造成了显著的生态环境影响[2,10],被列入了《中国外来入侵物种名单》和《江苏省外来入侵物种名录》。研究表明,加拿大一枝黄花对临近植物的种子萌发和幼苗生长具有较强的化感效应[5,10]。因此,本研究旨在分析不同重金属污染下加拿大一枝黄花的根叶浸提液对莴苣(Lactucasativa)种子萌发与幼苗生长的单一和复合化感效应。

1 实验和方法

1.1 重金属种类的选择

本研究选择铜(Cu)和铅(Pb)作为重金属污染源,原因如下:(1)它们是镇江市常见的重金属种类;(2)它们在镇江市污染背景值非常接近(Cu≈30.30 mg·kg-1,Pb≈36.28 mg·kg-1)[11-12];(3)均是我国耕地点位超标的主要重金属类型,有一定的环境生态风险。

1.2 受试植物种类的选择

本研究选择莴苣作为种子萌发和幼苗生长受试植物。原因如下:(1)莴苣与加拿大一枝黄花均属于菊科,可避免所用植物种类的亲缘关系过远而影响实验结果;(2)莴苣种子萌发速度快且均一,其指标也易测定;(3)莴苣的种子萌发和幼苗生长对外界胁迫(包括入侵植物的化感效应)非常敏感[10,13];(4)在镇江市的莴苣种植区,被加拿大一枝黄花入侵的情况较严重。

1.3 实验方法和步骤

本研究实验方法为培养皿培养法,步骤如下:

1)浸提液配制:2021年9月,于加拿大一枝黄花的繁殖期在镇江市(32.21°N,119.52°E)随机采集其成熟且完整的叶和根,自然风干,称重,浸入无菌去离子水,过滤杂质。浸提液浓度设置为10 g·L-1(模拟入侵植物入侵状态),用无菌去离子水作为对照(模拟入侵植物未入侵状态)[9,14]。本研究浸提液类型包括:浸提液对照(无菌去离子水)、根浸提液、叶浸提液以及根叶等比例混合浸提液。

2)重金属溶液配制:铜采用Cu(SO4)2·5H2O配置,铅采用(CH3COO)2Pb·3H2O配置;浓度均定为35 mg·L-1。本研究重金属溶液类型包括:重金属对照(无菌去离子水,模拟无重金属污染)、铜溶液(35 mg·L-1,模拟铜单一污染)、铅溶液(35 mg·L-1,模拟铅单一污染)、两种重金属等比例混合溶液(35 mg·L-1,模拟铜和铅复合污染)。

实验共4种处理:增施1 mL的无菌去离子水、增施1 mL的重金属溶液、增施1 mL的浸提液、增施1 mL的重金属溶液和浸提液。

3)种子消毒和培养:将大小均一的莴苣种子用1%NaClO消毒约15 min,用无菌去离子水清洗后放入铺有两层滤纸的培养皿(口径为9 cm)中,每皿30粒,每个处理5个培养皿。所有培养皿移至恒温培养箱培养,温度25 ℃,每天光照12 h,光照强度2 200 Lux。每天记录发芽种子数量,若胚根凸显即确认发芽。

4)指标测定:培养8 d后,每个培养皿随机选择10个幼苗,同一天测量种子萌发和幼苗生长指标。

1.4 相关指标测定方法

种子萌发指标包括:(1)发芽率为已萌发种子的数量与测试种子的总数量之比值(指示种子萌发能力)[15-16];(2)发芽势为第三天(发芽高峰期)已萌发种子的数量与测试种子的总数量之比值(指示种子萌发均匀性)[15-16];(3)发芽指数(指示种子萌发活性)=∑Gi/i[17-18],其中Gi为已萌发种子的数量,i为培养时间(d);(4)发芽速度指数(指示种子萌发速度)=发芽指数×发芽率[19-20];(5)发芽活力指数(指示种子萌发活力)=发芽指数×幼苗鲜重[18,21];(6)发芽快速响应指数(指示种子萌发响应速度)=nd2+0.75×nd4+0.5×nd6+0.25×nd8[22-24],其中nd2、nd4、nd6、nd8分别为第2、4、6、8天的种子发芽数量。

