工业大麻品种萌发期及幼苗前期重金属Pb耐性评价研究

陈仲英，龙瑜菡，徐云，袁青，杜光辉，刘飞虎

(云南大学农学院，昆明 650091)

工业大麻品种萌发期及幼苗前期重金属Pb耐性评价研究

陈仲英，龙瑜菡，徐云，袁青，杜光辉，刘飞虎*

(云南大学农学院，昆明 650091)

摘要：采用滤纸培养法，研究重金属铅(Pb)对7个工业大麻品种种子萌发及幼苗前期生长的影响，并通过隶属函数法综合评价各品种的Pb耐受能力。结果表明：Pb对多数大麻品种发芽势和发芽率无明显影响，对根的伸长生长和侧根的发育有显著抑制作用，对芽生长则表现为“低促高抑”；以600 mg/L Pb为筛选浓度，以相对根冠比、相对根长、相对芽长、相对侧根数、根耐性指数和芽耐性指数为评价指标，根据隶属函数加权平均值D值大小，研究发现巴马火麻(B)、庆麻1号(Q1)、云晚6号(Y6)和云麻5号(Y5)为高耐型，皖麻1号(W1)和云麻1号(Y1)为中耐型，晋麻1号(J1)为低耐型。

关键词：工业大麻；种子萌发；Pb耐性；隶属函数法

近年来，由于工农业发展所导致的重金属水体污染和土壤污染，不但影响植物生长，而且严重破坏生态环境，危害人类健康[1]。因此，研究植物对重金属胁迫的生理生态反应、改善重金属污染环境，已成为当今生态学、环境工程和土壤学等研究的重要内容。重金属Pb是植物生长发育的非必需元素，一旦被根系吸收，将大部分滞留在根中，很难转运到地上部分，对整个植株的生长造成严重伤害[2-4]。研究表明，Pb不仅影响植物种子萌发[5]，诱使根尖形态改变、抑制植物生长[6]，也会影响植物性别分化[7]等。

工业大麻是重要的纤维作物之一，其产品涉及各行各业，具有较高的开发利用价值[8-9]，其栽培与应用研究已成为我国麻类产业体系建设的重要内容[10]。研究表明，工业大麻是重金属植物修复的候选植物之一[11-12]，其对多种重金属有较高的耐性，较高浓度胁迫对工业大麻的影响并不严重[13]。然而，工业大麻不同生长发育时期对重金属的响应及其机理仍不是很清楚。不同工业大麻品种对重金属的响应具有一定的差异性[12,14]，但是关于大麻品种重金属耐性评价的报道却少见。种子萌发、胚根伸长过程是植物感受环境变化的最初阶段，植物对环境胁迫的敏感性直接影响植物的生存。因此，本试验设计不同Pb质量浓度，研究重金属Pb对工业大麻种子萌发和幼苗根和芽生长的影响，并对该时期不同工业大麻品种的Pb耐性进行评价，旨在揭示该时期工业大麻的重金属耐性能力，同时初步筛选出重金属Pb耐性大麻品种，为大麻在重金属污染土壤的种植与利用方面提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验使用的7个工业大麻品种为云麻1号(Y1)、云麻5号(Y5)、云晚6号(Y6)、晋麻1号(J1)、庆麻1号(Q1)、皖麻1号(W1)和巴马火麻(B)。

1.2试验设计与处理

以品种为因素A、Pb2+浓度为因素B，采用完全随机设计。因素B设7个水平，即0(蒸馏水)、150、300、450、600、900、1200 mg/L，用Pb(NO3)2配制。选取均匀饱满的大麻种子，用0.1% KMnO4溶液消毒10 min，蒸馏水反复冲洗干净，滤纸吸干表面水分。挑选30粒种子均匀置于培养瓶内(大小6×10 cm，内置3层定性滤纸)，加入15 mL不同浓度的Pb溶液，以蒸馏水处理为对照，每个处理3个重复。将培养瓶置于人工气候箱内(光照12 h/d，光强10000 lx，光照期温度25℃，黑暗期温度20℃)。隔天补充重金属溶液至滤纸饱和，以维持发芽的湿度和重金属的质量浓度。以胚根长等于大麻种子长度为发芽标准，第3天统计发芽势，第7天统计发芽率。第7天后各处理随机选取10株，以侧根长≥0.5 mm统计侧根数[15]，记录根长、芽长、侧根数、根鲜重、芽鲜重，计算抑制指数、耐性指数和侧根率。计算公式如下：

