鎘和pH對(duì)柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗的耦合作用研究*

顧沐宇，王亞芳，馬曉敏，張紅娟，歸 靜，高 偉，王佺珍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

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鎘和pH對(duì)柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗的耦合作用研究*

顧沐宇，王亞芳，馬曉敏，張紅娟，歸 靜，高 偉，王佺珍*

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

植物修復(fù)技術(shù)是一種清除土壤中重金屬有效、經(jīng)濟(jì)的生態(tài)技術(shù)。為在重金屬污染的土壤環(huán)境下建植柳枝稷進(jìn)行植物修復(fù)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，本試驗(yàn)采用三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究鎘、pH和浸種及其耦合作用分別對(duì)高地型Blackwell(B品種)和低地型Kanlow(K品種)柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗發(fā)育的影響。結(jié)果表明，不同鎘處理下兩個(gè)品種柳枝稷種子發(fā)芽率與對(duì)照差異均不顯著，但是浸種可顯著提高柳枝稷種子發(fā)芽指數(shù)和種子活力指數(shù)。隨著鎘濃度的增加，其幼苗根長、苗長、及種子活力均呈緩慢下降趨勢(shì)，且鎘對(duì)幼根生長的影響大于其對(duì)幼苗生長的影響。B品種比K品種更加耐受鎘脅迫；播種前浸種可以緩解鎘脅迫，促進(jìn)柳枝稷幼苗和根的發(fā)育。鎘和pH對(duì)柳枝稷種子萌發(fā)和幼苗發(fā)育存在耦合作用，同時(shí)pH為4.8時(shí)柳枝稷幼苗根長苗長及種子活力有最大值。在較低濃度的鎘脅迫環(huán)境下(<150 μmol/L)，高地型B品種比低地型K品種種子萌發(fā)和幼苗生長綜合表現(xiàn)更好，同時(shí)適當(dāng)浸種和偏酸性條件均有利于柳枝稷幼苗在鎘污染土壤環(huán)境中的生長。本試驗(yàn)表明柳枝稷對(duì)鎘脅迫有較強(qiáng)的耐受性，具有一定修復(fù)鎘污染土壤的潛能，在實(shí)際應(yīng)用中可通過推廣種植柳枝稷來改善鎘污染的土壤環(huán)境。

柳枝稷；浸種；pH；鎘；種子萌發(fā)；幼苗發(fā)育；耦合作用

全球范圍內(nèi)的工業(yè)化造成的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，人類各類頻繁活動(dòng)造成了大量污染物進(jìn)入自然環(huán)境[1]，其中常見人類活動(dòng)主要包括工業(yè)污水廢氣的排放、工業(yè)固體廢物的丟棄、采礦殘?jiān)⒗盥褚约按蠓秶氖褂脷⑾x劑、除草劑和化肥。重金屬也屬于主要污染物之一，由于其難以降解和易被動(dòng)植物吸收的特性，會(huì)給人類和動(dòng)物的健康帶來長久的潛在威脅[2]，據(jù)報(bào)道，我國土壤鎘超標(biāo)率已達(dá)7.0%[3]，而鎘因?yàn)槠涓呱锢寐屎捅粍?dòng)植物吸收后會(huì)顯著影響新陳代謝相關(guān)酶的結(jié)構(gòu)和活性而危害更加顯著，如何安全高效地修復(fù)鎘污染土壤已經(jīng)是我國急需解決的重要環(huán)境問題。鎘主要來源有電鍍、采礦、冶煉、燃料、電池和化學(xué)工業(yè)等排放的廢水[4]等途徑。傳統(tǒng)重金屬污染土壤的治理方法主要包括施加土壤改良劑[5]、施用鈍化修復(fù)材料[6]、客土深翻、工程治理、土壤及控制污染源頭等方面，然而這些方法均有操作不易，耗時(shí)耗資等缺點(diǎn)。

