镉对不同种源树番茄种子萌发及幼苗生长的影响

金友帆　李世民　李树萍　张梅　董琼

摘    要：研究不同種源树番茄种子萌发及幼苗生长对镉添加的响应，探讨不同种源树番茄对镉的耐受能力，以期筛选耐镉性较强的优良种源。以5个树番茄种源XS、PE、DH、BS、LC种子为试材，采用单因素完全随机试验设计，设置5个镉浓度（土壤含镉量w计：0、5、10、20、50 mg·kg^-1）水平，观测不同种源树番茄种子萌发及幼苗生长情况。结果表明，XS种源发芽率、发芽指数和活力指数在5 mg·kg^-1Cd²⁺处理时有促进作用，BS种源发芽势、发芽指数和活力指数在5 mg·kg^-1Cd²⁺处理时有促进作用，LC种源发芽势和活力指数均在5 mg·kg^-1Cd²⁺处理时有促进作用。随Cd2+浓度的升高，XS、PE、BS和LC种源幼苗的根长、苗高和鲜质量均受到抑制，5 mg·kg-1的镉处理对各种源的叶长起促进作用，10～50 mg·kg^-1显著抑制PE和DH的根长、XS和BS的苗高、PE的叶长和鲜质量。5个不同种源的树番茄对Cd²⁺的耐受能力不同，隶属函数结果为LC对Cd²⁺的耐受性最强。

关键词：镉；树番茄；种子萌发；幼苗生长；隶属函数

中图分类号：S641.9 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2023）05-125-06

Effect of cadmium on seed germination characteristics and seeding growth of Cyphomandra betacea from different seed sources

JIN Youfan， LI Shimin， LI Shupin， ZHANG Mei， DONG Qiong

（Key Laboratory of Biodiversity Resources Conservation in Southwest China， National Forestry and Grassland Administration/Southwest Forestry University， Kunming 650224， Yunnan， China）

Abstract： We investigated the response of seed germination and seedling growth of Cyphomandra betacea from different seed sources to cadmium addition， and explored the cadmium tolerance of C. betacea from different seed sources， in order to screen out good seed sources with better cadmium tolerance. The seeds of five C. betacea seeds XS， PE， DH， BS， and LC were used as test materials， and five Cd concentrations（soil Cd content： 0， 5， 10， 20， and 50 mg·kg^-1）were set in a one-way completely randomized experimental design to observe the seed germination and seedling growth of different seeds of C. betacea. The results show that： Seed germination indexes were promoted at 5 mg·kg^-1for XS seed source， germination potential， germination index and vigor index for BS seed source， and germination potential， germination index and vigor index for LC seed source， all at 5 mg·kg^-1. With increasing Cd²⁺concentration， root length， seedling height and fresh weight of seedlings of XS， PE， BS and LC species were inhibited. 5 mg·kg^-1of Cd treatment promoted leaf length of various sources， and 10-50 mg·kg^-1significantly inhibited root length of PR and DH， seedling height of XS and BS， and leaf length and fresh weight of PR. C. beracea from five different seed sources differed in their tolerance to Cd²⁺， and the affiliation function resulted in the best tolerance of LC to Cd²⁺.

Key words： Cadmium; Cyphomandra betacea; Seed germination; Seeding growth; Affiliation functions

镉（Cd）是一种非必需的重金属元素，毒性强、水溶性高、迁移性大，易被植物及其他生物吸收，继而通过食物链在人畜体内累积，对环境和人体生命健康构成严重威胁[1]。近年来，随着现代工农业生产的发展和人类活动的急剧增加，大量重金属镉进入土壤环境，镉污染日益严重。研究发现，镉能抑制植物生长发育，其特点表现为植株矮小、叶片黄萎卷曲、根叶坏死导致植物死亡[2]。目前，已有镉对植物种子萌发及幼苗生长指标影响的研究报道，如重金属Cd对小麦、玉米的发芽率、幼苗生长和根的伸长均有抑制作用[3-5]。Moya等[6]、Verma等[7]研究认为，Cd抑制植物生长是由于细胞内贮藏的物质不断积累影响细胞生长和伸长。因此，研究镉处理对种子萌发和幼苗生长的影响具有重要的现实意义[8]。

