銅鋅復(fù)合脅迫對8種觀賞草種子萌發(fā)特性及幼苗生長的影響

許志敏,劉燕珍,陳 琳,吳建芳,劉 戀,丁國昌

(福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院,福建 福州 350002)

銅和鋅不僅是生物體的必備微量營養(yǎng)元素，也是環(huán)境污染元素，全球年均釋放到環(huán)境中的鋅為27.6萬t，銅為14.7萬t。在我國，水體和土壤中的鋅、銅污染已經(jīng)占較大比例[1]。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，單一重金屬污染物對環(huán)境的影響比較少見，大多數(shù)情況下，往往是多種污染物對環(huán)境產(chǎn)生復(fù)合污染。復(fù)合污染物的聯(lián)合作用方式有相加、拮抗、協(xié)同與獨(dú)立作用等[2]，增加了治理重金屬污染的難度。工業(yè)和礦業(yè)廢棄物是最主要的重金屬污染來源[3-4]，積累在土壤中的重金屬能夠通過食物鏈進(jìn)入人體從而危害人類健康和生命[5]，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)和人類生存及社會(huì)活動(dòng)等。

在眾多的土壤修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)具有成本低廉、操作簡便、二次污染易控制、凈化效率高且能大面積推廣應(yīng)用等特點(diǎn)，其應(yīng)用推廣前景和機(jī)制研究備受關(guān)注[6]。植物修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵工作是培育篩選出超富集植物和先鋒植物[7]。觀賞草是一類株型優(yōu)美、色彩豐富、觀賞價(jià)值高，具有樸素飄逸、清新自然等特性的草本植物[8]。其中狼尾草屬和芒屬觀賞草在園林景觀應(yīng)用、生態(tài)修復(fù)治理等方面被大量運(yùn)用，且二者具備超富集植物的部分特性，可能存在潛在的超富集植物。種子萌發(fā)是植物整個(gè)生命周期最關(guān)鍵且敏感的發(fā)育階段[9]，抗性及耐性強(qiáng)的植物才能夠正常萌發(fā)和生長，因而采用逆境脅迫條件下種子萌發(fā)和幼苗生長狀況進(jìn)行植物的抗逆性評價(jià)[10-11]，能夠較好且全面地評估植物的耐受性強(qiáng)弱[12-13]。

目前，觀賞草的研究主要集中于種質(zhì)資源搜集[14-15]、生理生化[16-17]和園林應(yīng)用[18-19]等方面，關(guān)于重金屬脅迫對觀賞草種子萌發(fā)特性影響的研究鮮見報(bào)道。鑒于此，結(jié)合孟曉蕊[20]及何新杰等[21]的相關(guān)研究結(jié)果，初步篩選出8種觀賞草種子作為供試材料，設(shè)置不同梯度的銅鋅復(fù)合脅迫試驗(yàn)，探究其對8種觀賞草種子萌發(fā)特性及幼苗生長的影響，并利用隸屬函數(shù)法進(jìn)行耐受性綜合評析，旨在揭示禾本科觀賞草對銅鋅復(fù)合脅迫的適應(yīng)性和耐受性，為銅鋅超富集植物的種質(zhì)資源篩選奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

試驗(yàn)材料為8種觀賞草種子，分別為金紅羽狼尾草(P.setaceum)、小兔子狼尾草(P.alopecuroidescv.‘Little Bunny’)、紫葉狼尾草(P.setaceum‘Rubrum’)、大布尼狼尾草(P.orientale‘Tall tails’)、細(xì)葉芒(M.sinensis‘Gracillimus’)、花葉芒(M.sinensis‘Variegatus’)、晨光芒(M.sinensis‘Morning Light’)、斑葉芒(M.sinensis‘Zebrinus’)，采購自江蘇省沭陽縣溢芳花卉園。用0.1%高錳酸鉀溶液消毒浸泡種子15 min，蒸餾水反復(fù)沖洗5～6遍后，用蒸餾水浸泡24 h，除去漂浮的劣質(zhì)種子，余下的種子用濾紙吸干表面的水分，用于脅迫試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)條件及方法

