Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

葛元英　陳新彤　張鵬　崔旭

摘要：為了解狼尾草種子對重金屬鉻（Cr）污染的耐性，以狼尾草種子為試驗材料，采用水培法，研究不同濃度的Cr6+脅迫對狼尾草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Cr6+質(zhì)量濃度較低時（≤25 mg/L），狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標與對照組相比均無顯著降低;當(dāng)Cr6+質(zhì)量濃度較高時（≥50 mg/L），狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標均隨Cr6+處理濃度的增加而降低。由研究結(jié)果可以看出，狼尾草種子對Cr6+有一定的耐受能力，可以應(yīng)用于Cr6+輕度污染土壤的修復(fù)。

關(guān)鍵詞：Cr6+;狼尾草;種子萌發(fā);幼苗生長

中圖分類號： S543+.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0126-03

收稿日期：2018-12-15

基金項目：山西省重點研發(fā)（指南）項目（編號：201603D21110-1-4）。

作者簡介：葛元英（1977—），女，江蘇泗陽人，碩士，實驗師，主要從事污染土壤修復(fù)、實驗室管理工作。E-mail：sxaugyy@126.com。

通信作者：崔 旭，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事污染土壤的治理工作。E-mail：sxaucx@126.com。

重金屬鉻（Cr）是地球地殼中常見的元素[1]，存在于大氣、水體和自然形成的土壤中，隨著Cr在制革、染料、電鍍和有機合成等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，水體、土壤、生物均遭受了不同程度的污染[2]。近年來，常用的修復(fù)土壤重金屬污染的方法包括物理、化學(xué)、生物修復(fù)等，其中生物修復(fù)中的植物修復(fù)與其他修復(fù)方法相比具有高效、經(jīng)濟和生態(tài)協(xié)調(diào)等優(yōu)點，因而受到廣泛應(yīng)用[3]。但是，目前可應(yīng)用的Cr超積累植物仍然不多，并且缺乏植物對重金屬耐受能力的研究。種子萌發(fā)是植物生命的開始，萌發(fā)期是植物對環(huán)境最敏感的時期，它決定了幼苗的存活率、個體適合環(huán)境的程度以及植物生活史的表達等，進而影響到種群動態(tài)、植被分布和恢復(fù)等生態(tài)過程[4-7]。

狼尾草（Pennisetum alopecuroides）是一種在我國絕大部分地區(qū)常見的多年生禾本科草本植物，具有生命力旺盛、抗逆性強、根系發(fā)達、維護成本低廉、管理簡單等優(yōu)點[8-10]。目前，對狼尾草在Cr6+污染脅迫下種子萌發(fā)及其生長影響的研究較少[11]。因此，本研究選取狼尾草種子，通過在實驗室水培條件下研究Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)和生長的影響，旨在探索狼尾草對Cr的抗性機制及耐性表現(xiàn)，為選擇具有高耐Cr能力同時能夠富集Cr的植物物種提供一定的參考，也為后續(xù)利用植物修復(fù)Cr污染土壤的修復(fù)技術(shù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇籽粒飽滿完整、無病蟲害、大小相近的狼尾草種子作為試驗種子，所用的Cr6+試劑為K2Cr2O7（分析純）。

1.2 種子萌發(fā)試驗方法

試驗于2018年4月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境監(jiān)測實驗室進行。配制Cr6+濃度分別為0、5、10、25、50、100、200 mg/L的鉻溶液，分別注入洗凈、烘干、襯有濾紙的90 mm培養(yǎng)皿中，對照用去離子水。在每個培養(yǎng)皿中放入40粒狼尾草種子，每個濃度設(shè)3次重復(fù)。將加蓋后的培養(yǎng)皿放入光照度為4 000 lx、光—暗周期為12 h—12 h、相對濕度為80%左右、25 ℃人工氣候培養(yǎng)箱中進行恒溫培養(yǎng)，每隔12h觀察并記錄發(fā)芽的種[HJ1.4mm]子數(shù)。發(fā)芽的第3天掀開培養(yǎng)皿蓋，使其在透氣狀態(tài)下自然生長。每天定時加入一定量的去離子水，保持培養(yǎng)皿中的濕潤狀態(tài)，保證種子能夠正常生長。當(dāng)幼苗長出2張子葉時，測量種子的芽長、根長和鮮質(zhì)量，計算發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等指標。

1.3 測定指標

本研究主要測定狼尾草種子的發(fā)芽勢、 發(fā)芽率、鮮質(zhì)量，以及芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)等指標，每天記錄發(fā)芽的種子數(shù)，以處理后第3天的數(shù)值計算種子的發(fā)芽勢，以處理后第7天的數(shù)值計算種子的發(fā)芽率。并于第7天計算發(fā)芽指數(shù)，測定鮮質(zhì)量，在每個培養(yǎng)皿中選取生長適中的10粒發(fā)芽種子，用直尺測量芽長、根長[12]。各項指標的計算方法如下[13]：

（1）發(fā)芽勢。發(fā)芽勢=（第3天發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)）×100%。

（2）發(fā)芽率。發(fā)芽率=（第7天發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)）×100%。

