镉镍胁迫对3 种草本植物种子萌发及幼苗生长的影响

王永吉，关 正,2,3，解丽媛，赵茹霞，李伊凡，关正萍，张粉果

（1.山西师范大学生命科学学院, 山西 太原 030031；2.中国科学院大学, 北京 100190；3.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093；4.山西师范大学食品科学学院, 山西 太原 030031）

镉(Cd)作为具有高度毒性的重金属在电镀、采矿等行业中大量产生，易造成环境污染[1]。镉在植物体内积累会影响植物生长发育，主要表现为生长发育不良、植株矮小等[2]。镍(Ni)在自然界多数以镍化合物的形式存在，高浓度的镍化合物对植物具有生物毒性，造成植物光合作用受阻和细胞损伤，也会污染环境。与单一重金属污染相比，多种重金属造成的环境污染更加普遍，其对植物和环境的毒害作用也更大，全国土壤中镉和镍的点位超标率分别为7.0%和4.8%，对土壤环境和粮食安全造成了严重威胁，全国30 个省(除海南省外)表层土壤镉含量平均值均高于全国背景值，其中22 个省高于全球背景值；全国26 个省表层土壤镍含量平均值均高于全国背景值，其中9 个省高于全球背景值[3]。王宇静等[4]研究了焦化工业园区周边土壤重金属污染对居民的影响，发现Cd 的潜在危害最大，Ni 的含量超过了致癌风险边界值，成为致癌风险的主要污染物。植物修复技术作为重金属修复领域中的热门课题之一，其关键在于重金属超富集植物的筛选与培育。其中草本植物因适应性强、生长迅速和生物量大的特点，在土壤重金属修复中常用作先锋植物。

种子萌发和幼苗生长阶段是植物对周围环境最为敏感的时期，对植物后期的生长发育有着决定性的作用。胡樱等[5]通过种子萌发试验探究西北地区3 种高寒牧草的耐镉能力，结果表明种子发芽和幼苗生长整体表现为随着镉浓度的升高而降低，其中无芒披碱草(Elymus sinosubmuticus)可以作为镉污染修复的理想植物。Ahmed 等[6]通过探究28-高油菜素内酯引发萝卜(Raphanus sativus)种子缓解镍胁迫的机制，发现由28-高油菜素内酯引发的萝卜种子培养出的幼苗，除了可以提高脯氨酸的生物合成，还可以降低镍含量。对重金属胁迫下植物种子萌发与幼苗生长的研究是开展植物修复的重要环节。

杂交狼尾草(Pennisetum americanum×P.purpureum)为禾本科狼尾草属多年生草本植物，具有不受土壤条件限制、生长迅速、生物量大和适应性强的特点，对于重金属镉和锌具备一定的耐受能力[7-8]。高羊茅(Festuca arundinacea)为禾本科羊茅亚属多年生草本植物，具有较强的适应性，抗逆性较好[9]，在重金属镉铅污染治理中有不错的表现[10]。黄花草木樨(Melilotus officinalis)为豆科草木樨属二年生草本植物[11]，抗逆性较强，对铅胁迫有较强的耐受性[12]。以上3 种草本植物在重金属修复方面具备较好的应用前景，但目前对3 种草本植物在镉镍污染环境下种子萌发和幼苗生长的适应机制研究相对较少，这限制了其在矿区修复工程中的推广应用。基于此，本研究以3 种植物为研究对象，设置不同镉镍单一及复合浓度梯度开展种子萌发和幼苗生长试验，分析比较镉镍胁迫下3 种草本植物的种子萌发及幼苗生长特性，以期为镉镍污染土壤的植物修复提供理论依据和技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用的种子均购自山西格瑞伟业牧草有限公司。将种子放于室内阴干，在4 ℃冰箱中保存备用。经测量，杂交狼尾草的千粒重约为24.41 g，高羊茅的千粒重约为3.75 g，黄花草木樨的千粒重约为2.35 g。试验模拟的镉镍胁迫中镉元素是以CdCl2·2.5H2O (分析纯)溶液的形式加入，镍元素是以NiCl2(分析纯)溶液的形式加入。