依據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，銅和鋅溶液分別采用CuSO4·5H2O和ZnSO4·7H2O配制，梯度值如表1所示。設(shè)6個(gè)處理：T1、T2、T3、T4、T5，以蒸餾水為對照(CK)。培養(yǎng)條件為溫度25 ℃、空氣相對濕度75%、光照14 h/d、光強(qiáng)6 000 lx、黑暗10 h/d。取直徑9 cm的一次性培養(yǎng)皿，鋪置1層脫脂棉和濾紙作為發(fā)芽床，每個(gè)培養(yǎng)皿50粒種子，每處理重復(fù)3次。培養(yǎng)期間每天通過往培養(yǎng)皿內(nèi)增加相應(yīng)的處理液來維持質(zhì)量濃度基本不變并保持濕潤。每天觀察記錄種子萌發(fā)情況。

表1 銅鋅復(fù)合脅迫梯度值Tab.1 Copper-zinc combined stress gradient values mg/L

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 種子發(fā)芽指標(biāo)的測定 發(fā)芽以胚根露白為標(biāo)準(zhǔn)，每天定時(shí)觀察記錄種子發(fā)芽數(shù)[22]。第4天統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽勢，第14天結(jié)束發(fā)芽試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽率。

發(fā)芽勢=第4天萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽率=第14天萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)=ΣGt/Dt(Gt指在t時(shí)間內(nèi)發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的萌發(fā)天數(shù))[23]；

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×苗長度。

1.3.2 形態(tài)學(xué)指標(biāo)的測定 從培養(yǎng)皿中各取出10株長勢一致的幼苗，用游標(biāo)卡尺測量胚芽長和胚根長，讀數(shù)精確到0.01 mm,用電子天平稱量幼苗鮮質(zhì)量。

1.3.3 耐銅鋅脅迫能力評價(jià) 采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)值的方法進(jìn)行抗逆性綜合評定[24]。

隸屬函數(shù)值的換算方法：

A：R(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin);

B：R(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin);

C：R(Xi)=Xij/n。

式中：R(Xij)表示i處理j指標(biāo)的耐銅鋅隸屬函數(shù)值，Xij表示i處理j指標(biāo)的測定值，Xjmax和Xjmin分別表示各處理的最大和最小測定值，Xi為i處理的耐銅鋅隸屬函數(shù)值的平均值，n為指標(biāo)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析均基于Excel 2010和SPSS 23.0軟件進(jìn)行，采用Excel 2010軟件作圖。運(yùn)用One-Way ANOVA進(jìn)行方差分析，有顯著或極顯著差異時(shí)用Duncan’s法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅鋅復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

隨著重金屬脅迫質(zhì)量濃度的增大，8種觀賞草種子的發(fā)芽率均呈逐漸下降的趨勢，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽率明顯高于4種芒屬觀賞草(圖1)。T1、T2處理，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽率與對照無顯著性差異(P>0.05)，T2處理小兔子狼尾草、大布尼狼尾草、金紅羽狼尾草和紫葉狼尾草較對照分別降低7.27%、2.14%、7.10%和4.13%；芒屬觀賞草種子發(fā)芽率變化幅度較大，T2處理與對照存在顯著性差異(P<0.05)，斑葉芒、晨光芒、花葉芒和細(xì)葉芒分別較對照降低73.87%、58.50%、55.82%和57.89%。T5處理對8種觀賞草發(fā)芽率的抑制作用達(dá)到最大。

不同小寫字母代表同一觀賞草品種不同銅鋅復(fù)合脅迫處理間差異顯著(P<0.05Different lowercase letters represent significant differences among different copper-zinc combined stress treatments of the same ornamental grass species(P<0.05圖1 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination rate of ornamental grasses

8種觀賞草的發(fā)芽勢與重金屬質(zhì)量濃度呈反比(圖2)，即隨著重金屬質(zhì)量濃度的升高，發(fā)芽勢逐漸降低，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽勢明顯高于4種芒屬觀賞草。T1、T2處理時(shí)，4種狼尾草屬觀賞草發(fā)芽勢與對照相近且無顯著性差異(P>0.05)，表明一定質(zhì)量濃度脅迫下(Cu2+≤200 mg/L，Zn2+≤200 mg/L)，4種狼尾草屬觀賞草具有較強(qiáng)耐性。而4種芒屬觀賞草發(fā)芽勢在T2處理時(shí)顯著低于對照(P<0.05)，斑葉芒、晨光芒、花葉芒和細(xì)葉芒分別較對照降低54.53%、42.24%、44.46%和36.94%。T5處理時(shí)，8種觀賞草發(fā)芽勢受到的抑制作用達(dá)到最大，但4種狼尾草屬觀賞草發(fā)芽勢均在50%左右，而4種芒屬觀賞草的發(fā)芽勢均低于10%。

