銅鉛復(fù)合污染下加拿大一枝黃花根葉復(fù)合化感效應(yīng)

周嘉龍,許哲倫,仲珊珊,李 玥,李 闖,徐仲毅,于友禮,杜道林,王從彥

(江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國(guó)現(xiàn)有的入侵植物隸屬于菊科(Asteraceae)的種類最多,共92種,占17.86%[1]。入侵植物(特別是菊科入侵植物)顯著影響了本地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,如顯著降低本地生物多樣性等[2-3]。所以,闡明入侵植物成功入侵的關(guān)鍵機(jī)理,已成為當(dāng)前入侵生態(tài)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的重大前沿科學(xué)問(wèn)題之一。相關(guān)研究表明,化感效應(yīng)對(duì)一些入侵植物的成功入侵至關(guān)重要,特別是菊科入侵植物可以通過(guò)分泌化感物質(zhì)抑制臨近植物的種子萌發(fā)、幼苗以及植株生長(zhǎng)[4-5]?；行?yīng)在入侵植物中廣泛存在,在調(diào)查的113個(gè)科中,72%的科均存在明顯的化感效應(yīng)[4]。基于入侵植物對(duì)臨近植物的化感效應(yīng),生態(tài)學(xué)家提出了新武器假說(shuō)(Novel Weapon Hypothesis)[6-7]。

重金屬可以顯著影響甚至是增強(qiáng)入侵植物的化感效應(yīng)及其入侵競(jìng)爭(zhēng)力[8-9]。但是,當(dāng)前研究大多僅解析單一種類的重金屬對(duì)入侵植物葉化感效應(yīng)的影響,而忽視了重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)入侵植物根葉復(fù)合化感效應(yīng)的影響。因此,亟需深入闡明不同類型重金屬污染下入侵植物根葉復(fù)合化感效應(yīng)。

加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)隸屬于菊科,原產(chǎn)北美,已在我國(guó)大部分地區(qū)(特別是蘇南地區(qū),常?？梢孕纬纱蠓秶?、高密度的單優(yōu)群落)造成了顯著的生態(tài)環(huán)境影響[2,10],被列入了《中國(guó)外來(lái)入侵物種名單》和《江蘇省外來(lái)入侵物種名錄》。研究表明,加拿大一枝黃花對(duì)臨近植物的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)具有較強(qiáng)的化感效應(yīng)[5,10]。因此,本研究旨在分析不同重金屬污染下加拿大一枝黃花的根葉浸提液對(duì)萵苣(Lactucasativa)種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)的單一和復(fù)合化感效應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

1.1 重金屬種類的選擇

本研究選擇銅(Cu)和鉛(Pb)作為重金屬污染源,原因如下:(1)它們是鎮(zhèn)江市常見的重金屬種類;(2)它們?cè)阪?zhèn)江市污染背景值非常接近(Cu≈30.30 mg·kg-1,Pb≈36.28 mg·kg-1)[11-12];(3)均是我國(guó)耕地點(diǎn)位超標(biāo)的主要重金屬類型,有一定的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 受試植物種類的選擇

本研究選擇萵苣作為種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)受試植物。原因如下:(1)萵苣與加拿大一枝黃花均屬于菊科,可避免所用植物種類的親緣關(guān)系過(guò)遠(yuǎn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(2)萵苣種子萌發(fā)速度快且均一,其指標(biāo)也易測(cè)定;(3)萵苣的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)對(duì)外界脅迫(包括入侵植物的化感效應(yīng))非常敏感[10,13];(4)在鎮(zhèn)江市的萵苣種植區(qū),被加拿大一枝黃花入侵的情況較嚴(yán)重。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

本研究實(shí)驗(yàn)方法為培養(yǎng)皿培養(yǎng)法,步驟如下:

