铜锌复合胁迫对8种观赏草种子萌发特性及幼苗生长的影响

许志敏,刘燕珍,陈 琳,吴建芳,刘 恋,丁国昌

(福建农林大学 园林学院,福建 福州 350002)

铜和锌不仅是生物体的必备微量营养元素，也是环境污染元素，全球年均释放到环境中的锌为27.6万t，铜为14.7万t。在我国，水体和土壤中的锌、铜污染已经占较大比例[1]。在现实环境中，单一重金属污染物对环境的影响比较少见，大多数情况下，往往是多种污染物对环境产生复合污染。复合污染物的联合作用方式有相加、拮抗、协同与独立作用等[2]，增加了治理重金属污染的难度。工业和矿业废弃物是最主要的重金属污染来源[3-4]，积累在土壤中的重金属能够通过食物链进入人体从而危害人类健康和生命[5]，严重威胁生态环境的良性循环和人类生存及社会活动等。

在众多的土壤修复技术中，植物修复技术具有成本低廉、操作简便、二次污染易控制、净化效率高且能大面积推广应用等特点，其应用推广前景和机制研究备受关注[6]。植物修复技术的基础和关键工作是培育筛选出超富集植物和先锋植物[7]。观赏草是一类株型优美、色彩丰富、观赏价值高，具有朴素飘逸、清新自然等特性的草本植物[8]。其中狼尾草属和芒属观赏草在园林景观应用、生态修复治理等方面被大量运用，且二者具备超富集植物的部分特性，可能存在潜在的超富集植物。种子萌发是植物整个生命周期最关键且敏感的发育阶段[9]，抗性及耐性强的植物才能够正常萌发和生长，因而采用逆境胁迫条件下种子萌发和幼苗生长状况进行植物的抗逆性评价[10-11]，能够较好且全面地评估植物的耐受性强弱[12-13]。

目前，观赏草的研究主要集中于种质资源搜集[14-15]、生理生化[16-17]和园林应用[18-19]等方面，关于重金属胁迫对观赏草种子萌发特性影响的研究鲜见报道。鉴于此，结合孟晓蕊[20]及何新杰等[21]的相关研究结果，初步筛选出8种观赏草种子作为供试材料，设置不同梯度的铜锌复合胁迫试验，探究其对8种观赏草种子萌发特性及幼苗生长的影响，并利用隶属函数法进行耐受性综合评析，旨在揭示禾本科观赏草对铜锌复合胁迫的适应性和耐受性，为铜锌超富集植物的种质资源筛选奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料及处理

试验材料为8种观赏草种子，分别为金红羽狼尾草(P.setaceum)、小兔子狼尾草(P.alopecuroidescv.‘Little Bunny’)、紫叶狼尾草(P.setaceum‘Rubrum’)、大布尼狼尾草(P.orientale‘Tall tails’)、细叶芒(M.sinensis‘Gracillimus’)、花叶芒(M.sinensis‘Variegatus’)、晨光芒(M.sinensis‘Morning Light’)、斑叶芒(M.sinensis‘Zebrinus’)，采购自江苏省沭阳县溢芳花卉园。用0.1%高锰酸钾溶液消毒浸泡种子15 min，蒸馏水反复冲洗5～6遍后，用蒸馏水浸泡24 h，除去漂浮的劣质种子，余下的种子用滤纸吸干表面的水分，用于胁迫试验。

1.2 试验条件及方法

依据国家土壤环境质量标准值，铜和锌溶液分别采用CuSO4·5H2O和ZnSO4·7H2O配制，梯度值如表1所示。设6个处理：T1、T2、T3、T4、T5，以蒸馏水为对照(CK)。培养条件为温度25 ℃、空气相对湿度75%、光照14 h/d、光强6 000 lx、黑暗10 h/d。取直径9 cm的一次性培养皿，铺置1层脱脂棉和滤纸作为发芽床，每个培养皿50粒种子，每处理重复3次。培养期间每天通过往培养皿内增加相应的处理液来维持质量浓度基本不变并保持湿润。每天观察记录种子萌发情况。

表1 铜锌复合胁迫梯度值Tab.1 Copper-zinc combined stress gradient values mg/L

1.3 测定指标与方法

1.3.1 种子发芽指标的测定 发芽以胚根露白为标准，每天定时观察记录种子发芽数[22]。第4天统计种子发芽势，第14天结束发芽试验，统计种子发芽率。

发芽势=第4天萌发种子数/种子总数×100%；

发芽率=第14天萌发种子数/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)[23]；

活力指数=发芽指数×苗长度。

1.3.2 形态学指标的测定 从培养皿中各取出10株长势一致的幼苗，用游标卡尺测量胚芽长和胚根长，读数精确到0.01 mm,用电子天平称量幼苗鲜质量。

1.3.3 耐铜锌胁迫能力评价 采用模糊数学中隶属函数值的方法进行抗逆性综合评定[24]。

隶属函数值的换算方法：

A：R(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin);

