镉胁迫对鬼针草和狼尾草种子萌发及幼苗生长的影响*

杨云， 王晨骄， 郭嘉航， 官会林， 李蕾， 唐光美， 黄晶心

(1.云南师范大学 高原特色中药材种植土壤质量演变退化与修复云南省野外科学观测研究站，云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650500；2.文山州农业科学院，云南 文山 663099)

随着社会和经济的快速发展，矿业开采、污灌和施用劣质化肥等工农业活动导致重金属以各种途径进入土壤中，土壤受重金属污染现象日趋加重，严重破坏了土壤的生态系统平衡[1].镉是最受关注且污染最为严重的重金属元素之一，它主要来源于工厂有毒有害物质的不合理排放、交通尾气排放以及含镉农药的使用，这些有毒有害物质排放到大气中随着降雨向外扩散，造成土壤镉污染.土壤中的镉具有半衰期长、毒性高、迁移性强和难降解等特点，镉污染会造成作物生长迟缓、生物量小、植物失绿甚至枯死等[2].研究发现，低残留的镉可通过食物链在人体内积累，其生物半衰期长(10～30年)，会导致肾功能障碍、骨质疏松、癌症和心血管疾病[3-4]等，严重威胁着人类的健康.因此，镉污染已成为危害生态和农业可持续发展的重要环境问题之一[5-6]，对重金属污染土壤的修复研究迫在眉睫.

目前，土壤重金属污染的生物修复技术被公认具有修复效率高、易于操作、二次污染率低及安全系数高等优点，已成为国内外研究的热点.生物修复技术研究的重点是植物修复技术，在实际的修复中，应选用生长期短、抗病虫害能力强和地上部分生物量大且易繁殖的超积累植物.有文献报道，三叶鬼针草为镉的超富集植物[7]，能有效吸收土壤的镉污染物，可修复镉污染的矿山土壤[8].张云霞等对不同铅锌矿区进行调查发现，种植1茬鬼针草对土壤镉污染的去除率达到4.3%～62%[9].侯新村等[10]研究发现，狼尾草在镉污染严重的土壤中生长良好，呈现出较强耐受性，单季度的镉吸收量为0.237 kg·hm-2.余晓华等[11]研究发现，镉轻度污染下杂交狼尾草第1茬的Cd含量为0.76 mg·kg-1，轻度和重度污染下第2茬的镉含量分别为1.13 mg·kg-1和1.19 mg·kg-1.然而，对鬼针草和狼尾草这两种土壤镉污染超积累植物的研究主要集中在发掘它们的应用潜能方面，而对何种具有更强镉污染适应性和耐受性还研究较少.针对以上背景，本研究以鬼针草和狼尾草为试验材料，分析重金属镉胁迫对其种子萌发和幼苗生长的影响，同时通过隶属函数对其进行耐受性综合评价，以期为镉污染土壤的修复提供参考.

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试鬼针草(BidenspilosaL.)种子采集于云南省昆明市呈贡区云南师范大学东区附近农田，狼尾草(Pennisetumalopecuroides(L.))种子采购于云南四季春草业有限责任公司.种子收集后选取大小均匀且饱满的优势种种子，用10%的过氧化氢消毒15 min，超纯水反复冲洗5次后用超纯水浸种48 h，去除劣质的种子，余下的种子用滤纸吸干水分，备用.

1.2 实验方法

1.2.1 种子萌发试验

设置3个Cd2+质量浓度(8、40 mg·L-1和200 mg·L-1)梯度，以不加Cd2+为对照，每个浓度梯度4个重复，将配置好的培养液置于培养皿(直径9 cm)中，到滤纸吸水饱和为止.随机选取20粒种子均匀放入培养皿内，置于光照培养箱进行培养，培养温度为20 ℃.待种子萌发后，每天做发芽记录，10 d后发芽完成.培养完成后取出萌发的种子，用滤纸将其表面水分吸干，用游标卡尺测定种子根长和芽长.按公式(1)-(6)计算[12]相关指标.