正是在這樣的背景下，一種新興的植物修復(fù)技術(shù)開始進(jìn)入人們視線，并受到了越來越廣泛的關(guān)注。植物修復(fù)技術(shù)即是通過在重金屬污染土壤上種植耐受重金屬作物，利用植物對(duì)土壤中重金屬吸收積累的作用[7]，最后通過收獲植物地上部分來達(dá)到清除土壤中重金屬的目的。由于這種重金屬污染土壤修復(fù)方法具有操作簡單、環(huán)境友好和低資耗等優(yōu)良特點(diǎn)[8]而越來越受到人們重視，而植物作為植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵材料，使得選擇優(yōu)良的重金屬耐受植物尤為重要。種子萌發(fā)及幼苗發(fā)育作為植物生命過程的開始階段，對(duì)植物后期的生長有著重要影響，因此僅僅研究植株成苗對(duì)重金屬耐受性及表現(xiàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要對(duì)種子萌發(fā)及幼苗在重金屬脅迫下的發(fā)育狀況進(jìn)行深入研究，為實(shí)際應(yīng)用中更好地利用植物修復(fù)技術(shù)打下基礎(chǔ)。

柳枝稷(PanicumvirgatumL.)是禾本科多年生暖季型禾本科(Poaceae)黍?qū)?Panicum Linn.)C4植物[9]，廣泛分布在洛基山脈以東的北美大草原上，為北美本土作物，一般分為低地型品種和高地型品種，具有許多優(yōu)良農(nóng)藝學(xué)性狀[10]如生長速度快、天敵較少、可以耐受鹽堿高溫等非生物逆境、生物產(chǎn)量高和可在邊際土地上較好生長。柳枝稷因其高產(chǎn)及高纖維素含量被美國能源部確定為最有前景的生物質(zhì)能源模式植物[11]，在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，然而其研究主要局限于如何提高其纖維素降解效率來提取生物乙醇[12-14]及通過施肥提高其地上部分生物產(chǎn)量[15]方面，關(guān)于重金屬脅迫下柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗生長發(fā)育的研究還鮮有報(bào)道。

前人的研究主要包括一些常見農(nóng)作物[16-18]在鎘脅迫下植株及幼苗生理生態(tài)的變化以及不同品種對(duì)鎘耐性的大小,但這些研究通常僅考慮單一的鎘脅迫條件，而自然環(huán)境是復(fù)雜多變的，同時(shí)重金屬的生物有效性受到許多環(huán)境條件如土壤pH值，土壤中其他礦質(zhì)元素含量等的影響，關(guān)于柳枝稷對(duì)鎘的富集作用研究發(fā)現(xiàn)，柳枝稷的品種[19]及環(huán)境的pH條件[20]顯著影響其對(duì)鎘的吸收，然而關(guān)于柳枝稷種子及幼苗在鎘離子作用下的表現(xiàn)還有待研究，同時(shí)關(guān)于種子萌發(fā)過程的研究表明，播種前浸種可以顯著提高種子發(fā)芽率和種子活力。

本試驗(yàn)使用三因素五水平旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[21-23]，分析研究不同pH，不同鎘濃度及不同浸種時(shí)間及其交互作用對(duì)兩個(gè)柳枝稷品種種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，同時(shí)探討不同因素對(duì)種子萌發(fā)及幼苗生長影響程度的大小，并通過幼苗發(fā)育評(píng)估柳枝稷幼苗對(duì)重金屬鎘的耐受性，為以后在重金屬鎘污染土壤上推廣種植柳枝稷進(jìn)行植物修復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及儀器

種子萌發(fā)試驗(yàn)于西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)光照植物培養(yǎng)箱中進(jìn)行，供試柳枝稷(PanicumvirgatumL.)種子由中國科學(xué)院水土保持研究所提供，分別為高地型品種Blackwell和低地型品種Kanlow。試驗(yàn)用培養(yǎng)皿為直徑9 cm玻璃器皿，濾紙為Whatman No.1型，不同處理液分別配制并儲(chǔ)存于250 mL容量瓶中，所有玻璃器皿使用前均用蒸餾水洗凈并于烘箱中烘干，電子天平稱量微量氯化鎘用于配制不同濃度鎘處理液，處理液pH用pH計(jì)及稀硫酸進(jìn)行微調(diào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用3因素5水平二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方案，以浸種時(shí)間(PT)，pH和鎘濃度作為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素各設(shè)5個(gè)水平(首先通過查閱相關(guān)研究確定合適的-1.682和1.682因素水平，再通過設(shè)計(jì)水平編碼按比例算出其他各因素水平)，不同因素水平及編碼值見表1，方案共23個(gè)處理，每個(gè)處理3組重復(fù)，同時(shí)以蒸餾水發(fā)芽試驗(yàn)作為對(duì)照試驗(yàn)。

