重金属铅、镉及其复合物对叶菜种子萌发的影响

熊晶华，章洁琼，陈 弘，张 超，常莉丽

(1.贵州师范大学，贵阳 550025；2.贵州省农作物技术推广总站，贵阳 550001)

随着工业与科技的不断发展，数量庞大的工厂所产生的“三废”、汽车尾气的排放、工业冶炼、化石燃料的燃烧、农业上化肥的使用和污水灌溉等人为活动都是导致重金属污染加剧的原因[1-3]。农田土壤安全问题与人类粮食生产安全问题息息相关，因此土壤污染问题成为了全人类都广泛关注的、极为重要的问题之一[4]。蔬菜含有丰富的营养元素，是人类必不可少的食物，但由于土壤受到了严重的重金属污染，致使蔬菜植株内重金属的富集，而可食用部分重金属富集的情况更为严重[5]。重金属含量超标的蔬菜供给人类食用后，重金属会经过食物链进入人体内对人体健康造成危害[6]。已经有研究发现，土壤重金属污染情况中受Cd的污染最为严重，其次是Pb[7]。Cd、Pb都是植物生长的非必需元素，Cd是毒性最强的金属元素之一，具有致癌作用，对人体危害甚大。Pb的毒性较强且具有蓄积性[8]，能够引各种生理异常。随着土壤中重金属污染问题的日益加剧，在受重金属污染的土壤中筛选Pb、Cd低累积蔬菜品种具有重要意义[9]。

苋菜(AmaranthustricolorL.)原产自我国，在我国南北部都有栽培，尤其在长江流域普遍栽培[10]。苋菜可药食两用,具有丰富的营养和药用价值[11]。油麦菜(Lactucasativavarlongifoliaf.Lam)是菊科莴苣属的一种苦荬菜，具有丰富的营养价值，是易于栽培益于食用的一种天然无公害的“绿色蔬菜”[12]。菜心(BrassicacampestrisL.ssp.chinensisvar.utilis Tsen et Lee)又名白菜薹，水白菜花，是华南地区栽培的特产蔬菜之一，营养丰富具有非常高的食用价值[13]。本实验采用四季抗热甜脆油麦17号、80天粗条菜心、白圆苋菜为研究材料，对重金属Pb、Cd及其复合物的胁迫对叶菜种子萌发的影响进行研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料：四季抗热甜脆油麦17号、80天粗条菜心、白圆苋菜，试验试剂：0.1%次氯酸钠、无水氯化铅、无水氯化镉、蒸馏水。

1.2 试验方法

1.2.1试验设计

挑选大小一致、健康饱满的3种叶菜种子，用浓度为1%的次氯酸钠分别消毒，后用蒸馏水将叶菜种子清洗3～4次，以每皿50粒的数量将3种叶菜种子分别置于铺有2层滤纸的培养皿(直径为9 cm)中，用无水氯化铅、无水氯化镉分别配制出浓度分别为10.0、20.0、50.0、100.0、200.0 mg/L的Pb单一溶液，浓度为0.5、5.0、15.0、50.0、100.0 mg/L的Cd单一溶液处理以及浓度为(0.5+10.0)、(5.0+20.0)、(15.0+50.0)、(50.0+100)、(100+200)mg/L的复合溶液，溶液配制完成后分别倒入培养皿中，每个处理3次重复(用马克笔在培养皿上做好标记以便记录)，以蒸馏水处理为对照。最后将处理完成后的种子放在温度24 ℃，光照时间24 h的培养箱中培养。从24 h后开始记录种子的萌发数(以胚根突破种皮为标准，记录露白粒数)，直到第7天。萌发第3天记算发芽势，萌发第7天计算发芽率。

1.2.2种子萌发参数的统计

种子萌发特性分析软件包GERMINATOR中的方法[14]，用以下6个萌发参数来衡量种子发芽特性：

3 d发芽势(%)=(2 d内正常发芽的种子数/每皿总种子数)×100%；

7 d发芽率(%)=(4 d内正常发芽的种子数/每皿总种子数)×100%；

发芽指数=∑(Gt/Dt)，Gt为第t天的发芽种子数，Dt为萌发的第t天；

AUC(发芽曲线下面积)：将1～7 d的值连接起来，看覆盖的面积，作为生活力指标；

T 50：发芽率达到50%所需要的时间；

U 7525：发芽一致性，即25%～75%发芽所需的时间。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2016软件和SPSS 20.0软件进行数据处理和统计分析。运用R 3.6.3统计软件基于离差平方和法(Ward)的聚类分析。

