鉛、鎘對南荻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

王波 *，黃攀，呂德雅，王琳鈺，劉暢 ，嚴帆 ，劉輝

1. 安徽省水土污染治理與修復工程實驗室，安徽 蕪湖 241002；2. 安徽師范大學 環(huán)境科學與工程學院，安徽 蕪湖 241002

近年來，由于工業(yè)、礦業(yè)、城市和農業(yè)等人類活動的影響，導致土壤重金屬污染日益嚴重。土壤重金屬污染，不僅直接影響糧食的產(chǎn)量與質量，并可通過食物鏈等方式威脅人畜健康（Nsanganwimana et al.，2014）。在風化和腐蝕的作用下，土壤中的重金屬會散布到與它臨近的大氣、河流、土壤系統(tǒng)中，造成生態(tài)環(huán)境的破壞（Lietal.，2017），因而修復污染土壤迫在眉睫。在多種修復方式中植物修復是相對安全環(huán)保而且成本較低的一種方式，但從經(jīng)濟效益考慮，該技術缺乏私人和公眾的投資，商業(yè)價值?。–onesa et al.，2012）。植物修復技術商業(yè)價值的實現(xiàn)關鍵在于種植的植物是否有經(jīng)濟價值，而并非純粹的生態(tài)效益（Conesa et al.，2012）。以往人們關注較多的是超積累植物，但大多數(shù)超積累植物生物量小、生長慢，而且經(jīng)濟效益低，而能源植物因其生物量大、生長快、經(jīng)濟效益高而慢慢引起人們的重視。其中，芒屬能源植物以其生物質產(chǎn)量高、質量優(yōu)、種植成本低、適應力強、生態(tài)效益好和遺傳資源廣等優(yōu)勢引起人們的高度關注（易自力，2012）。

南荻（Triarrhena lutarioriparia），中國特有的非糧纖維型能源植物，是芒屬能源植物中的一種，具有生物量大、生長迅速、生態(tài)適應性強等特點（張闖，2013）。南荻作為C4植物，比一般植物的光合作用更強，可改善溫室效應、凈化空氣；擁有發(fā)達的根系，屬于水陸兩生植物，具有固土保水、防止土壤流失等功能；不僅是優(yōu)質的造紙原材料，而且憑借高生物量和高纖維素含量，成為最有前景的能源植物之一（劉亮等，2001；黨寧等，2012）。若能利用非糧能源植物修復污染土壤，減少或固定土壤中的重金屬，不僅可以充分利用邊際土壤，避免污染擴散，同時避免與糧食作物爭地，而且還能避免污染物進入食物鏈而威脅人畜健康，最終獲得環(huán)境與經(jīng)濟雙效益。目前，有關南荻對重金屬的響應研究相對較少，主要研究南荻不同部位對重金屬的富集與轉運（李鳴等，2008；董萌等，2011）以及植物生長對土壤環(huán)境的改善（毛石花等，2013）等方面。同時對南荻的同屬植物荻（Triarrhenasacchariflora）、芒（Miscanthus sinensis）、五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）等的研究主要集中在這些植物對礦區(qū)重金屬污染的適應性等方面（Zhang et al.，2015；Lietal.，2014；Guo et al.，2016a；Guo et al.，2016b）。前人鮮少研究重金屬對南荻種子萌發(fā)期的影響，而種子萌發(fā)既是植物生活周期的起點，也是植物感知外界環(huán)境的最初生命階段，研究萌發(fā)期植物對重金屬脅迫的響應，對于進一步明確植物的抗性機理具有重要意義。

中國土壤污染形勢嚴峻，2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公告》指出，全國土壤總超標率為16.1%，其中土壤鉛、鎘的點位超標率分別達到1.5%和7.0%（環(huán)境保護部等，2014），并且這兩種重金屬的生態(tài)毒性較大，對環(huán)境和人群健康造成的影響更值得關注。因此，本研究選用鉛、鎘兩種重金屬元素，探討其對南荻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，為南荻修復重金屬污染土壤提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

南荻種子由湖南農業(yè)大學提供，常溫保存。

試劑以分析純Pb(NO3)2和CdCl2·2.5H2O配制，鉛脅迫的質量濃度設置為 5、10、20、50、80 mg·L-1，鎘脅迫的質量濃度設置為 0.5、1、5、10、20 mg·L-1，均采用蒸餾水作對照（CK）。

