重金屬脅迫對向日葵種子萌發(fā)特征影響評價(jià)及花海品種篩選

于華麗, 溫四民, 張桂玲, 董傳潔, 程 乾

（臨沂大學(xué), a.農(nóng)林科學(xué)學(xué)院；b.臨沂大學(xué)實(shí)驗(yàn)管理中心, 山東 臨沂 276005）

花海是自然界中通過花卉構(gòu)成的具備一定規(guī)模的美麗景觀, 主要包括自然花海和人工花海[1］。近年來, 人工花海在國內(nèi)發(fā)展迅猛, 花海植物中的大部分花卉多以直播的方式種植。由于種子萌發(fā)是種子植物生長過程的關(guān)鍵階段, 也是進(jìn)行植物抗逆性研究的重要時(shí)期[2, 3］, 因此, 可選用種子萌發(fā)期對植物的抗逆性進(jìn)行評價(jià)和篩選[4］。向日葵（Helianthus annuusL.）為菊科向日葵屬的一年生草本植物, 生長迅速, 生物量大, 適應(yīng)性強(qiáng), 在全國各地均有種植, 因其花色艷麗, 具有極高的觀賞價(jià)值[5］, 在花海中應(yīng)用有逐年增多趨勢, 由于人工花海用地多為鹽堿、灘涂、沙化或污染等廢棄土地, 因此用于花海種植的向日葵品種需要具有較高的耐逆境脅迫能力。而目前對向日葵種子及幼苗逆境脅迫研究多集中于鹽脅迫[6］、干旱脅迫[7］、某一種重金屬脅迫[8］、兩種以上重金屬復(fù)合脅迫[9］、堿脅迫[10-12］、水淹[13］、緩解脅迫方式[14］等方面, 對混合重金屬離子脅迫研究及耐重金屬脅迫品種的篩選鮮見報(bào)道。

李海洋等[15］發(fā)現(xiàn)隨著鹽濃度的增加以及脅迫時(shí)間的延長, 向日葵根、莖、葉中IAA（吲哚-3-乙酸）、ABA（脫落酸）、ZR（玉米素核苷）3 種植物生長調(diào)節(jié)劑總體表現(xiàn)為先增后降的趨勢；凌云鶴等[16］發(fā)現(xiàn)隨著鹽濃度的增加, 從形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)顯示出銀葉向日葵具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力；周子超等[17］對152 份向日葵重組自交系苗期抗旱性的鑒定與評價(jià)中發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)耐旱型2 個(gè)、耐旱型2 個(gè)、弱耐旱型83 個(gè)和不耐旱型65 個(gè)；有學(xué)者研究汞[8］和鎳[18］對向日葵種子萌發(fā)和幼苗的生理生化特性影響發(fā)現(xiàn), 脅迫濃度低于10 mg/L 時(shí), 對其具有一定的促進(jìn)作用, 高于50 mg/L 時(shí)具有明顯的抑制作用；黃開騰等[9］研究發(fā)現(xiàn)隨著鋁錳復(fù)合脅迫濃度的增加, 向日葵幼苗葉片的脯氨酸（Pro）含量總體呈上升趨勢, 可溶性蛋白質(zhì)含量先升高后下降, 可溶性糖含量先升高, 再降低, 最后再升高, 且含量均高于對照；羅潔等[13］的研究表明淹水脅迫抑制了觀賞向日葵的生長, 但觀賞向日葵對淹水脅迫具有一定的耐性, 一方面通過提高抗氧化酶活性和增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來抵抗淹水脅迫, 另一方面通過根系形成通氣組織來適應(yīng)淹水脅迫。

本試驗(yàn)選用營養(yǎng)生長周期短、花期較長、生產(chǎn)中常見的32 個(gè)向日葵品種, 通過重金屬溶液模擬污染土壤脅迫, 采用培養(yǎng)皿法進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn), 使用隸屬函數(shù)法對供試品種進(jìn)行抗逆性綜合評價(jià)和篩選, 以期為花海用向日葵品種選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料共32 個(gè)向日葵品種, 部分品種購自當(dāng)?shù)鼗ɑ芄? 詳見表1。