2 结果与分析

2.1 Pb、Cd及其复合胁迫对叶菜种子萌发的影响

Pb、Cd及其复合胁迫对叶菜种子萌发的影响见图1～图3。

2.2 叶菜种子萌发参数相关性分析

通过表1～表3萌发参数Pearson相关性分析可知，在重金属Pb胁迫下，叶菜种子萌发参数中有3个参数间表现出相关，其中发芽率与发芽势在0.01水平上呈显著相关，AUC与发芽势在0.05水平上也呈显著相关，并且这3种萌发参数之间的关系为正相关；在Cd胁迫下，除了T 50以外，其他4个萌发参数间表现相关，发芽势、发芽率、发芽指数和AUC四个萌发指数均在0.01水平上呈显著相关，并且4个萌发参数之间的关系为正相关；在Pb、Cd复合胁迫下，萌发参数除了T 50之外，其他4个萌发参数之间呈显著相关，其中发芽势与发芽率在0.01水平上显著相关，发芽指数与发芽势、发芽率在0.05水平上显著相关，AUC与发芽势、发芽率、发芽指数在0.01水平上显著相关，并且相关的萌发参数间的关系都是正相关。

表1 Pb胁迫下蔬菜种子萌发参数的相关系分析

表3 Pb、Cd复合胁迫下蔬菜种子萌发参数的相关系分析

2.3 叶菜种子极端种质的初步筛选

综合叶菜种子的萌发参数对3种蔬菜种质进行聚类分析，并对不同类群的萌发参数进行分析(表4)。对在Pb胁迫萌发下将种质划分成3个大的类群(图4)，3个类群间的6个萌发参数(发芽势、发芽率、发芽指数、AUC、T 50、U 7525)均存在差异，其中Pb-Ⅱ群种受Cd影响现象较明显，与对照相比，Pb-Ⅱ在发芽势、发芽率、发芽指数、AUC上均有显著降低。在Cd胁迫萌发时也将种质划分成3个大类群(图5)，3个不同类群间发芽势、发芽率、发芽指数、AUC、T 50、u 7525也都存在差异，类群Cd-Ⅲ的6个萌发参数数值均低于其他两个类群。Pb、Cd复合胁迫时，同样将种质分为三大类群(图6)，如表4所示，F-Ⅱ受复合胁迫影响较大，该类群的发芽势、发芽率、发芽指数、AUC均呈现出显著降低。

表4 不同重金属胁迫处理下叶菜种质聚类分析和萌发参数的差异分析

表5 编号说明

3 讨 论

因蔬菜的生长容易受重金属的污染，所以重金属对蔬菜生长影响的研究是非常有意义的。在过去也有不少学者涉及此类研究[15-19]。在对植物生长研究中发现，在植物种子萌发的初阶段，对萌发环境较为敏感，易受重金属干扰，导致种子萌发产生异常甚至基因突变[20]。

3.1 重金属铅、镉及其复合物胁迫对种子萌发的影响

本研究表明重金属Pb单一胁迫时，在低浓度(10.0、20.0 mg/L)表现出较明显的促进作用，随着浓度增高对种子萌发的影响变得不显著，最后在最高浓度(200.0 mg/L)时种子的萌发参数明显降低，表现出较明显的抑制作用。在重金属Cd单一胁迫中，浓度为0.5 mg/L时叶菜种子的发芽势、发芽率较对照略微提高，说明低浓度的Cd对叶菜种子的萌发有一定的促进激活作用，从浓度升高至5.0 mg/L开始，随着镉离子溶液的浓度增高，种子的萌发受到抑制作用愈发明显，在100 mg/L浓度下萌发率达到最低。与Pb胁迫相比较，相同浓度下Cd对叶菜种子萌发的抑制作用更明显。重金属复合胁迫中也表现出低促高抑的影响，但较单一胁迫相比，复合胁迫对叶菜种子的影响比Pb大，比Cd小。从总体看，Pb、Cd对叶菜种子萌发的影响为低浓度促进，高浓度抑制，此结果与季丽英调幅等[21]，徐芬芬等[22]，刘俊华等[23]，曾维超等[24]的研究结果相似。

3.2 基于复合萌发参数对极端种质筛选

为了解Pb、Cd及其复合物对叶菜种子影响，基于种子萌发的6个参数指标，将3种叶菜种子在5种浓度梯度胁迫萌发下进行聚类分析，从类群间的方差分析得出，Pb-Ⅱ在发芽势、发芽率、发芽指数、AUC上均有显著降低；Cd-Ⅲ的6个萌发参数数值较其他2个类群相比更低；F-Ⅱ类群的发芽势、发芽率、发芽指数、AUC均呈现出显著降低。此3个类群对重金属胁迫敏感，不适宜在受Pb、Cd污染的地区种植。