2.2 銅鋅復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的影響

8種觀賞草的發(fā)芽指數(shù)均隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高而呈下降的趨勢(圖3)，且在各個(gè)質(zhì)量濃度下均低于對照。在各個(gè)質(zhì)量濃度脅迫下，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽指數(shù)均明顯高于4種芒屬觀賞草。在T1處理時(shí)，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽指數(shù)均與對照無顯著性差異(P>0.05)，小兔子狼尾草的發(fā)芽指數(shù)最高，為44.89。在T2處理時(shí)，4種芒屬觀賞草的發(fā)芽指數(shù)下降幅度大且均顯著低于對照(P<0.05)；4種狼尾草屬觀賞草發(fā)芽指數(shù)下降幅度較小，其中大布尼狼尾草、紫葉狼尾草和小兔子狼尾草與對照仍無顯著性差異(P>0.05)。隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高，供試材料的發(fā)芽指數(shù)均逐漸降低，在高質(zhì)量濃度T5處理時(shí)，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽指數(shù)均在20以上，而芒屬觀賞草發(fā)芽指數(shù)均下降至1左右。

圖2 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽勢的影響Fig.2 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination potential of ornamental grasses

圖3 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.3 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination index of ornamental grasses

隨著銅鋅復(fù)合脅迫質(zhì)量濃度的增加，8種觀賞草的活力指數(shù)持續(xù)降低(圖4)。在各個(gè)質(zhì)量濃度時(shí)，供試材料的活力指數(shù)均與對照呈顯著性差異(P<0.05)。T1處理4種狼尾草屬觀賞草的活力指數(shù)平均是4種芒屬觀賞草的7.94倍，4種狼尾草屬觀賞草的種子活力指數(shù)明顯高于4種芒屬觀賞草。此外，在T1處理時(shí)，供試材料的活力指數(shù)下降幅度最大，在T5處理時(shí)，供試材料的活力指數(shù)下降至最低值，其中，小兔子狼尾草最高，為67.71，斑葉芒最低，為0.26。

2.3 銅鋅復(fù)合脅迫對觀賞草胚芽和胚根生長的影響

不同質(zhì)量濃度銅鋅復(fù)合脅迫下供試材料幼苗的生長狀況存在差異(表2)?？傮w而言，4種狼尾草屬觀賞草的生長狀況優(yōu)于4種芒屬觀賞草。在各個(gè)脅迫處理下，除斑葉芒外，其他3種芒屬觀賞草的胚芽均長于4種狼尾草屬觀賞草，但8種觀賞草的胚芽長均顯著低于對照(P<0.05)。T1處理8種觀賞草的胚根長受到強(qiáng)烈的抑制，胚根長均下降至10 mm以下，與對照存在顯著性差異(P<0.05)。T2處理斑葉芒、花葉芒和細(xì)葉芒已出現(xiàn)無根苗現(xiàn)象；T3處理4種芒屬觀賞草均出現(xiàn)無根苗，而4種狼尾草屬觀賞草在T5處理時(shí)亦存在胚根，表明4種芒屬觀賞草的胚根受到的抑制作用顯著強(qiáng)于4種狼尾草屬觀賞草。此外，8種觀賞草的幼苗鮮質(zhì)量和胚芽長的生長變化趨勢一致，各個(gè)質(zhì)量濃度處理下的幼苗鮮質(zhì)量均顯著低于對照，但4種芒屬觀賞草的幼苗鮮質(zhì)量明顯小于4種狼尾草屬觀賞草。

圖4 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草種子活力指數(shù)的影響Fig.4 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed vitality index of ornamental grasses

表2 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草幼苗生長的影響
Tab.2 Effect of different Cu2+and Zn2+combined stress on the growth of ornamental grass seedings