发芽率(Germination Energy，GE)=10 d正常发芽种子数/供试种子数×100%；

(1)

发芽势(Germination Percentage，GP)=发芽初期4 d已发芽种子数/供试种子数×100%；

(2)

发芽指数(Germination Index，GI)=

ΣGt/Dt(Gt为在t日的发芽数，Dt为相应的发芽试验天数)×100%；

(3)

活力指数(Vigor Index，VI)=GI×S(GI为发芽指数，S为一定时期内根的长度)×100%；

(4)

根长抑制率(Ir)=(Cr-Tr)/Cr×100%(Cr为对照组根长，Tr为处理组根长)；

(5)

芽长抑制率(Is)=(Cs-Ts)/Cs×100%(Cs为对照组芽长，Ts为处理组芽长).

(6)

1.2.2 重金属耐性综合评价

用隶属函数法对两种试验种子萌发期耐Cd2+性进行综合评价.利用公式(7)或(8)分别计算每种参试植物各项指标(包括发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根长和芽长)在不同质量浓度Cd2+下的具体隶属函数值X(u)，把每一指标下的隶属函数值累加求平均值，最后把每种植物各项指标隶属函数值累加求平均值.平均隶属函数值越大，种子在萌发期耐重金属离子的耐性越强[13].

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(7)

X(u)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(8)

式中，X为某个植物某一指标的测定值；Xmax和Xmin分别为所有材料中该指标的最大值和最小值，当植物的测定指标与耐重金属性负相关时则用式(8).

1.3 数据处理

利用Excel 2019、SPSS 26和Origin 2019进行数据处理和统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同Cd2+浓度对两种超富集植物种子发芽指标的影响

Cd2+胁迫对鬼针草和狼尾草的种子萌发具有一定的影响.根据图1A可知，鬼针草和狼尾草的发芽率和发芽势随着Cd2+浓度的升高呈先升后降的趋势.在Cd2+浓度为40 mg·L-1时鬼针草的发芽率最大，显著高于对照(P<0.05)；狼尾草种子的发芽率在Cd2+浓度为8 mg·L-1时达到最大，显著高于对照(P<0.05).相同Cd2+处理下鬼针草的发芽率显著高于狼尾草(P<0.05).

从图1B 中可以看出，鬼针草与狼尾草的发芽势差异显著(P<0.05)，随着Cd2+浓度的上升鬼针草的发芽势较对照分别提高25%、125%和108%，狼尾草的发芽势比对照分别提高80%、160%和-80%；Cd2+浓度 40 mg·L-1时，两者的发芽势均达到最大值，然后随着浓度升高而呈现下降的趋势，但狼尾草的下降趋势更明显.以上结果说明适当的Cd2+处理对鬼针草和狼尾草的发芽势起到一定的促进作用，且狼尾草对镉的胁迫耐性较弱.

图1 镉胁迫对鬼针草和狼尾草发芽率和发芽势的影响

2.2 Cd2+胁迫对两种超富集植物种子发芽指数和活力指数的影响

从表1可知，鬼针草发芽指数在Cd2+浓度为8 mg·L-1时最低，显著低于其他2个处理(P<0.05)，但与对照差异不显著，而后随着Cd2+浓度的升高发芽指数呈先升后降的趋势，但与对照差异均不显著；狼尾草3个处理组的发芽指数均显著低于对照组(P<0.05)，但3个处理组间无显著差异.随着Cd2+浓度的增加，鬼针草和狼尾草的种子活力指数均呈先升后降的趋势，Cd2+浓度为40 mg·L-1时，鬼针草种子活力指数显著高于对照(P<0.05)；Cd2+浓度为8 mg·L-1和40 mg·L-1时狼尾草种子活力指数显著高于对照(P<0.05)；Cd2+浓度为 40 mg·L-1时鬼针草和狼尾草的活力指数均达到最高，随后随着Cd2+浓度的升高种子活力指数急剧下降.综合来看，在镉胁迫下鬼针草种子的发芽指数和活力指数均大于狼尾草种子，说明鬼针草的耐性更强.

表1 不同浓度Cd2+胁迫下鬼针草和狼尾草种子发芽指数和活力指数

2.3 Cd2+胁迫对鬼针草和狼尾草幼苗根长和芽长的影响

由表2可得，鬼针草和狼尾草的幼苗根长随着Cd2+浓度的增加呈现先升后降的趋势，Cd2+浓度为200 mg·L-1时为最低值；当Cd2+浓度为8 mg·L-1时鬼针草幼苗根长最大，狼尾草则是Cd2+浓度为40 mg·L-1达到最大值，且均显著高于对照(P<0.05).当Cd2+浓度为200 mg·L-1时，鬼针草和狼尾草幼苗的根长抑制率最高，分别为90.68%和69.42%，Cd2+浓度为8 mg·L-1时鬼针草的根长抑制率为-87.96%，说明低浓度的镉胁迫对鬼针草的幼苗根长生长具有促进作用；而Cd2+浓度为40 mg·L-1时狼尾草的根长抑制率为-48.17%，说明中浓度镉胁迫对狼尾草幼苗根生长具有促进作用.