B：R(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin);

C：R(Xi)=Xij/n。

式中：R(Xij)表示i处理j指标的耐铜锌隶属函数值，Xij表示i处理j指标的测定值，Xjmax和Xjmin分别表示各处理的最大和最小测定值，Xi为i处理的耐铜锌隶属函数值的平均值，n为指标数。

1.4 数据处理

所有数据处理和统计分析均基于Excel 2010和SPSS 23.0软件进行，采用Excel 2010软件作图。运用One-Way ANOVA进行方差分析，有显著或极显著差异时用Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 铜锌复合胁迫对观赏草种子发芽率和发芽势的影响

随着重金属胁迫质量浓度的增大，8种观赏草种子的发芽率均呈逐渐下降的趋势，4种狼尾草属观赏草的发芽率明显高于4种芒属观赏草(图1)。T1、T2处理，4种狼尾草属观赏草的发芽率与对照无显著性差异(P>0.05)，T2处理小兔子狼尾草、大布尼狼尾草、金红羽狼尾草和紫叶狼尾草较对照分别降低7.27%、2.14%、7.10%和4.13%；芒属观赏草种子发芽率变化幅度较大，T2处理与对照存在显著性差异(P<0.05)，斑叶芒、晨光芒、花叶芒和细叶芒分别较对照降低73.87%、58.50%、55.82%和57.89%。T5处理对8种观赏草发芽率的抑制作用达到最大。

不同小写字母代表同一观赏草品种不同铜锌复合胁迫处理间差异显著(P<0.05Different lowercase letters represent significant differences among different copper-zinc combined stress treatments of the same ornamental grass species(P<0.05图1 不同质量浓度Cu2+、Zn2+复合胁迫对观赏草种子发芽率的影响Fig.1 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination rate of ornamental grasses

8种观赏草的发芽势与重金属质量浓度呈反比(图2)，即随着重金属质量浓度的升高，发芽势逐渐降低，4种狼尾草属观赏草的发芽势明显高于4种芒属观赏草。T1、T2处理时，4种狼尾草属观赏草发芽势与对照相近且无显著性差异(P>0.05)，表明一定质量浓度胁迫下(Cu2+≤200 mg/L，Zn2+≤200 mg/L)，4种狼尾草属观赏草具有较强耐性。而4种芒属观赏草发芽势在T2处理时显著低于对照(P<0.05)，斑叶芒、晨光芒、花叶芒和细叶芒分别较对照降低54.53%、42.24%、44.46%和36.94%。T5处理时，8种观赏草发芽势受到的抑制作用达到最大，但4种狼尾草属观赏草发芽势均在50%左右，而4种芒属观赏草的发芽势均低于10%。

2.2 铜锌复合胁迫对观赏草种子发芽指数、活力指数的影响

8种观赏草的发芽指数均随着胁迫质量浓度的升高而呈下降的趋势(图3)，且在各个质量浓度下均低于对照。在各个质量浓度胁迫下，4种狼尾草属观赏草的发芽指数均明显高于4种芒属观赏草。在T1处理时，4种狼尾草属观赏草的发芽指数均与对照无显著性差异(P>0.05)，小兔子狼尾草的发芽指数最高，为44.89。在T2处理时，4种芒属观赏草的发芽指数下降幅度大且均显著低于对照(P<0.05)；4种狼尾草属观赏草发芽指数下降幅度较小，其中大布尼狼尾草、紫叶狼尾草和小兔子狼尾草与对照仍无显著性差异(P>0.05)。随着胁迫质量浓度的升高，供试材料的发芽指数均逐渐降低，在高质量浓度T5处理时，4种狼尾草属观赏草的发芽指数均在20以上，而芒属观赏草发芽指数均下降至1左右。

图2 不同质量浓度Cu2+、Zn2+复合胁迫对观赏草种子发芽势的影响Fig.2 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination potential of ornamental grasses

图3 不同质量浓度Cu2+、Zn2+复合胁迫对观赏草种子发芽指数的影响Fig.3 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination index of ornamental grasses

随着铜锌复合胁迫质量浓度的增加，8种观赏草的活力指数持续降低(图4)。在各个质量浓度时，供试材料的活力指数均与对照呈显著性差异(P<0.05)。T1处理4种狼尾草属观赏草的活力指数平均是4种芒属观赏草的7.94倍，4种狼尾草属观赏草的种子活力指数明显高于4种芒属观赏草。此外，在T1处理时，供试材料的活力指数下降幅度最大，在T5处理时，供试材料的活力指数下降至最低值，其中，小兔子狼尾草最高，为67.71，斑叶芒最低，为0.26。