表1 鎘、浸種和pH三因素對(duì)柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗生長影響的二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)處理及相關(guān)指標(biāo)的測定

用電子天平分別稱取不同質(zhì)量氯化鎘固體加入蒸餾水中配制成不同濃度的氯化鎘處理液并用pH計(jì)和稀硫酸調(diào)節(jié)溶液pH至試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平。試驗(yàn)前，選擇大小一致、飽滿均勻的柳枝稷種子用0.1%濃度的次氯酸鈉消毒15 min，消毒完后用蒸餾水反復(fù)沖洗5次，洗凈的種子用吸水紙吸干后，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平時(shí)間分別浸泡在蒸餾水中，浸泡完成后，將不同浸泡時(shí)間的種子分別放入不同的培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿50粒，每個(gè)處理三個(gè)重復(fù)，放置種子前先在培養(yǎng)皿中鋪墊雙層濾紙并用蒸餾水(對(duì)照)或者處理液分別潤濕濾紙，處理液及種子放入培養(yǎng)皿后記錄每個(gè)培養(yǎng)皿重量。將培養(yǎng)皿裝入透明塑料保鮮膜中防止處理液水分蒸發(fā)而影響處理液鎘濃度和pH，隨后再將培養(yǎng)皿放入植物光照培養(yǎng)箱中并設(shè)定16/8 h的光/暗條件，并保證培養(yǎng)箱溫度保持在20～25 ℃，濕度控制在60%～80%。播種后，按記錄重量每天在培養(yǎng)皿中補(bǔ)充蒸餾水來保證處理液濃度不變，記錄前10 d的種子發(fā)芽數(shù)，胚根大于0.2 cm即視為發(fā)芽。發(fā)芽試驗(yàn)持續(xù)14 d，并于第14 d收獲幼苗，測定其根長苗長及干鮮重，所有數(shù)據(jù)均取每個(gè)培養(yǎng)皿中十株幼苗的平均值。種子發(fā)芽率，種子發(fā)芽指數(shù)及種子活力指數(shù)由以下公式計(jì)算：

式中：Gt是第t天發(fā)芽的種子數(shù)，Dt是發(fā)芽天數(shù)。

種子活力指數(shù)(SVi)=Gi×胚根長

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過收集整理后，用SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并用Duncana法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘、pH及浸種時(shí)間對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷種子萌發(fā)過程的影響

B品種和K品種柳枝稷單因素動(dòng)態(tài)發(fā)芽圖分別如圖1和圖2所示，由圖1和圖2可知，鎘和pH對(duì)兩種柳枝稷品種發(fā)芽過程和對(duì)照相比均無影響，不同處理之間柳枝稷種子并無表現(xiàn)出提前或延后發(fā)芽的現(xiàn)象，B品種和K品種柳枝稷種子發(fā)芽率均隨鎘濃度的增加而呈逐漸降低趨勢(shì)，且鎘和pH對(duì)K品種柳枝稷發(fā)芽率的影響程度均大于對(duì)B品種的影響程度。而播種前浸種可以促進(jìn)柳枝稷種子更快萌發(fā)，但對(duì)總體發(fā)芽率影響不大。

圖1 品種B柳枝稷在鎘(a)，浸泡(b)和pH(c)影響下的動(dòng)態(tài)發(fā)芽

圖2 品種K柳枝稷在鎘(a)，浸泡(b)和pH(c)影響下的動(dòng)態(tài)發(fā)芽圖

表2顯示，兩個(gè)品種的柳枝稷隨著處理液鎘濃度的升高，發(fā)芽率均呈總體降低趨勢(shì)，并在鎘濃度為150 μmol/L時(shí)有最小值，和對(duì)照相比不同鎘濃度處理對(duì)B品種的發(fā)芽率影響不顯著(P>0.05)；然而較高濃度的鎘(119.3,150 μmol/L)顯著(P<0.05)影響K品種的發(fā)芽率。同時(shí)由表2可知，浸種和不同pH處理液處理均對(duì)B和K品種柳枝稷總體發(fā)芽率無顯著影響(P>0.05)。