指標(biāo)Index處理Treatment小兔子狼尾草P.alopecuroidescv.‘LittleBunny’大布尼狼尾草P.orientale‘Talltails’金紅羽狼尾草P.setaceum紫葉狼尾草P.setaceum‘Rubrum’斑葉芒M.sinensis‘Zebrinus’晨光芒M.sinensis‘MorningLight’花葉芒M.sinensis‘Variegatus’細(xì)葉芒M.sinensis‘Gracillimus’胚芽長/mmGermlengthCK66.03±1.13a62.60±1.39a68.89±1.44a64.47±1.34a79.96±1.58a88.87±1.79a80.36±2.26a72.19±1.92aT134.90±0.59b32.70±0.80b34.49±0.58b33.04±0.68b46.51±0.92b50.47±1.32b47.43±0.80b51.88±0.86bT229.07±0.70c27.14±0.65c26.19±0.58c30.07±0.44c37.96±1.06c40.28±1.04c37.58±0.77c42.76±2.20cT322.78±0.74d22.89±0.40d20.54±0.56d24.40±0.34d21.37±0.48d29.60±0.87d30.44±0.60d32.69±0.97dT419.90±0.45e20.54±0.45e19.29±0.45d19.32±0.47e17.66±0.59e26.33±0.64e26.09±0.73e30.63±1.00dT519.53±0.63e19.49±0.45e15.22±0.50e15.26±0.36f12.15±0.42f23.65±0.65e20.41±0.56f21.27±0.71e胚根長/mmRadiclelengthCK57.95±2.89a61.72±2.36a63.35±2.42a54.23±2.46a87.73±1.48a89.74±2.38a80.29±2.86a77.65±3.12aT17.44±0.63b7.26±0.51b7.08±0.42b7.63±0.86b7.75±0.36b8.07±1.01b4.87±0.23b8.38±0.26bT25.29±0.31c5.33±0.56bc4.54±0.23bc6.04±0.37bc-2.09±0.75c--T33.30±0.22cd3.41±0.20cd3.30±0.17c4.68±0.3bcd----T42.95±0.26cd2.77±0.17cd2.94±0.13c3.45±0.22cd----T51.26±0.36d1.28±0.30d2.84±0.23c2.15±0.14d----幼苗鮮質(zhì)量/mgSeedlingfreshweightCK27.50±1.21a25.73±1.30a27.55±1.12a28.00±1.20a8.04±0.25a9.69±0.53a8.34±0.28a7.67±0.33aT113.52±0.90b13.48±0.82b13.66±0.42b14.71±0.81b6.01±0.38b6.82±0.24b7.11±0.39b6.59±0.43bT211.61±0.78bc11.93±0.59bc11.80±0.72bc14.05±0.61bc4.80±0.32c5.28±0.27c4.78±0.32c6.02±0.35bT310.18±0.62cd10.98±0.31cd10.95±0.58cd12.34±0.63c2.49±0.21d3.59±0.27d4.00±0.17c4.72±0.37cT49.96±0.42cd10.23±0.47cd9.60±0.51de9.09±0.58d1.69±0.12cd3.15±0.3cd3.54±0.24c4.07±0.63cT58.72±0.46d9.43±0.74d8.73±0.59d8.81±0.49d0.87±0.01d2.93±0.27d2.31±0.13d3.01±0.18d

注：-表示根沒有生長。表中同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
Note:- indicates that there is no root growth.Different letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level.

2.4 銅鋅復(fù)合脅迫下觀賞草種子發(fā)芽及幼苗生長指標(biāo)相關(guān)性分析

發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量均與脅迫質(zhì)量濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(表3)，而發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量7個(gè)指標(biāo)間均兩兩呈極顯著正相關(guān)。說明銅鋅復(fù)合脅迫不僅抑制觀賞草種子的萌發(fā)，降低種子的發(fā)芽率和活力指數(shù)，還影響胚芽和胚根的生長。此外，發(fā)芽相關(guān)指標(biāo)與幼苗生長相關(guān)指標(biāo)間呈極顯著相關(guān)性，相互影響。

表3 觀賞草種子發(fā)芽及幼苗生長指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis between germination and seedling growth

注：**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。
Note:**represent extremely significant correlation(P<0.01).

