鎘脅迫對兩頭毛種子萌發(fā)的影響

張書東 王憲菊 龍江英 凌立貞

摘要 [目的]研究兩頭毛的耐鎘性。[方法]選取兩頭毛、小麥、韭菜和紫花苜蓿為研究材料，以蒸餾水為對照，在不同鎘濃度（50、100、200、350和500 mg/L）下測定每種植物種子萌發(fā)的相關(guān)指標(biāo)（萌發(fā)率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)）;同時(shí)，利用平均隸屬函數(shù)值綜合評價(jià)這些植物的耐鎘性。[結(jié)果]在鎘脅迫下這4種植物種子萌發(fā)均受到明顯抑制，且隨著鎘濃度的增加抑制作用逐漸增強(qiáng)。在100 mg/L鎘脅迫下兩頭毛種子萌發(fā)受到明顯抑制，而在50 mg/L時(shí)其他3種植物的種子萌發(fā)指標(biāo)出現(xiàn)明顯下降。隸屬函數(shù)值結(jié)果顯示，這4種植物的耐鎘能力存在差異，由強(qiáng)到弱依次為兩頭毛、小麥、韭菜、紫花苜蓿。[結(jié)論]該研究結(jié)果可為兩頭毛在重金屬鎘土壤污染修復(fù)中奠定一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 兩頭毛;鎘脅迫;種子萌發(fā);影響

中圖分類號 S567.23文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）08-0077-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.020

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effect of Cadmium Stress on the Germination of Incarvillea arguta Seed

ZHANG Shu-dong，WANG Xian-ju，LONG Jiang-ying et al （School of Biological Sciences and Technology， Liupanshui Normal University，Liupanshui， Guizhou 553004）

Abstract [Objective]To study the cadmium resistance of Incarvillea arguta.[Method]Incarvillea arguta， wheat， leeks and alfalfa were selected as the research materials， and distilled water was used as the control， and the related indexes （germination rate， germination vigor and germination index） of various plant seeds were determined under different cadmium concentrations （50， 100， 200， 350 and 500 mg/L）; at the same time， the average membership function value was used to comprehensively evaluate the cadmium tolerance of these plants.[Result]Under cadmium stress， the seed germination of these four plants was significantly inhibited， and the inhibition gradually increased with the increase of cadmium concentration.Under the stress of 100 mg/L cadmium， the germination of the Incarvillea arguta seeds was significantly inhibited， while the seeds germination index of the other three plants decreased significantly at 50 mg/L.The membership function value results showed that the cadmium tolerance of these four plants were different， from strong to weak， they were Incarvillea arguta， wheat， leeks， and alfalfa.[Conclusion]The results of this study can lay a certain foundation for Incarvillea arguta in the remediation of heavy metal cadmium soil pollution.

Key words Incarvillea arguta;Cadmium stress;Seed germination;Effect

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，土壤是人類賴以生存的自然資源之一。然而隨著工業(yè)的快速發(fā)展以及人類自身的活動(dòng)，導(dǎo)致土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重。重金屬污染物主要包括汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、砷（As）、銫（Se）、鉛（Pb）和鋅（Zn）等[1]。根據(jù)2010年我國環(huán)境保護(hù)部、國家統(tǒng)計(jì)局和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合發(fā)布的《第一次全國污染源普查公報(bào)》顯示，我國重金屬污染物的排放總量為0.09萬t，每年由于重金屬污染造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元[2-3]。在我國重金屬污染中，污染最嚴(yán)重的是Cd、Hg、Pb和As。其中，Cd和As污染的比重最大，約占被污染耕地的40%[4]。目前，重金屬污染問題已經(jīng)成為國家議題。