由表3可知，兩個(gè)品種柳枝稷種子發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽率類似，均隨處理液鎘濃度增加而呈逐漸降低趨勢(shì)，并在鎘濃度為150 μmol/L時(shí)有最小值，和對(duì)照相比，僅150 μmol/L鎘處理顯著影響(P<0.05)品種B發(fā)芽指數(shù)；然而不同鎘濃度并不顯著影響品種K的發(fā)芽指數(shù)(P>0.05)。同時(shí)由表3可知，不同pH處理對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷種子發(fā)芽指數(shù)均無顯著影響(P>0.05)，而浸種均可顯著提高(P<0.05)B和K兩種柳枝稷種子的發(fā)芽指數(shù)，并且隨著浸種時(shí)間的延長，發(fā)芽指數(shù)增加效果更佳明顯。

表2 鎘、pH及浸種時(shí)間單因素對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷種子發(fā)芽率的影響

注：表中同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同字母代表差異顯著(P<0.05)，標(biāo)相同字母表示差異不顯著(P>0.05)，下同。

Notes: Different lowercase lsuperscripts in same column mean significant difference (P<0.05), while same lowercase ones mean insignificant difference (P>0.05).The same as below.

表3 鎘、pH及浸種時(shí)間單因素對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由表4可知,鎘、浸種時(shí)間、pH、鎘與浸種時(shí)間及浸種時(shí)間與pH的交互作用對(duì)柳枝稷發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的相伴概率均大于0.05，說明鎘、浸種時(shí)間、pH、鎘與浸種時(shí)間及浸種與pH的互作均不影響兩個(gè)品種柳枝稷的種子萌發(fā)過程(P>0.05)。雖然鎘和pH單因素對(duì)柳枝稷發(fā)芽率均無影響(P>0.05)，但是鎘與pH耦合作用卻對(duì)柳枝稷發(fā)芽率有顯著影響(P<0.05)，表明應(yīng)用中需要考慮鎘與pH的交互作用。

2.2 鎘、pH及浸種時(shí)間對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷幼苗的影響

2.2.1 鎘對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷幼苗的影響 由表5可知，隨著鎘濃度的增加，B和K品種柳枝稷幼苗干重、鮮重、根長、苗長、及種子活力均呈緩慢下降趨勢(shì)，并且均在鎘濃度為150μmol/L時(shí)有最小值，但對(duì)干重和鮮重，不同鎘濃度處理之間差異不顯著(P>0.05)；和對(duì)照相比，不同鎘濃度處理均對(duì)B和K品種柳枝稷的根長、苗長及種子活力有抑制作用(P<0.05)，但不同鎘濃度處理之間對(duì)柳枝稷幼苗根長、苗長及種子活力差異不顯著(P>0.05)。

2.2.2 浸種時(shí)間對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷幼苗的影響 由表6可以看出，浸種并不影響柳枝稷幼苗的干鮮重，然而隨著浸種時(shí)間的增加，B品種柳枝稷幼苗根長、苗長及種子活力均呈上升趨勢(shì)，并且在浸泡時(shí)間為36 h時(shí)有最大值，和對(duì)照相比，不同浸種時(shí)間顯著影響B(tài)品種柳枝稷苗長(P<0.05)，但不同浸種處理之間對(duì)幼苗根長和種子活力差異不顯著(P>0.05)；同時(shí)不同浸種時(shí)間對(duì)K品種柳枝稷根長，苗長及種子活力影響均不顯著(P>0.05)。

2.2.3 pH對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷幼苗的影響 由表7可知，隨著處理液pH的降低，兩個(gè)品種柳枝稷的干重、鮮重、根長、苗長及種子活力均呈先升高后下降的趨勢(shì)，同時(shí)B和K品種柳枝稷根長苗長及種子活力均在處理液pH為4.8時(shí)有最大值；和對(duì)照相比，僅在pH為4.8時(shí)，B品種根長與其他處理有顯著差異(P<0.05)，而僅在pH為2.6時(shí)苗長有最小值且與其他pH處理下苗長有顯著差異(P<0.05)，而B品種柳枝稷種子活力也僅pH為4.8時(shí)與其他處理有顯著差異(P<0.05)；K品種各處理間根長和種子活力并無顯著差異(P>0.05)，僅在pH為2.6時(shí)苗長有最小值，并與其他pH處理有顯著差異(P<0.05)。

