铜镉复合胁迫对5种观赏草种子萌发特性的影响

许志敏 何侃 林涛 陈安利 朱婷 丁国昌

摘要：本试验以5种狼尾草属观赏草为材料，探究了铜镉复合胁迫对供试材料种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明，随着胁迫浓度的增加，5种狼尾草属观赏草种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、苗长、根长和幼苗鲜重均呈逐渐下降的趋势。低浓度Cu（≤100 mg· L-1）、Cd（≤10 mg· L-1）胁迫对5种供试材料的发芽势、发芽率、发芽指数、幼苗苗长和鲜重抑制作用相对较小，但幼苗根长开始受到明显抑制;高浓度Cu（400 mg· L-1）、Cd（100 mg· L-1）对各项指标抑制作用达到最大，幼苗甚至出现“无根苗”现象。采用隶属函数法对供试观赏草材料耐铜镉性进行评价，耐性强弱依次为金红羽狼尾草>小兔子狼尾草>紫叶狼尾草>东方狼尾草>紫穗狼尾草。综合分析认为金红羽狼尾草在不同浓度铜镉复合胁迫下耐受性表现较好，可进一步进行盆栽和大田试验，为耐铜镉超富集植物的种质资源筛选提供参考。

关键词：铜镉复合胁迫;狼尾草属;观赏草;超富集植物;隶属函数法;萌发特性

中图分类号：S543+.901  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2019）08-0059-06

Abstract In this study， five species of Pennisetum ornamental grasses were used as experimental materials to investigate the effects of copper-cadmium combined stress on seed germination and seedling growth of the tested materials. The results showed that the germination rate， germination potential， germination index， vigor index， seedling length， root length and fresh weight of ornamental seeds of five species of Pennisetum ornamental grasses showed declined gradually with the increase of stress concentration. The low concentration of Cu （≤ 100 mg·L-1） and Cd （≤ 10 mg·L-1） stress had relatively little inhibition on the germination potential， germination rate， germination index， seedling length and fresh weight of the five tested materials， however， the seedling root length began to be significantly inhibited. The high concentration of Cu （400 mg·L-1） and Cd （100 mg·L-1） had the greatest inhibitory effect on various indexes， and the seedlings even had the phenomenon of no roots. The copper-cadmium resistance of the tested ornamental grass materials was evaluated by membership function method， and the tolerance was in the order of P. setaceum>P. alopecuroides cv. ‘Little Bunny>P. setaceum ‘Rubrum>P. orientale>P. orientale alopecuroides. According to the comprehensive analysis， the tolerance of P. setaceum under different concentrations of copper and cadmium was better， and the pot and field tests could be carried out to provide references for the screening of germplasm resources for copper-cadmium hyperaccumulator.

Keywords Copper-cadmium combined stress;Pennisetum;Ornamental grass; Hyperaccumulator; Membership function method; Germination characteristics

大氣沉降、污泥施肥、农药、化肥和塑料薄膜的使用、含重金属废弃物的堆积和矿山的不合理开采等是土壤重金属的主要来源[1]。土壤遭受重金属污染，不仅具有持续性、隐蔽性和不可逆积累性等，还能够通过食物链进入人体从而危害人类健康和生命，对人类社会活动和生态环境造成严重的影响[2]。据相关研究数据显示，土壤中铜和镉的点位超标率分别为2.1%、7.0%，位于土壤重金属污染的前列[3]，且多地区存在严重的铜镉复合污染问题。同时有关研究表明，土壤中的污染源并非单独存在，往往是多种污染元素同时存在，产生综合作用[4，5]。这将加剧治理土壤重金属污染的难度。

植物修复技术是治理重金属污染中绿色、环保、有效的措施之一，寻找超富集植物并研究其抗性机理是植物修复技术的重要环节。因此，筛选更多的超富集植物对于重金属土壤修复具有重大意义。

观赏草是一类株型优美、色彩丰富的草本植物，以禾本科（Poaceae）草为主[6]。禾本科狼尾草属（Pennisetum）观赏草不仅是建造生态型园林中较为常见的一类植物[7，8]，还因其具有生物量大、根系庞大、生长快速、抗逆性强等特性，可能是具有潜在的超富集植物。现有的关于狼尾草属观赏草的研究主要涉及生理生化分析、抗逆性研究[9-11]以及园林应用等[7，12，13]。但对于狼尾草属观赏草抗重金属的研究较少，且主要涉及单一重金属的耐性研究[14，15]，同时对重金属胁迫下狼尾草属植物种子的萌发特性和耐受性报道也较少[16-18]。