1)浸提液配制:2021年9月,于加拿大一枝黃花的繁殖期在鎮(zhèn)江市(32.21°N,119.52°E)隨機(jī)采集其成熟且完整的葉和根,自然風(fēng)干,稱重,浸入無(wú)菌去離子水,過(guò)濾雜質(zhì)。浸提液濃度設(shè)置為10 g·L-1(模擬入侵植物入侵狀態(tài)),用無(wú)菌去離子水作為對(duì)照(模擬入侵植物未入侵狀態(tài))[9,14]。本研究浸提液類型包括:浸提液對(duì)照(無(wú)菌去離子水)、根浸提液、葉浸提液以及根葉等比例混合浸提液。

2)重金屬溶液配制:銅采用Cu(SO4)2·5H2O配置,鉛采用(CH3COO)2Pb·3H2O配置;濃度均定為35 mg·L-1。本研究重金屬溶液類型包括:重金屬對(duì)照(無(wú)菌去離子水,模擬無(wú)重金屬污染)、銅溶液(35 mg·L-1,模擬銅單一污染)、鉛溶液(35 mg·L-1,模擬鉛單一污染)、兩種重金屬等比例混合溶液(35 mg·L-1,模擬銅和鉛復(fù)合污染)。

實(shí)驗(yàn)共4種處理:增施1 mL的無(wú)菌去離子水、增施1 mL的重金屬溶液、增施1 mL的浸提液、增施1 mL的重金屬溶液和浸提液。

3)種子消毒和培養(yǎng):將大小均一的萵苣種子用1%NaClO消毒約15 min,用無(wú)菌去離子水清洗后放入鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿(口徑為9 cm)中,每皿30粒,每個(gè)處理5個(gè)培養(yǎng)皿。所有培養(yǎng)皿移至恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng),溫度25 ℃,每天光照12 h,光照強(qiáng)度2 200 Lux。每天記錄發(fā)芽種子數(shù)量,若胚根凸顯即確認(rèn)發(fā)芽。

4)指標(biāo)測(cè)定:培養(yǎng)8 d后,每個(gè)培養(yǎng)皿隨機(jī)選擇10個(gè)幼苗,同一天測(cè)量種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.4 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定方法

種子萌發(fā)指標(biāo)包括:(1)發(fā)芽率為已萌發(fā)種子的數(shù)量與測(cè)試種子的總數(shù)量之比值(指示種子萌發(fā)能力)[15-16];(2)發(fā)芽勢(shì)為第三天(發(fā)芽高峰期)已萌發(fā)種子的數(shù)量與測(cè)試種子的總數(shù)量之比值(指示種子萌發(fā)均勻性)[15-16];(3)發(fā)芽指數(shù)(指示種子萌發(fā)活性)=∑Gi/i[17-18],其中Gi為已萌發(fā)種子的數(shù)量,i為培養(yǎng)時(shí)間(d);(4)發(fā)芽速度指數(shù)(指示種子萌發(fā)速度)=發(fā)芽指數(shù)×發(fā)芽率[19-20];(5)發(fā)芽活力指數(shù)(指示種子萌發(fā)活力)=發(fā)芽指數(shù)×幼苗鮮重[18,21];(6)發(fā)芽快速響應(yīng)指數(shù)(指示種子萌發(fā)響應(yīng)速度)=nd2+0.75×nd4+0.5×nd6+0.25×nd8[22-24],其中nd2、nd4、nd6、nd8分別為第2、4、6、8天的種子發(fā)芽數(shù)量。

幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)包括:(1)株高(指示幼苗對(duì)陽(yáng)光獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力)、根長(zhǎng)(指示幼苗對(duì)水分和鹽分獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力)、葉長(zhǎng)和葉寬(指示幼苗葉片光合面積的大小)使用直尺法測(cè)量[15-16];(2)綠色葉面積(指示幼苗葉片光合面積的大小)以葉長(zhǎng)和葉寬乘積的0.75倍計(jì)算[25-26];(3)生物量(包括鮮重和干重,指示幼苗的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力)采用0.001 g精度的電子天平稱重測(cè)定[15-16];(4)濕度(指示幼苗含水率)為幼苗鮮重和干重之差與鮮重的比值[15-16];(5)脅迫強(qiáng)度指數(shù)(指示處理的脅迫強(qiáng)度)=1-(Xs/Xck)[27-28],其中Xs為某一脅迫處理下萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的平均值,Xck為對(duì)照處理下萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)單因素方差分析比較不同處理間萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的差異水平,并采用S-N-K檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較。通過(guò)雙因素方差分析比較重金屬類型與浸提液類型對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響。通過(guò)通徑分析(基于通徑系數(shù)的大小)探討萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)脅迫強(qiáng)度指數(shù)的貢獻(xiàn)強(qiáng)度。P<0.05代表差異顯著。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用SPSS 26.0完成。種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié) 果

