銅、鎘單一及復(fù)合脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)的影響

宋 紅，田曉璇

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

玉蟬花(Irisensata)是鳶尾屬植物中有較強耐寒性的種[1]，在園林綠化中應(yīng)用廣泛，可以采用種子繁殖和分株繁殖，其栽培應(yīng)用歷史久遠，花姿奇特，花色鮮艷，觀賞價值很高，在園林應(yīng)用中擁有巨大的發(fā)展?jié)摿2]。研究表明，有部分鳶尾屬植物對于Pb、Al等重金屬有一定的耐受性，為相關(guān)的礦區(qū)及重金屬土壤污染區(qū)提供了新的選擇。朱燦在研究不同濃度Al脅迫對鳶尾以及黃花鳶尾的影響時發(fā)現(xiàn)，高濃度Al抑制生長，低濃度Al則促進生長，鳶尾對Al的耐受能力高于黃花鳶尾[3]。朱廣慧研究了銅鎘脅迫對路易斯安那鳶尾的影響，發(fā)現(xiàn)其幼苗生長緩慢，干重下降，葉綠素含量隨脅迫處理濃度的升高而降低[4]。而銅、鎘對玉蟬花種子萌發(fā)的影響還尚未見報道。

本試驗用紙皿法模擬不同濃度下的Cu2+、Cd2+以及復(fù)合脅迫環(huán)境，測定玉蟬花種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及萌發(fā)后有關(guān)的生長指標，了解玉蟬花在不同重金屬環(huán)境下的耐受性，以期為更好地利用玉蟬花提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

玉蟬花種子采于東北林業(yè)大學(xué)帽兒山試驗林場，采集后放于室內(nèi)自然陰干，之后保存于4 ℃冰箱中待用。采集時間為2017年9月，種子的千粒重為11.2 g。

試劑為CuSO4·5 H2O(分析純)、CdCl2·2.5 H2O(分析純)。

1.2 方 法

試驗在東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院實驗室進行，重金屬Cu2+、Cd2+分別以溶液的形式加入，根據(jù)我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準中的土壤重金屬風(fēng)險值[5]并參照文獻[6]的方法，設(shè)定處理濃度為Cu2+：5、25、50、100、200、400 mg·L-1，Cd2+：1、5、10、50、100、200 mg·L-1，復(fù)合脅迫處理濃度采用兩兩等比對應(yīng)[7-8]：Cu-Cd組合濃度：5-1 mg·L-1、25-5 mg·L-1、50-10 mg·L-1、100-50 mg·L-1、200-100 mg·L-1、400-200 mg·L-1，處理的重金屬濃度和相應(yīng)的編號見表1。以去離子水作為對照組。

表1 Cu2+、Cd2+單一及復(fù)合脅迫濃度及相應(yīng)編號

用40 ℃的溫水浸泡玉蟬花種子24 h，然后用濃度為4%的次氯酸鈉(NaClO)消毒10 min，用自來水清洗種子數(shù)次，再用去離子水沖洗5次備用[2]。每個培養(yǎng)皿(直徑9 cm)墊2層高壓滅菌的濾紙，再用1 mL移液槍吸取不同濃度梯度的重金屬溶液4 mL將濾紙浸濕至飽和，注意濾紙緊貼培養(yǎng)皿，防止產(chǎn)生氣泡。

將消毒好的玉蟬花種子放于吸水紙上吸掉種子外部多余的水分，排放于培養(yǎng)皿中，每皿種子50粒。分別稱量每個培養(yǎng)皿的重量并記錄，然后放入人工培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(培養(yǎng)溫度為25 ℃，光照8 h，黑暗16 h)。之后每天澆水至恒重保持培養(yǎng)皿濕潤。每天09：00時觀察并記錄發(fā)芽種子數(shù)，以發(fā)芽較集中的第10天計算種子發(fā)芽勢，以將種子放入人工培養(yǎng)箱為試驗的第1天，以連續(xù)3 d種子發(fā)芽數(shù)不再增長作為試驗?zāi)┢诮Y(jié)束實驗(本試驗為發(fā)芽20 d結(jié)束)，結(jié)束當(dāng)天在每個培養(yǎng)皿中隨機選擇9個幼苗測量根長(最長根)、苗長、鮮重和干重，并統(tǒng)計計算各數(shù)據(jù)。以加去離子水作為對照(ck)組，每處理3個重復(fù)，取3個重復(fù)的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Office Excel軟件統(tǒng)計所有的數(shù)據(jù)，并采用SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，最后使用Excel進行圖表制作。

