不同铅浓度对波斯菊种子萌发及幼苗生长的影响

范志强，张士儒，孟书琴，程 玉，朱锡红

(安庆师范大学生命科学学院，安徽安庆 246133)

0 引言

随着我国产业特别是采矿业、冶炼业以及电镀业等的急速产出，土壤重金属污染越来越严重[1].重金属对植物的生长发育具有不良影响，浓度过高会直接影响农产品的安全问题和人体健康[2].铅是所有重金属污染中最严重且危害性比较强的化学元素之一，具有毒性大、隐蔽性好和不易降解等特点.当土壤中铅超标时，会导致植物种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数降低[3]；铅超标还会导致叶绿素含量降低，对植物生理生化特性造成影响[4]进而会影响园林植物的观赏价值.

波斯菊(CosmosbipinnatusCav.)为一年生草本花卉，分布广泛，生长迅速，观赏价值高，是重要园林花卉品种之一[5].波斯菊广泛应用于道路、小区、公园等城市园林绿化，这些区域由于城市土壤污染以及交通影响，铅污染情况更为严重.以往有学者对盐处理下波斯菊幼苗生长进行研究，发现低浓度的盐具有抑制种子萌发、幼苗株高、根长的作用，高浓度则可使作物出现停止生长的趋势[6].但有关铅对波斯菊种子萌发的研究尚未见报道.因此，研究重金属铅对植物种子发芽的影响对城市污染土壤绿化品种的选择具有重要意义.本实验主要研究不同浓度的Pb2+溶液处理对波斯菊种子萌发与幼苗生长的影响，探讨波斯菊种子萌发和铅浓度关系，以期为波斯菊的耐铅机理研究提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 实验材料及来源

实验于2019年3～5月在安庆师范大学皖西南生物多样性研究与生态保护安徽省重点实验室进行.供实验用的波斯菊种子为矮杆波斯菊，通过网络购买于江苏省宿迁市沭阳县沭阳斗研种业有限公司.

1.2 试验方法

选取籽粒饱满、大小均匀的波斯菊种子，用1.0%的硫酸铜溶液对种子表面进行喷洒5～10 min[7]，然后用清水反复冲洗多次.取出后于40 ℃的恒温水浴锅中钝化病毒8 min，放在水中浸泡3 h，用滤纸把种子表面的水吸干.取9 cm的培养皿，先用水把培养皿内表面湿润，然后在其底部铺上两层滤纸，紧贴培养皿底部展开，排除气泡，将处理过的波斯菊种子参照培养皿的大小，均匀地摆放在滤纸上.每个培养皿中放置30粒波斯菊种子，注意摆放均匀整齐，以便观察筛选，种子数目不宜过多，以免影响种子后期长势，也不宜过少，便于对霉变的种子进行替换[8].分别加入含有不同铅浓度的Hogland营养液(pH5.5)2 mL，使滤纸完全湿透，每个处理重复3次.设置5个浓度，标记为处理T0(0mg/L)、T1(50mg/L)、T2(100 mg/L)、T3(200 mg/L)、T4(400 mg/L).然后把种子放置于(25±1) ℃智能光照培养箱内进行培养，依据滤纸湿度状况每1～2 d补充适量相应质量浓度的硝酸铅溶液，使滤纸和波斯菊种子保持湿润状态，且滤纸周围不出现任何水膜[9].每隔24 h，用肉眼观察并记录波斯菊种子的萌发情况，统计发芽数，第3 d统计种子发芽势，第7 d统计种子发芽率，并计算发芽指数；第7 d同时统计种子根和芽生长情况.

1.3 统计指标及计算公式

在观测种子萌发情况时期，统计指标主要包括有发芽数、发芽率、发芽势、发芽指数、相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数；在观测幼苗生长情况时期，统计指标主要是根系形态，包括有苗高、根长、鲜重、简化活力指数.种子萌发以及幼苗生长过程中的各项指标的计算公式如下：

发芽率=7d萌发数/籽粒总数×100%；

发芽势=3d内籽粒萌发数/相应的籽粒总数×100%；

相对发芽率=重金属处理组萌发率/对照组萌发率×100%；

相对发芽势=重金属处理组发芽势/对照组发芽势×100%；

发芽指数=第n天的萌发数/相应的萌发天数×100%；

相对发芽指数=重金属处理组发芽指数/对照组发芽指数×100%；

简化活力指数=相对发芽率×鲜重.