表4 鎘、pH和浸種對(duì)種子萌發(fā)影響的方差分析

表5 單因素鎘對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷幼苗發(fā)育的影響

表6 單因素浸種對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷幼苗發(fā)育的影響

表7 單因素pH對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷幼苗發(fā)育的影響

由表8可知，鎘，浸種和pH單因素對(duì)柳枝稷幼苗干重、根長和種子活力的相伴概率均小于0.05，說明其均顯著影響柳枝稷幼苗干物質(zhì)積累，種子活力及幼苗根長，且三者影響程度的順序?yàn)镃d>pH>PT，其中鎘還對(duì)柳枝稷幼苗苗長有顯著影響(P<0.05)，說明柳枝稷幼苗發(fā)育時(shí)受鎘脅迫的影響較大，同時(shí)鎘與浸種的交互作用對(duì)柳枝稷鮮重、根長及種子活力也有顯著影響(P<0.05)，但鎘和pH的耦合作用卻對(duì)柳枝稷根長、苗長及種子活力無顯著影響(P>0.05)，說明在鎘與pH共同作用下可以相互抵消柳枝稷幼苗所受的不利影響，而pH與浸種的交互作用僅僅影響柳枝稷幼苗根系發(fā)育，對(duì)柳枝稷幼苗的干重及苗長影響不顯著(P>0.05)。

表8 鎘、pH和浸種對(duì)柳枝稷幼苗影響的方差分析

3 討 論

鎘、浸種和pH對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗生長均產(chǎn)生不同程度的影響，隨著鎘濃度的增加，B和K兩種柳枝稷品種種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)出輕微的下降，但是不顯著，說明供試柳枝稷種子對(duì)鎘具有較好的耐受性，這和之前對(duì)水稻和小麥的研究結(jié)果類似[24-25]；由發(fā)芽率變化可知K品種與B品種相比，K品種種子對(duì)鎘的耐受性較差，同時(shí)pH和浸種并不影響兩個(gè)柳枝稷種子發(fā)芽率，但是浸種可以提高兩個(gè)柳枝稷品種的發(fā)芽指數(shù)。近期研究表明，植物種子萌發(fā)過程需水解大量種子中的儲(chǔ)存物質(zhì)[26]，如淀粉，油脂等，而鎘毒性主要表現(xiàn)在會(huì)顯著影響種子萌發(fā)過程中的相關(guān)淀粉酶，酸性磷酸酶[27]等水解酶的活性，使之失活變性，影響種子發(fā)芽，使種子發(fā)芽率降低。植物種子對(duì)鎘的不同表現(xiàn)主要是由其種子對(duì)鎘的耐受性決定的，對(duì)油菜的研究表明[28]，不耐鎘品種在鎘脅迫下種子細(xì)胞微結(jié)構(gòu)被完全破壞，而耐鎘品種種子細(xì)胞微結(jié)構(gòu)保存較為完好。而B品種柳枝稷種子發(fā)芽率并不顯著受到鎘脅迫的影響，說明B品種對(duì)鎘也有較好抗性，可能由于B品種柳枝稷種子種皮對(duì)柳枝稷種子有較好的保護(hù)作用，可以避免種子吸脹過程大量吸入鎘離子而顯著影響柳枝稷種子萌發(fā)過程。

鎘對(duì)兩個(gè)品種柳枝稷幼苗發(fā)育有顯著影響，主要表現(xiàn)在抑制柳枝稷幼苗的根長苗長及種子活力方面，且胚根和胚芽對(duì)鎘的反應(yīng)要比種子更加敏感，同時(shí)鎘對(duì)幼根的抑制作用相比幼苗更加明顯，這與黑麥草[29]與紫花苜蓿[30]的研究結(jié)果一致，然而不同濃度的鎘處理之間對(duì)柳枝稷幼苗根長苗長及種子活力影響不顯著，和對(duì)小麥和水稻[31]的研究結(jié)果不同，這說明兩種柳枝稷品種均對(duì)低濃度的鎘有一定耐受性，且K品種幼苗與B品種相比表現(xiàn)出較弱的鎘抗性。近期研究發(fā)現(xiàn)，鎘對(duì)植物幼苗影響主要表現(xiàn)為抑制植物幼苗幼根的發(fā)育，主要原因是植物首先接觸鎘離子的部位就是根系，鎘從土壤中進(jìn)入植物也需要通過植物根系[32]，而鎘顯著影響植物根尖分生組織發(fā)育，抑制植物根系有絲分裂[33]，從而影響植物根系生長發(fā)育。而植物根系發(fā)育受到影響會(huì)顯著影響植物后期的生長發(fā)育，以及對(duì)各種礦質(zhì)元素的吸收運(yùn)輸過程，從而顯著抑制幼苗的生長發(fā)育。