1.4 測定指標

本試驗測定的種子發(fā)芽指標有發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)[9]：

發(fā)芽率(%)=[(20 d內(nèi)全部發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子粒數(shù))]×100%；

發(fā)芽勢(%)=(第10天種子的總發(fā)芽粒數(shù)/供試種子粒數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)，Gt為t日的發(fā)芽種子數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)；

種子活力指數(shù)(VI)=GI×Lr，Lr指平均根長。

根(苗)長抑制指數(shù)(%)=[(對照長度-處理長度)/對照長度]×100%。

本試驗測定的種子生長指標為發(fā)芽20 d后的根長、根長抑制指數(shù)、苗長、苗長抑制指數(shù)、鮮重、干重。根長、苗長測量的是最長根和最高葉尖到莖的長度，鮮重和干重用電子天平稱量。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅單一脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)的影響

玉蟬花觀賞性非常強，它可以通過種子進行繁殖。植物的生命活動開始于種子的萌發(fā)，其對植物的生長發(fā)育以及植物對外界環(huán)境的適應(yīng)性起著非常重要的作用。而種子的萌發(fā)特性可通過種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢等指標來評價。重金屬Cu的單一脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)特性的影響如表 2所示。

表2 不同濃度Cu2+脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)特性的影響

從表2可以看出，在重金屬銅的單一脅迫下，玉蟬花種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢以及發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)在整體上均呈降低的趨勢，在低濃度處理T 1-1和T 1-2中，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)都高于對照，在5 mg·L-1的濃度時，種子的發(fā)芽率達到84.44%，比對照增加8.88%，差異不顯著(p>0.05)；發(fā)芽勢為63.33%，比對照高14.44%，差異顯著(p<0.05)，5 mg·L-1的處理濃度下發(fā)芽指數(shù)為2.93，與對照差異顯著(p<0.05)。說明低濃度的銅對玉蟬花種子的萌發(fā)有一定的促進作用。

在中濃度處理和高濃度處理下，玉蟬花種子的發(fā)芽率較對照組明顯減少，處理T 1-4的發(fā)芽率為53.33%，較對照組下降了22.23%，差異顯著(p<0.05)；而高濃度(200 mg·L-1和400 mg·L-1)的處理下，發(fā)芽率分別為50.00%和45.56%，分別比對照組下降了25.56%和30.00%，且與對照組差異顯著(p<0.05)。在50 mg·L-1的濃度處理下，玉蟬花種子的發(fā)芽勢為51.11%，比對照組高2.22%，差異不顯著(p>0.05)，而從100 mg·L-1的處理濃度開始，發(fā)芽勢隨濃度的升高而低于對照組，差異顯著(p<0.05)。在高濃度(400 mg·L-1)的脅迫中，種子的發(fā)芽指數(shù)最低，為1.38，較對照組明顯降低。Cu2+的單一脅迫下，處理組活力指數(shù)都明顯低于對照組，且差異顯著；高濃度(400 mg·L-1)的處理下，幼苗的根特別短，甚至不生長，抑制作用很明顯。說明高濃度的Cu2+對玉蟬花有一定的抑制作用。

對于園林植物，在重金屬污染地區(qū)不僅要看種子的萌發(fā)特性，更要注重其萌發(fā)后的生長發(fā)育狀況，這對園林綠化以及種子資源的合理利用很重要。

由表3可見，隨著Cu2+濃度的增加，幼苗根長受到顯著的抑制，甚至在T 1-6處理中幾乎不長根，前5組處理較對照組根長分別減少了1.98、2.59、2.74、2.83、2.96 cm，抑制作用明顯；在100 mg·L-1和200 mg·L-1的處理濃度下，根長抑制指數(shù)達90%以上，說明Cu2+對幼苗初生根有著明顯的抑制作用。

表3 不同濃度Cu2+脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)后根長和苗高的影響

T 1-1處理下，苗高高于對照，而從25 mg·L-1開始，苗高都受到明顯抑制，處理T 1-2中，苗高為2.03 cm，苗高抑制指數(shù)為26.06%，而在T 1-6的處理中，苗高僅為0.91 cm，抑制指數(shù)達66.91%，差異顯著(p<0.05)。

