鎘脅迫對鹽膚木種子萌發(fā)特性的影響研究

林楊斌 王 超 顧 菊 溫聯(lián)好

（1 西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，云南昆明 650224；2 廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，佛山 528300）

我國部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤點位污染超標(biāo)率達19.4%，重度污染點位比例達1.1%，鎘（Cd）是主要重金屬污染物之一[1-5]，耕地土壤中Cd的點位超標(biāo)率為7.0%[1-3]。各種重金屬污染發(fā)生概率排序為：Cd＞Ni＞Hg＞As＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn。Cd 含量超標(biāo)率達到25.20%，遠超過Pb、Hg、Cr、As 等重金屬[3-7]。Cd 不是植物生長的必需元素，Cd 超標(biāo)會降低植物體內(nèi)酶的活性及光合強度，使代謝紊亂，改變細胞膜透性、阻礙根系生長、抑制水分和養(yǎng)分吸收，影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[8-12]。更重要的是，Cd通過蓄積在農(nóng)產(chǎn)品中借助食物鏈進入人體，嚴重危害人類健康。由于Cd 對植物、動物和人類的危害最大，且重金屬污染發(fā)生概率最高[10-15]，土壤Cd 污染已成為人類安全的重大隱患，也成為了研究者關(guān)注的重點和熱點問題之一[16-20]。

鹽膚木（Rhus chinensisMill）又名五倍子樹，為漆樹科鹽膚木屬落葉灌木或小喬木，是中國主要經(jīng)濟樹種之一，可供制藥和工業(yè)染料的原料，其皮部、種子可榨油，在園林景觀中可作為優(yōu)良的觀花、觀葉、觀果樹種，具有重要的觀賞價值，可用于園林綠化[21-23]。鹽膚木具有生長快、根蘗力強以及逆境適應(yīng)能力強等優(yōu)勢，是廢棄地恢復(fù)的先鋒植物，具有重要的生態(tài)意義[24-26]。已有研究表明鹽膚木是一種有效的重金屬吸附和富集的植物，對鉛、鉻、銅、汞具有吸收和富集作用，能夠有效進行土壤修復(fù)[21-27]。然而，截至目前鮮有鹽膚木對重金屬Cd 脅迫的生長和富集的影響研究，鑒于此，有必要開展Cd 對鹽膚木生長和富集的影響研究。本文以鹽膚木種子萌發(fā)特性為研究對象，研究了在重金屬鎘（Cd）不同濃度（50～400mg/L）的脅迫下，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的變化規(guī)律，以期為鹽膚木種子在Cd 污染的耐受能力研究提供一定理論參考。

1 材料與方法

1.1試驗材料選用商品化的鹽膚木種子，種子經(jīng)晾曬后存放于干燥、陰涼處。

1.2試驗試劑過氧化氫（H2O2，30%，分析純）、濃硫酸（H2SO4，98%，分析純）、高錳酸鉀（固體，KMnO4，99%，分析純）、氯化鎘（固體，CdCl2·2.5H2O，99%，分析純），采購于佛山西隴化工有限公司。去離子水（H2O），實驗室自制。

1.3試驗儀器千分天平、燒杯、容量瓶、直尺等。

1.4試驗方法

1.4.1配制溶液（1）配制質(zhì)量分數(shù)為0.5%的KMnO4溶液。準(zhǔn)確稱量5.55g 的KMnO4固體，置于500mL 燒杯中，用200mL 去離子水將KMnO4固體溶解，得到均一紫紅色溶液。將溶液轉(zhuǎn)移至1000mL容量瓶中，用去離子水洗滌燒杯中殘余的KMnO4溶液。之后，定容至1000mL。

（2）配制質(zhì)量分數(shù)為濃度梯度的Cd 溶液（質(zhì)量分數(shù)以Cd 計）。準(zhǔn)確稱量一定質(zhì)量的CdCl2·2.5H2O 固體（稱量質(zhì)量見表1），置于500mL 燒杯中，用200mL 去離子水將CdCl2·2.5H2O 固體溶解，得到均一溶液。將溶液轉(zhuǎn)移至1000mL 容量瓶中，用去離子水洗滌燒杯中殘余的溶液。之后，定容至1000mL。分別配制濃度為50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、250mg/L、300mg/L、350mg/L、400mg/L 的Cd 溶液。

