重金屬鎘對百日草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

池永清，吳東濤，王忠林，徐 凱，丁楓華，劉術(shù)新

（1.麗水市土肥植保能源總站，浙江 麗水 323000；2.龍泉市土肥植保能源服務(wù)站，浙江 麗水 323700；3.龍泉市錦溪鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，浙江 麗水 323700；4.麗水學(xué)院，浙江 麗水 323000；5.麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院林業(yè)科技學(xué)院，浙江 麗水 323000）

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國的工業(yè)化進程越來越高，采礦、冶煉和電鍍工業(yè)的不斷發(fā)展，使得土壤中重金屬物質(zhì)不斷積累[1]，近年來，土壤受鎘污染的事件頻繁發(fā)生。土壤被重金屬鎘污染后，不僅會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，還會危害人體健康[2]。

百日草（Zinnia elegans Jacq.）屬菊科百日草屬，一年生草本植物。由于其花大色艷，花期長久，被廣泛應(yīng)用于園林綠化、花境、花帶及花壇布置，是營造花海景觀的常用植物[3]。

重金屬鎘污染嚴(yán)重的土壤上不適合種植農(nóng)作物，可以通過種植百日草營造花海景觀，打造旅游景點，吸引游客，獲得收益。但是百日草對重金屬鎘的耐受性情況未有報道。

本試驗在不同濃度的Cd2+溶液處理下，研究百日草種子萌發(fā)和萌發(fā)后幼根及幼芽生長的變化情況，初步探討百日草對鎘的耐性機理，從而為在受污染土壤中種植百日草提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試百日草種子來源于上海恒大種業(yè)有限公司，供試藥劑為氯化鎘（CdCl2）、分析純。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗方法

藥品使用分析純CdCl2，配制成濃度20 mg/L、40 mg/L、60 mg/L、80 mg/L 的鎘溶液，對照選用去離子水（CK）。

先挑選籽粒飽滿、均勻、無病蟲害的百日草種子450 粒，然后進行消毒處理，將種子在10%次氯酸鈉溶液中浸泡10 min。之后，撈出種子用水沖洗3 次，再用去離子水沖洗3 次，放到濾紙上吸干表面水分，備用。

取5 套潔凈的9 cm 培養(yǎng)皿，分別編號為1 號、2 號、3 號、4 號、5 號。在培養(yǎng)皿中放兩張濾紙，用去離子水潤濕濾紙，用玻璃棒輕輕趕除氣泡使濾紙與培養(yǎng)皿貼合在一起，用鑷子將處理好的百日草種子擺放到培養(yǎng)皿內(nèi)的濾紙上，種子間留有一定的空隙，便于觀察。每個培養(yǎng)皿擺放30 粒種子。

于1 號皿中加入蒸餾水5 mL（CK），另于2～5號皿中分別加入濃度為20mg/L、40 mg/L、60 mg/L、80 mg/L 的CdC12溶液各5 mL，每種溶液處理3 次重復(fù)，每個重復(fù)1 個培養(yǎng)皿。

將所有的培養(yǎng)皿移入到智能光照培養(yǎng)箱內(nèi)，溫度設(shè)置為（25±2）℃，每隔24 h 各處理分別補加處理液2 mL。

1.2.2 測定指標(biāo)及方法

每天定時觀察種子變化情況，記錄種子露白、萌發(fā)、發(fā)芽情況，以胚芽長到種子的1/2 作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，第三天統(tǒng)計種子發(fā)芽勢，第五天計算發(fā)芽率。發(fā)芽試驗結(jié)束時，測定幼苗根長、芽長，稱量鮮重。根據(jù)以下公式計算發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽抑制率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、幼苗根長抑制率、幼苗芽長抑制率、幼苗全長抑制率、幼苗鮮重抑制率和綜合抑制率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，作圖分析；采用SPSS 16.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素LSD 法對不同處理下各指標(biāo)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd2+對百日草種子萌發(fā)的影響

由圖1 可知，隨著Cd2+濃度增大，百日草種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率均呈現(xiàn)下降的趨勢。但在低濃度（20 mg/L、40 mg/L）下未受到明顯抑制，隨著Cd2+濃度進一步升高，其種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率均出現(xiàn)明顯降低，在80 mg/L 時均顯著低于對照組（P＜0.05）。