在處理T 1-4中，部分初生葉片發(fā)生了Cu2+中毒現(xiàn)象，葉片出現(xiàn)紫紅色。高濃度處理下，玉蟬花的葉片發(fā)黃，根系明顯縮短，根尖變紅且分根多不生長，表明Cu2+對種子萌發(fā)后的生長有一定的抑制作用，并且對根的抑制作用明顯高于對苗高的抑制作用。

從圖1可以看出，隨著Cu2+濃度的增加，玉蟬花種子萌發(fā)后幼苗的鮮重整體呈下降的趨勢。在T 1-1處理中，鮮重為0.154 g，比對照高出0.013 g，說明低濃度Cu2+對玉蟬花的生長有一定的促進作用。而在處理濃度為25～400 mg·L-1時，與對照相比，鮮重下降明顯，在T 1-3處理中僅為0.07 g，在T 1-6處理中為0.04 g，分別較對照組減少了0.071 g和0.101 g，差異顯著(p<0.05)，生長受到了抑制。而不同濃度Cu2+脅迫下玉蟬花種子萌發(fā)后的干重也隨Cu2+濃度的增加有所下降，T 1-3處理干重僅為0.008 g，比對照減少了0.007 g，差異顯著(p<0.05)。在400 mg·L-1的處理濃度下，玉蟬花的幼苗干重僅為0.005 g，說明其生長明顯受到抑制，植物生長緩慢。

圖1 不同濃度Cu2+脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)后鮮重和干重的影響

2.2 鎘單一脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)的影響

從表4可以看出，Cd2+單一脅迫下玉蟬花的種子萌發(fā)特性隨處理濃度的升高而總體呈下降趨勢，且呈高濃度抑制、低濃度促進的趨勢。

表4 不同濃度Cd2+脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)特性的影響

如表4所示，在1 mg·L-1和5 mg·L-1的Cd2+脅迫下，發(fā)芽率與對照相差不大，種子能夠正常萌發(fā)，差異不顯著(p>0.05)，在10～100 mg·L-1的濃度范圍中，發(fā)芽率依次比對照組下降12.23%、18.89%、24.45%，差異顯著(p<0.05)，而在最高處理濃度200 mg·L-1時，種子的發(fā)芽率明顯受到抑制，為36.67%，與對照相比減少了38.89%，差異顯著(p<0.05)。在處理T 2-1中，種子的發(fā)芽勢高于對照組，為51.11%，其他處理組分別較對照降低了2.22%、7.78%、14.45%、26.67%和33.33%，其中，在200 mg·L-1的處理濃度下，發(fā)芽勢較對照組減少最多,此濃度對玉蟬花種子的萌發(fā)抑制作用明顯。

在1 mg·L-1和5 mg·L-1的處理下，玉蟬花種子的發(fā)芽指數(shù)高于對照，分別高0.14和0.06，差異不顯著(p>0.05)；在10～200 mg·L-1的處理濃度范圍中，發(fā)芽指數(shù)均低于對照組，依次減少了0.30、0.68、1.02、1.40，T 2-5和T 2-6與對照差異顯著(p<0.05)，200 mg·L-1的處理濃度抑制作用最大。種子的活力指數(shù)也呈明顯的下降趨勢，在1 mg·L-1的濃度處理下，活力指數(shù)減少了1.52，而在200 mg·L-1的處理濃度下，種子的活力指數(shù)下降6.78，抑制作用明顯。

由表5可以看出，Cd2+脅迫各處理組的根長均短于對照組，且差異顯著(p<0.05)，在處理濃度為1mg·L-1時，根長為2.37 cm，根長抑制指數(shù)為24.17%，在高處理濃度200 mg·L-1下，根長為0.82 cm，比對照組減少了2.31 cm，根長抑制指數(shù)為73.91%，表明重金屬鎘對于玉蟬花種子萌發(fā)后的初生根的危害比較大，根不能有效的生長。而在低濃度1 mg·L-1時，玉蟬花萌發(fā)后的苗高卻高于對照，為2.87 cm，差異不顯著(p>0.05)；10 mg·L-1時，苗高為2.16 cm，苗高抑制指數(shù)為21.45%；200 mg·L-1時，苗高為0.62 cm，比對照組減少了2.13 cm，苗高抑制指數(shù)為77.33%，差異顯著(p<0.05)。Cd2+脅迫對玉蟬花根生長的抑制作用高于對苗高的抑制作用。