表1 供試向日葵品種

1.2 方法

根據(jù)重金屬污染土壤中主要重金屬種類, 重金屬鹽為硝酸鉛[Pb（NO3）2］、重鉻酸鉀（K2Cr2O7）、硝酸鎘[Cd（NO4）2·4H2O］、硫酸鎳（NiSO4·6H2O）、硫酸銅（CuSO4·5H2O）、硫酸鋅（ZnSO4·7H2O）, 設(shè)置T1、T2、T3 共3 個(gè)濃度梯度和清水對照（CK）, 重金屬溶液處理濃度配制如表2 所示。

表2 重金屬溶液處理濃度 （單位：mg/L）

選取顆粒飽滿度、大小一致的種子, 用2%高錳酸鉀溶液消毒, 用無菌水沖洗3～5 次, 放入不同濃度梯度重金屬溶液中浸種24 h, 對照為無菌水, 每個(gè)處理100 粒種子, 重復(fù)3 次, 然后均勻放入無菌培養(yǎng)皿中, 培養(yǎng)皿中鋪有雙層用無菌水潤濕的濾紙, 置于人工氣候箱, 晝溫25 ℃、濕度60%、光照度6 000 lx；夜溫15 ℃、濕度80%, 晝夜時(shí)間均設(shè)為12 h, 每天適當(dāng)補(bǔ)充無菌水保持濾紙濕潤。

1.3 項(xiàng)目測定

播種后第二天開始, 以胚根與種子等長作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn), 統(tǒng)計(jì)每天發(fā)芽數(shù), 第4 天計(jì)算發(fā)芽勢, 連續(xù)3 d 無新萌發(fā)種子即為試驗(yàn)結(jié)束。發(fā)芽率（G）=（發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100%；發(fā)芽勢=（第4 天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100%；發(fā)芽指數(shù)（GI）=∑G/t,t為發(fā)芽時(shí)間（d）,GI為在t時(shí)間內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)；平均發(fā)芽日數(shù)=∑（Gt×Dt）/G,Gt為第t天發(fā)芽種子數(shù),Dt為發(fā)芽天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel、IBM SPSS Statistics 19 軟 件 對 試 驗(yàn) 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析, 為消除不同向日葵品種間遺傳性特性差異, 先計(jì)算各項(xiàng)測定指標(biāo)相對值（測定值/對照值）, 然后采用隸屬函數(shù)法和聚類分析法對供試材料的耐重金屬脅迫能力進(jìn)行綜合評價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬脅迫對向日葵種子萌發(fā)特征的影響

由表3 可見, 隨著重金屬處理濃度的升高, 32 個(gè)品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈降低的趨勢, 而32 個(gè)供試品種的平均發(fā)芽日數(shù)均呈逐漸升高的趨勢。

從不同品種向日葵發(fā)芽率分析可見, 與對照相比, 當(dāng)重金屬濃度為T1 時(shí), 深秋、檸檬碧翠、黃鉆、玫瑰情、樂翻天和桃之春發(fā)芽率有所下降, 其他26 個(gè)品種發(fā)芽率均出現(xiàn)不同程度的升高, 其中月光和莫奈升高顯著；當(dāng)重金屬濃度為T2 時(shí), 全部供試品種發(fā)芽率均呈下降趨勢, 即均低于對照, 其中滿天星和金富貴下降不顯著；當(dāng)重金屬濃度為T3 時(shí), 發(fā)芽率均下降顯著, 其中重金屬對金富貴和活力的發(fā)芽率抑制作用較小, 與對照相比分別下降了29.92、29.05個(gè)百分點(diǎn), 而對開心小矮人和金海星的抑制作用較大, 發(fā)芽率分別下降了46.01、37.35 個(gè)百分點(diǎn)。