浸種可以顯著提高B品種柳枝稷的根長苗長及種子活力，這與Ashraf[34]提出的一些種子處理來提高種子萌發(fā)及活力的結(jié)果一致，但不同浸種時(shí)間對(duì)幼苗影響差異不顯著，且浸種對(duì)K品種效果不明顯，說明對(duì)于B品種播種前適當(dāng)浸種可以提高其種子和幼苗的活力，從而增強(qiáng)其對(duì)重金屬鎘的耐受性。植物的種子萌發(fā)及幼苗發(fā)育分為很多不同階段[35]，浸種可以使植物發(fā)育前期受到鎘脅迫的影響降低，從而緩解植物所受逆境脅迫。

不同pH處理結(jié)果表明，隨著處理液pH由高到低變化，兩種柳枝稷品種幼苗各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，且在pH為4.8時(shí)有最大值，說明中性和較強(qiáng)酸性條件下均不適宜柳枝稷生長，而適度酸性條件有利于柳枝稷幼苗的生長發(fā)育，這與Bona研究一致[36]，而幼苗前期生長發(fā)育對(duì)其后期的在鎘脅迫環(huán)境下生長及成株對(duì)鎘的吸收富集有重要作用，因此在鎘脅迫條件下，柳枝稷種子較適宜播種在偏酸性條件下來進(jìn)行植物修復(fù)作用。不同植物適宜生長環(huán)境不盡相同，有些植物適宜在偏酸性條件下生長，而有些植物在偏堿性條件下也能正常發(fā)育，因此了解不同植物最適生長環(huán)境對(duì)其建植有很大幫助。

柳枝稷種子及幼苗均對(duì)鎘脅迫有一定抗性，柳枝稷種子萌發(fā)并不受到鎘離子的顯著影響，這說明柳枝稷在植物修復(fù)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景，且高地型品種Blackwell相比低地型Kanlow更適宜生長在鎘污染環(huán)境下。但是，由于培養(yǎng)皿試驗(yàn)并不能完全模擬出復(fù)雜的自然條件，因此柳枝稷對(duì)鎘污染土壤修復(fù)的效果還有待于在進(jìn)一步研究及在大田中驗(yàn)證，且實(shí)際應(yīng)用中需要慎重選擇合適的環(huán)境條件來保證柳枝稷的正常建植。

4 結(jié) 論

柳枝稷種子具有較好的鎘耐受性，同時(shí)pH和浸種并不影響兩個(gè)柳枝稷種子發(fā)芽率，但是浸種可以提高兩個(gè)柳枝稷品種的發(fā)芽指數(shù)。兩柳枝稷品種均對(duì)低濃度的鎘有一定耐受性，且K品種幼苗與B品種相比表現(xiàn)出較弱的鎘抗性。B品種播種前適當(dāng)浸種可以提高其種子和幼苗的活力，從而增強(qiáng)其對(duì)重金屬鎘的耐受性。中性和較強(qiáng)酸性條件下均不適宜柳枝稷生長，而適度酸性條件有利于柳枝稷幼苗的生長發(fā)育。幼苗前期生長發(fā)育對(duì)其后期的在鎘脅迫環(huán)境下生長及成株對(duì)鎘的吸收富集有重要作用，因此在鎘脅迫條件下，柳枝稷種子較適宜播種在偏酸性條件下來進(jìn)行植物修復(fù)作用。

[1] Ayres R U. Toxic heavy metals: materials cycle optimization[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1992,89(3):815-820.

[2] Di Toppi L S ,Gabbrielli R. Response to cadmium in higher plants[J].Environmental and Experimental Botany,1999,41(2):105-130.

[3] 環(huán)境保護(hù)部,國土資源部.全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)[R].北京，2014.