根长(芽长)抑制指数=(对照-处理)/对照[16]

根(芽)耐性指数=处理最大根长(芽长)/对照最大根长(芽长)

侧根率=具有侧根的幼苗数量/总发芽数

根冠比=根鲜重/芽鲜重

1.3Pb耐性鉴定指标的筛选

参考孙小芳和刘友良[17]的指标筛选方法，将各项指标值换算成相对值后，统计各品种每一浓度下的平均值，分析各项相对指标与Pb浓度的相关性，R2越大，说明该指标对Pb胁迫越敏感，可靠性越高。标准差的大小和变化，体现指标的稳定性。标准差越小，稳定性越高。因此，选用可靠性高和稳定性好的指标作为Pb耐性鉴定指标。

1.4Pb耐性综合评价

根据D值大小对品种进行Pb耐性排序：D≥0.70为1级强耐型，0.50≤D<0.70为2级中耐型，0.30≤D<0.50为3级低耐型，D<0.30为4级不耐型。

1.5数据处理

用SPSS 21.0软件进行单因素方差分析、显著性检验，用Excel进行数据处理和图表制作。

2结果与分析

2.1Pb对大麻发芽势和发芽率的影响

如表1所示，在不同Pb2+浓度下，各品种发芽势均与对照差异不显著；Y5和Y6发芽率随浓度升高而升高，说明Pb处理促进其萌发；其他5个品种发芽率与对照并无显著差异。

表1Pb对大麻种子萌发的影响

Tab.1Effects of Pb stress on seed germination of seven hemp varieties

注：同列同一品种不同小写字母表示差异达0.05显著水平(下同)。

2.2Pb对大麻幼苗前期生长的影响

如表2所示，在150 mg/L Pb处理下，Y6和B根长与对照无显著差异，其他处理下与对照有显著差异，呈下降趋势；当Pb浓度≥450 mg/L，7个品种根长差异较小或无差异。随胁迫的增强，Y1、Y5、J1和B的芽长呈下降趋势，J1下降幅度较小；Y6、Q1和W1芽长先升后降，说明Pb对这3个品种芽的生长有“低促高抑”的作用。

本试验中，随Pb浓度的升高，Y6和J1根鲜重先升后降，在150 mg/L时最大；不同Pb处理下Y1根鲜重显著低于对照但差异不大；低浓度Pb处理对Y5和W1 根鲜重无影响，高浓度体现为明显抑制；Q1和B根鲜重在150 mg/L时与对照无差异，其他处理下显著低于对照。Pb胁迫对Y1芽鲜重无明显影响；随Pb浓度的升高，Q1芽鲜重显著下降，其余5个品种芽鲜重先升后降(见表2)。

表2Pb对大麻品种幼苗生长的影响

Tab.2Effects of Pb stress on the seedling growth of seven hemp varieties

2.3Pb对大麻侧根发育的影响

如表3所示， Y5、Y6、J1和W1侧根数量随Pb浓度的升高先缓慢上升后下降，分别在300 mg/L、150 mg/L、450 mg/L和450 mg/L达到最大值。Y1、Q1和B侧根数量呈下降趋势，但在150 mg/L至600 mg/L Pb浓度下，Y1和Q1各自的侧根数量无差异；低浓度(150 mg/L和300 mg/L)处理下，B侧根数量在150 mg/L和300 mg/L浓度下与对照无差异。

侧根率反映Pb对幼苗群体生长的影响。Pb胁迫对Y1、Y6、W1侧根率无明显影响；随Pb胁迫的增强，Q1侧根率呈显著下降趋势，J1侧根率呈上升趋势；Y5和B侧根率先升后降，低浓度促进侧根形成。

表3Pb对大麻侧根发育的影响

Tab.3Effects of Pb stress on the development of lateral roots of seven hemp varieties