树番茄（Cyphomandra beracea）为茄科（Solanaceae）树番茄属（Cyphomandra）多年生常绿小乔木或灌木，在我国西南等地均有栽培，果实风味独特，富含多种矿物质、果胶及维生素C，具有极高的观赏和食用价值[9]。前人研究表明，我国镉污染现状突出，从镉分布来看，南方土壤的镉污染问题尤其突出，在一定程度上限制了南方果树的生产及发展[10]。目前，树番茄的研究主要集中在引种栽培[11]、组培[12]以及混种富集植物嫁接后代对幼苗镉积累的影响[13]等方面。土壤中镉对树番茄种子萌发及幼苗生长的影响尚不清楚。为此，笔者的研究选择不同镉浓度处理5个种源的树番茄种子，探讨镉对5个种源种子萌发及幼苗生长的影响，并进一步比较对镉的耐受能力，筛选出耐镉能力较强的種源。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于云南省昆明市西南林业大学格林温室，地处昆明市东北，位于海拔约1891 m，年平均气温约15 ℃，年降雨量1031 mm，有明显的干、湿两季，5－10月为雨季，降水量占全年的85%左右，属于北亚热带气候类型。

1.2 材料

供试材料为5个不同种源树番茄果实（每份质量不少于2 kg）（表1），于2020年11月中旬分别从云南省普洱市思茅区、临沧市耿马县、德宏傣族景颇族自治州芒市市、保山市龙陵县、西双版纳傣族自治州景洪市等5个树番茄分布区采集树番茄果实，带回实验室后剥出种子进行初步净种，去除畸形、发霉、不饱满的种子，将种子摊放在阴凉通风处，风干后贮存备用。

供试土壤取自云南省昆明市西南林业大学树木园，地处云贵高原中部，土壤基本理化性质为：pH值5.45、总容质量1.26 g·cm^-3、总氮含量（w，后同）1.44 g·kg^-1、总磷含量0.83 g·kg^-1、总钾含量8.82 g·kg^-1、总钙含量0.56 g·kg^-1、镁含量0.12 g·kg^-1、铁含量41.10 g·kg^-1，未检测出镉[18]。

1.3 方法

试验于2021年4月16日在西南林业大学格林温室进行。以5个树番茄种源XS、PE、DH、BS、LC种子为试材，采用单因素完全随机试验设计，设置5个镉浓度（以土壤含镉量w记：即0、5、10、20、50 mg·kg^-1）水平。具体做法如下：用烘箱将基质烘干，精确称取450 g风干土装于8.5 cm×17.5 cm（高×直径）的塑料盆中。每个塑料盆加入150 mL（ρ为0、15、30、60、150 mg·L^-1）溶液，搅拌基质将其混匀，使土壤的镉浓度分别为0、5、10、20、50 mg·kg^-1。将其在温室棚内放置30 d，不定期翻土混合，使土壤充分混合均匀[19]。1个月后，将树番茄种子均匀播种在不同镉浓度的土壤里，每盆20粒种子，设3个重复，每处理60粒种子，共使用1500粒种子定期观测树番茄种子的生长发芽状况。每隔1～2 d浇1次水，统计种子发芽数，计算发芽率、发芽势、发芽指数等，连续5 d种子没有萌发为发芽结束的标志，待实验结束时第43天对不同种源的树番茄种子进行破坏性取样，将各种镉浓度下生长的树番茄幼苗每次重复随机选取4株，用蒸馏水反复冲洗，对不同种源的树番茄幼苗进行晾干，带回实验室测量幼苗的生长指标。

1.4 项目测定

观察树番茄种子的发芽情况，详细记录树番茄种子每天的发芽个数，计算种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数。

