镉铅复合胁迫对草本花卉种子萌发及幼苗生长的影响

李洁薇，池永清，吴钿芳，朱阳春，丁枫华

（1. 浙江农林大学，浙江 杭州 310000；2. 丽水学院，浙江 丽水 323000；3. 丽水市土肥植保能源总站，浙江 丽水 323000）

我国《全国土壤污染状况调查公报》中显示，全国土壤总点位超标率为16.1%，其中镉点位超标率达7.0%，铅点位超标率有1.5%[1]。镉、铅是土壤环境中具潜在危害的污染物，常复合存在于土壤中，具高度持久性，半衰期超过20 a，已被纳入中国重金属污染防治规划中[2-3]，所以研究如何高效经济地解决土壤镉铅污染问题具有重要意义。

植物修复作为一种环境友好型的土壤污染治理技术，因其成本低、适用面积广、可大规模原位修复和无二次污染等优点，广泛应用于实际中[4]，其中草本花卉因其生长周期短、生物量大和具观赏性等优点成为植物修复研究的热点[5-7]。贾永霞等[8]发现，百日草具有较强的抗镉胁迫能力和富集能力；张小艾等[9]研究表明，二月兰能耐轻度铅胁迫；另外，波斯菊[10]、金鱼草[11]和屈曲花[12]等草本花卉在镉铅胁迫下均有一定的耐性。

种子萌发和幼苗生长是植物生命周期中对非生物胁迫最敏感的阶段，此阶段的植物种子防御机制尚未发育完全，易受胁迫影响发生机械损伤，导致植物无法正常生长[13]。种子在重金属胁迫下的抗性程度将直接影响植物修复的效果。目前有关草本花卉抗重金属胁迫能力的研究主要集中于某一种花卉，鲜少对多种草本花卉种子耐性强弱进行比较研究。因此，选取7 种常见草本花卉种子为试验材料，研究其在镉铅复合胁迫下的种子萌发特性和幼苗生长情况，利用加权隶属函数法对花卉种子抗胁迫能力进行综合评价，并对加权隶属函数值进行聚类分析，以期筛选出对重金属耐性较强的草本花卉，为镉铅污染土壤的植物修复应用提供科学参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试花卉（沐阳斗研种业有限公司）：千日红、鲁冰花、紫茉莉、二月兰、百日草、波斯菊、金盏菊7种常见草本花卉种子，如表1 所示。供试药品（国药集团化学试剂有限公司）：CdCl2·2.5H2O（分析纯）、Pb（CH3COO）2·3H2O（分析纯）。

表1 种子萌发试验的供试花卉Tab.1 Materials of seed germination experiment

1.2 试验方法

根据预试验结果及相关研究[14]，首先，设置6 个镉、铅质量浓度梯度，其中镉质量浓度分别为0、5、10、20、40、80 mg/L，铅质量浓度分别为0、50、250、500、1 000、2 000 mg/L，进行镉铅复合胁迫，对照组（CK）用去离子水处理，如表2所示。

表2 草本花卉种子萌发试验镉铅复合胁迫处理Tab.2 Cd-Pb mass concentration setting for seed germination of herbaceous flowers

种子消毒：挑选大小一致、颗粒饱满的种子，用0.1%HgCl2溶液消毒15 min，去离子水漂洗3～4次。

萌发试验：将消毒好的种子置于已灭菌的90 mm 规格的培养皿中（内铺2 层滤纸），每皿种子30粒，重复3次，分别加入不同质量浓度重金属溶液3 mL，之后置于恒温培养箱中培养（温度25 ℃，光暗各12 h）。每天固定时间通过称重法用去离子水补充蒸发的水分，以保持培养皿中的溶液体积不变，每隔24 h 记录一次种子发芽数（以胚根露出种皮2 mm 作为发芽标准）。参考田晓璇[15]的方法以连续3 d 种子发芽数不再增长作为试验末期结束试验，结束当天每个培养皿随机挑选5个幼苗，测量根长、芽长、干质量。