1.2 试验方法

萌发试验参考王悟敏等[13]方法进行，选择尺寸均匀、颗粒饱满的种子，使用0.5%的KMnO4溶液浸泡15 min，去离子水充分洗涤后吸干水分备用。

Cd2+与Ni2+的浓度梯度参照2018 年《土壤环境质量农用地和工用地土壤污染风险管控标准》中土壤污染风险筛选值、管控值和大量文献[14-15]，同时结合前期的预试验综合得出。以等量蒸馏水为对照组(CK)[16]，Cd2+、Ni2+单一胁迫及复合胁迫共16 个浓度处理(表1)。

表1 种子萌发试验中Cd2+、Ni2+胁迫添加浓度Table 1 Concentration and treatment code of Cd2+ and Ni2+stress added in seed germination test

在直径为90 mm 的培养皿中铺设两层滤纸，选择质地均一的30 粒种子放入各个培养皿中，每个浓度梯度设置3 个重复，每个培养皿中加入等量的重金属处理液，之后将培养皿放入智能光照培养箱，温度设为25 ℃，光照条件为12 h 光照和12 h 黑暗，光照强度为8 000 lx 开始种子萌发试验。每隔24 h更换一次处理液和滤纸，以保持胁迫浓度可以达到恒定状态[13]。

1.3 指标测定

以胚根长度达到种子自身长度的1/2 作为种子萌发的标准，每日定时观察种子萌发情况，并实时记录种子每日萌发数量，自种子萌发时起培养10 d 后停止试验，培养结束后测定根长、芽长、总鲜重和总干重。种子萌发指标的计算方法[17]如下：

式中：m为规定10 d 内正常发芽的种子数，N为供试种子数，n为规定3 d 内正常发芽的种子数，S为幼根的长度，Gt为t天的发芽数，Dt为对应的发芽天数。

1.4 数据处理

使用SPSS 软件对所有数据进行统计分析，通过单因素方差分析(one-way ANOVA)计算平均值与标准误差，通过邓肯检验多重比较法(显著性水平设为0.05)分析不同浓度处理下各指标的差异性。使用Origin pro 2019b 作图。

应用模糊数学中隶属函数法，对3 种草本植物进行了耐镉镍性分析和评价[18]。计算3 种草本植物各指标的隶属函数值u(Xi)。

依据隶属函数值的大小，确定萌发期3 种草本植物的耐镉镍毒性的能力。平均值越高耐性越强，平均值越小耐性越弱。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对3 种草本植物种子萌发与幼苗生长的影响

2.1.1 镉胁迫对3 种草本植物发芽情况的影响

随镉浓度增加，与对照相比，3 种草本植物的发芽率在镉浓度为10 mg·L-1达到峰值，其中黄花草木樨较对照显著升高了18.47% (P＜ 0.05) (表2)。杂交狼尾草的发芽势随着镉浓度升高整体呈现下降趋势，高羊茅和黄花草木樨的发芽势在镉浓度为10 mg·L-1时上升之后随着镉浓度升高逐渐下降。高羊茅和黄花草木樨发芽指数在浓度为10 mg·L-1与对照相比分别显著增加了28.05%和32.70% (P＜ 0.05)(表2)。杂交狼尾草的活力指数与对照相比呈现先升高后降低的趋势，而高羊茅和黄花草木樨的活力指数均表现为整体降低趋势。当镉胁迫浓度达到200 mg·L-1时各草本植物种子的发芽指标均降到最低，与对照相比，杂交狼尾草、高羊茅和黄花草木樨的发芽率分别显著下降了38.76%、50.00%和70.77%(P＜ 0.05)，发芽势分别显著下降了39.25%、58.21%和80.65% (P＜ 0.05)，发芽指数分别显著下降了35.21%、51.39%和77.96% (P＜ 0.05)，活力指数分别显著下降了85.61%、95.29%和97.06% (P＜ 0.05)。