幼苗生长指标包括:(1)株高(指示幼苗对阳光获取的竞争能力)、根长(指示幼苗对水分和盐分获取的竞争能力)、叶长和叶宽(指示幼苗叶片光合面积的大小)使用直尺法测量[15-16];(2)绿色叶面积(指示幼苗叶片光合面积的大小)以叶长和叶宽乘积的0.75倍计算[25-26];(3)生物量(包括鲜重和干重,指示幼苗的生长竞争力)采用0.001 g精度的电子天平称重测定[15-16];(4)湿度(指示幼苗含水率)为幼苗鲜重和干重之差与鲜重的比值[15-16];(5)胁迫强度指数(指示处理的胁迫强度)=1-(Xs/Xck)[27-28],其中Xs为某一胁迫处理下莴苣种子萌发和幼苗生长指标的平均值,Xck为对照处理下莴苣种子萌发和幼苗生长指标的平均值。

1.5 数据分析

通过单因素方差分析比较不同处理间莴苣种子萌发和幼苗生长指标的差异水平,并采用S-N-K检验进行多重比较。通过双因素方差分析比较重金属类型与浸提液类型对莴苣种子萌发和幼苗生长指标的影响。通过通径分析(基于通径系数的大小)探讨莴苣种子萌发和幼苗生长指标对胁迫强度指数的贡献强度。P<0.05代表差异显著。数据统计分析应用SPSS 26.0完成。种子萌发和幼苗生长指标均以平均值±标准差表示。

2 结 果

2.1 浸提液对莴苣种子萌发和幼苗生长的影响

与浸提液对照相比,所有类型的浸提液在大多情况下显著降低了莴苣种子萌发指标(P<0.05,图1),但显著增加了莴苣的根长和幼苗鲜重(P<0.05,图2B、G)。

在不同类型的浸提液处理下,莴苣的种子萌发指标大小依次为:根浸提液>叶浸提液>根叶混合浸提液(P<0.05,图1)。

2.2 重金属溶液对莴苣种子萌发和幼苗生长的影响

与重金属对照相比,所有重金属类型处理均显著降低了除发芽率之外的莴苣种子萌发指标(P<0.05,图1B—F),以及莴苣的株高、根长、叶宽、绿色叶面积和鲜重(P<0.05,图2A、B、D—F)。

在大多情况下,铜溶液处理下莴苣种子萌发和幼苗生长指标显著低于铅溶液和铜铅混合溶液处理下莴苣种子萌发和幼苗生长指标(P<0.05,图1和图2)。不同类型重金属溶液处理下,莴苣的发芽指数大小依次为:铅溶液>铜铅混合溶液>铜溶液(P<0.05,图1C)。

2.3 重金属溶液和根叶浸提液复合处理对莴苣种子萌发和幼苗生长的影响

与对照相比,所有类型的重金属溶液和所有类型的浸提液复合处理在大多情况下均显著降低了莴苣种子萌发和幼苗生长指标(P<0.05,图1和图2)。

在大多情况下,所有类型的重金属溶液和浸提液复合处理下莴苣种子萌发和幼苗生长指标显著低于仅有浸提液处理下莴苣种子萌发和幼苗生长指标(P<0.05,图1和图2)。

在大多情况下,所有类型的重金属溶液和浸提液复合处理下,浸提液对莴苣种子萌发和幼苗生长指标抑制程度依次为:根叶混合浸提液>叶浸提液>根浸提液(P<0.05,图1和图2)。

2.4 重金属类型以及浸提液类型对莴苣种子萌发和幼苗生长指标的影响

双因素方差分析结果显示(表1):重金属类型显著影响莴苣的所有种子萌发指标以及除幼苗干重之外的幼苗生长指标(P<0.05);浸提液类型显著影响莴苣的所有种子萌发指标以及幼苗干重(P<0.05);重金属类型和浸提液类型交互作用显著影响莴苣的发芽率、发芽速度指数、发芽活力指数、发芽快速响应指数、鲜重和湿度(P<0.05)。