表2 不同浓度Cd2+对鬼针草和狼尾草幼苗根长的影响

从表3可以看出，随着Cd2+浓度的增加鬼针草的芽长呈现先升后降的趋势，当Cd2+浓度为40 mg·L-1时鬼针草的芽长达到最大值，显著高于对照(P<0.05)，然后随Cd2+浓度增加而降低，说明适当的Cd2+处理对鬼针草的芽生长有促进作用；而随着Cd2+浓度的增加狼尾草的芽长呈下降的趋势，说明镉胁迫对狼尾草的芽生长具有抑制作用；狼尾草的芽长抑制率随着Cd2+浓度增加而增加，Cd2+浓度为200 mg·L-1时，达到最大值，抑制率为88.31%.

表3 不同浓度Cd2+对鬼针草和狼尾草幼苗芽长的影响

2.4 隶属函数法综合评价结果

采用隶属函数综合分析法，利用鬼针草和狼尾草种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、芽长和根长等6个指标的平均值分别计算出两个品种的隶属函数值和综合评价值.从表4中可以看出，两种超富集植物对Cd2+的耐受性强弱顺序为鬼针草>狼尾草.

表4 鬼针草和狼尾草种子萌发期对Cd2+的耐性综合评价

3 讨论与结论

在重金属污染下种子能不能正常发芽是植物能否生长的前提，幼苗的长势情况是对逆境胁迫适应的综合体现[14-15].种子的萌发指标是评价种子萌发能力、出苗整齐度以及种子活力的重要参数，直接与幼苗的生长和生物量相关[16].研究显示，植物种子在重金属胁迫下存在着低促和高抑制的现象[17].本研究中，重金属镉胁迫下鬼针草和狼尾草的发芽率、发芽势和活力指数均呈现先升后降的趋势，这与陈丽丽[13]及张珂[18]等的研究结果一致.

植物种子萌发初期受重金属的影响较大，一旦土壤或水体环境受到污染，将会在植物体内累积，进而影响植物的生长发育[19-21].相同Cd2+浓度下，鬼针草的发芽势显著高于狼尾草(P<0.05)，说明镉胁迫下狼尾草种子萌发受到的抑制作用更强.随着Cd2+浓度的增加鬼针草和狼尾草的的根长呈先升后降的趋势，Cd2+浓度为8 mg·L-1时鬼针草的根长达到最大，狼尾草的根长则是Cd2+浓度为40 mg·L-1时达到最大值，Cd2+为200 mg·L-1时，鬼针草和狼尾草幼苗的根生长受到强烈抑制.随着Cd2+浓度的增加鬼针草的芽长呈现先升后降的趋势，当Cd2+浓度为40 mg·L-1时鬼针草的芽长达到最大值，说明适当的Cd2+处理对鬼针草的芽生长有促进作用；而狼尾草的芽长呈下降的趋势，说明镉胁迫对狼尾草的芽生长具有抑制作用.这与张珂[18]、李国良[22]、杜乔娣[23]和张显强[24]等的研究结果一致，说明幼苗初期的生长状况比种子萌发更能体现镉毒性的大小.有研究表明，Cd2+一般对种子的萌发表现为低促高抑的规律，重金属对植物根的抑制作用大于芽，不同植物之间受毒害的程度不同[25].

用单一指标评判植物对重金属的耐性具有片面性，可从多角度、多层面综合分析植物对重金属的耐性，因此，本研究通过隶属函数法既消除了个别指标的影响，又使得不同植物的抗性差异具有了可比性[26].综合来看，不同植物对镉的耐受性差异较大，鬼针草对镉的胁迫的耐受性更强，但本试验仅对超积累植物的种子萌发期镉的耐性进行了研究，尚需对其在重金属污染土壤上的生长、生物量和重金属富集量进行深入的比较研究.