2.1 浸提液對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

與浸提液對(duì)照相比,所有類型的浸提液在大多情況下顯著降低了萵苣種子萌發(fā)指標(biāo)(P<0.05,圖1),但顯著增加了萵苣的根長(zhǎng)和幼苗鮮重(P<0.05,圖2B、G)。

在不同類型的浸提液處理下,萵苣的種子萌發(fā)指標(biāo)大小依次為:根浸提液>葉浸提液>根葉混合浸提液(P<0.05,圖1)。

2.2 重金屬溶液對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

與重金屬對(duì)照相比,所有重金屬類型處理均顯著降低了除發(fā)芽率之外的萵苣種子萌發(fā)指標(biāo)(P<0.05,圖1B—F),以及萵苣的株高、根長(zhǎng)、葉寬、綠色葉面積和鮮重(P<0.05,圖2A、B、D—F)。

在大多情況下,銅溶液處理下萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)顯著低于鉛溶液和銅鉛混合溶液處理下萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)(P<0.05,圖1和圖2)。不同類型重金屬溶液處理下,萵苣的發(fā)芽指數(shù)大小依次為:鉛溶液>銅鉛混合溶液>銅溶液(P<0.05,圖1C)。

2.3 重金屬溶液和根葉浸提液復(fù)合處理對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

與對(duì)照相比,所有類型的重金屬溶液和所有類型的浸提液復(fù)合處理在大多情況下均顯著降低了萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)(P<0.05,圖1和圖2)。

在大多情況下,所有類型的重金屬溶液和浸提液復(fù)合處理下萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)顯著低于僅有浸提液處理下萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)(P<0.05,圖1和圖2)。

在大多情況下,所有類型的重金屬溶液和浸提液復(fù)合處理下,浸提液對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)抑制程度依次為:根葉混合浸提液>葉浸提液>根浸提液(P<0.05,圖1和圖2)。

2.4 重金屬類型以及浸提液類型對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

雙因素方差分析結(jié)果顯示(表1):重金屬類型顯著影響萵苣的所有種子萌發(fā)指標(biāo)以及除幼苗干重之外的幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)(P<0.05);浸提液類型顯著影響萵苣的所有種子萌發(fā)指標(biāo)以及幼苗干重(P<0.05);重金屬類型和浸提液類型交互作用顯著影響萵苣的發(fā)芽率、發(fā)芽速度指數(shù)、發(fā)芽活力指數(shù)、發(fā)芽快速響應(yīng)指數(shù)、鮮重和濕度(P<0.05)。

表1 雙因素方差分析分析重金屬類型和浸提液類型對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Table 1 Effects of heavy metal type and extracts type on the seed germination and seedling growth indexes of L.sativa by Two-Way ANOVA

2.5 不同處理對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的脅迫強(qiáng)度

結(jié)果顯示(圖3):無(wú)浸提液處理下,銅溶液對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于鉛溶液以及銅鉛混合溶液(P<0.05)。葉浸提液以及根葉混合浸提液對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于根浸提液(P<0.05)。在銅溶液以及銅鉛混合溶液處理下,所有浸提液類型對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于無(wú)重金屬處理下同一浸提液類型對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度(P<0.05)。與根浸提液復(fù)合處理下,銅及銅鉛混合溶液對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于鉛溶液(P<0.05)。與葉浸提液復(fù)合處理下,銅鉛混合溶液對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于鉛溶液(P<0.05)。與根葉浸提液復(fù)合處理下,銅鉛混合溶液對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于鉛溶液(P<0.05)。與銅溶液復(fù)合處理下,葉浸提液及根葉混合浸提液對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于根浸提液復(fù)合處理(P<0.05)。與鉛溶液復(fù)合處理下,葉浸提液對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于根浸提液(P<0.05)。與銅鉛混合溶液復(fù)合處理下,葉浸提液及根葉混合浸提液對(duì)萵苣的脅迫強(qiáng)度顯著高于根浸提液(P<0.05)。