1.4 数据的统计分析

实验数据用Excel 2010数据处理软件进行处理，运用SPSS 17.0进行统计分析，采用单因素方差分析和和最小显著差异法比较不同处理间差异.

2 结果与分析

2.1 不同Pb2+浓度处理对波斯菊种子发芽势及相对发芽势的影响

由表1可知，当含有Pb2+的浓度为50、100 mg/L时，波斯菊种子的发芽势分别比对照高出6%、18%，说明浓度较低的Pb2+溶液促进波斯菊种子的萌发，随着含有Pb2+溶液浓度的增大，波斯菊种子的发芽率开始出现了明显的降低，也就是说Pb2+对波斯菊种子的萌发在后期表现为抑制作用.经统计分析，浓度为100 mg/L时，发芽势显著高于其他浓度处理(P<0.01)，其他浓度处理之间发芽势及相对发芽势差异不显著.

2.2 不同Pb2+浓度处理对波斯菊种子发芽率和相对发芽率的影响

由表2中的数据可以看出，在不同浓度Pb2+溶液处理下，波斯菊种子的发芽率和相对发芽率都高于对照组，说明波斯菊种子在发芽的时候会受到Pb2+的影响，导致发芽率和相对发芽率升高.随着Pb2+溶液的浓度不断增加，波斯菊种子的发芽率和相对发芽率呈现先升高再降低的趋势；当Pb2+溶液的浓度范围为50、100、200 mg/L( T1～T3)时，波斯菊种子的相比对照组(T0)分别高出11%、27%、19%.随着Pb2+的溶液浓度的持续提高，发芽率和相对发芽率也开始持续降低.说明当Pb2+浓度较低时，对波斯菊种子的发芽率和相对发芽率有显著的促进作用；但是当Pb2+的溶液浓度继续升高时，对波斯菊种子的促进作用减少.

2.3 不同浓度Pb2+溶液处理对波斯菊种子发芽指数和相对发芽指数的影响

从表3可以看出，当Pb2+的溶液浓度增大时，种子发芽指数和相对发芽指数呈现先上升再减少的变化趋势；当Pb2+的溶液浓度为100 mg/L时，发芽指数和相对发芽指数明显增高，并达到峰值.这说明100 mg/L的Pb2+溶液浓度对波斯菊种子的发芽指数和相对发芽指数有显著的促进作用，但是在100 mg/L(T2)以上的Pb2+溶液浓度下，促进作用开始减弱，当Pb2+的溶液浓度达到400 mg/L时，波斯菊种子的发芽指数和相对发芽指数与对照组没有显著差异，说明波斯菊种子对Pb2+的抗性较强.统计分析表明，浓度为100 mg/L处理下发芽指数、相对发芽指数和其他处理之间差异显著(P<0.05)，但其他处理之间差异不显著.

2.4 不同Pb2+浓度处理对波斯菊幼苗根长、苗高的影响

从表4可以看出，随着Pb2+质量浓度的提高，波斯菊幼苗的根部长度总体表现出下降态势.当Pb2+质量浓度处于200、400 mg/L时，波斯菊幼苗的根部长度会随着Pb2+质量浓度上升而减少，并且下降速度较快；若Pb2+溶液浓度为50、100 mg/L时，波斯菊幼苗的根部长度下降趋势较平缓，且下降速度小于400 mg/L时的下降速度；通过分析表明，波斯菊幼苗根长生长受Pb2+质量浓度的影响差异显著.由表4可以知道，总体来说，波斯菊的幼苗苗高随含铅溶液浓度的增加也呈现下降的趋势，尤其是Pb2+溶液浓度在100 mg/L后，波斯菊的幼苗苗高会迅速变小.

从波斯菊种子的长势上观察可得，在Pb2+浓度较低(<100 mg/L)时，低浓度的Pb2+溶液表现出对波斯菊种子萌发的促进作用.之后随着含有Pb2+的溶液的浓度不断增大，苗高和根长开始缩短，并且有明显的差异，在400 mg/L的Pb2+溶液环境下生长的幼苗叶片顶端发黄，根系短小并且明显发育不良，也就是说，铅对波斯菊的生长表现为抑制作用，并且出现铅毒害现象.