表1 濃度梯度Cd 溶液的配制

1.4.2脅迫試驗由于鹽膚木種子硬實率高達90.2%，其種皮對于種子吸水有明顯的機械阻礙作用。采用酸蝕處理鹽膚木種子，從而提高種子萌發(fā)率。選取適量籽粒飽滿、均勻的鹽膚木種子，用去離子水浮選以去掉癟粒，用30%過氧化氫浸泡15min消毒，防止微生物等因素對種子萌發(fā)產(chǎn)生影響，再用去離子水反復(fù)沖洗3 次。將鹽膚木種子在98%濃硫酸中浸泡90min，使用0.5%的KMnO4溶液浸泡30min，接著用去離子水清洗數(shù)次，直至不殘留酸性氧化物溶液。之后，將處理后的種子放入去離子水中浸種12h 充分吸脹，便于直接研究鎘對種子萌發(fā)的影響。鋪放2 層濾紙于無菌培養(yǎng)皿，將種子均勻地灑在培養(yǎng)皿上，并保持種子的間距適當(dāng)，在培養(yǎng)皿中分別加入8mL 不同濃度的培養(yǎng)液，空白對照組中添加等體積去離子水，保持25 ℃下恒溫培養(yǎng)。每天定時記錄種子萌發(fā)情況，種子萌發(fā)以種子露出白芽為標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)10d 內(nèi)沒有新種子萌發(fā)時結(jié)束。根據(jù)試驗結(jié)果測量和記錄種子發(fā)芽數(shù)量、幼芽長度。其中，每個濃度的試驗采用種子數(shù)均為100 個，濃度為0mg/L 指空白試驗。

1.5數(shù)據(jù)處理各指標(biāo)計算如公式（1）～（4）所示，采用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)處理；采用Origin 軟件進行作圖。

第8 天為種子發(fā)芽數(shù)量高峰期，第10 天種子發(fā)芽結(jié)束，幼芽長度指第10 天種子發(fā)芽的幼芽長度。

2 結(jié)果與分析

2.1不同濃度Cd脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽率變化從圖1 和表2 可以看出，在Cd 濃度50～400mg/L的脅迫下，鹽膚木種子發(fā)芽率在1%～78%之間。發(fā)芽率隨著Cd 濃度增加不斷下降，直到Cd 濃度為300mg/L 時，發(fā)芽率下降速率有所放緩。此外，對比空白試驗來看（發(fā)芽率為87%），Cd 脅迫下種子發(fā)芽率整體呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。結(jié)果表明，Cd 對鹽膚木種子萌發(fā)具有明顯的抑制作用，且Cd 濃度越大，抑制作用越明顯。

圖1 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽率變化趨勢

表2 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽率變化數(shù)據(jù)

2.2不同濃度Cd脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽勢變化從圖2 和表3 可以看出，種子發(fā)芽勢變化趨勢與發(fā)芽率相似，隨著Cd 濃度不斷增大，均表現(xiàn)為持續(xù)下降，發(fā)芽勢數(shù)值在0～51%之間。然而，空白試驗的發(fā)芽勢高達75%。當(dāng)Cd 濃度達到50mg/L 時，發(fā)芽勢降低至空白試驗的2/3 左右（51%）。結(jié)果表明，發(fā)芽勢受Cd濃度影響較大。與發(fā)芽率不同的是，當(dāng)Cd 濃度小于100mg/L 時，發(fā)芽勢降低明顯，大于等于100mg/L 時，發(fā)芽勢降低程度放緩。

圖2 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽勢變化趨勢

表3 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽勢變化數(shù)據(jù)

2.3不同濃度Cd脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽指數(shù)變化從圖3 和表4 可以看出，當(dāng)Cd 濃度為0mg/L 時，發(fā)芽指為14。但是，隨著Cd 濃度不斷增加，種子發(fā)芽指數(shù)持續(xù)下降，并于Cd濃度為350mg/L時下降為0，表明Cd 對鹽膚木種子脅迫作用明顯，發(fā)芽指數(shù)受Cd 濃度影響明顯。