表1 双因素方差分析分析重金属类型和浸提液类型对莴苣种子萌发和幼苗生长指标的影响Table 1 Effects of heavy metal type and extracts type on the seed germination and seedling growth indexes of L.sativa by Two-Way ANOVA

2.5 不同处理对莴苣种子萌发和幼苗生长的胁迫强度

结果显示(图3):无浸提液处理下,铜溶液对莴苣的胁迫强度显著高于铅溶液以及铜铅混合溶液(P<0.05)。叶浸提液以及根叶混合浸提液对莴苣的胁迫强度显著高于根浸提液(P<0.05)。在铜溶液以及铜铅混合溶液处理下,所有浸提液类型对莴苣的胁迫强度显著高于无重金属处理下同一浸提液类型对莴苣的胁迫强度(P<0.05)。与根浸提液复合处理下,铜及铜铅混合溶液对莴苣的胁迫强度显著高于铅溶液(P<0.05)。与叶浸提液复合处理下,铜铅混合溶液对莴苣的胁迫强度显著高于铅溶液(P<0.05)。与根叶浸提液复合处理下,铜铅混合溶液对莴苣的胁迫强度显著高于铅溶液(P<0.05)。与铜溶液复合处理下,叶浸提液及根叶混合浸提液对莴苣的胁迫强度显著高于根浸提液复合处理(P<0.05)。与铅溶液复合处理下,叶浸提液对莴苣的胁迫强度显著高于根浸提液(P<0.05)。与铜铅混合溶液复合处理下,叶浸提液及根叶混合浸提液对莴苣的胁迫强度显著高于根浸提液(P<0.05)。

2.6 莴苣种子萌发和幼苗生长指标对胁迫强度指数的贡献强度

根据通径分析结果,莴苣发芽率、发芽势、发芽指数、发芽速度指数和发芽快速响应指数的通径系数绝对值明显高于其他指标的通径系数绝对值(表2)。

表2 各指标的通径系数Table 2 The path coefficient of each index

3 讨 论

3.1 浸提液对莴苣种子萌发和幼苗生长的影响

已有研究表明,化感效应对加拿大一枝黄花的成功入侵至关重要[5,10]。在本研究中,所有类型的加拿大一枝黄花浸提液均对莴苣产生了显著的化感效应,特别是对莴苣种子萌发产生的化感效应更为明显。原因可能是加拿大一枝黄花的化感物质显著抑制莴苣的种子萌发,特别是显著影响莴苣的营养吸收和细胞分裂等代谢[4-5]。然而,加拿大一枝黄花浸提液也对莴苣的幼苗生长产生了一定的促进作用,尤其是在植株生长能力方面。因此,加拿大一枝黄花的化感效应可能会对莴苣的幼苗生长产生一定程度的正面影响。原因可能是加拿大一枝黄花释放的低水平化感物质触发了参与植物细胞延伸的活性氧分子,并随后促进莴苣幼苗的生长,即:低入侵水平的化感效应可能促进临近植物的幼苗生长[8,15]。该现象通常被认为是一种毒物兴奋效应,这是植物在适应生境环境条件变化进程中的一种进化响应策略[29-30]。

一般情况下,入侵植物可以通过地上部分(主要是凋落物降解)以及地下部分(主要是根系分泌物)的代谢活动对其临近植物产生明显的化感效应[16,31]。由于化感效应的来源不同,其化感效应强度可能也不同,这可能与化感物质的种类和含量及其化感强度密切相关[16,32]。在本研究中,加拿大一枝黄花叶浸提液产生的化感效应明显高于根浸提液,即:加拿大一枝黄花地上部分产生的化感效应强度更高。已有研究也验证了入侵植物地上部分产生的化感效应更强[16,33]。这可能是由于入侵植物地上部分的化感物质含量更高,或化感物质种类更多,亦或化感物质更易溶出[16,33]。