圖1 Cd2+對百日草種子萌發(fā)的影響

圖2 是Cd2+濃度和百日草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率間的Pearson 相關(guān)分析。結(jié)果表明，Cd2+濃度與百日草種子萌發(fā)水平間具有十分顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

圖2 Cd2+對百日草種子萌發(fā)抑制的濃度效應(yīng)

2.2 Cd2+對百日草幼苗生長的影響

由圖3 可知，不同濃度Cd2+溶液培養(yǎng)的百日草幼苗，根長和芽長與對照處理表現(xiàn)出明顯差異，具體表現(xiàn)為：20 mg/L Cd2+溶液處理下，百日草根長與對照處理差異不顯著（P＜0.05），而芽長已受到明顯的抑制，顯著低于對照處理（P＜0.05）；而后，隨著Cd2+溶液濃度不斷升高，幼苗生長受到明顯的抑制，無論根長還是芽長均出現(xiàn)明顯減少，直至80 mg/L Cd2+溶液處理時，出現(xiàn)最低值，根長受抑制程度最甚，幾乎不長根。

圖3 Cd2+對百日草幼苗生長的影響

圖4 是Cd2+濃度和百日草種子萌發(fā)后幼苗生長（根長+芽長）、鮮重的Pearson 相關(guān)分析。結(jié)果表明，Cd2+濃度與百日草幼苗的根長+芽長、鮮重間分別具有十分顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。通過此研究可以得出，在百日草幼苗的生長過程中，Cd2+濃度對其生長不僅存在顯著的抑制作用，且表現(xiàn)出十分明顯的濃度效應(yīng)（P＜0.01）。

圖4 Cd2+對百日草幼苗生長及鮮重抑制的濃度效應(yīng)

2.3 Cd2+對百日草種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

由圖5 可知，隨著Cd2+濃度持續(xù)上升，發(fā)芽指數(shù)不斷下降，且各處理與對照處理相比，差異顯著（P＜0.05）；不同濃度Cd2+溶液處理間存在差異，20 mg/L、40 mg/L、60 mg/L 的Cd2+溶液處理間差異不顯著，高濃度80 mg/L Cd2+溶液處理發(fā)芽指數(shù)顯著降低，與其他處理間差異顯著（P＜0.05）。

圖5 Cd2+對百日草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖6 可知，百日草種子活力指數(shù)在不同濃度的Cd2+溶液存在明顯差異，且各處理間差異顯著（P＜0.05）；隨著Cd2+濃度增加，百日草種子活力指數(shù)下降，且其表現(xiàn)出的抑制作用與對百日草幼苗全長和鮮重的影響存在一致性。隨著Cd2+濃度不斷上升，百日草幼苗的生長、發(fā)育情況明顯受到了抑制，芽長、根長均出現(xiàn)了急劇變短的趨勢。在高濃度處理的情況下，甚至出現(xiàn)了很多種子胚根難以生長的狀況，到第五天時，80 mg/L Cd2+溶液處理下的根已經(jīng)變黑。

圖6 Cd2+對百日草種子活力指數(shù)的影響

2.4 Cd2+對百日草種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制效應(yīng)

由表1 可知，Cd2+從多個方面對百日草種子萌發(fā)、幼苗生長產(chǎn)生影響，可是對不同指標(biāo)的影響卻并不一致，不同影響間存在較大差異。Cd2+脅迫抑制效應(yīng)最低的是對百日草種子發(fā)芽的抑制（在80 mg/L 時抑制率為10.00%），抑制效應(yīng)次之的為對幼苗鮮重的抑制（在80 mg/L 時抑制率為59.58%）。對幼苗根長的抑制效應(yīng)、幼苗芽長的抑制效應(yīng)表現(xiàn)為低濃度（20 mg/L、40 mg/L）時對芽長的抑制作用高于對根長的抑制作用；高濃度時（60 mg/L、80 mg/L）正好相反，相對于對芽長的抑制作用，對根長的抑制作用顯著偏高，其中，在Cd2+濃度達(dá)60 mg/L 時，對幼苗根長的抑制率是89.73%，而對幼苗芽長的抑制率是34.17%，在Cd2+濃度達(dá)80 mg/L 時，對幼苗根長的抑制率是94.71%，芽長抑制率為61.54%。Cd2+濃度高于60 mg/L 時，百日草根的生長受抑制作用較強，甚至停止生長。Cd2+脅迫對百日草幼苗全長的抑制作用居于對根長和芽長抑制效應(yīng)中間。根據(jù)上述5 個指標(biāo)分析綜合抑制率可以得出，80 mg/L Cd2+溶液濃度處理的綜合抑制率是（60.08±29.51）%。