本研究结合东南沿海地区的气候特点，参照孟晓蕊[19]及何新杰[20]等相关研究结果，初步筛选出5种狼尾草属观赏草种子作为试材，设置不同浓度铜镉复合胁迫试验，对5种狼尾草属观赏草种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、苗长、根长和幼苗鲜重的影响进行探讨。同时利用隶属函数法，综合评价不同逆境胁迫条件下5种狼尾草属观赏草的耐性差异，筛选出萌发期对铜镉耐性较强的品种。以期为狼尾草属观赏草耐重金属机理的研究奠定基础，也为狼尾草属观赏草修复重金属污染土壤、改善生态环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2018年11月进行。试验材料为5种狼尾草属观赏草种子，分别为金红羽狼尾草（P. setaceum）、小兔子狼尾草（P.alopecuroides cv.‘Little Bunny）、紫叶狼尾草（P. setaceum ‘Rubrum）、东方狼尾草（P. orientale）、紫穗狼尾草（P. orientale alopecuroides），采购自江苏省沭阳县溢芳花卉园。

1.2 方法

试验用铜和镉溶液分别采用CuSO4·5H2O和CdCl2·2.5H2O配置，设4个浓度（mg·L-1）组合处理，即：CK，0 （以去离子水对照）;T1，100+10;T2，200+30;T3，300+50;T4，400+100。用0.1%高锰酸钾溶液消毒浸泡种子15 min，蒸馏水反复冲洗后，用滤纸吸干种子表面的水分，备用。取直径9 cm的培養皿，铺置一层脱脂棉和滤纸作为发芽床，每培养皿放入50粒种子，将配好的重金属溶液置于培养皿中，至滤纸饱和为止。每处理重复3次，放置光照培养箱进行培养。每天观察记录种子萌发情况。

1.3 测定指标与方法

1.3.1种子发芽指标测定 以胚根长度达到种子等长，胚芽长度达到种子一半作为发芽标准。发芽指标参照赵玉红等[21]的计算公式。

发芽率=前10天萌发种子数/种子总数×100%;发芽势=4天内萌发种子数/种子总数×100%;发芽指数=ΣGt/Dt（Gt指在t时间内发芽数，Dt为相应的萌发天数）;活力指数=发芽指数×苗长度。

1.3.2 形态学指标测定 从培养皿中各取出10株长势一致的幼苗，用游标卡尺测量苗长和根长，读数精确到0.01 mm，用电子天平称幼苗鲜重。

1.4 数据处理

所有数据处理和统计分析均基于Microsoft Excel 2010和SPSS 23.0软件进行。采用单因素方差分析（ANOVA）和多重比较法进行统计分析，用邓肯法对数据进行差异显著性分析。

采用模糊数学中的隶属函数法，对5种狼尾草属观赏草在重金属铜镉复合胁迫下的种子萌发和幼苗生长进行综合性评价，参照雷舒涵等[22]的方法。

2 结果与分析

2.1 重金属Cu2+和Cd2+胁迫对狼尾草属观赏草种子发芽率和发芽势的影响

由图1、2可知，随胁迫浓度的增大，5种供试种子的发芽率和发芽势呈逐渐下降趋势。在低浓度T1时，小兔子狼尾草的发芽率显著低于对照（P<0.05）;在发芽势方面，小兔子狼尾草、紫穗狼尾草和东方狼尾草显著小于对照（P<0.05）。在T2浓度胁迫后，5种供试种子的发芽率和发芽势降幅加快。在T4高浓度胁迫时，对发芽率和发芽势的抑制作用达到最大，所有种子发芽率均未达50%，毒害作用较为严重，且紫穗狼尾草的降幅最大，为81.51%，小兔子狼尾草降幅最小;同时紫穗狼尾草发芽势降幅最大，为78.50%，紫叶狼尾草发芽势降幅最小，为66.21%。

柱上方不同小写字母代表不同铜镉复合胁迫处理下同一观赏草品种间差异显著（P<0.05），下同。

2.2 重金属Cu2+和Cd2+胁迫对狼尾草属观赏草种子发芽指数、活力指数的影响

由表1可知，随胁迫强度的增加，5种供试种子的发芽指数逐渐降低。在低浓度T1时，小兔子狼尾草发芽指数与对照差异显著（P<0.05）。在T2浓度胁迫后，供试种子的发芽指数显著下降，在高浓度T4胁迫时，紫穗狼尾草发芽指数为3.48，降幅最大，达80.95%;紫叶狼尾草降幅最低，降幅61.96%。

随着胁迫强度的增加，5种供试种子的活力指数也逐渐降低。在T2浓度胁迫后，所有种子的活力指数显著下降，小兔子狼尾草降幅最大，为63.20%，紫叶狼尾草降幅最小。在高浓度T4胁迫下，紫穗狼尾草的活力指数最低，为4.18，降幅最大;其次是东方狼尾草，降幅最低的是紫叶狼尾草，为85.86%。

2.3 重金属Cu2+和Cd2+胁迫对狼尾草属观赏草幼苗苗长、根长的影响

由表2可知，随着胁迫浓度的增加，5种供试材料的苗长和根长均呈逐渐减小的趋势。在T1低浓度胁迫时，小兔子狼尾草的苗长降幅最小，为23.75%，东方狼尾草的降幅最大，为33.11%;紫穗狼尾草的根长降幅最小，为63.66%，东方狼尾草的降幅最大，为69.13%;在T2浓度胁迫后，5种供试材料的苗长和根长均显著小于对照（P<0.05）。在高浓度T4胁迫时，根长的抑制作用比苗长更强，且所有供试材料种子均出现“无根苗”。与对照相比，东方狼尾草的苗长降幅最小，为57.00%，紫叶狼尾草的苗长降幅最大，为63.41%;东方狼尾草根长的降幅最大，为91.02%，金红羽狼尾草的根长降幅最小，为88.88%。