表2 镉胁迫下3 种草本植物的发芽情况Table 2 Germination parameters of three herbaceous plants under cadmium stress

2.1.2 镉胁迫对3 种草本植物幼苗生长的影响

不同浓度镉胁迫下，与对照相比，杂交狼尾草幼苗的总鲜重在镉浓度为10 mg·L-1与对照相比显著增加了65.24% (P＜ 0.05)，杂交狼尾草的芽长、根长在镉浓度为10 mg·L-1与对照相比有上升趋势(表3)。黄花草木樨的总干重在镉浓度为10 mg·L-1时达到最大。当胁迫浓度为200 mg·L-1时各供试植物的形态指标均降到最低。与对照相比，杂交狼尾草、高羊茅和黄花草木樨的总鲜重分别显著下降了21.46%、75.93%和77.78% (P＜ 0.05)，总干重分别下降了14.00%、50.00%和50.00%，芽长分别显著下降了45.70%、54.99%和63.64% (P＜ 0.05)，根长分别显著下降了77.87%、90.39%和86.24% (P＜ 0.05) (表3)。相比较而言，镉胁迫对于3 种植物的总干重影响最小，根长影响最明显(表3)。

表3 镉胁迫下3 种草本植物幼苗生长的情况Table 3 Growth parameters of seedlings of three herbaceous plants under cadmium stress

2.1.3 不同草本植物对Cd2+的耐性综合评价

采用隶属函数法，对3 种植物的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、相对根长、相对芽长、相对鲜重、相对干重进行隶属函数值计算，对比分析平均隶属函数值大小，得到不同草本植物的耐Cd2+能力强弱排序为杂交狼尾草 ＞ 高羊茅 ＞ 黄花草木樨(表4)。

表4 镉胁迫下不同草本植物的耐性隶属函数值Table 4 Tolerance membership function value of different herbaceous plants under cadmium stress

2.2 镍胁迫对3 种草本植物种子萌发与幼苗生长的影响

2.2.1 镍胁迫对3 种草本植物发芽情况的影响

高羊茅的发芽势、发芽指数、活力指数在10 mg·L-1时与对照相比分别显著增加了17.92%、52.59%和88.53% (P＜ 0.05) (表5)。镍 浓 度 大 于10 mg·L-1后3 种草本植物各发芽指标开始下降，直到镍浓度为300 mg·L-1时降到最低，与CK 相比差异显著(P＜0.05)，杂交狼尾草、高羊茅和黄花草木樨在300 mg·L-1时发芽率分别下降了43.75%、38.16%和80.01%，发芽势分别下降了44.30%、29.85%和88.71%，发芽指数分别下降了41.63%、44.82%和89.03%，活力指数分别下降了87.81%、97.33%和98.79% (表5)。

表5 镍胁迫下3 种草本植物发芽情况Table 5 Germination parameters of three herbaceous plants under nickel stress

2.2.2 镍胁迫对3 种植物幼苗生长的影响

不同浓度的镍胁迫对3 种植物的幼苗形态指标总体呈现出“低促高抑”的趋势，杂交狼尾草幼苗的总鲜重、总干重和根长在低浓度镍胁迫时相比对照有增加的趋势，其中总鲜重在镍浓度为10 mg·L-1和50 mg·L-1时显著增加，根长在10 mg·L-1时显著增加(P＜ 0.05)；随镍浓度的升高，与对照相比，3 种植物的幼苗形态指标下降，直至镍浓度为300 mg·L-1时降到最低，杂交狼尾草、高羊茅、黄花草木樨的总鲜重分别下降了9.44%、74.07%和74.07%，总干重分别显著下降了60.00%、60.00%和75.00% (P＜0.05)，芽长分别下降了47.48%、28.52%和56.06%，根长分别显著下降了72.92%、95.28%和88.99% (P＜0.05) (表6)。

表6 镍胁迫下3 种草本植物幼苗生长的情况Table 6 Growth of seedlings of three herbaceous plants under nickel stress