圖3 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽指數(shù)變化趨勢

表4 Cd 脅迫下鹽膚木種子的發(fā)芽指數(shù)變化數(shù)據(jù)

2.4不同濃度Cd脅迫下幼芽長度和活力指數(shù)的變化從圖4、圖5 和表5 可以看出，隨著Cd 濃度增加，相比空白試驗種子幼芽長度為3.3cm，Cd 脅迫下種子幼芽長度有一定程度下降，從3.1cm 下降至2.6cm；對應(yīng)的活力指數(shù)從34.1%下降至0，相對空白試驗活力指數(shù)46.2%，Cd 脅迫下的活力指數(shù)下降明顯。

圖4 Cd 脅迫下鹽膚木種子的幼芽長度變化趨勢

圖5 Cd 脅迫下鹽膚木種子的活力指數(shù)變化趨勢

表5 Cd 脅迫下鹽膚木種子的幼芽長度和活力指數(shù)變化數(shù)據(jù)

3 討論與結(jié)論

隨著Cd 濃度的不斷增大，種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢隨之下降，這可能是Cd 抑制了種子內(nèi)細胞生命活動，導(dǎo)致種子萌發(fā)所需的營養(yǎng)物質(zhì)不足，從而導(dǎo)致種子萌發(fā)所需的能量減少，進而抑制了種子萌發(fā)[10-12]。研究表明，當(dāng)植物受到Cd 脅迫，種子受到不利條件時，體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧自由基，使得細胞膜脂過氧化對植物產(chǎn)生毒害。當(dāng)Cd 濃度增大時，會使種子產(chǎn)生活性氧的能力超過清除能力，使生物膜及酶系統(tǒng)受到的傷害增加、內(nèi)環(huán)境紊亂，抗氧化酶最適環(huán)境遭到破壞，最終降低種子體內(nèi)的抗氧化酶活性，從而抑制種子萌發(fā)，表現(xiàn)為發(fā)芽率和發(fā)芽勢降低[10-15]。因此，推測鹽膚木種子幼芽長度、活力指數(shù)隨Cd 濃度的變化情況，與Cd 脅迫破壞種子的抗氧化酶系統(tǒng)，引起種子體內(nèi)產(chǎn)生活性氧，導(dǎo)致種子萌發(fā)受到抑制有關(guān)。在沒有外部有效作用的情況下，種子難以自發(fā)提高光合色素含量、增強光合作用，從而提高種子的抗逆性。當(dāng)Cd 濃度達到較高水平時，土壤環(huán)境無法維持種子萌發(fā)[10-15]。

種子的萌發(fā)指標(biāo)是評價種子萌發(fā)能力的重要參數(shù)，直接與幼苗的生長和生物量相關(guān)[1-5]。萌發(fā)期是植物生長發(fā)育過程中受外界非生物因素影響最敏感的時期之一，幼苗期對Cd 脅迫產(chǎn)生的毒害反應(yīng)尤為顯著[10-12]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cd 濃度增加，對植物根長的抑制程度加大[10-15]。本研究中，Cd 對發(fā)芽率的抑制作用明顯，這可能與種子幼芽更容易富集重金屬元素有關(guān)，種子將重金屬元素固定在根系中，也是一種自我保護機制，最大可能地減少重金屬元素向莖、葉中運輸，減少重金屬對植物的損害[6-9]。本試驗研究表明，與空白對照組比較，鹽膚木種子萌發(fā)受到Cd 脅迫不同程度的影響，Cd 濃度越高，脅迫作用越明顯。推測高濃度Cd 可能對胚、芽等產(chǎn)生毒害，從而抑制種子萌發(fā)以及后期生長發(fā)育。

綜上所述，本文通過Cd 脅迫對鹽膚木種子萌發(fā)特性的影響研究，可以得到如下結(jié)論：鹽膚木對Cd 脅迫具有一定的耐受力，在Cd 濃度范圍為50～400mg/L 的脅迫下，鹽膚木種子的萌發(fā)特性指標(biāo)（包括發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)）隨著Cd 濃度不斷增加均呈下降趨勢。本研究可為鹽膚木種子在Cd 污染的耐受能力研究提供一定理論參考。