[4] Benavides M P ,Gallego S M,Tomaro M L.Cadmium toxicity in plants[J].Brazilian Journal of Plant Physiology, 2005,17(1):21-34.

[5] Salt D E ,Blaylock M,Kumar N P ,et al. Phytoremediation:a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants[J].Canadian Metallurgical Quarterly,1995,13(5):468-474.

[6] 孫約兵,王朋超,徐應(yīng)明,等.海泡石對(duì)鎘-鉛復(fù)合污染鈍化修復(fù)效應(yīng)及其土壤環(huán)境質(zhì)量影響研究[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(12):4 720-4 726.

[7] Nascimento C W A D ,Xing B. Phytoextraction: a review on enhanced metal availability and plant accumulation[J].Scientia Agricola,2006,63(3):299-311.

[8] Jabeen R,Ahmad A,Iqbal M. Phytoremediation of heavy metals: physiological and molecular mechanisms[J].The Botanical Review, 2009,75(4):339-364.

[9] Sanderson M A ,Adler P R ,Boateng A A,et al. Switchgrass as a biofuels feedstock in the USA[J].Canadian Journal of Plant Science,2006,86(S1):1 315-1 325.

[10] McLaughlin S B ,Kszos L A. Development of switchgrass (Panicum virgatum) as a bioenergy feedstock in the United States[J].Biomass & Bioenergy,2005,28(6):515-535.

[11] Wright L,Turhollow A. Switchgrass selection as a “model” bioenergy crop:a history of the process[J].Biomass & Bioenergy,2010,34(6):851-868.

[12] Alvira P,Tomás-Pejó E,Ballesteros M,et al. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: a review[J].Bioresource Technology,2010,101(13):4 851-4 861.

[13] Sun Y,Cheng J.Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production:a review[J].Bioresource Technology,2002,83(1):1-11.

[14] Wyman C E ,Dale B E ,Elander R T ,et al.Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies[J].Bioresource Technology,2005,96(18):1 959-1 966.

[15] Grassini P,Hunt E,Mitchell R B ,et al. Simulating switchgrass growth and development under potential and water-limiting conditions[J].Agronomy journal, 2009,101(3):564-571.

[16] 程 杰,高壓軍.鎘毒害對(duì)小麥生理生態(tài)效應(yīng)的研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2006,13(6):218-221,227.

[17] 張利紅,李培軍,李雪梅,等.鎘脅迫對(duì)小麥幼苗生長及生理特性的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2005,24(4):458-460.

[18] 肖美秀,林文雄,陳祥旭,等.鎘在水稻體內(nèi)的分配規(guī)律與水稻鎘耐性的關(guān)系[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2006,22(2):379-379.

[19] Reed R L ,Sanderson M A ,Allen V G ,et al. Growth and cadmium accumulation in selected switchgrass cultivars[J].Communications in Soil Science & Plant Analysis,1999,30(19-20):2 655-2 667.

[20] Reed R L ,Sanderson M A ,Allen V G ,et al. Cadmium application and pH effects on growth and cadmium accumulation in switchgrass[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2002,33(7-8):1 187-1 203.

[21] 白厚義,肖俊璋.試驗(yàn)研究及統(tǒng)計(jì)分析[M].陜西西安：世界圖書出版社,1998.

[22] 丁希泉.農(nóng)業(yè)應(yīng)用回歸設(shè)計(jì)[M].吉林長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1986.

[23] 王興仁.現(xiàn)代肥料試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,1996.

[24] 賈 夏,周春娟,董歲明.鎘脅迫對(duì)小麥的影響及小麥對(duì)鎘毒害響應(yīng)的研究進(jìn)展[J].麥類作物學(xué)報(bào),2011,31(4):798-804.

[25] 何俊瑜,任艷芳,朱誠,等.鎘脅迫對(duì)不同水稻品種種子萌發(fā)、幼苗生長和淀粉酶活性的[J].中國水稻科學(xué),2008,22(4):399-404.

[26] Dürr C,Dickie J B ,Yang X,et al.Ranges of critical temperature and water potential values for the germination of species worldwide:contribution to a seed trait database[J].Agricultural and Forest Meteorology,2015,200:222-232.