发芽率/%＝正常发芽种子粒数/供检种子总粒数×100；    （1）

发芽势/%＝发芽达到顶峰时正常发芽种子粒数/供检种子总粒数×100；    （2）

发芽指数（GI）=∑（Gt/Dt）。                        （3）

式中：Gt为t天内的发芽数；Dt为对应的发芽时间（d）。

活力指数：VI＝S∑（Gt/Dt）。                       （4）

式中：VI为活力指数，S为幼苗根长（cm），Gt为t天内的萌发数，Dt为发芽时间（d）。

1.5 耐性综合评价

采用隶属函数法对不同种源的树番茄种子耐Cd²⁺进行综合评价。先利用公式U（Ｘ）＝（Ｘ-Ｘ_min）/（Ｘ_max-Ｘ_min）分别计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根长、苗高、叶长和鲜质量在不同Cd²⁺浓度下的隶属函数值[U（Ｘ）]。式中，Ｘ为各指标统计或测得的数值，Ｘ_max和Ｘ_min分别为最大值和最小值，把每一指标在不同Cd²⁺浓度下的隶属值累加求平均值，最后把各项指标隶属函数值累加求平均值，平均值越大，耐性越强；平均值越小，耐性越弱。

1.6 数据分析

采用Excel 2016整理数据，采用SPSS26.0统计分析软件对各指标进行单因素方差分析和LSD多重比较，结果以平均值±标准偏差（Mean±SD）的形式表示。

2 结果与分析

2.1 不同Cd²⁺浓度对不同种源树番茄种子发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数的影响

由表2可知，不同Cd²⁺浓度处理的5个种源树番茄种子发芽率为28.17%～66.83%。与对照相比，镉处理抑制PE、DH、BS和LC种源的发芽率，DH和BS种源的发芽率在20、50 mg·kg^-1的Cd²⁺處理下显著降低，LC种源的发芽率在50 mg·kg^-1的Cd²⁺处理下显著降低。PE种源发芽率在不同Cd²⁺处理之间均无显著差异。而XS种源随着镉浓度的增加呈先增加后降低的趋势，在5 mg·kg^-1达到最大值，其发芽率在50 mg·kg^-1的Cd²⁺处理下显著降低，说明5 mg·kg^-1的Cd²⁺能有效促进XS种子的萌发，表明低浓度镉处理提升了XS种子的发芽率，而高浓度镉胁迫处理则抑制了树番茄种子发芽率。不同Cd²⁺浓度处理的5个种源树番茄种子发芽势为13.17%～35.00%。与对照相比，镉处理抑制XS、PE和DH种源的发芽势，且随镉浓度增加发芽势呈下降的趋势。PE种源在20、50 mg·kg^-1的Cd²⁺处理下显著降低；对于DH种源而言，不同Cd²⁺浓度发芽势均显著降低；则XS种源发芽势在不同Cd²⁺处理之间均无显著差异。而BS种源的发芽势随着Cd²⁺浓度的增加呈先升后降的变化趋势，在5、10、20 mg·kg^-1的Cd²⁺处理下提升了BS种源的发芽势，并在10、20 mg·kg^-1浓度下显著高于对照。对于LC种源而言，随镉浓度的增加呈先增后降的变化趋势，5 mg·kg^-1的Cd²⁺处理对其发芽势有一定程度的促进作用，并在50 mg·kg^-1的处理下显著降低。

由表2可知，5个种源不同Cd²⁺浓度处理的树番茄种子发芽指数为0.24～0.59。与对照相比，镉处理抑制PE、DH和LC种源的发芽指数，且随镉浓度增加发芽指数均在50 mg·kg^-1时显著下降；而5、10 mg·kg^-1的Cd²⁺处理可提高XS种源的发芽指数，在50 mg·kg^-1时显著下降，且5 mg·kg^-1的Cd²⁺处理可提高BS种源的发芽指数，则BS种源在20、50 mg·kg^-1时显著下降。5个种源不同Cd²⁺浓度处理的树番茄种子活力指数为0.56～2.95。与对照相比，随着Cd²⁺浓度的增加，PE和DH种源的活力指数逐渐降低，DH种源在所有Cd²⁺处理下均显著降低，而PE种源在10、20、50 mg·kg^-1的Cd²⁺处理下显著降低，且随镉浓度的增加抑制加重。对XS、BS和LC种源而言，树番茄活力指数随Cd²⁺浓度的增加呈先升高后降低的变化趋势，XS种源和LC种源在5 mg·kg^-1的Cd²⁺处理时对其活力指数均有一定程度的促进作用，并在50 mg·kg^-1时显著降低，而BS种源在5、10 mg·kg^-1时均不同程度高于对照，则在20、50 mg·kg^-1时显著下降。