由發(fā)芽勢變化情況可見, 與對照相比, 不同向日葵品種在T1 處理下, 深秋、檸檬碧翠、黃鉆、玫瑰情、樂翻天和桃之春的發(fā)芽勢降低, 其他26 個(gè)品種發(fā)芽勢均有所升高, 且好運(yùn)多、活力、歡樂火炮竹、帕蒂小葵、小熊、豐收樂、麗日、美麗微笑和寶石紅芳升高顯著；在T2 處理下, 32 個(gè)品種發(fā)芽勢均開始呈下降趨勢, 即均低于對照, 除金富貴的發(fā)芽勢下降不顯著外, 其他31 個(gè)品種均顯著下降；在T3 處理下, 32 個(gè)品種發(fā)芽勢均顯著下降, 其中小熊和活力發(fā)芽勢下降相對較少, 較對照均下降了18.67 個(gè)百分點(diǎn), 而麗日和美麗微笑的發(fā)芽勢下降最為明顯, 較對照均下降了55.32 個(gè)百分點(diǎn)。

從發(fā)芽指數(shù)變化情況來看, 與對照相比, T1 處理下, 深秋、檸檬碧翠、黃鉆、魔術(shù)回旋、小熊、玫瑰情、樂翻天和寶石紅芳發(fā)芽指數(shù)降低, 其他24 個(gè)品種的發(fā)芽指數(shù)均升高, 并且歡樂火炮竹、穆天子、月光、金太陽、麗日和美麗微笑的發(fā)芽指數(shù)顯著升高；T2、T3 處理下, 發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢, 且均顯著低于對照, 其中T3 處理下, 歡樂火炮竹和活力的發(fā)芽指數(shù)下降相對較少, 分別下降了43.86%和42.42%, 而金海星和樂翻天下降相對較多, 分別下降了80.51%和76.76%。

不同濃度重金屬處理均使向日葵種子平均發(fā)芽日數(shù)延長, 并且處理濃度越大平均發(fā)芽日數(shù)升高越明顯, 與對照相比, T1 處理下, 除滿天星、金富貴和

魔術(shù)回旋的平均發(fā)芽日數(shù)升高不顯著外, 其他29 個(gè)品種的平均發(fā)芽日數(shù)均升高顯著；T2 和T3 處理下, 32 個(gè)品種平均發(fā)芽日數(shù)均顯著升高, 說明重金屬脅迫抑制向日葵種子發(fā)芽速度, 處理濃度越大抑制作用越明顯。

2.2 向日葵種子萌發(fā)耐重金屬脅迫能力比較

根據(jù)不同品種的每個(gè)指標(biāo)不同處理下的相對值計(jì)算出隸屬函數(shù)值, 得出隸屬函數(shù)綜合值, 最后根據(jù)隸屬函數(shù)綜合值進(jìn)行排序。由表4 可見, 隸屬函數(shù)綜合值的大小能直觀體現(xiàn)不同向日葵品種在重金屬脅迫下的萌發(fā)能力強(qiáng)弱, 隸屬函數(shù)綜合值越大表明耐重金屬脅迫能力越強(qiáng), 不同向日葵種子萌發(fā)期耐受重金屬脅迫能力的差異較大, 其中金富貴和魔術(shù)回旋的隸屬函數(shù)綜合值較大, 分別為9.04 和8.81, 綜合排序分別為第1 和第2, 美麗微笑和玫瑰情隸屬函數(shù)綜合值較小, 綜合排序分別為第31 和第32。由此可見, 在重金屬脅迫下金富貴和魔術(shù)回旋種子萌發(fā)能力較強(qiáng), 而美麗微笑和玫瑰情萌發(fā)能力較弱。

表4 重金屬脅迫下各項(xiàng)測定指標(biāo)相對值的隸屬函數(shù)值

2.3 對32 個(gè)向日葵品種耐重金屬脅迫能力的聚類分析

由圖1 可以看出, 依據(jù)32 個(gè)向日葵品種的隸屬函數(shù)綜合值, 用Ward 方法進(jìn)行聚類分析比較, 將耐重金屬脅迫能力相近的品種聚在一起, 結(jié)果表明, 在歐氏距離平方值大約為7 時(shí), 可將32 個(gè)向日葵品種劃分為三大類, 耐性較好的品種是金富貴、魔術(shù)回旋、滿天星、金庸碧翠、醉云長和活力；耐性中等的品種是黃鉆、寶石紅芳、紅檸檬、歡樂火炮竹、小熊、穆天子、莫奈、月光、墨池吐金和三陽開泰；耐性較差的品種是出水芙蓉、帕蒂小葵、金太陽、綠波仙子、綠天使、開心小矮人、豐收樂、桃之春、深秋、金海星、麗日、好運(yùn)多、檸檬碧翠、樂翻天、美麗微笑和玫瑰情。