2.6 萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)脅迫強(qiáng)度指數(shù)的貢獻(xiàn)強(qiáng)度

根據(jù)通徑分析結(jié)果,萵苣發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速度指數(shù)和發(fā)芽快速響應(yīng)指數(shù)的通徑系數(shù)絕對(duì)值明顯高于其他指標(biāo)的通徑系數(shù)絕對(duì)值(表2)。

表2 各指標(biāo)的通徑系數(shù)Table 2 The path coefficient of each index

3 討 論

3.1 浸提液對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

已有研究表明,化感效應(yīng)對(duì)加拿大一枝黃花的成功入侵至關(guān)重要[5,10]。在本研究中,所有類型的加拿大一枝黃花浸提液均對(duì)萵苣產(chǎn)生了顯著的化感效應(yīng),特別是對(duì)萵苣種子萌發(fā)產(chǎn)生的化感效應(yīng)更為明顯。原因可能是加拿大一枝黃花的化感物質(zhì)顯著抑制萵苣的種子萌發(fā),特別是顯著影響萵苣的營(yíng)養(yǎng)吸收和細(xì)胞分裂等代謝[4-5]。然而,加拿大一枝黃花浸提液也對(duì)萵苣的幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的促進(jìn)作用,尤其是在植株生長(zhǎng)能力方面。因此,加拿大一枝黃花的化感效應(yīng)可能會(huì)對(duì)萵苣的幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生一定程度的正面影響。原因可能是加拿大一枝黃花釋放的低水平化感物質(zhì)觸發(fā)了參與植物細(xì)胞延伸的活性氧分子,并隨后促進(jìn)萵苣幼苗的生長(zhǎng),即:低入侵水平的化感效應(yīng)可能促進(jìn)臨近植物的幼苗生長(zhǎng)[8,15]。該現(xiàn)象通常被認(rèn)為是一種毒物興奮效應(yīng),這是植物在適應(yīng)生境環(huán)境條件變化進(jìn)程中的一種進(jìn)化響應(yīng)策略[29-30]。

一般情況下,入侵植物可以通過(guò)地上部分(主要是凋落物降解)以及地下部分(主要是根系分泌物)的代謝活動(dòng)對(duì)其臨近植物產(chǎn)生明顯的化感效應(yīng)[16,31]。由于化感效應(yīng)的來(lái)源不同,其化感效應(yīng)強(qiáng)度可能也不同,這可能與化感物質(zhì)的種類和含量及其化感強(qiáng)度密切相關(guān)[16,32]。在本研究中,加拿大一枝黃花葉浸提液產(chǎn)生的化感效應(yīng)明顯高于根浸提液,即:加拿大一枝黃花地上部分產(chǎn)生的化感效應(yīng)強(qiáng)度更高。已有研究也驗(yàn)證了入侵植物地上部分產(chǎn)生的化感效應(yīng)更強(qiáng)[16,33]。這可能是由于入侵植物地上部分的化感物質(zhì)含量更高,或化感物質(zhì)種類更多,亦或化感物質(zhì)更易溶出[16,33]。

在本研究中,加拿大一枝黃花根葉混合浸提液產(chǎn)生的復(fù)合化感效應(yīng)明顯高于其葉浸提液和根浸提液。因此,加拿大一枝黃花地上部分和地下部分的復(fù)合化感效應(yīng)對(duì)萵苣種子萌發(fā)存在一定程度的疊加效應(yīng)。這可能是在加拿大一枝黃花地上部分和地下部分復(fù)合處理下,釋放的化感物質(zhì)含量可能更高和(或)化感物質(zhì)種類可能更多。