表5 不同濃度Cd2+脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)后根長和苗高的影響

由圖2可以看出，不同濃度的Cd2+的單一脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)后的干重和鮮重的影響總體上呈下降的趨勢，但在1 mg·L-1和5 mg·L-1的處理下，玉蟬花的鮮重高于對照組，分別為0.165 g和0.154 g，比對照組分別高出0.024 g和0.013 g，而低濃度下的植物干重變化不太明顯，在處理組T 2-2中為0.014 g，差異不顯著(p>0.05)。在處理濃度為10～200 mg·L-1的范圍內(nèi)，玉蟬花的鮮重和干重下降明顯，在100 mg·L-1的處理濃度下，鮮重為0.091 g，干重為0.009 g，在處理濃度為200 mg·L-1時，鮮重為0.059 g，干重為0.008 g，與對照組差異顯著(p<0.05)，說明高濃度的Cd2+處理下，玉蟬花的鮮重和干重受到了影響，高濃度的Cd2+會影響玉蟬花的生長發(fā)育，有一定的抑制作用。

圖2 不同濃度Cd2+脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)后鮮重和干重的影響

2.3 銅鎘復(fù)合脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)的影響

自然界中，土壤重金屬污染大部分都是2種以上重金屬元素的復(fù)合污染。如表6所示，玉蟬花種子在處理T 3-1中，發(fā)芽率達82.22%，較對照組提高了6.66%，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)也有所上升，分別為55.56%和3.10，種子的活力指數(shù)為9.15，較對照組增加了1.51，差異顯著(p<0.05)。隨著復(fù)合處理濃度的增加，玉蟬花種子的發(fā)芽率逐漸下降，處理T 3-2～T 3-6的發(fā)芽率依次比對照減少了4.45%、13.34%、26.67%、37.78%、43.34%，差異顯著(p<0.05)；在Cu-Cd復(fù)合濃度400～200 mg·L-1時，種子的發(fā)芽勢僅為14.44%。

表6 不同濃度Cu2+、Cd2+復(fù)合脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)特性的影響

從表7可以看出，玉蟬花種子萌發(fā)后的根長的生長受到了抑制，并且隨著處理組合濃度的升高而減少。苗高在低濃度下高于對照，而從處理T 3-2開始，隨濃度的增加而減少。

表7 不同濃度Cu2+、Cd2+復(fù)合脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)后根長和苗高的影響

銅鎘的復(fù)合脅迫對于玉蟬花種子萌發(fā)后的初生根有著明顯的抑制作用，在處理T 3-1中，玉蟬花的根長為2.95 cm，比對照減少了0.18 cm，根長抑制指數(shù)為5.86%，處理T 3-3中，根長為1.21 cm，根長抑制指數(shù)為61.45%，而在高濃度組合T 3-5和T 3-6的處理下，根長依次為0.75 cm和0.47 cm，根長抑制指數(shù)分別達76.14%、85.09%，抑制作用明顯。在T 3-1的處理中，苗高為3.56 cm，比對照組增加0.81 cm，差異顯著(p<0.05)；在T 3-5處理和T 3-6處理中，玉蟬花的苗高僅為0.65 cm和0.33 cm，苗高的抑制指數(shù)分別為76.36%和87.88%，說明高濃度的Cu-Cd復(fù)合處理對玉蟬花的抑制作用較單一脅迫更大。

由圖3可以看出，隨著處理濃度的升高，玉蟬花的鮮重和干重整體呈下降的趨勢，差異顯著(p<0.05)。在T 3-1處理下，玉蟬花的鮮重為0.175 g，比對照組增加0.034 g；在T 3-6中，玉蟬花的鮮重為0.059 g，小于對照組。對于玉蟬花的干重，復(fù)合處理組T 3-1為0.016 g，而高濃度的處理組合T 3-6中，玉蟬花的干重僅為0.003 g，說明高濃度的復(fù)合脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)后的鮮重和干重的抑制作用較單一脅迫更強。