Cd在自然界中主要存在于成硫鎘礦中，主要是以硫化物、氧化物、磷酸鹽形式與閃鋅礦共存[5]。它本身并不具有毒性，在土壤中常會與羥基、氯化物形成絡(luò)合離子而毒性增強(qiáng)。隨著土壤Cd富集量的增加，Cd會伴隨著植物—人類食物鏈的傳遞在人體內(nèi)富集，導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生，如食用“鎘大米”“鎘菜”能導(dǎo)致骨痛病，嚴(yán)重的甚至?xí)：ι】礫6]。土壤鎘污染不僅能夠影響土壤酶活性，而且影響土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)，直接造成土壤營養(yǎng)元素的供應(yīng)不足和肥力下降[7-8]。另外，鎘在植物體內(nèi)過量積累也會嚴(yán)重影響植物的生長，通過破壞植株的葉綠素，使光合作用下降而導(dǎo)致植物生長緩慢、矮小和抑制根系生長等[9-10]。

在長期進(jìn)化的過程中，自然界中一些植物能夠在污染環(huán)境中如煤礦區(qū)生存。它們在受到鎘毒害的同時(shí)，自身也產(chǎn)生了一系列適應(yīng)毒害的機(jī)制。因此，這些具有高Cd污染環(huán)境適應(yīng)能力的植物通常被用于作為修復(fù)土壤重金屬污染的首選植物。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)兩頭毛（Incarvillea arguta （Royle） Rovle）作為一種能夠在煤矸山生長的優(yōu)勢植物，具有富集多種重金屬如Cd、Pb、Cu和Zn的能力[11]，其中兩頭毛的地下部分對Cd的富集能力要高于地上部分。兩頭毛是紫葳科（Bignoniaceae）角蒿屬（Incarvillea）的一種多年生草本植物。兩頭毛全草入藥，是我國少數(shù)民族如彝族常用的一種中草藥。研究表明兩頭毛在多種疾病上都具有療效，如肝炎、痢疾、跌打損傷、風(fēng)濕骨痛、月經(jīng)不調(diào)、解毒止痛、止血和消食健胃等[12]。長期以來的研究主要集中于對兩頭毛有效化學(xué)成分的分離、鑒定、藥理方面[13-15]。隨著對兩頭毛研究的深入，這種植物的開發(fā)利用價(jià)值逐漸被發(fā)掘出來。盡管兩頭毛能夠在重金屬污染的煤矸山上生長，但是對于兩頭毛在重金屬脅迫下的研究還知之甚少。為此，該研究將利用不同濃度的鎘離子對兩頭毛種子進(jìn)行脅迫處理，測定其種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)，同時(shí)對比在相同條件下其他3種常見植物（小麥、紫花苜蓿和韭菜）種子的相關(guān)指標(biāo)，探討兩頭毛的耐鎘性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

該研究使用的種子來自兩頭毛、紫花苜蓿、韭菜和小麥4種植物。兩頭毛成熟的種子收集于貴州省六盤水市煤矸山，其余種子從網(wǎng)上購買。氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）購買于上海億欣生物科技有限公司。

1.2 鎘脅迫處理

選取籽粒飽滿、大小均勻的兩頭毛、紫花苜蓿、小麥、韭菜種子，用75%乙醇消毒3 s，取出后用無菌水沖洗3～5次，放入無菌水中吸脹24 h后置于濾紙上晾干。然后用不同濃度的鎘離子溶液（0、50、100、200、350、500 mg/L）進(jìn)行處理。具體操作如下：在培養(yǎng)皿中鋪墊2層濾紙，每種植物取100粒種子置于培養(yǎng)皿中并加入等量不同濃度的鎘離子溶液（以浸濕濾紙為宜），用無菌水做空白對照。每個(gè)處理3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。將培養(yǎng)皿置于20 ℃的人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)，每日滴加等量各溶液保持濾紙濕潤，從種子播種之日起觀察并記錄每天種子發(fā)芽數(shù)。

1.3 測定指標(biāo)計(jì)算方法

種子萌發(fā)率（Gr）=（發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子粒數(shù)）×100%（1）