（3）鮮質(zhì)量。從發(fā)芽的種子中挑出長勢較好的3粒，晾干水分，用分析天平稱質(zhì)量，求平均值，即為單株幼苗鮮質(zhì)量。

（4）發(fā)芽指數(shù)。發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt。式中：Gt為td內(nèi)的發(fā)芽數(shù);Dt為相應(yīng)的發(fā)芽時間，d。

（5）活力指數(shù)?；盍χ笖?shù)=發(fā)芽指數(shù)×芽長度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用 Excel 2016軟件進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)的影響

發(fā)芽勢和發(fā)芽率是評價種子發(fā)芽速度和整齊度的重要指標[12]，由表1可以看出，當(dāng)Cr6+濃度≤25 mg/L時，狼尾草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢沒有明顯的變化，但是隨著重金屬Cr6+脅迫濃度的增大，發(fā)芽率和發(fā)芽勢都表現(xiàn)出不同程度的下降。在5 mg/L Cr6+處理濃度下，狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢與對照相比，雖然上升幅度不是很高，但仍可表明，低濃度Cr6+處理對狼尾草種子的萌發(fā)有一定的刺激作用，促進了狼尾草種子的萌發(fā);而當(dāng)Cr6+處理濃度大于100 mg/L時，狼尾草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢都呈下降趨勢，其中當(dāng)Cr6+濃度為 200 mg/L 時，狼尾草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢分別為對照的56%、51%。

2.2 Cr6+對狼尾草芽長的影響

由圖1可見，在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+處理下，狼尾草種子的芽長均高于對照組;當(dāng)Cr6+濃度為5 mg/L時，芽長最長。說明低濃度的Cr6+處理對狼尾草種子芽長有一定的促進作用，隨著Cr6+濃度的增加，表現(xiàn)出一定的抑制作用，且隨著脅迫濃度的增加，對狼尾草種子芽長的抑制作用也越強。狼尾草種子萌發(fā)的芽長變短以后，必然會影響狼尾草在隨后生長期內(nèi)的正常生長。

2.3 Cr6+對狼尾草根長的影響

由圖2可知，在不同濃度的Cr6+處理下，狼尾草根長隨Cr6+脅迫濃度增大，先略微上升，然后急劇下降，5～25 mg/L Cr6+處理對狼尾草種子根長有一定的促進作用，但Cr6+濃度≥50 mg/L 時，抑制作用就很明顯。此外，由圖1、圖2可以看出，Cr6+對狼尾草種子根生長的抑制作用要大于對種子芽生長的抑制作用。

2.4 Cr6+對狼尾草種子發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)也是能夠反映種子萌發(fā)能力強弱的重要指標[12]。如圖3所示，在低濃度（5～25 mg/L）Cr6+脅迫下，發(fā)芽指數(shù)隨著Cr6+濃度的上升變化不大;當(dāng)Cr6+脅迫濃度大于50 mg/L時，發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)出下降趨勢，在200 mg/L Cr6+處理下的狼尾草種子發(fā)芽指數(shù)為對照的50.5%。活力指數(shù)是綜合反映種子發(fā)芽速率和生長量的指標，是反映種子活力高低的一種可靠性指標[12]。由圖4可以看出，狼尾草種子的活力指數(shù)變化規(guī)律與發(fā)芽指數(shù)的變化規(guī)律相似，在低濃度（5～25 mg/L）Cr6+脅迫下，狼尾草種子活力指數(shù)隨著Cr6+濃度的上升而有所上升;當(dāng)Cr6+脅迫濃度≥50 mg/L時，狼尾草種子活力指數(shù)呈下降趨勢，在200 mg/L Cr6+處理下的狼尾草種子活力指數(shù)為對照的11.6%。這進一步說明，在低濃度Cr6+脅迫下，重金屬對狼尾草種子萌發(fā)有促進作用，而高濃度的Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)表現(xiàn)出一定的抑制作用。

3 討論與結(jié)論

種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都是表示種子發(fā)芽程度及其生存能力大小的主要參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)在不同Cr6+質(zhì)量濃度處理下的響應(yīng)狀況或被抑制程度，可以判斷狼尾草種子在萌發(fā)期間耐受重金屬Cr6+的狀況[7，12]。不同濃度的Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響一般表現(xiàn)為低濃度促進、高濃度抑制。在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+處理下，Cr6+處理狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與對照組間的差異不大，表明鉻可能是植物生長過程中體內(nèi)必需的微量元素之一。在高濃度（≥50 mg/L）Cr6+處理下，Cr6+處理對狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標開始表現(xiàn)出抑制作用，且對各指標的影響相似。本研究結(jié)果與其他研究者對小麥種子、水稻種子、玉米種子和小香蒲種子的研究結(jié)果類似[14-16]。