圖3 不同濃度Cu2+、Cd2+復(fù)合脅迫對玉蟬花種子萌發(fā)后鮮重和干重的影響

3 討 論

在逆境(如鹽堿、干旱、水澇以及重金屬脅迫)下，植物的種子萌發(fā)情況、萌發(fā)后的生長發(fā)育情況以及植株體內(nèi)的抗氧化酶活性、細胞質(zhì)膜透性等都會受到相應(yīng)的影響[10]，而植物的種子萌發(fā)階段是植物一切生命活動的開始，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等是評價種子萌發(fā)特性的重要指標，植物幼苗的干重、鮮重以及初生根長、苗高可以直觀地反映植物的生長狀況，通過觀察重金屬銅鎘處理后的玉蟬花種子的萌發(fā)情況以及萌發(fā)后幼苗的生長情況，是深入了解重金屬銅、鎘對玉蟬花影響的基礎(chǔ)。

本試驗中，重金屬銅、鎘的處理對玉蟬花種子的萌發(fā)具有一定的抑制作用，且處理濃度越大，抑制作用越明顯。說明玉蟬花種子只能耐受一定范圍的低濃度(Cu2+低于50 mg·L-1，Cd2+低于5 mg·L-1)，高濃度對其種子萌發(fā)有一定的抑制作用。這與徐玲玲等[11]的試驗結(jié)果一致。低濃度的重金屬脅迫對玉蟬花影響較小，說明玉蟬花對Cu2+、Cd2+具有一定的抵抗能力，且可以促進萌發(fā)；而高濃度下，由于植物細胞膜被破壞，不能進行正常物質(zhì)交換，植物體內(nèi)的活性氧代謝平衡受阻，從而抑制了種子萌發(fā)[12]。

重金屬銅、鎘對玉蟬花的初生根的生長抑制作用較強，在Cu2+濃度為400 mg·L-1時，幾乎不長根，Cu2+處理后的玉蟬花葉片部分變黃，說明玉蟬花已經(jīng)出現(xiàn)了銅中毒現(xiàn)象。而Cd2+200 mg·L-1的處理下，玉蟬花的生長也受到了影響，部分幼苗根部變紅。這可能是因為種子在萌發(fā)過程中，胚根先吸水，在胚根從外界環(huán)境吸水過程中，初生根吸收了很多的重金屬離子，使其在體內(nèi)累積，從而使得其受脅迫程度高于地上芽部分，所以表現(xiàn)出比芽更高的毒害現(xiàn)象[13]。在銅鎘的復(fù)合脅迫下，玉蟬花的發(fā)芽率、發(fā)芽勢受到了嚴重的抑制，較單一脅迫抑制作用更強。這與齊玉強等[10]、劉燕紅等[14]的結(jié)論一致，說明重金屬銅、鎘的復(fù)合處理對玉蟬花的毒害作用大于單一的重金屬處理。重金屬的復(fù)合脅迫對植物的影響復(fù)雜，Cu2+、Cd2+脅迫對玉蟬花的影響應(yīng)向玉蟬花內(nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)等方面進行研究。玉蟬花對不同重金屬具有不同的耐受性，因此，需要對其進行其他種類重金屬脅迫的進一步研究。

4 結(jié) 論

本試驗結(jié)果表明，不同濃度的重金屬Cu2+、Cd2+及Cu-Cd復(fù)合脅迫對玉蟬花的種子萌發(fā)及萌發(fā)后幼苗生長具有不同程度的影響，但整體上都呈高濃度抑制，低濃度促進的趨勢。

1)Cu2+濃度低于50 mg·L-1、Cd2+濃度低于5 mg·L-1時,會促進玉蟬花種子的萌發(fā)，對玉蟬花種子的萌發(fā)無顯著影響，而Cu2+濃度高于50 mg·L-1，Cd2+濃度高于5 mg·L-1時，會抑制玉蟬花種子的萌發(fā)。

2)Cu2+、Cd2+對玉蟬花初生根的生長抑制作用較強，在Cu2+濃度為400 mg·L-1時幾乎不長根，葉片部分變黃，說明玉蟬花已經(jīng)出現(xiàn)了銅中毒現(xiàn)象。而在Cd2+200 mg·L-1處理下,其生長也受到了影響，部分幼苗根部變紅。

3)低濃度1～5 mg·L-1Cu-Cd復(fù)合處理對玉蟬花種子萌發(fā)有促進作用，隨著濃度增大其萌發(fā)和生長受到了嚴重的抑制，較單一脅迫抑制作用更強。