2.5 不同Pb2+浓度处理对波斯菊幼苗鲜重及简化活力指数的影响

不同浓度Pb2+溶液处理对波斯菊幼苗鲜重及简化活力指数的影响结果见表5，波斯菊幼苗对不同Pb2+溶液浓度的作用较为敏感，Pb2+溶液浓度在100 mg/L以上的时候，幼苗的鲜重会明显得变小.观察数据发现，随着Pb2+溶液浓度的升高，波斯菊的幼苗鲜重呈现为先变高再变小，但T1-T4组的幼苗鲜重均比对照组小.简化活力指数的变化方向也趋同，也就是说Pb2+溶液浓度的变大，鲜重慢慢变小.实验发现波斯菊幼苗的生长受100、200、400 mg/LPb2+溶液的影响程度不同，当Pb2+溶液浓度越高时，幼苗受到的影响越明显，呈现为实验组幼苗较对照组的苗短小、叶茎变短或不生长、根变短等现象.

3 讨论与结论

重金属使得土壤的质量下降后，作物的成长会遭到不同程度与不同方面的损害，而作物籽芽在重金属作用的情况下，是否正常抽芽是作物是否成长的必备要求.发芽率、发芽指数是评估种子发芽过程经常使用的标准[10].发芽指数可以综合性地表现重金属离子阻碍种子萌发的程度，比发芽率更能灵敏地表现种子活力.发芽指数包括3个方面，分别是种子萌发的数量、速度和整齐的程度，对比标准简单的发芽率，发芽指数更能全面性的表现出种子的萌发情况[11].

通过实验用不同浓度的Pb2+溶液处理波斯菊种子，对其籽粒发芽及幼苗发育过程进行研究，发现不同浓度的Pb2+溶液对波斯菊籽粒的发芽有加强作用，并且对波斯菊的幼苗主根发育、根毛的出现产生影响，即随着Pb2+质量浓度的升高，幼苗主根的成长、根毛的发出会受到胁制.当Pb2+溶液浓度为100 mg/L(T2)的时候，发芽势、萌发率和发芽指数都会变成峰值，此时对波斯菊的种子萌发产生最大的增强影响，与对照组间的状态差异巨大.随着Pb2+溶液浓度的不断增大，Pb2+对波斯菊的籽粒萌发和幼苗生长均呈现出慢慢变小的增强影响，并且Pb2+溶液浓度越高，增强作用就越小，而当Pb2+溶液浓度过大时，会对幼苗主根发育以及根毛的产生伤害，并使得作物的根对H2O、矿物等营养物质的吸收能力变小，从而对波斯菊的正常生长发育造成影响.在400 mg/L(T4)质量浓度下，波斯菊子粒的发芽率和发芽势仍然高于对照组，然而区别不明显，表明低质量浓度的Pb2+溶液对波斯菊的籽粒发芽有更好的增强影响.Pb2+对波斯菊幼苗的根部长度有明显的抑制作用，随着Pb2+溶液浓度的增大，抑制作用呈现先变小再变大的特征，其中在100 mg/L(T2)的质量浓度下，波斯菊幼苗的根部长度小于对照组，但差别不大，此时抑制影响最小，但随着Pb2+溶液浓度的继续增大，抑制影响逐渐变强，在400 mg/L(T4)的质量浓度下，波斯菊的幼苗根长最小.造成这种现象的原因可能是由于在较低浓度的Pb2+溶液下，种子内部的α-淀粉酶活性也开始增强，而含有较高浓度的Pb2+溶液使波斯菊种子的萌发率和α-淀粉酶的活性受到抑制,并且溶液的浓度越高，对种子的抑制作用更强[12-13].波斯菊种子在对低浓度铅表现出一定抗性，说明波斯菊在城市污染环境下有一定的忍耐能力，可以考虑在城市受污染土壤上进行绿化使用.

重金属作用植被种子萌发和幼苗生长是个复杂过程，本实验只选用了Pb2+对波斯菊籽粒萌发和幼苗发育的作用实行了探讨，研究并不完善.建议下一步用其它的重金属如Cd2+等对重金属影响种子萌发和幼苗生长的机制做更深层次的研究，或者对不同生育阶段进行研究探讨，比如探讨重金属对波斯菊的不同生长发育阶段的影响作用.