2.2.3 3 种草本植物不同指标对Ni2+的耐性综合评价

对镍胁迫下3 种植物的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、相对根长、相对芽长、相对鲜重、相对干重进行隶属函数值计算，结果表明，杂交狼尾草对于镍胁迫的耐受能力最好，黄花草木樨的耐受能力最低(表7)。

表7 镍胁迫下不同草本植物的耐性隶属函数值Table 7 Tolerance membership function value of different herbaceous plants under nickel stress

2.3 镉镍复合胁迫对3 种植物种子萌发与幼苗生长的影响

2.3.1 镉镍复合胁迫对3 种植物种子萌发的影响

镉镍复合胁迫下，杂交狼尾草的发芽率、发芽势和活力指数在低浓度镉镍复合胁迫(C10N10)时与对照相比有提升，其中活力指数显著提升了20.11% (P＜ 0.05) (表8)。高羊茅在镉镍复合处理为C10N10时的发芽指数与对照相比显著提高了9.13%(P＜ 0.05) (表8)。3 种植物的萌发指标均随着镉镍浓度的升高呈现逐步降低的趋势，当镉镍复合处理为C200N300时3 种植物的萌发指标降到最低，与对照相比差异显著(P＜ 0.05)。其中杂交狼尾草、高羊茅和黄花草木樨的发芽率分别下降了43.75%、59.21%和58.46%，发芽势分别下降了54.43%、68.51%和88.71%，发芽指数分别下降了59.84%、75.53%和78.97%，活力指数分别下降了89.15%、98.23%和98.82%(表8)。

表8 镉镍复合胁迫下3 种草本植物种子萌发情况Table 8 Seed germination parameters of three herbaceous plants under combined stress of Cd and Ni

2.3.2 镉镍胁迫对3 种草本植物幼苗生长的影响

随着镉镍复合浓度的升高，杂交狼尾草的总干重、芽长和根长均表现为先增加后降低，黄花草木樨的总干重和芽长与对照相比在C10N10处理时均有所增加，其中总干重与对照相比差异显著(P＜0.05) (表9)。3 种植物的幼苗形态指标均随着镉镍浓度的增加呈现一直下降的趋势，最终3 种植物的所有形态指标直至高浓度镉镍复合处理时降到最低(C200N300)，与对照相比差异显著(P＜ 0.05)，其中杂交狼尾草、高羊茅和黄花草木樨的总鲜重分别降低了32.19%、75%和76.54%，总干重分别下降了46.00%、60.00%和75.00%，芽长分别下降了40.36%、29.67%和58.59%，根长分别下降了78.50%、92.93%和94.50%。

表9 镉镍复合胁迫下3 种草本植物幼苗生长的情况Table 9 Seedling growth parameters of three herbaceous plants under combined stress of Cd and Ni

2.3.3 3 种草本植物不同指标对镉镍复合胁迫的耐性综合评价

镉镍复合胁迫下对镉镍复合胁迫下3 种植物的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、相对根长、相对芽长、相对鲜重、相对干重进行隶属函数值计算并比较，表明杂交狼尾草对于镉镍复合胁迫的耐受能力最好，黄花草木樨的耐受能力最低(表10)。

表10 镉镍复合胁迫下3 种草本植物的耐性隶属函数值Table 10 Tolerance membership function values of three herbaceous plants under combined stress of Cd and Ni

3 讨论

3.1 镉镍胁迫对不同草本植物种子萌发的影响

种子萌发作为植物生长周期的起点，具有重要生态意义。种子萌发期易受机械伤害、病害与气候和环境影响，是生活史最重要和脆弱的时期[19]。植物种子萌发对逆境的耐受能力可以通过相关萌发指标反映[20]。本研究结果显示，在镉浓度为10 mg·L-1时杂交狼尾草的发芽率和活力指数高于对照且达到峰值；高羊茅的发芽率、发芽势和发芽指数在镉和镍浓度分别为10 mg·L-1时相比对照提升且达到最大；黄花草木樨在镉镍单一胁迫浓度为10 mg·L-1时的发芽势和发芽指数均与分别相比均升高且达到最大。当镉镍单一及复合浓度达到最高时，不同植物的种子萌发均降至最低，说明此时3 种植物的生长受到了明显的抑制。