2.2 不同Cd2+浓度对不同种源树番茄幼苗生长的影响

由表3可知，不同Cd²⁺浓度处理的5个种源树番茄苗高为2.77～4.42 cm。与对照相比，Cd2+处理抑制XS和PE种源的苗高，随着浓度的增加XS种源的苗高在10、20、50 mg·kg^-1时显著下降；PE种源的苗高在50 mg·kg^-1时显著下降；而DH、BS和LC则呈先增高后降低的趋势，BS种源的苗高在5 mg·kg^-1高于对照组，在5 mg·kg^-1达到最大值，均无显著差异，则在20、50 mg·kg^-1时显著下降。对于DH种源而言，5 mg·kg^-1的Cd²⁺处理对其苗高有促进作用，其中5 mg·kg^-1的Cd²⁺处理显著提高了苗高，而50 mg·kg^-1Cd²⁺处理显著降低该种源的苗高。对LC种源而言，在5、10、20 mg·kg^-1的Cd²⁺处理时均不同程度高于对照组，在5 mg·kg^-1达到最大值，则在50 mg·kg^-1时低于对照组，但均无显著差异。

不同Cd²⁺浓度处理的5个种源树番茄叶长分别为2.42～3.07 cm、2.77～4.24 cm、3.03～3.96 cm、2.53～4.08 cm、1.97～3.46 cm。低浓度的镉处理可促进叶长的生长，但高浓度则会抑制。与对照相比，随Cd²⁺浓度的增加叶长呈先升后降的变化趋势，均在5 mg·kg^-1时起到促进作用，PE和LC种源在50 mg·kg^-1显著下降，而BS种源在20、50 mg·kg^-1显著下降。XS种源的叶长在不同Cd2+处理之间均无显著差异。不同Cd²⁺浓度处理的5个种源树番茄根长为1.54～4.97 cm。与对照相比，镉处理抑制DH、PE和LC的根长，DH种源的根长随镉浓度增加均显著下降，而PE种源在10、20、50 mg·kg^-1Cd²⁺处理下显著降低；而LC种源的根长在50 mg·kg^-1时显著下降，XS和BS种源随着镉浓度的增加呈先升高后下降的趋势，均在5 mg·kg-1达到最大值；且XS种源根长在10、20 mg·kg^-1Cd²⁺处理时无显著差异，而BS种源根长在5、10 mg·kg^-1浓度时均不同程度高于对照，在20、50 mg·kg^-1时均低于对照组。不同Cd2+浓度处理对不同种源树番茄鲜质量有不同的影响。与对照相比，镉处理抑制XS、PE和BS种源的鲜质量，XS和BS种源在50 mg·kg^-1时显著下降，而PE种源在10、20、50 mg·kg^-1时显著下降。LC种源的鲜质量随Cd²⁺浓度的增加先升后降，5 mg·kg^-1Cd²⁺处理增加了LC的鲜质量，在50 mg·kg^-1时显著下降。5、10 mg·kg^-1处理增加了DH鲜质量，其中10 mg·kg^-1处理中DH的鲜质量增加幅度显著高于对照。

2.3 不同种源树番茄耐Cd²⁺性综合评价

由表4可知，采用隶属函数法，对供试5种不同种源树番茄的种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根长、苗高、叶长和鲜质量进行了隶属函数值计算，然后对所有指标的隶属函数值求平均值，比较其大小，得出不同种源耐Cd²⁺性为LC>XS>PE>BS>DH。