種子發(fā)芽勢（Gp）=（發(fā)芽高峰時(shí)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子粒數(shù)）×100%（2）

發(fā)芽指數(shù)（Gi） =Gt/Dt（3）

式中，Gt為t天的萌發(fā)數(shù);Dt為發(fā)芽日數(shù)。

1.4 鎘耐性綜合評價(jià)

相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)均為各處理發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)與對照相應(yīng)指標(biāo)之百分比。這些萌發(fā)指標(biāo)被用于計(jì)算不同濃度下的隸屬函數(shù)值X（μ）。同時(shí)，計(jì)算3個(gè)萌發(fā)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值平均值，對每種植物的耐鎘性進(jìn)行綜合評價(jià)。具體計(jì)算公式如下：

μ（Xij）=Xij-XjminXjmax-Xjmin（4）

=1nnj=1μ（Xij）（5）

式中，Xij為第i個(gè)植物物種第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的測定值;Xjmin和Xjmax分別代表所有植物中第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的最小和最大觀察值;μ（Xij）為第i個(gè)植物物種第j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值;n是指測定指標(biāo)的數(shù)目;是一個(gè)植物物種的所有評價(jià)指標(biāo)耐鎘隸屬函數(shù)值的平均值。平均耐鎘隸屬函數(shù)數(shù)值越大則表明該植物對重金屬鎘的耐性越強(qiáng)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。所有的數(shù)據(jù)用軟件SPSS 19.0 進(jìn)行方差分析，用Duncans法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鎘離子脅迫對4種植物種子萌發(fā)的影響

由表1可知，隨著鎘離子濃度的增加，4種植物種子萌發(fā)率均呈下降趨勢。

兩頭毛在50 mg/L鎘脅迫下萌發(fā)率為89.00%，與對照相比差異不顯著;但在100 mg/L鎘脅迫下，兩頭毛的種子萌發(fā)開始受到了明顯的抑制，其萌發(fā)率下降至26.67%;當(dāng)鎘濃度超過200 mg/L時(shí)，兩頭毛種子萌發(fā)率均降至6.00%以下，與100 mg/L相比顯著下降，但是高濃度鎘脅迫之間沒有顯著差異。與兩頭毛不同的是，其他3種植物的種子在50 mg/L 的鎘脅迫下，其萌發(fā)率與對照相比均有顯著下降，如韭菜的萌發(fā)率從81.33%下降至24.67%;在100 mg/L的鎘脅迫下，這3種植物種子的萌發(fā)率與對照相比下降了7倍，與50 mg/L和較高濃度（200～500 mg/L）的鎘脅迫相比，均出現(xiàn)顯著性差異。這些結(jié)果表明不同植物種子萌發(fā)對鎘脅迫有不同的響應(yīng)。但是，鎘的濃度越高對這4種植物的種子萌發(fā)影響越大，且到了足夠高的濃度時(shí)它們的種子幾乎不萌發(fā)。

從表1可以看出，隨著鎘濃度的增加，這4種植物的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的變化趨勢與其萌發(fā)率基本一致，尤其是小麥和韭菜種子萌發(fā)的這3個(gè)指標(biāo)在相同的鎘濃度下都出現(xiàn)了相同的顯著變化。而兩頭毛的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別在50和100 mg/L的鎘脅迫下與對照相比均有顯著差異，隨著鎘濃度的增加發(fā)芽勢與100 mg/L相比無太大的變化，直到在500 mg/L高濃度鎘脅迫下時(shí)才出現(xiàn)了明顯下降;而發(fā)芽指數(shù)在高于100 mg/L的鎘脅迫下均出現(xiàn)了顯著下降。紫花苜蓿的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)在不同鎘濃度的脅迫下發(fā)生的顯著變化幾乎與萌發(fā)率指標(biāo)是一致的。

2.2 4種植物種子萌發(fā)的耐鎘性綜合評價(jià)