2.4Pb对大麻根长/芽长抑制指数的影响

由图1可知，随Pb浓度的升高，根长抑制指数增大。150 mg/L浓度下，除Y6、J1、W1、B外，抑制指数高于0.3；600 mg/L时均高于0.7。由图2可知，低浓度下，Y5、Y6、Q1芽长抑制指数为负值，说明低浓度对其芽长有促进作用；而高浓度胁迫时表现为抑制作用。芽长抑制指数先降后升，但低于0.6。综合图1和图2可知，Pb对大麻幼根生长抑制大于对芽生长的抑制。

2.5不同指标对Pb胁迫的敏感性和稳定性

由表4可知，相对根冠比、相对根长、相对芽长、芽耐性指数、根耐性指数下降幅度大，与Pb胁迫的相关性高于0.85，可靠性好，同时，标准差也较小，稳定性较高；而相对侧根数和相对侧根率与Pb胁迫相关性不高，标准差也较大；相对发芽率与Pb胁迫相关性最低。

表47个大麻品种Pb耐性评价指标相对值的平均值和标准差

Tab.4Means and their standard deviations of the relative parameters for Pb tolerance of seven hemp varieties

2.6不同大麻品种Pb耐性综合评价

选择对大麻根和芽生长具有限制性作用的Pb浓度(600 mg/L)，以相对根冠比、相对根长、相对芽长、相对侧根数、根耐性指数和芽耐性指数为评价指标，采用隶属函数法对各品种Pb耐性进行评价，结果如表5所示。根据隶属函数加权平均值(D)的大小，得到7个品种Pb耐性强弱：巴马火麻(B)、庆麻1号(Q1)、云晚6号(Y6)、云麻5号(Y5)为高耐型，皖麻1号(W1)和云麻1号(Y1)为中耐型，晋麻1号(J1)为低耐型。

表5不同大麻品种Pb耐性(600 mg/L)的综合评价

Tab.5Comprehensive evaluation of Pb tolerance of hemp varieties

注：根据D值的大小对品种进行耐性鉴定，即D≥0.7为1级高耐型，0.50≤D≤0.70为2级中耐型，0.30≤D<0.50为3级低耐型，D<0.3为4级不耐型。

3讨论

3.1Pb胁迫对大麻种子萌发的影响

多数重金属是植物生长的非必需元素，对植物的萌发及生长发育具有抑制作用[5]。Pb浓度达到100 mg/L时, 对小麦种子的萌发表现为显著抑制作用，对水稻[19]和玉米[20]种子萌发也具有明显抑制作用，但是对烟草种子的萌发影响不大[21]。本试验中，Pb胁迫下，各品种发芽势与对照并无差异，发芽率仅在云麻5号和云麻6号中存在差异；除云麻5号、云麻6号和巴马火麻外，其他品种相对发芽率在Pb胁迫下无明显差异，与Pb胁迫相关性低(7个品种r值依次为-0.203，0.692，0.853，0.775，-0.183，-0.350，-0.726)。许艳萍等[22]研究也表明，Pb胁迫对大麻种子萌发抑制作用较小，在1000 mg/L浓度时，萌发率仍然达到80%以上。出现该结果的原因可能是大麻种子大、壳厚且硬，在萌发过程中可能有缓解Pb胁迫的作用，从而导致大麻种子萌发对Pb胁迫不敏感。

3.2Pb胁迫对大麻幼苗前期生长的影响

研究结果表明，Pb胁迫对大麻品种根生长均具有明显的抑制作用，芽则表现为“低促高抑”，高浓度下侧根数量显著低于对照，根长、芽长和侧根数对Pb的敏感性大小顺序为根长>芽长>侧根数，根的耐性低于芽的耐性。Kopittke等[6]研究发现，高浓度Pb胁迫导致虎尾草根毛缩短、根尖弯曲，表现出明显的毒性症状。大麻为深根作物[9]，发达的根系意味着地上生物量高。侧根发育的情况可以反映重金属胁迫下幼苗的抗性能力。本实验结果表明，中高浓度重金属Pb胁迫严重抑制主根的伸长和侧根的形成，根冠比随胁迫的增强呈显著负相关。由于Pb在普通植物中转运能力比Cd等重金属低[12]，主要积累在根中[23]；而且，Pb会诱导植物细胞微核形成，使有丝分裂受阻、DNA损伤和酶活性扰乱等[3,24]，这可能与Pb对大麻根的伤害最大有关，其作用机理有待进一步研究。侧根率代表了大麻群体对Pb的反应一致性，同一Pb浓度下大麻品种的侧根率越低，说明该品种Pb敏感性较高、耐性较低，同时也说明该品种内个体间差异越大，这样的品种有晋麻1号、云麻1号、皖麻1号和巴马火麻。