2.3 铜锌复合胁迫对观赏草胚芽和胚根生长的影响

不同质量浓度铜锌复合胁迫下供试材料幼苗的生长状况存在差异(表2)。总体而言，4种狼尾草属观赏草的生长状况优于4种芒属观赏草。在各个胁迫处理下，除斑叶芒外，其他3种芒属观赏草的胚芽均长于4种狼尾草属观赏草，但8种观赏草的胚芽长均显著低于对照(P<0.05)。T1处理8种观赏草的胚根长受到强烈的抑制，胚根长均下降至10 mm以下，与对照存在显著性差异(P<0.05)。T2处理斑叶芒、花叶芒和细叶芒已出现无根苗现象；T3处理4种芒属观赏草均出现无根苗，而4种狼尾草属观赏草在T5处理时亦存在胚根，表明4种芒属观赏草的胚根受到的抑制作用显著强于4种狼尾草属观赏草。此外，8种观赏草的幼苗鲜质量和胚芽长的生长变化趋势一致，各个质量浓度处理下的幼苗鲜质量均显著低于对照，但4种芒属观赏草的幼苗鲜质量明显小于4种狼尾草属观赏草。

图4 不同质量浓度Cu2+、Zn2+复合胁迫对观赏草种子活力指数的影响Fig.4 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed vitality index of ornamental grasses

表2 不同质量浓度Cu2+、Zn2+复合胁迫对观赏草幼苗生长的影响
Tab.2 Effect of different Cu2+and Zn2+combined stress on the growth of ornamental grass seedings

指标Index处理Treatment小兔子狼尾草P.alopecuroidescv.‘LittleBunny’大布尼狼尾草P.orientale‘Talltails’金红羽狼尾草P.setaceum紫叶狼尾草P.setaceum‘Rubrum’斑叶芒M.sinensis‘Zebrinus’晨光芒M.sinensis‘MorningLight’花叶芒M.sinensis‘Variegatus’细叶芒M.sinensis‘Gracillimus’胚芽长/mmGermlengthCK66.03±1.13a62.60±1.39a68.89±1.44a64.47±1.34a79.96±1.58a88.87±1.79a80.36±2.26a72.19±1.92aT134.90±0.59b32.70±0.80b34.49±0.58b33.04±0.68b46.51±0.92b50.47±1.32b47.43±0.80b51.88±0.86bT229.07±0.70c27.14±0.65c26.19±0.58c30.07±0.44c37.96±1.06c40.28±1.04c37.58±0.77c42.76±2.20cT322.78±0.74d22.89±0.40d20.54±0.56d24.40±0.34d21.37±0.48d29.60±0.87d30.44±0.60d32.69±0.97dT419.90±0.45e20.54±0.45e19.29±0.45d19.32±0.47e17.66±0.59e26.33±0.64e26.09±0.73e30.63±1.00dT519.53±0.63e19.49±0.45e15.22±0.50e15.26±0.36f12.15±0.42f23.65±0.65e20.41±0.56f21.27±0.71e胚根长/mmRadiclelengthCK57.95±2.89a61.72±2.36a63.35±2.42a54.23±2.46a87.73±1.48a89.74±2.38a80.29±2.86a77.65±3.12aT17.44±0.63b7.26±0.51b7.08±0.42b7.63±0.86b7.75±0.36b8.07±1.01b4.87±0.23b8.38±0.26bT25.29±0.31c5.33±0.56bc4.54±0.23bc6.04±0.37bc-2.09±0.75c--T33.30±0.22cd3.41±0.20cd3.30±0.17c4.68±0.3bcd----T42.95±0.26cd2.77±0.17cd2.94±0.13c3.45±0.22cd----T51.26±0.36d1.28±0.30d2.84±0.23c2.15±0.14d----幼苗鲜质量/mgSeedlingfreshweightCK27.50±1.21a25.73±1.30a27.55±1.12a28.00±1.20a8.04±0.25a9.69±0.53a8.34±0.28a7.67±0.33aT113.52±0.90b13.48±0.82b13.66±0.42b14.71±0.81b6.01±0.38b6.82±0.24b7.11±0.39b6.59±0.43bT211.61±0.78bc11.93±0.59bc11.80±0.72bc14.05±0.61bc4.80±0.32c5.28±0.27c4.78±0.32c6.02±0.35bT310.18±0.62cd10.98±0.31cd10.95±0.58cd12.34±0.63c2.49±0.21d3.59±0.27d4.00±0.17c4.72±0.37cT49.96±0.42cd10.23±0.47cd9.60±0.51de9.09±0.58d1.69±0.12cd3.15±0.3cd3.54±0.24c4.07±0.63cT58.72±0.46d9.43±0.74d8.73±0.59d8.81±0.49d0.87±0.01d2.93±0.27d2.31±0.13d3.01±0.18d

注：-表示根没有生长。表中同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。
Note:- indicates that there is no root growth.Different letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level.