2.4 重金属Cu2+和Cd2+胁迫对狼尾草属观赏草幼苗鲜重的影响

由表3可知，随重金属浓度的增加，5种供试材料种子的幼苗鲜重逐渐下降，且各处理均显著低于对照（P<0.05）。在T1低浓度胁迫时，幼苗鲜重降幅最小，紫穗狼尾草、小兔子狼尾草、紫叶狼尾草、东方狼尾草和金红羽狼尾草的降幅分别为21.63%、18.38%、16.45%、15.83%、12.57%。在高浓度胁迫T4时，所有供试材料幼苗鲜重的降幅均较大，小兔子狼尾草的降幅最大，为55.58%，金红羽狼尾草的降幅最小，为50.06%。

2.5 5种狼尾草属观赏草种子萌发期耐受性评价

试验结果表明，在T3和T4浓度处理时各指标变异系数最大，因此，采用T3和T4胁迫下发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、苗长、根长和幼苗鲜重7个指标相对值的平均值作为5种狼尾草属观赏草种子萌发期重金属铜和镉耐受性综合评价的实测值（表4），计算各指标的隶属函数值、权重及综合评价值（表5）。5种狼尾草属观赏草种子萌发期对重金属铜镉耐受性强弱依次为金红羽狼尾草>小兔子狼尾草>紫叶狼尾草>东方狼尾草>紫穗狼尾草。

3 讨论与结论

本试验探究了在铜镉复合胁迫条件下，对5种狼尾草属观赏草种子萌发特性和幼苗生长的影响，以筛选出对重金属铜和镉有较强耐受能力的狼尾草属观赏草，对研究狼尾草属观赏草铜、镉胁迫机制、指导铜和镉污染地区的生态恢复有重要意义。本试验结果表明：随着胁迫浓度的增加，5种狼尾草属观赏草种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，均呈不同程度的下降趋势。在高浓度胁迫时，对5种供试种子萌发的抑制作用达到最大，发芽率均降至50%以下，发芽指数和活力指数降幅显著，其中对紫穗狼尾草的抑制作用最大。同时，随着胁迫浓度的增加，5种供试草种的幼苗苗长、根长和鲜重呈逐渐下降趋势，这和其它植物对重金属反应一致[23]。尤其是在高浓度T4胁迫时，5种供试材料的幼苗苗长、根长受到严重抑制，甚至均出现了“无根苗”。重金属胁迫下植物根系比茎叶响应程度剧烈，这与孙金金等[24]探究重金属对8种禾草幼苗生长研究结果一致。相关研究表明，这可能是种子萌发期间，根部最先突破种皮吸水，导致根的重金属累积量以及受迫时间比胚芽长造成的[25]，而且根部是植物最重要的络合重金属的部位，也是最易受到重金属毒害的部位，因此其受毒害作用也比胚芽深[26]。

不同浓度的铜和镉对植物种子萌发和幼苗生长会产生不同的影响。一般认为，铜和镉在低浓度时对种子萌发和幼苗生长具有促进作用，但过量的铜和镉具有较强毒性，会导致植物生长发育不良、生理代谢过程紊乱等[27]。王新新等[28]研究镉胁迫对碱蓬种子萌发试验表明，低浓度的镉对碱蓬种子发芽率、发芽指数、活力指数和根长、苗长具有促进作用，而高浓度时体现出抑制的特性。赵玉红等[21]在铜、镉等胁迫对4种豆科植物的试验时也得出类似结论。在本试验条件下，当低浓度的铜和镉分别达到100 mg·L-1和10 mg·L-1时，对5种供试草种的种子萌发和幼苗生长均产生抑制作用，且随着浓度的增加抑制作用逐渐增强，这与前人研究结论有所不同。究其原因，这可能与本试验设置2种重金属元素复合胁迫和初始浓度较高有关，复合重金属胁迫对植物的毒害作用更强，具体原因将在后期试验中进一步探究。

单一指标并不能全面准确地反映植物对重金属的耐受性强弱，采用隶属函数法既消除了个别指标带来的片面性，又使各材料耐性差异具有可比性[29、30]。因此，本研究采用7个性状的相对值进行隶属函数值综合评价。结果表明，种子萌发期对重金属铜镉的耐受性强弱表现为：金红羽狼尾草>小兔子狼尾草>紫叶狼尾草>东方狼尾草>紫穗狼尾草。综上所述，萌发期的金红羽狼尾草对重金属铜镉的耐受性表现较好，为探究金红羽狼尾草是否为铜镉超富集植物，将对金红羽狼尾草进行进一步的盆栽及大田试验。

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