综上所述，当镉镍低于较低浓度时，不同植物的萌发情况与对照相比有所升高，其原因可能是较低浓度的镉离子进入种子体内后刺激了种子自身的抗逆反应，从而表现为种子萌发效果高于对照，这与镉胁迫对于青葙种子萌发与幼苗生长的影响结果相类似[21]。处于高浓度胁迫时，3 种植物的种子萌发均受到抑制，其可能原因是高浓度的重金属离子破环了种子内部淀粉酶等的酶活性并使其失活分解，最终导致种子萌发无法顺利进行，此结果与周海珺等[22]对镉胁迫下於术(Atractylodes macrocephala)种子萌发及生理指标的研究结果一致。同时高浓度的镉镍单一及复合胁迫对3 种草本植物种子的活力指数下降最为明显，此结果与镉胁迫对不同繁穗苋(Amaranthus cruentus)种质萌发和生长的影响相类似[23]，可能原因是较高浓度的镉镍离子促使种子内部如超氧阴离子和羟自由基的生成，损伤种子细胞的膜结构和功能，进而降低种子的活力。

3.2 镉镍胁迫对不同草本植物幼苗生长的影响

3 种植物在低浓度的镉镍胁迫下幼苗生长情况优于对照，其中杂交狼尾草在镉胁迫为10 mg·L-1时总鲜重与对照相比差异显著(P＜ 0.05)，镍胁迫为10 mg·L-1时，总鲜重和根长与对照相比差异显著(P＜ 0.05)。不同植物的幼苗生长均随着胁迫浓度升高受抑制程度逐步增强，直至浓度达到最高升至最大，符合“低促高抑”的规律，与段代祥和刘俊华[24]关于铅胁迫对绿豆(Vigna radiate)种子萌发的研究结果相同。

与此同时镉镍胁迫下不同植物根长的下降幅度要大于芽长，表现为逆境胁迫下胚根比胚芽更敏感，这与徐曼等[25]探究盐胁迫对长穗偃麦草(Elytrigia elongate)的种子萌发和幼苗生长的影响结果一致，可能原因是种子在萌发过程中，胚根比胚芽吸收更多水分，因此重金属离子在根内的累积量大于胚芽，从而表现出更明显的毒害特征。

3.3 不同草本植物耐镉镍性综合评价

通过对3 种植物的耐镉镍胁迫能力进行隶属函数综合评价，平均隶属函数值越高耐性越强，平均隶属函数值越小耐性越弱[18]，表明镉镍单一及复合胁迫下杂交狼尾草的平均隶属函数最高，黄花草木樨的平均隶属函数值最低。封保根[26]对铬胁迫下9 种植物的生长影响进行研究发现，禾本科的植物抗重金属胁迫能力要高于十字花科和豆科类植物，与本研究结果一致。本研究中采用的隶属函数值平均法不仅可以消除个别指标所造成的片面性问题和各植物之间耐性差异问题，而且提升了材料之间的可比性[18,27]。

4 结论

低浓度的镉镍单一及复合胁迫对3 种草本植物的种子萌发和幼苗生长有促进作用，随浓度升高，3 种植物的生长特性均出现下降，当单一镉浓度为200 mg·L-1，单一镍浓度为300 mg·L-1和复合浓度为C200N300时，3 种植物的种子萌发及幼苗生长均受到严重抑制，其中根长和活力指数下降幅度最大。隶属函数综合评价表明，3 种草本植物中杂交狼尾草对于镉镍胁迫的耐性最强，其结果可为耐镉镍胁迫下超富集植物的筛选及镉镍污染土壤的生态修复提供理论依据和技术支持。