在本研究中,加拿大一枝黄花根叶混合浸提液产生的复合化感效应明显高于其叶浸提液和根浸提液。因此,加拿大一枝黄花地上部分和地下部分的复合化感效应对莴苣种子萌发存在一定程度的叠加效应。这可能是在加拿大一枝黄花地上部分和地下部分复合处理下,释放的化感物质含量可能更高和(或)化感物质种类可能更多。

3.2 重金属溶液对莴苣种子萌发和幼苗生长的影响

在本研究中,所有类型的重金属溶液均显著抑制了莴苣的种子萌发和幼苗生长。这可能是因为重金属会扰乱质膜通透性,增加活性氧的产生,减少细胞分裂,影响水分和养分吸收,进而抑制莴苣的新陈代谢,如光合作用等[34-35]。此外,也可能是因为在本研究中,两种重金属污染显著降低了莴苣幼苗对阳光获取的竞争能力、莴苣幼苗对水分和盐分获取的竞争能力以及莴苣幼苗叶片光合面积的大小,从而明显抑制莴苣的生长。

此外,铜对莴苣种子萌发和幼苗生长的影响强度明显高于铅。这可能是因为铅并非植物生长所需必要元素,而铜则是参与植物生长发育过程所必需的重要微量元素之一,且当其浓度超过阈值时会对植物生长产生一定的抑制作用:当铜离子超过一定浓度后会通过影响酶活性和渗透作用来抑制植物种子的萌发,或通过改变根分生组织细胞增殖速度或调节生长素和细胞分裂素等植物激素影响根系发育,亦或通过抑制叶绿素的合成使得植物光合效率降低[34,36]。

与铜单一污染对莴苣种子萌发和幼苗生长产生的影响强度相比,铜铅复合污染对莴苣种子萌发的影响强度更弱。因此,铜铅复合污染对莴苣种子萌发具有一定程度的拮抗作用。前期研究也发现,两种重金属对植物生长和生理性能的复合效应存在拮抗作用[8,37]。该现象可能是由一种重金属对另一种重金属吸收的平衡作用所致[8,37]。

3.3 重金属溶液和浸提液复合处理对莴苣种子萌发和幼苗生长的影响

在本研究中,两种重金属污染显著增强了加拿大一枝黄花对莴苣种子萌发和幼苗生长的化感效应强度。原因可能是加拿大一枝黄花的浸提液以及重金属污染均对莴苣种子萌发和幼苗生长产生显著的负面影响,从而致使两种处理产生协同作用[8-9]。已有研究表明,呈弱酸性的酚类(特别是多酚)是加拿大一枝黄花化感物质的主要成分[9,38],而酸性环境会显著增加重金属的溶解度和生态毒性[9,39]。因此,重金属污染通常会显著增强入侵植物的化感效应强度[8-9]。

根据通径分析结果可知,在重金属污染下,加拿大一枝黄花的化感效应主要是对莴苣种子萌发的胁迫所致。而且,在本研究中,加拿大一枝黄花的地上部分和地下部分均显著抑制莴苣的种子萌发;且根据双因素方差分析结果,重金属类型和浸提液类型均显著影响莴苣的所有种子萌发指标。因此,在两种重金属污染下,加拿大一枝黄花的化感效应主要表现为对临近植物种子的抑制作用。

在本研究中,在两种重金属污染下,加拿大一枝黄花地上部分对莴苣产生的化感效应强度显著高于其地下部分对莴苣产生的化感效应强度。更为关键的是,与两种重金属污染对根或叶浸提液产生化感效应的影响强度相比,两种重金属污染对根叶混合浸提液产生复合化感效应的影响强度更高。所以,重金属污染可能通过增强加拿大一枝黄花(特别是地上部分和地下部分复合)对临近植物种子萌发和幼苗生长的化感效应强度,促进了其成功入侵。