3.3大麻品种Pb耐性鉴定指标的筛选

孙小芳和刘友良[17]在研究棉花品种耐盐性时指出，因品种本身性状存在固有差异，部分指标绝对值并不能作为品种评价的有效指标，要真正反映品种抗(耐)性，只有选择各个指标相对值来进行评价。在本实验中，对照条件下品种间发芽存在品种差异，且大麻种子萌发对Pb胁迫不敏感，多数品种Pb处理下与对照无显著差异，因此其相对指标不能作为比较评价不同品种Pb耐性的有效指标。通过分析各相对指标值与Pb胁迫强度间的相关性，依据相对指标下降幅度和相对指标标准差大小，进一步检验了几个指标的可靠性和稳定性。由于相对发芽率与Pb胁迫间相关性很低(R2=0.17)，因此不能用于大麻品种Pb耐性的综合评价。相对侧根数和相对侧根率与Pb胁迫间相关性较低(分别为0.6和0.5)，但是由于侧根的形成是大麻对Pb耐性最重要的体现之一，不容忽视，因此选择两者中相关性更高的指标参与大麻品种Pb耐性的综合评价。

3.4大麻品种Pb耐性评价

大麻品种的Pb耐性是一个复杂的生物性状，是基因与环境的综合表现。在萌发期及幼苗生长初期，对大麻品种Pb耐性鉴定，是进行大麻Pb耐性品种筛选及Pb污染修复的基础。不同大麻品种对Pb胁迫的表现不尽相同，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；根据隶属函数值加权平均值大小对Pb耐性进行排序，增加大麻品种Pb耐性的可靠性。本试验中，隶属函数法鉴定出的Pb高耐性品种Y5、Y6、B和Q1、中耐性品种W1和Y1、低耐性品种J1与实际观测耐性一致。

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Tolerance of Industrial Hemp to Pb at the Stage of Seed Germination and Young Seedling Growth

CHEN Zhongying, LONG Yuhan, XU Yun, YUAN Qing, DU Guanghui, LIU Feihu*

(School of Agriculture, Yunnan University, Kunming 650091, China)

Abstract:Effects of Pb stress on germination and young seedling growth of seven industrial hemp cultivars were tested, and a comprehensive evaluation of Pb tolerance of the seven cultivars was assessed using Subordinate Function Methods. Pb stress had no significant impact to germination potential and germination ratio of seeds in the most cultivars, but the elongation of radicle and development of lateral roots were significantly inhibited by Pb stress. A low concentration of Pb2+showed that the trend of stimulation was obvious in shoot growth, while high concentrations of Pb2+had negative influence on shoot growth. Pb tolerance of the seven hemp cultivars were identified based on six indexes, including relative root/shoot ratio, relative root length, relative shoot length, relative number of lateral root, root tolerance index and shoot tolerance index under the stress of 600 mg/L Pb. Pb tolerance of the cultivars were classified into high of Qingma 1, Wanma 1, Bamahuoma and Yunwan 6, medium of Yunma 5 and Yumma 1 and low of Jinma 1 according to the weighed means of Subordinate Function values.

Key words:industrial hemp; seed germination; Pb tolerance; Subordinate Function Methods

文章编号：1671-3532(2016)03-0097-08

收稿日期：：2016-03-11

基金项目：现代农业产业技术体系(CARS-19)

作者简介：陈仲英(1991-)，女，硕士研究生，从事大麻栽培育种研究。E-mail：chzhy725@sina.com。 *通讯作者:刘飞虎(1958-)，男，教授，从事麻类作物栽培育种研究。E-mail: dmzpynu@126.com。

中图分类号：S563.3

文献标识码：A