表1 不同Cd2+濃度對百日草種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制

為進一步分析Cd2+的濃度與百日草幼苗生長綜合抑制作用的相關(guān)性，對Cd2+溶液濃度與綜合抑制水平間作Pearson 相關(guān)性分析，如圖7。分析結(jié)果顯示，二者之間明顯存在著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），即百日草幼苗生長的綜合抑制水平隨著Cd2+濃度的升高而變強。

圖7 Cd2+對百日草幼苗生長綜合抑制作用的濃度效應(yīng)

3 結(jié)論與討論

種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)是評價種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)，種子活力指數(shù)是反映種子質(zhì)量的重要參數(shù)[4-5]。不同濃度Cd2+對百日草種子萌發(fā)均有一定影響，但在低濃度（20 mg/L、40 mg/L）下種子萌發(fā)未受到明顯抑制，而隨Cd2+濃度進一步升高，其種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率均出現(xiàn)明顯降低，在80 mg/L 時均顯著低于對照組，說明低濃度Cd2+對百日草種子萌發(fā)影響相對較小，高濃度Cd2+對百日草種子萌發(fā)影響較大。賈蓮等（2013）[6]、李林芝等（2015）[7]研究表明，高濃度Cd2+對金銀花和檸條種子萌發(fā)的影響較大，與本研究結(jié)果相一致。隨著Cd2+濃度增加，發(fā)芽指數(shù)逐漸降低，且Cd2+各處理與對照處理相比，差異顯著（P＜0.05）；隨著Cd2+濃度增加，百日草種子活力指數(shù)下降，各處理間差異顯著（P＜0.05），即Cd2+濃度越高，其對百日草種子萌發(fā)過程的抑制作用就越強。

種子萌發(fā)后，幼根、幼芽的生長情況及幼苗鮮重是評價幼苗抗性的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明，隨著Cd2+濃度不斷升高，幼苗生長所受到的抑制作用明顯，無論根長還是芽長均被發(fā)現(xiàn)存在明顯減少情況，甚至高濃度下許多種子胚根難以生長，到第五天時，80 mg/L Cd2+處理下的根已經(jīng)變黑，表明不同濃度Cd2+對幼苗根長有較高的抑制率，說明鎘對幼苗根系的抑制作用較大，這一結(jié)果與張珂等（2019）研究鎘脅迫對小麥和玉米根長的影響結(jié)果一致。Cd2+濃度與鮮重間具有十分顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

通過研究Cd2+溶液對百日草種子萌發(fā)和幼苗生長的綜合抑制率，結(jié)果顯示，Cd2+脅迫對百日草種子發(fā)芽的抑制最低，其次為對幼苗鮮重的抑制效應(yīng)，而對幼苗根長和芽長的抑制效應(yīng)表現(xiàn)為低濃度（20 mg/L、40 mg/L）時對芽長的抑制作用高于對根長的抑制作用，高濃度時（60 mg/L、80 mg/L）正好相反，在Cd2+濃度高于60 mg/L 時，根無法生長。進一步對Cd2+濃度與綜合抑制水平間作Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，二者間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），即隨著Cd2+濃度升高，百日草幼苗所受綜合抑制水平越強。

綜上所述，所有百日草種子處理組的發(fā)芽率都超過80%以上，表明百日草種子在萌發(fā)生理方面具有較強的耐鎘能力；在幼苗生長方面，對根長、苗長和鮮重均表現(xiàn)出抑制作用，高濃度表現(xiàn)出明顯的抑制效應(yīng)，尤其對根的生長抑制作用更為顯著。