1.3 种子萌发观测指标

根据种子发芽情况计算如下种子发芽指标[16]：

式中：N0为发芽种子数；N1为发芽高峰期发芽数；N为各培养皿种子总数（30）；Gt为t天发芽数；Dt为相应发芽天数；S为芽长。另外，相对发芽指标为各处理发芽指标与对照发芽指标的百分比。

1.4 镉铅耐性评价分析

利用加权隶属函数法对7种草本花卉种子抗镉铅胁迫能力进行分析。参考吴让啸等[17]的方法，以7 种花卉种子相对指标（相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、相对干质量、相对芽长、相对根长）为依据，计算不同镉铅浓度的隶属函数值μ（Xij），进而计算每种种子的加权隶属函数值D。具体计算公式如下：

式中：i为各草本花卉；j为各相对指标；Xij为某一草本花卉的某一指标测定值；Xjmax和Xjmin分别为7种草本花卉中第j项指标的最大值和最小值；μ（Xij）为各供试材料的各个指标的隶属函数值；-X j为7 种草本花卉第j项指标平均值；Vj为第j项指标标准差系数；Wj为第j项指标权重；D为各草本花卉加权隶属函数值。

1.5 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2010 进行初步分析建立数据库，运用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 镉铅复合胁迫对7种草本花卉种子萌发的影响

由表3 可知，不同花卉种子在不同镉铅质量浓度胁迫下萌发情况不同，以鲁冰花的发芽率最高，均在90%以上；二月兰的发芽率最低，均在52%以下，且其在镉铅质量浓度≥40 mg/L+1 000 mg/L 时受到严重抑制，发芽率显著低于对照（P＜0.05）。千日红各项发芽指标随着镉铅质量浓度的升高呈下降趋势，在高质量浓度胁迫下受到显著抑制（P＜0.05）；百日草、鲁冰花和二月兰的发芽指数、活力指数随着质量浓度的升高呈先上升后下降趋势，5 mg/L+50 mg/L 镉铅质量浓度对其起促进作用，值高于对照；波斯菊和金盏菊各项发芽指标随着镉铅质量浓度的升高基本上呈先下降再上升后下降的变化趋势，20 mg/L+500 mg/L 复合质量浓度下，各项发芽指标值达到最大。质量浓度≥40 mg/L+1 000 mg/L 时，百日草各项发芽指标均显著低于对照（P＜0.05）；80 mg/L+2 000 mg/L 的镉铅胁迫下，7 种花卉种子的活力指数均显著下降（P＜0.05），其中百日草、鲁冰花的活力指数与对照相比分别下降了47.16、32.55。

表3 不同质量浓度镉铅复合胁迫对7种草本花卉萌发期发芽指标的影响Tab.3 Effects of different mass concentrations of Cd-Pb stress on germination indexes of seven species of herbaceous flowers during germination

续表3 不同质量浓度镉铅复合胁迫对7种草本花卉萌发期发芽指标的影响Tab.3（Continued） Effects of different mass concentrations of Cd-Pb stress on germination indexes of seven species of herbaceous flowers during germination

2.2 镉铅复合胁迫对7种草本花卉萌发期幼苗生长的影响

镉铅胁迫下，不同的草本花卉幼苗干质量所受影响程度不同（图1）。金盏菊和鲁冰花的干质量随着镉铅质量浓度的升高而降低，其中金盏菊干质量在10 mg/L+250 mg/L 质量浓度下显著低于对照（P＜0.05），质量浓度越高，抑制越明显。可见，镉铅胁迫对金盏菊和鲁冰花幼苗影响较大，不利于其有机物质的积累。千日红的干质量随着镉铅质量浓度的升高呈先上升后下降趋势，这与种子萌发时各项发芽指标变化趋势不同，说明低质量浓度（5 mg/L+50 mg/L）镉铅溶液可促进其幼苗有机物质积累，但不一定促进种子萌发，其对镉铅质量浓度敏感程度不同。镉铅质量浓度为5 mg/L+50 mg/L 时，百日草的干质量高于对照；质量浓度为10 mg/L+250 mg/L时，紫茉莉的干质量达到最大；质量浓度为80 mg/L+2000 mg/L 时，7 种花卉幼苗的干质量受到明显抑制，显著低于对照（P＜0.05），总体呈现出低促高抑效应。