1.2 試驗方法

選取健康飽滿的南荻種子，用10%的雙氧水消毒15 min，超純水沖洗5次，浸種48 h后，將種子分別在不同濃度重金屬溶液中浸泡 1 h，從中選取形狀大小基本一致的 50粒種子均勻分布于直徑 9 cm、鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，用配好的重金屬溶液將濾紙潤濕至飽和，蓋上皿蓋后置于人工氣候箱培養(yǎng)，溫度30 ℃，16 h暗處理，8 h光照，光照強度8800 lx，每個處理設置3個重復。用稱重法補充蒸發(fā)的水分，萌發(fā)周期為10 d。萌發(fā)結束后，進行恢復實驗。挑出未發(fā)芽的種子，用無菌水清洗 5次后放入干凈的培養(yǎng)皿內，用蒸餾水再處理1個周期，觀察是否有種子發(fā)芽。

1.3 測定方法

每天同一時間記錄萌發(fā)種子數(shù)，以胚根達種子長、胚芽達種子 1/2長為萌發(fā)標準（田如男等，2011），10 d后萌發(fā)結束，從每個培養(yǎng)皿中隨機取出10株幼苗用游標卡尺測量其根長、芽長并記錄，計算單株平均值（楊丹娜等，2015）。只長胚芽而無胚根的種苗為異常發(fā)芽（曾慶玲等，2005）。計算發(fā)芽率RG、發(fā)芽指數(shù)IG、發(fā)芽勢PG、活力指數(shù)IV、異常發(fā)芽率RAG、根長抑制率Rri、芽長抑制率Rgi（田如男等，2011；曾慶玲等，2005）：

式中，NG為萌發(fā)種子數(shù)；N為供試種子數(shù)； Gt為t天的萌發(fā)數(shù)；Dt為發(fā)芽日數(shù)；NN為發(fā)芽初期正常萌發(fā)種子數(shù)(本實驗為 5 d)；S為幼苗平均根長（cm）；nA為異常發(fā)芽數(shù)；lr0、lg0分別為對照根、芽長度；lr、lg分別為處理根、芽長度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用SPSS 17.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，用Pearson相關系數(shù)評價不同因子間的相互關系，利用一元線性回歸法進行回歸分析。運用Origin 8.6進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 對種子發(fā)芽指標的影響

由圖 1可知，隨著鉛濃度的增大，南荻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)都顯著降低（P＜0.05）。當鉛質量濃度達到80 mg·L-1時，種子不能正常萌發(fā)，各項發(fā)芽指標都為0。當鉛質量濃度為 5、10、20、50 mg·L-1時，南荻種子的發(fā)芽率相比對照分別降低了 21.85%、44.54%、65.55%、80.68%。經(jīng)相關分析表明，南荻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均與鉛質量濃度呈極顯著負相關（r=-0.903、-0.787、-0.874、-0.647，P＜0.01）。

低鎘處理（≤5 mg·L-1）時，南荻種子的發(fā)芽率隨鎘濃度升高而降低，但差異不顯著。質量濃度為10 mg·L-1時，發(fā)芽率顯著降低（P＜0.05），較對照降低了88.46%。高質量濃度鎘（20 mg·L-1）處理會導致種子不能正常萌發(fā)，發(fā)芽率為 0。相關分析表明，南荻種子發(fā)芽率與鎘處理濃度呈極顯著負相關（r=-0.927，P＜0.01）。

鎘脅迫下南荻種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均隨鎘質量濃度增大而顯著降低（P＜0.05）。當鎘質量濃度為 0.5、1、5、10、20 mg·L-1時，種子的發(fā)芽勢較對照分別降低了 18.18%、18.18%、46.98%、83.34%、100%，發(fā)芽指數(shù)較對照分別降低了7.64%、12.40%、31.93%、87.02%、100%。經(jīng)相關分析，南荻種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均與鎘處理濃度呈極顯著負相關（r=-0.925、-0.946，P＜0.01）。

圖1 重金屬鉛、鎘對南荻種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Fig. 1 Effects of Pb and Cd on the germination rate, germination energy, germination index and vital index of T. lutarioriparia

鎘質量濃度≤1 mg·L-1時，南荻種子的活力指數(shù)與對照差異不顯著，隨著鎘脅迫濃度升高，活力指數(shù)呈顯著下降趨勢（P＜0.05），在5、10、20 mg·L-1的鎘脅迫下，較對照分別下降 58.83%、97.70%、100%。由相關分析可知，南荻種子的活力指數(shù)與鎘處理濃度呈極顯著負相關（r=-0.882，P＜0.01）。