Cr6+與植物作用時，首先接觸到根部，因此重金屬Cr6+進入植物體后，大部分會在根部蓄積，同時，根細胞壁中存在大量的交換位點，能夠?qū)⒅亟饘匐x子固定或吸收在這些位點上，從而阻止重金屬離子向地上部分運移[17]。隨著根部吸收或固定Cr6+離子的增加，加劇了細胞內(nèi)染色體和核仁的破壞程度，這可能是抑制狼尾草種子根生長的主要原因。植物體中絡(luò)合重金屬最重要的部位就是根，因此根也是最易受重金屬毒性影響的部位[7]。植物種子萌發(fā)所需要的能量和物質(zhì)來源于貯存于種子中的物質(zhì)氧化分解，這些物質(zhì)的分解過程需要大量酶的參與，可能由于低質(zhì)量濃度的Cr6+會與這些酶發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生物質(zhì)刺激促進其萌發(fā)[18]，而高濃度的Cr6+對植物種子萌發(fā)及幼苗生長表現(xiàn)為明顯的抑制作用，可能由于高濃度的Cr6+增加了細胞膜透性，導(dǎo)致細胞內(nèi)物質(zhì)外滲[7，16]。

本研究結(jié)果表明，高濃度的Cr6+（≥50 mg/L）明顯抑制了狼尾草種子的萌發(fā)和幼苗生長，且高濃度的Cr6+對狼尾草根生長的抑制作用大于對芽生長的抑制作用。但在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+作用下，狼尾草表現(xiàn)出一定的耐受能力，這為選擇具有高抗Cr能力，同時能夠富集Cr的植物物種以及后續(xù)利用植物修復(fù)Cr污染的土壤凈化治理提供了參考，但是對于Cr6+脅迫對狼尾草生長的影響機制，以及對于重金屬Cr污染土壤的修復(fù)效率等還有待進一步的探索和系統(tǒng)的研究。

參考文獻：

[1]Dahab O A，Al-Madfa H. Chromium distribution in waters and sediments of the eastern side of the Qatari Peninsula[J]. Science of the Total Environment，1997，196（1）：1-11.

[2]Gao B，Gao L，Xu D Y，et al. Assessment of Cr pollution in tributary sediment cores in the Three Gorges Reservoir combining geochemical baseline and in situ DGT[J]. Science of the Total Environment，2018，628/629：241-248.

[3]孫約兵，周啟星，郭觀林. 植物修復(fù)重金屬污染土壤的強化措施[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2007，1（3）：103-110.

[4]王桔紅，杜國禎，崔現(xiàn)亮，等. 青藏高原東緣61種常見木本植物種子萌發(fā)特性及其與生活史的關(guān)聯(lián)[J]. 植物生態(tài)學(xué)報，2009，33（1）：171-179.

[5]Donohue K，Dorn L，Griffith C，et al. The evolutionary ecology of seed germination of Arabidopsis thaliana：variable natural selection on germination timing[J]. Evolution，2005，59（4）：758-770.

[6]陶 玲，任 珺，祝廣華，等. 重金屬對植物種子萌發(fā)的影響研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，26（增刊1）：52-57.

[7]Hou J，Liu G N，Xue W，et al. Seed germination，root elongation，root-tip mitosis，and micronucleus induction of five crop plants exposed to chromium in fluvo-aquic soil[J]. Environmental Toxicology and Chemistry，2014，33（3）：671-676.

[8]朱秀紅，侯國棟，茹廣欣，等. 狼尾草對鉻的積累及其抗氧化特性研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，51（3）：330-334.

[9]陳 超，袁小環(huán)，滕文軍，等. 狼尾草屬植物生物學(xué)特性、生態(tài)適應(yīng)性、觀賞性和入侵風(fēng)險關(guān)系的探討[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2017，36（2）：374-381.

[10]焦樹英，李永強，沙依拉·沙爾合提，等. 干旱脅迫對3種狼尾草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[J]. 西北植物學(xué)報，2009，29（2）：308-313.

[11]楊 陽，茹廣欣，盧妍妍，等. 鉻（Ⅵ）脅迫對狼尾草幼苗生長特性的影響[J]. 西部林業(yè)科學(xué)，2013，42（6）：75-81.

[12]岑畫夢，彭玲莉，楊 雪，等. Cd2+對狗牙根、假儉草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報，2015，24（5）：100-107.

[13]王軍濤，劉洪祿，吳文勇，等. 水培條件下重金屬Cr（Ⅵ）對作物種子萌發(fā)影響的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（6）：222-225.

[14]呂篤康，李海冰，巴音山，等. 重金屬鉻及鹽脅迫對小香蒲種子萌發(fā)的影響[J]. 種子，2013，32（2）：72-75.

[15]康維鈞，哈 婧，梁淑軒，等. 鉻對蘿卜種子發(fā)芽與根伸長抑制的生態(tài)毒性[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報，2005，26（4）：322-325，329.

[16]盧志紅，趙小敏，朱美英. 鉻Cr6+對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J]. 中國土壤與肥料，2008（3）：60-62.

[17]蔣光月，崔德杰. 重金屬Cr對小白菜種子萌發(fā)及生長的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，25（增刊1）：85-88.

[18]張龍沖，張秋玲，趙 袁，等. 4種鉻污染地植物的富集特征及其種子萌發(fā)對鉻（Cr6+）處理的響應(yīng)[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，50（4）：550-557.