图1 不同质量浓度镉铅复合胁迫对7种草本花卉幼苗干质量的影响Fig.1 Effects of different mass concentrations of Cd-Pb stress on dry weight of seven species of herbaceous flower seedlings

7 种花卉的幼苗生长在不同质量浓度镉铅胁迫下所受影响不同（图2）。百日草、鲁冰花、紫茉莉、金盏菊和二月兰的幼苗芽长总体随着镉铅质量浓度的增大而减小，其中鲁冰花的芽长在质量浓度为20 mg/L+500 mg/L 时显著低于对照（P＜0.05），受抑制作用明显，百日草和二月兰的芽长在质量浓度为40 mg/L+1 000 mg/L 时受到明显抑制，低于对照（P＜0.05）。千日红和波斯菊的芽长在镉铅胁迫下，随着其质量浓度的升高，呈现先上升后下降的趋势，均在5 mg/L+50 mg/L 质量浓度下达到最大值，可见此质量浓度镉铅溶液对幼苗芽长有一定的促进作用。在镉铅80 mg/L+2 000 mg/L 复合胁迫下，7种花卉的幼苗芽长均受到严重的抑制，显著低于对照（P＜0.05）。

图2 不同质量浓度镉铅复合胁迫对7种草本花卉芽长的影响Fig.2 Effects of different mass concentrations of Cd-Pb stress on shoot length of seven species of herbaceous flower seedlings

镉铅胁迫对7种花卉幼苗的根长具明显的影响（图3），除千日红和紫茉莉根长分别在镉铅质量浓度5 mg/L+50 mg/L 和10 mg/L+250 mg/L 下略大于对照外，其余5 种花卉根长基本上随着质量浓度的增大而减小，低于对照。其中百日草和金盏菊根长对镉铅溶液较为敏感，抗胁迫能力较差，在5 mg/L+50 mg/L 质量浓度下即受到严重影响，显著低于对照（P＜0.05）。镉铅质量浓度为40 mg/L+1 000 mg/L时，7种花卉幼苗的根长均受到明显的抑制，显著低于对照（P＜0.05）。镉铅质量浓度为80 mg/L+2 000 mg/L时，除千日红和紫茉莉外，其余5种花卉的根长抑制率均达50%以上。从根长和芽长的递减幅度可以看出，镉铅胁迫对7 种花卉幼苗根长的抑制作用明显高于对芽长的抑制作用。

图3 不同质量浓度镉铅复合胁迫对7种草本花卉根长的影响Fig.3 Effects of different mass concentrations of Cd-Pb stress on root length of seven species of herbaceous flower seedlings

2.3 镉铅复合胁迫下7种草本花卉的综合评价和聚类分析

采用加权隶属函数法，利用性状相对指标进行隶属函数综合评价，加权隶属函数值越大，耐镉铅能力越强。由图4 可知，7 种花卉种子耐镉铅胁迫能力表现为紫茉莉＞千日红＞波斯菊＞鲁冰花＞金盏菊＞百日草＞二月兰。对7种草本花卉的加权隶属函数值进行聚类分析（图5），在欧氏距离为10 时，可将7 种草本花卉种子划分为耐镉铅型、中间型和敏感型3种类型，紫茉莉耐镉铅能力较强，千日红、波斯菊和鲁冰花耐镉铅能力中等，金盏菊、百日草和二月兰耐镉铅能力较弱，较为敏感。

图4 7种草本花卉种子隶属函数综合评价Fig.4 Comprehensive evaluation of membership function of seven species of herbaceous flower seedlings