2.2 對種子異常發(fā)芽率的影響

異常發(fā)芽率表示逆境對種子萌發(fā)的傷害效應（曾慶玲等，2005）。在鉛脅迫下，南荻種子呈現(xiàn)一定的中毒現(xiàn)象，只長幼苗而無幼根，導致大部分幼苗無法正常生長，而且隨鉛脅迫濃度增加，南荻種子異常發(fā)芽率顯著上升（P＜0.05）（圖 2），說明鉛處理濃度越大，對種子萌發(fā)傷害越大，當處理濃度為50 mg·L-1時，異常發(fā)芽率達到最大值。隨著鉛濃度繼續(xù)增大，異常發(fā)芽率開始顯著降低（P＜0.05），這是因為鉛濃度過高，種子大都已無法萌發(fā)，導致整體異常發(fā)芽率降低。低鎘處理（≤5 mg·L-1）時，南荻種子的異常發(fā)芽率較對照差異不顯著，說明南荻對低濃度鎘有一定的抗性。當鎘質量濃度達到10 mg·L-1時，異常發(fā)芽率顯著增大（P＜0.05），是對照的16.5倍，鎘脅迫的質量濃度達到20 mg·L-1時，異常發(fā)芽率顯著降低（P＜0.05）。

圖2 重金屬鉛、鎘對南荻種子異常發(fā)芽率的影響Fig. 2 The effect of Pb and Cd on the seed abnormal germination rate of T. lutarioriparia

2.3 對種子恢復率的影響

對鉛、鎘處理后未萌發(fā)的南荻種子進行恢復，將恢復種子用無菌水清洗后放入干凈的培養(yǎng)皿內，用超純水再處理1個周期，發(fā)現(xiàn)無萌發(fā)種子（結果省略），說明鉛、鎘處理對南荻種子具有不可逆?zhèn)Α?/p>

2.4 對種子根、芽長度的影響

由圖3可知，鉛脅迫下，南荻種子的根長抑制率隨鉛處理濃度的增大而增大，且各處理都與對照差異顯著（P＜0.05），由圖4可知，鉛質量濃度≥20 mg·L-1時，南荻種子根尖發(fā)黃，并伴隨不同程度的膨大變粗，當鉛質量濃度達到80 mg·L-1時，根長抑制率達 100%，根的伸長生長已被完全抑制。在鉛質量濃度為5 mg·L-1時，對芽長的抑制作用不顯著，隨著鉛處理濃度的增加，芽長抑制率呈上升趨勢，鉛質量濃度為10、20、50、80 mg·L-1時，芽長抑制率均顯著高于對照（P＜0.05）。相關分析表明，南荻種子的根長抑制率和芽長抑制率均與鉛處理濃度呈極顯著正相關（r=0.770、0.844，P＜0.01）。

低鎘處理（≤1 mg·L-1）時，根長抑制率為負值，且與對照差異顯著（P＜0.05），說明低濃度鎘處理對南荻種子根的伸長生長有顯著的促進作用，而南荻種子芽長抑制率與對照差異不顯著。當鎘處理濃度≥5 mg·L-1時，根長抑制率為正值，且隨處理濃度增大而顯著上升（P＜0.05），芽長抑制率也隨處理濃度增大呈顯著上升趨勢（P＜0.05），說明當鎘濃度達到一定值時，南荻種子的根長、芽長都會受到抑制，且抑制作用隨處理濃度增大而增大。當鎘質量濃度為 20 mg·L-1時，根長抑制率達100%，表現(xiàn)為完全抑制。

2.5 回歸分析

圖3 重金屬鉛、鎘對南荻根/芽長抑制率的影響Fig. 3 Effects of Pb and Cd on the inhibition rates of root and shoot length of T. lutarioriparius

為了定量分析重金屬鉛、鎘對南荻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，探索南荻種子對重金屬的耐性，將鉛、鎘濃度與南荻種子的發(fā)芽率、根長抑制率、芽長抑制率進行回歸分析，并計算發(fā)芽率，將根長抑制率、芽長抑制率為對照的50%時對應的金屬濃度，定義為臨界濃度；計算發(fā)芽率為對照的 0%，將根、芽長抑制率為對照的 100%時對應的金屬濃度，定義為極限濃度。結果見表 1，各項指標與重金屬濃度均呈極顯著相關（P＜0.01）。

由表1可知，鉛、鎘處理的種子發(fā)芽率和根長抑制率對應的臨界濃度與極限濃度相差不大，但相對芽長抑制率對應的臨界濃度和極限濃度偏低，說明鉛、鎘對南荻種子萌發(fā)的影響與對幼根伸長的影響差別不大，但對南荻幼根伸長的抑制作用高于對芽長的抑制作用。由此可知，南荻種子只能在較低濃度的鉛、鎘脅迫下萌發(fā)、生長幼根，但幼芽可忍受相對較高濃度的鉛、鎘脅迫，幼芽對重金屬鉛、鎘的耐性高于幼根。影響南荻種子萌發(fā)和幼苗生長的鉛臨界濃度和極限濃度分別大于鎘對應的濃度，說明南荻種子對鉛的耐性強于鎘。