圖1 32 個(gè)向日葵品種的種子萌發(fā)期耐重金屬脅迫的聚類分析

3 小結(jié)與討論

向日葵是耐干旱、耐瘠、耐鹽堿、適應(yīng)性較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)作物, 已被證實(shí)對重金屬有較強(qiáng)的耐受性[19］, 重金屬脅迫下, 向日葵通過激活抗氧化系統(tǒng)、絡(luò)合重金屬離子[20］、有毒離子區(qū)隔化、細(xì)胞壁吸附沉積作用[21］等方式來降低重金屬對細(xì)胞的傷害。有研究表明, 當(dāng)汞脅迫濃度低于10 mg/L 時(shí), 對向日葵種子萌發(fā)有促進(jìn)作用, 高于10 mg/L 時(shí)會抑制種子萌發(fā)[8］, 本試驗(yàn)與以上研究結(jié)果有相同之處, 重金屬濃度為T1（Pb2+、Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+濃度分別為8、4、2、8、8、20 mg/L）時(shí), 對24 個(gè)向日葵品種的種子萌發(fā)有促進(jìn)作用, 當(dāng)重金屬濃度為T2（Pb2+、Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+濃度分別為32、16、8、32、32、80 mg/L）時(shí), 對所有供試品種均產(chǎn)生抑制作用, 試驗(yàn)中有部分品種在低濃度重金屬脅迫（T1）時(shí)也受到抑制作用, 可能是由于不同品種間存在生物學(xué)遺傳特性差異, 試驗(yàn)中所設(shè)置的最低濃度處理仍然超出其耐受范圍, 與低濃度可促進(jìn)種子萌發(fā)并不矛盾。重金屬脅迫對向日葵種子萌發(fā)之所以產(chǎn)生低濃度促進(jìn)高濃度抑制的作用, 有研究認(rèn)為, 在種子萌發(fā)過程中, 低濃度的重金屬離子與種子萌發(fā)所必需的酶反應(yīng)或特異性結(jié)合, 可提高胚的生理活性[22, 23］, 快速提高種子萌發(fā)初期的蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等酶活性[24］, 提高種子的呼吸速率, 加快胚乳中營養(yǎng)物質(zhì)的降解, 從而促進(jìn)萌發(fā)代謝[25］。隨著重金屬濃度的升高, 植物體產(chǎn)生過量活性氧自由基, 使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)過氧化作用加強(qiáng), 最終導(dǎo)致膜通透性增大, 胞內(nèi)物質(zhì)外滲[26］, 同時(shí)高濃度重金屬離子可能抑制淀粉酶、蛋白酶、酸性磷酸酯酶等酶活性, 進(jìn)而抑制種子儲藏營養(yǎng)成分分解, 減少種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量供給[27］, 致使發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)和活力值各項(xiàng)指標(biāo)均呈下降趨勢, 種子萌發(fā)進(jìn)程受到嚴(yán)重抑制[28］。

以發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽日數(shù)為測定指標(biāo), 研究32 個(gè)向日葵品種的種子萌發(fā)期耐重金屬脅迫差異, 采用隸屬函數(shù)和聚類分析法, 進(jìn)行抗逆性綜合評價(jià)和篩選。研究發(fā)現(xiàn), 重金屬脅迫對多數(shù)向日葵種子萌發(fā)產(chǎn)生低濃度促進(jìn)高濃度抑制的作用, 不同品種間耐重金屬脅迫能力差異較大, 篩選出耐重金屬脅迫性較好的品種有金富貴、魔術(shù)回旋、滿天星、金庸碧翠、醉云長和活力；耐性中等的品種有黃鉆、寶石紅芳、紅檸檬、歡樂火炮竹、小熊、穆天子、莫奈、月光、墨池吐金和三陽開泰；耐性較差的品種有出水芙蓉、帕蒂小葵、金太陽、綠波仙子、綠天使、開心小矮人、豐收樂、桃之春、深秋、金海星、麗日、好運(yùn)多、檸檬碧翠、樂翻天、美麗微笑和玫瑰情。