2.4 铜锌复合胁迫下观赏草种子发芽及幼苗生长指标相关性分析

发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚芽长、胚根长和幼苗鲜质量均与胁迫质量浓度呈极显著负相关(P<0.01)(表3)，而发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚芽长、胚根长和幼苗鲜质量7个指标间均两两呈极显著正相关。说明铜锌复合胁迫不仅抑制观赏草种子的萌发，降低种子的发芽率和活力指数，还影响胚芽和胚根的生长。此外，发芽相关指标与幼苗生长相关指标间呈极显著相关性，相互影响。

表3 观赏草种子发芽及幼苗生长指标相关性分析Tab.3 Correlation analysis between germination and seedling growth

注：**表示极显著相关(P<0.01)。
Note:**represent extremely significant correlation(P<0.01).

2.5 8种观赏草种子萌发期耐受性评价

运用模糊数学中的隶属函数法，将各个胁迫处理下的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚芽长、胚根长和幼苗鲜质量7个指标相对值的平均值作为实测值，计算各指标的隶属函数值和综合评价值(表4)。萌发期的8种观赏草种子对重金属铜锌耐受性强弱依次为小兔子狼尾草>紫叶狼尾草>大布尼狼尾草>金红羽狼尾草>细叶芒>花叶芒>晨光芒>斑叶芒。

表4 观赏草种子各指标的隶属函数值及综合评价值Tab.4 Value of subordinate function and comprehensive evalution of each index

3 结论与讨论

大量研究表明，逆境胁迫(干旱、盐碱、高低温、重金属)对植物的影响主要表现在种子萌发、生长、生物量和生理生化等方面[25]。种子萌发和幼苗生长是植物生长发育关键但又最脆弱的阶段，发芽率、发芽势、胚芽长、胚根长、幼苗鲜质量是种子萌发和幼苗生长的重要指标，其能反映植物在逆境条件下的受伤害程度。本研究结果表明，铜锌复合胁迫下8种观赏草的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚芽长、胚根长和幼苗鲜质量均低于对照，且随着胁迫质量浓度的升高，各项指标均呈下降趋势，抑制影响程度与胁迫质量浓度呈极显著正相关，说明铜锌复合胁迫能够抑制观赏草种子的萌发和生长。除发芽势外，其与邹文桐等[12]研究铜锌复合胁迫对菜薹种子萌发、幼苗生长及子叶生理代谢的影响一致。究其原因可能与供试观赏草对铜锌复合污染比较敏感和设置的初始质量浓度较高有关，铜锌复合胁迫对观赏草生长发育的影响可能是由于大量铜锌离子进入体内，破坏了观赏草的正常生理代谢，对其呼吸代谢、光合等功能产生严重影响，从而导致供试观赏草萌发和生长不良。此外，幼苗胚根长受到的抑制作用明显高于胚芽长和幼苗鲜质量，4种芒属观赏草甚至出现无根苗，表明重金属胁迫下植物根系比茎叶受害程度更加剧烈，这与王彦梅等[26]、孙金金等[27]的研究结果一致。因为根部是植物吸收水分和养分的器官[28]，在其生长发育过程中完全与重金属溶液接触，导致根的重金属累积量以及受迫时间比胚芽长，因此胚根比胚芽受到的毒害作用更强[29]。

铜锌复合胁迫条件下，针对8种观赏草种子萌发和幼苗生长的变化，可以从多角度评价植物对重金属的抗性强弱，但单一的指标评判植物对重金属的抗性存在一定的片面性[30-31]，因此,本试验采用隶属函数法既消除了个别指标带来的片面性，又使各材料抗性差异具有可比性。本研究结果表明，不同品种之间耐受性存在较大差异，小兔子狼尾草和紫叶狼尾草的抗逆性较强，斑叶芒最弱。

本试验主要探究铜锌复合胁迫对8种观赏草种子萌发和幼苗生长的影响，但不同逆境胁迫对植物叶片生理代谢、植物生态和生理机制的影响是多方面、复杂的体系，因此还有待进一步研究和探讨其成株的耐性机制。

本试验结果表明，8种观赏草的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚芽长、胚根长和幼苗鲜质量均随着胁迫质量浓度的升高而下降。种子萌发和幼苗生长均受到不同程度的抑制，且随着胁迫质量浓度的升高抑制作用加重。在种子萌发期，4种狼尾草属观赏草耐铜锌能力强于4种芒属观赏草。采用性状相对值进行隶属函数法综合评析得出，种子萌发期耐受性强弱依次为小兔子狼尾草>紫叶狼尾草>大布尼狼尾草>金红羽狼尾草>细叶芒>花叶芒>晨光芒>斑叶芒。