3 討論

本試驗中，重金屬鉛、鎘對南荻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響不同。發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)以及活力指數(shù)不僅與植物本身的生物學特性有關，而且與種子所處的環(huán)境關系密切（徐雅梅等，2017）。重金屬鉛、鎘均顯著降低南荻種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)（P＜0.05），這與番茄（宋勤飛等，2006）、小麥（王麗燕等，2009）等種子試驗中得到的低促高抑結果不一致，這可能由于不同植物種子本身的生物學特性不同，南荻種子內部有關的酶如淀粉酶、蛋白酶等活性受到抑制，導致萌發(fā)所需的物質與能量匱乏（張義賢，2004）。

圖4 不同濃度鉛、鎘處理下南荻種子萌發(fā)的表型（萌發(fā)10 d）Fig. 4 The phenotype of T. lutarioriparius under different concentrations of Pb and Cd (germination of 10 d)

表1 南荻種子萌發(fā)和幼苗生長與鉛、鎘脅迫濃度之間的關系Table 1 The relationship between seed germination and seedling growth of T. lutarioriparius and concentration of Pb and Cd

從幼苗的生長來看，鉛脅迫顯著增加南荻種子異常發(fā)芽率（P＜0.05），隨著鉛濃度增大，只長幼苗不生根的種子數(shù)量也明顯增加，導致幼苗不能正常生長。南荻種子的根長抑制率、芽長抑制率也隨著鉛質量濃度的增加而變大，對根長抑制作用更明顯。當鉛質量濃度為 80 mg·L-1時，根長抑制率為100%，表現(xiàn)為完全抑制，而芽長抑制率僅為65.75%，說明同一鉛濃度脅迫下，南荻根對鉛更敏感，較高濃度鉛處理（≥20 mg·L-1）會導致南荻根尖發(fā)黃、畸形，這與宋勤飛等（2006）的研究結論一致。胚根突破種皮吸收溶液中的鉛，鉛被固定在根系細胞壁的交換位點，鉛還可與根系細胞壁上的多聚半乳糖酸親和，從而使鉛固定在根部，不易于向上轉移，故其對根的影響大于芽（宋勤飛等，2006）。而鎘脅迫下，對南荻根長的影響符合低促高抑的規(guī)律，鎘對芽長的抑制作用要達到一定濃度才會顯現(xiàn)，這與前人（王文萍等，2010）的研究結果一致，說明南荻種子對低濃度鎘有一定耐性?？赡茉蚴堑蜐舛孺k誘導超氧陰離子和羥基自由基等活性氧自由基的產(chǎn)生，加速植物代謝，宏觀上表現(xiàn)為促進植物生長，而濃度繼續(xù)增大，活性氧自由基增多，代謝紊亂，抑制植物生長（王新新等，2013；劉春艷等，2011）。

由回歸分析可知，影響南荻種子芽生長的鉛、鎘臨界濃度和極限濃度分別大于抑制根生長對應的濃度，說明南荻種子的根生長對鉛、鎘脅迫更敏感，鉛、鎘對南荻種子幼根的抑制作用大于對幼芽的抑制作用，這與前人（陳偉等，2013）的研究一致。研究表明（田如男等，2011），種子萌發(fā)過程中，胚根最先突破種皮，胚根受到脅迫時間較胚芽長，所以重金屬對種子胚根的影響大于胚芽，這與上文分析一致。影響南荻種子萌發(fā)和幼苗生長的鉛臨界濃度和極限濃度分別大于鎘對應的濃度，說明南荻種子對鉛的耐性強于鎘，在對小麥（王麗燕等，2009）的試驗中也得到同樣的結論，可能是鎘離子的有效性高，而鉛不易移動，生物有效性低，所以鎘對植物的毒性比鉛強。

通過種子恢復實驗發(fā)現(xiàn)，鉛、鎘處理后未萌發(fā)的南荻種子無法再萌發(fā)，這與賈文娟（2012）的研究一致，可能原因是重金屬鉛、鎘脅迫已導致種子喪失生命力。

4 結論

（1）鉛脅迫明顯抑制了南荻種子的萌發(fā)，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均較對照顯著下降；鎘脅迫對南荻種子的萌發(fā)也起到抑制作用，但是低鎘（＜5 mg·L-1）可促進南荻根系的生長，隨著處理濃度的增加，鎘對南荻幼苗生長有明顯的抑制作用，鉛、鎘對南荻種子根的抑制作用大于對芽的抑制作用。

（2）回歸分析表明，鉛脅迫下南荻種子萌發(fā)和幼苗生長的臨界濃度和極限濃度分別大于鎘脅迫對應的濃度，表明南荻種子對鉛的耐性強于鎘。重金屬鉛、鎘對南荻種子的毒害作用不可逆。