图5 7种草本花卉种子对镉铅胁迫耐性的聚类分析Fig.5 Cluster analysis of Cd-Pb resistance of seven species of herbaceous flower seedlings

3 结论与讨论

植物种子对重金属的耐性因重金属属性及植物种类、品种的不同而有所差异[8]。在本研究中，百日草、鲁冰花和二月兰的发芽指数、活力指数随着镉铅质量浓度的升高呈先上升后下降趋势，质量浓度在5 mg/L+50 mg/L 时大于对照，这与BAE 等[18]对青蒿种子、查应琴等[19]对鸡冠花种子的研究结果相似。可见，低质量浓度的镉铅溶液对草本植物种子萌发有一定的促进作用。波斯菊和金盏菊各项发芽指标随着镉铅质量浓度的升高呈先下降再上升后下降的变化趋势，虽与其余5 种草本花卉所呈现的变化趋势不同，但与李瑞莉等[20]研究的假酸浆种子在铅、镉胁迫下的萌发特性变化趋势结果一致。出现这种结果的原因可能与波斯菊、金盏菊种子自身内部的激素调控机制和平衡关系有关[21-22]，说明波斯菊、金盏菊种子在萌发时对低质量浓度镉铅胁迫较为敏感，在中低质量浓度下耐性更好。

重金属胁迫下，植物的种子萌发和幼苗生长普遍存在低质量浓度下的刺激效应和高质量浓度下的抑制效应[17，23]。本研究中，千日红的芽长和干质量在5 mg/L+50 mg/L 镉铅溶液下受到促进作用，波斯菊的芽长在此质量浓度下也大于对照；在80 mg/L+2 000 mg/L镉铅胁迫下，7种草本花卉种子萌发和幼苗生长均受到明显抑制，这与罗巧玉等[24]、胡娜等[25]、李富荣等[26]研究结果相似。出现这种现象的原因可能是低质量浓度的重金属促进了种子体内活性氧物种（ROS）和活性氮物种（RNS）的产生，其中一氧化氮（NO）具促氧化剂和抗氧化剂功能，可适当增强氧化应激水平，刺激种子发芽，而ROS 信号可刺激细胞周期活动，促使幼苗生长[27]。高质量浓度重金属胁迫下，种子体内的蛋白酶活性降低，贮藏蛋白的水解过程发生显著破坏，释放的游离氨基酸总量减少，导致胚轴生长所必需的氮素供应不足，幼苗生长受到抑制[28]。

大量研究表明，重金属胁迫下，种子萌发所受的影响要小于幼苗生长的影响；相较于幼苗芽长，幼苗根长受抑制程度更高[29-30]。本试验中，7种草本花卉根长在镉铅40 mg/L+1 000 mg/L 胁迫下均受到严重抑制，显著低于对照的研究结果也证实了这一点。出现该现象可能是因为种子萌发初期以吸收水为主，萌发后期，重金属进入细胞内代替酶中的必需金属，脂质过氧化，幼苗生长受阻，所以其所受影响大于种子萌发；而胚根首先接触重金属，受其胁迫时间更长，且相较于芽，根对重金属离子的吸收和积累能力更强，故而根抑制大于芽抑制[26，31]。

不同指标反映不同的耐受能力，单一指标难以全面准确地反映花卉种子抗镉铅胁迫的能力，隶属函数值平均法既可消除单个指标的片面性，又使各草本花卉种子对镉铅的耐性差异具有可比性[32]。同时，使用相对值作为评价指标，以减少各花卉的遗传背景差异，使结果更具代表性[33]。因此，本研究采用加权隶属函数法，利用性状相对值进行隶属函数值综合评价，以判断7 种草本花卉种子在镉铅胁迫下的耐性强弱。并通过对加权隶属函数值进行聚类分析，将7种花卉种子划分为耐镉铅型（紫茉莉）、中间型（千日红、波斯菊、鲁冰花）、敏感型（金盏菊、百日草、二月兰）3种类型。