2.5 8種觀賞草種子萌發(fā)期耐受性評價(jià)

運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法，將各個(gè)脅迫處理下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量7個(gè)指標(biāo)相對值的平均值作為實(shí)測值，計(jì)算各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值和綜合評價(jià)值(表4)。萌發(fā)期的8種觀賞草種子對重金屬銅鋅耐受性強(qiáng)弱依次為小兔子狼尾草>紫葉狼尾草>大布尼狼尾草>金紅羽狼尾草>細(xì)葉芒>花葉芒>晨光芒>斑葉芒。

表4 觀賞草種子各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及綜合評價(jià)值Tab.4 Value of subordinate function and comprehensive evalution of each index

3 結(jié)論與討論

大量研究表明，逆境脅迫(干旱、鹽堿、高低溫、重金屬)對植物的影響主要表現(xiàn)在種子萌發(fā)、生長、生物量和生理生化等方面[25]。種子萌發(fā)和幼苗生長是植物生長發(fā)育關(guān)鍵但又最脆弱的階段，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽長、胚根長、幼苗鮮質(zhì)量是種子萌發(fā)和幼苗生長的重要指標(biāo)，其能反映植物在逆境條件下的受傷害程度。本研究結(jié)果表明，銅鋅復(fù)合脅迫下8種觀賞草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量均低于對照，且隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高，各項(xiàng)指標(biāo)均呈下降趨勢，抑制影響程度與脅迫質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān)，說明銅鋅復(fù)合脅迫能夠抑制觀賞草種子的萌發(fā)和生長。除發(fā)芽勢外，其與鄒文桐等[12]研究銅鋅復(fù)合脅迫對菜薹種子萌發(fā)、幼苗生長及子葉生理代謝的影響一致。究其原因可能與供試觀賞草對銅鋅復(fù)合污染比較敏感和設(shè)置的初始質(zhì)量濃度較高有關(guān)，銅鋅復(fù)合脅迫對觀賞草生長發(fā)育的影響可能是由于大量銅鋅離子進(jìn)入體內(nèi)，破壞了觀賞草的正常生理代謝，對其呼吸代謝、光合等功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)致供試觀賞草萌發(fā)和生長不良。此外，幼苗胚根長受到的抑制作用明顯高于胚芽長和幼苗鮮質(zhì)量，4種芒屬觀賞草甚至出現(xiàn)無根苗，表明重金屬脅迫下植物根系比莖葉受害程度更加劇烈，這與王彥梅等[26]、孫金金等[27]的研究結(jié)果一致。因?yàn)楦渴侵参镂账趾宛B(yǎng)分的器官[28]，在其生長發(fā)育過程中完全與重金屬溶液接觸，導(dǎo)致根的重金屬累積量以及受迫時(shí)間比胚芽長，因此胚根比胚芽受到的毒害作用更強(qiáng)[29]。

銅鋅復(fù)合脅迫條件下，針對8種觀賞草種子萌發(fā)和幼苗生長的變化，可以從多角度評價(jià)植物對重金屬的抗性強(qiáng)弱，但單一的指標(biāo)評判植物對重金屬的抗性存在一定的片面性[30-31]，因此,本試驗(yàn)采用隸屬函數(shù)法既消除了個(gè)別指標(biāo)帶來的片面性，又使各材料抗性差異具有可比性。本研究結(jié)果表明，不同品種之間耐受性存在較大差異，小兔子狼尾草和紫葉狼尾草的抗逆性較強(qiáng)，斑葉芒最弱。

本試驗(yàn)主要探究銅鋅復(fù)合脅迫對8種觀賞草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，但不同逆境脅迫對植物葉片生理代謝、植物生態(tài)和生理機(jī)制的影響是多方面、復(fù)雜的體系，因此還有待進(jìn)一步研究和探討其成株的耐性機(jī)制。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，8種觀賞草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量均隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高而下降。種子萌發(fā)和幼苗生長均受到不同程度的抑制，且隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高抑制作用加重。在種子萌發(fā)期，4種狼尾草屬觀賞草耐銅鋅能力強(qiáng)于4種芒屬觀賞草。采用性狀相對值進(jìn)行隸屬函數(shù)法綜合評析得出，種子萌發(fā)期耐受性強(qiáng)弱依次為小兔子狼尾草>紫葉狼尾草>大布尼狼尾草>金紅羽狼尾草>細(xì)葉芒>花葉芒>晨光芒>斑葉芒。