3 讨论与结论

3.1 Cd对不同种源树番茄种子萌发指标的影响

Cd胁迫会对植物造成伤害，种子萌发是最先感知及判断植物是否具有较强耐镉性的重要时期[16]。笔者的研究结果表明，当镉浓度为5 mg·kg^-1时，XS种源的发芽率和LC种源的发芽势达到最高，而较低浓度的镉对PE和DH种子萌发无影响，随镉浓度的增加，抑制作用也逐渐增强，PE和DH种源的发芽率与发芽势逐渐降低。Cd²⁺浓度达到20 mg·kg^-1，显著提高了BS种源的发芽势，这表明种子具有耐性。发芽指数与活力指数是反映种子活力的综合指标，能反映种子发芽的质量。本研究结果表明，BS和XS种源发芽指数在5、10 mg·kg^-1最大，其中LC种子发芽指数降幅最小，说明其保有较好的发芽趋势。当镉浓度为5 mg·kg^-1时XS、BS及LC的活力指数最大，而PE和DH种源的发芽指数和活力指数逐渐降低。造成低促高抑现象的原因，可能是低浓度Cd²⁺提高胚的生理活性，促进萌发；而高浓度Cd²⁺会对胚、芽等器官产生伤害，且高浓度Cd²⁺会抑制淀粉酶、蛋白酶活性，进而抑制种子内贮藏蛋白质和淀粉分解，从而影响种子萌发所需要的物质和能力，使种子萌发受到抑制[17]。

3.2 Cd对不同种源树番茄幼苗生长指标的影响

重金属Cd是生物体非必需的元素，当Cd²⁺浓度达到一定值时就会明显抑制植物的生长[18]。笔者研究显示，不同Cd²⁺濃度处理对不同种源树番茄根长表现出不同的响应，XS和BS种源随镉浓度的升高呈先升后降的趋势，而PE、DH及LC种源随镉浓度的升高呈直线下降的趋势，表现出“低促高抑”的现象，可能是由于低浓度镉激活植物自身的保护系统发挥作用，高浓度镉抑制其发挥作用。前人研究表明，重金属物质进入植物体后，与植物体内的生物大分子结合，大部分积累在植物的根部，仅少量向地上部分迁移[19]。镉处理对XS和PE种源的苗高生长有抑制作用，随着镉浓度的升高而被抑制越明显。而随镉浓度的增加呈先上升后下降的趋势，DH、BS及LC种源在5 mg·kg^-1起到促进作用，则LC种源在10、20 mg·kg^-1时均大于对照，说明具有一定的耐受性。随着镉浓度的增加XS、PE和BS种源的鲜质量呈直线下降的趋势，抑制作用明显，而LC和DH种源随镉浓度的增加呈先升后降的趋势，LC种源在5 mg·kg^-1起到促进作用，则DH种源在10 mg·kg^-1时达到最大值。笔者研究结果表明，不同种源树番茄种子萌发和幼苗生长指标在高浓度Cd²⁺会受到抑制而下降。出现这种情况的原因可能是高浓度的镉溶液对胚、芽等产生了伤害作用，且高浓度镉溶液处理抑制了淀粉酶和蛋白酶的活性，即抑制种子内贮藏的淀粉和蛋白质的分解，从而影响了种子萌发所需要的营养物质，导致种子萌发及幼苗在生长过程中细胞器受到致死性伤害和营养物质积累功能受损[20-21]。

不同浓度Cd²⁺对树番茄种子萌发及幼苗生长表现出“低促高抑”现象；影响树番茄种子生长发育最明显的是镉浓度5 mg·kg^-1。不同种源树番茄对Cd²⁺的耐受能力不同，BS种源的活力指数、根长和DH种源的鲜质量对Cd²⁺的耐性阈值为10 mg·kg^-1，BS种源的发芽势和LC种源的苗高对Cd²⁺的耐性阈值为20 mg·kg^-1。通过不同浓度的Cd²⁺处理对不同种源的树番茄种子及幼苗的隶属函数值进行综合评价，得出LC种源的耐镉性最强。

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