3.2 重金屬溶液對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

在本研究中,所有類型的重金屬溶液均顯著抑制了萵苣的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。這可能是因?yàn)橹亟饘贂?huì)擾亂質(zhì)膜通透性,增加活性氧的產(chǎn)生,減少細(xì)胞分裂,影響水分和養(yǎng)分吸收,進(jìn)而抑制萵苣的新陳代謝,如光合作用等[34-35]。此外,也可能是因?yàn)樵诒狙芯恐?兩種重金屬污染顯著降低了萵苣幼苗對(duì)陽(yáng)光獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、萵苣幼苗對(duì)水分和鹽分獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力以及萵苣幼苗葉片光合面積的大小,從而明顯抑制萵苣的生長(zhǎng)。

此外,銅對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響強(qiáng)度明顯高于鉛。這可能是因?yàn)殂U并非植物生長(zhǎng)所需必要元素,而銅則是參與植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程所必需的重要微量元素之一,且當(dāng)其濃度超過(guò)閾值時(shí)會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的抑制作用:當(dāng)銅離子超過(guò)一定濃度后會(huì)通過(guò)影響酶活性和滲透作用來(lái)抑制植物種子的萌發(fā),或通過(guò)改變根分生組織細(xì)胞增殖速度或調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素等植物激素影響根系發(fā)育,亦或通過(guò)抑制葉綠素的合成使得植物光合效率降低[34,36]。

與銅單一污染對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響強(qiáng)度相比,銅鉛復(fù)合污染對(duì)萵苣種子萌發(fā)的影響強(qiáng)度更弱。因此,銅鉛復(fù)合污染對(duì)萵苣種子萌發(fā)具有一定程度的拮抗作用。前期研究也發(fā)現(xiàn),兩種重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)和生理性能的復(fù)合效應(yīng)存在拮抗作用[8,37]。該現(xiàn)象可能是由一種重金屬對(duì)另一種重金屬吸收的平衡作用所致[8,37]。

3.3 重金屬溶液和浸提液復(fù)合處理對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

在本研究中,兩種重金屬污染顯著增強(qiáng)了加拿大一枝黃花對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感效應(yīng)強(qiáng)度。原因可能是加拿大一枝黃花的浸提液以及重金屬污染均對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響,從而致使兩種處理產(chǎn)生協(xié)同作用[8-9]。已有研究表明,呈弱酸性的酚類(特別是多酚)是加拿大一枝黃花化感物質(zhì)的主要成分[9,38],而酸性環(huán)境會(huì)顯著增加重金屬的溶解度和生態(tài)毒性[9,39]。因此,重金屬污染通常會(huì)顯著增強(qiáng)入侵植物的化感效應(yīng)強(qiáng)度[8-9]。

根據(jù)通徑分析結(jié)果可知,在重金屬污染下,加拿大一枝黃花的化感效應(yīng)主要是對(duì)萵苣種子萌發(fā)的脅迫所致。而且,在本研究中,加拿大一枝黃花的地上部分和地下部分均顯著抑制萵苣的種子萌發(fā);且根據(jù)雙因素方差分析結(jié)果,重金屬類型和浸提液類型均顯著影響萵苣的所有種子萌發(fā)指標(biāo)。因此,在兩種重金屬污染下,加拿大一枝黃花的化感效應(yīng)主要表現(xiàn)為對(duì)臨近植物種子的抑制作用。

在本研究中,在兩種重金屬污染下,加拿大一枝黃花地上部分對(duì)萵苣產(chǎn)生的化感效應(yīng)強(qiáng)度顯著高于其地下部分對(duì)萵苣產(chǎn)生的化感效應(yīng)強(qiáng)度。更為關(guān)鍵的是,與兩種重金屬污染對(duì)根或葉浸提液產(chǎn)生化感效應(yīng)的影響強(qiáng)度相比,兩種重金屬污染對(duì)根葉混合浸提液產(chǎn)生復(fù)合化感效應(yīng)的影響強(qiáng)度更高。所以,重金屬污染可能通過(guò)增強(qiáng)加拿大一枝黃花(特別是地上部分和地下部分復(fù)合)對(duì)臨近植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感效應(yīng)強(qiáng)度,促進(jìn)了其成功入侵。