為了比較這4種植物種子萌發(fā)的耐鎘性，該研究通過對不同植物的多個(gè)測量指標(biāo)進(jìn)行相對萌發(fā)率、相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽指數(shù)的計(jì)算，并通過這些結(jié)果算出每個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，具體的數(shù)據(jù)見表2。從單個(gè)指標(biāo)來看，兩頭毛的隸屬函數(shù)值均是最高的，說明兩頭毛種子的耐鎘性更高。通過計(jì)算每個(gè)植物種子萌發(fā)3個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)平均值，對這4種植物進(jìn)行了耐鎘性排名。從表2可以看出，兩頭毛種子萌發(fā)3個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)平均值是最高的，依次是小麥、韭菜和紫花苜蓿。這些結(jié)果表明這4種植物的耐鎘性從強(qiáng)到弱依次是兩頭毛、小麥、韭菜、紫花苜蓿。

3 討論與結(jié)論

鎘對植物來說是一種有毒的重金屬元素。植物對鎘脅迫的響應(yīng)主要取決于植物的種類和鎘的濃度。種子萌發(fā)是植物生長的一個(gè)最初過程，能夠最先感知和判斷植物是否具有耐鎘性[16]。因此，在鎘脅迫條件下種子的萌發(fā)情況通?？梢员挥糜诜从持参飳︽k脅迫的耐性強(qiáng)弱。煤礦區(qū)煤矸石的長期堆放已經(jīng)成為土壤重金屬污染的一個(gè)主要來源之一。多年來人們致力于對煤矸石山進(jìn)行植被恢復(fù)與重建，也是目前最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且行之有效的防治方法。經(jīng)過調(diào)查，兩頭毛是六盤水煤矸山上自然生長的一種優(yōu)勢植物，且對多種重金屬，尤其是鎘具有較強(qiáng)的富集能力[11]。但是關(guān)于重金屬鎘對兩頭毛生長的影響還鮮見報(bào)道。在該研究中，測定在不同鎘濃度脅迫下兩頭毛種子萌發(fā)的3個(gè)指標(biāo)（萌發(fā)率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)），并與3種常見植物（小麥、韭菜、紫花苜蓿）的相同種子萌發(fā)指標(biāo)進(jìn)行了比較。

該研究結(jié)果表明，在鎘脅迫下這4種植物的種子萌發(fā)都受到了不同程度的限制。隨著鎘濃度的增加，抑制效應(yīng)越明顯，直至種子幾乎不萌發(fā)。有研究表明，在低濃度鎘脅迫（如≤50 mg/L）下一些植物的種子萌發(fā)有被促進(jìn)的作用[17]。在該研究中設(shè)定的鎘初始濃度是50 mg/L，因此，無法得到低濃度鎘脅迫下促進(jìn)種子萌發(fā)的結(jié)果。在該研究中，對比了兩頭毛與常見的作物、蔬菜和牧草在鎘脅迫下種子萌發(fā)的情況以及耐性，試驗(yàn)結(jié)果表明在鎘脅迫下兩頭毛種子比其他3種植物受到的影響都小，且顯示出較高的耐鎘性，其中，紫花苜蓿的耐鎘性最低。楊姝等[18]研究表明紫花苜蓿對鎘具有一定的耐性，但是不同的品種對鎘的吸收和累積存在著較大的差異。如阿爾岡金和新疆大葉2個(gè)品種在5 mg/L的鎘脅迫下種子萌發(fā)就受到了明顯抑制[19]。相對而言，在該研究中小麥和韭菜具有較高的耐鎘性。陳麗麗等[20-21]研究表明小麥種子和韭菜種子在相對較高濃度的鎘脅迫下萌發(fā)受到抑制。從該研究結(jié)果來看，兩頭毛具有一定的耐鎘性，且耐性比小麥、韭菜和紫花苜蓿的強(qiáng)，其耐鎘的生理生化、分子機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

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