[27] Kuriakose S V ,Prasad M.Cadmium stress affects seed germination and seedling growth in Sorghum bicolor(L.)Moench by changing the activities of hydrolyzing enzymes[J].Plant Growth Regulation,2008,54(2):143-156.

[28] Ali B,Deng X,Hu X,et al.Deteriorative effects of cadmium stress on antioxidant system and cellular structure in germinating seeds of Brassica napus L[J].Journal of Agricultural Science and Technology,2015,17(1):63-74.

[29] 孫園園,張光蘭,楊文杰,等.鎘脅迫對(duì)一年生黑麥草種子萌發(fā)及幼苗初期生理生化特性的影響[J].種子,2014,33(8):25-29.

[30] 張春榮,李紅,夏立江,等.鎘、鋅對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)及幼苗的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2005,20(1):96-99.

[31] 朱志勇,李友軍,郝玉芬,等.鎘對(duì)小麥(Triticum aestivum)干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)移及籽粒產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,31(2):252-258.

[32] Lux A,Martinka M,Vaculík M,et al.Root responses to cadmium in the rhizosphere: a review[J].Journal of Experimental Botany,2011,62(1):21-37.

[33] Ma L J,Zhang Y,Bu N,et al.Alleviation effect of alginate-derived oligosaccharides on Vicia faba root tip cells damaged by cadmium[J].Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology,2010,84(2):161-164.

[34] Ashraf M,Foolad M R.Pre-sowing seed treatment-a shotgun approach to improve germination,plant growth and crop yield under saline and non-saline conditions[J].Advances in Agronomy,2005,88:223-271.

[35] Bewley J D.Seed Germination and Dormancy[J].The Plant Cell, 1997,9(7):1055-1066.

[36] Bona L,Belesky D P.Evaluation of switchgrass entries for acid soil tolerance[J].Communications in Soil Science & Plant Analysis,1992,23(15-16):1827-1841.

Coupling Effect of Cadmium and pH on Switchgrass Seed Germination and Seedling Development

GU Mu-yu，WANG Ya-fang， MA Xiao-min，ZHANG Hong-juan，GUI Jing，GAO Wei， WANG Quan-Zhen*

(CollegeofAnimalScienceandTechnology,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Phytoremediation is an economical, environmental and most promising alternative for environmental remediation of heavy metal polluted soils in the future. This study investigated the effect of cadmium, presoaking and pH on seed germination and seedling development of two switchgrass cultivars (upland type Blackwell and lowland type Kanlow) , to provide a scientific basis for switchgrass phytoremediation in heavy metal polluted environment by using a quadratic orthogonal rotational combination design. The results showed that seed germination percentages of two switchgrass cultivars were not significantly different from control group under various Cd concentrations, but the presoaking treatment could significantly improve the switchgrass seed germination index and seed vigor index. With the increasing of cadmium concentrations, root length, shoot length and seed vigor slowly declined and the impact of cadmium on root growth was more significant than seedling growth. Blackwell was more tolerant to cadmium stress compared with Kanlow; presoaking before sowing alleviated cadmium stress and promoted the development of switchgrass seedlings and roots. Cadmium and pH had a coupling effect on switchgrass seed germination and seedling development, besides, switchgrass root length, shoot length and seed vigor had maximum values when pH was 4.8. Under lower cadmium stress (<150 μmol/L), upland switchgrass cultivar Blackwell performed better than lowland cultivar Kanlow in seed germination and seedling development. In addition, presoaking and mild acidic conditions facilitated the development of switchgrass seedlings under cadmium polluted environment. Switchgrass had a certain potential in the phytoremediation of cadmium contaminated soil. In practice, cultivating switchgrass could ameliorate the cadmium-polluted edatope.

switchgrass；presoaking；pH；cadmium；seed germination；seedling growth；coupling effect

2015-03-10，

2015-03-22 [基金項(xiàng)目] 國家自然科學(xué)基金(31472138)

顧沐宇(1991-)，男，安徽淮南人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)橥寥乐亟饘僦参镄迯?fù)技術(shù)及草坪建植。 E-mail: 15191442635@163.com

*[通訊作者] 王佺珍(1963-)，男，內(nèi)蒙古卓資人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟敛莘N質(zhì)資源利用及種子繁育技術(shù)研究。 E-mail: wangquanzhen191@163.com

S811.6

A

1005-5228(2015)09-0057-08