重金屬鉛鋅鎘對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響

馬 沙， 高 熹， 陳春梅， 吳國星 ， 汪金蓉， 葉 敏， 肖 春， 李正躍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，云南昆明 650201)

馬 沙，高 熹，陳春梅，等. 重金屬鉛鋅鎘對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響[J]. 雜草科學(xué)，2012，30(4)：16-20.

重金屬鉛鋅鎘對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響

馬 沙， 高 熹， 陳春梅， 吳國星 ， 汪金蓉， 葉 敏， 肖 春， 李正躍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，云南昆明 650201)

試驗以紫莖澤蘭(EupatoriumcoelestinumL.)種子為材料，研究了重金屬鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)單一及復(fù)合脅迫對種子萌發(fā)及幼苗根長的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Pb濃度在100～4 000 μmol/L時，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢都隨著Pb濃度的增加而降低，但是當(dāng)Pb濃度為100～200 μmol/L時，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及發(fā)芽勢都比對照高，其中在100 μmol/L處理下其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及發(fā)芽勢都是最高的，分別為94.67%、42.25和89.67%；在Zn濃度為100～4 000 μmol/L范圍內(nèi)，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢隨著Zn濃度的增加而降低；在Cd濃度為20～1 000 μmol/L范圍內(nèi)，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢都隨著Cd濃度的增加而降低；在低濃度Pb(100 μmol/L)+Zn(100 μmol/L)復(fù)合脅迫下，其發(fā)芽率是最高的，為94.67%，之后隨著復(fù)合濃度的增加，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢呈下降趨勢；紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢隨著復(fù)合重金屬Pb+Cd、Zn+Cd、Pb+Zn+Cd濃度的增加而降低。無論是在單一還是復(fù)合重金屬處理下，紫莖澤蘭的幼苗根長與對照相比明顯受到抑制。

重金屬； 紫莖澤蘭； 種子； 萌發(fā)

紫莖澤蘭(EupatoriumcoelestinumL.)，系菊科澤蘭屬多年生叢生型半灌木或草本植物，又名破壞草、解放草，原產(chǎn)于墨西哥，在19世紀(jì)作為觀賞植物被引入到世界的若干地方，現(xiàn)在已分布在亞洲(印度、尼泊爾、中國、菲律賓、泰國和文萊)、大洋洲(夏威夷、塔希提島、新西蘭、澳大利亞和巴布亞新幾內(nèi)亞)、非洲(尼日利亞、津巴布韋和南非)和歐洲(法國、希臘、葡萄牙和西班牙)的很多亞熱帶地區(qū)，是一種入侵性雜草[1-2]，20世紀(jì)40年代紫莖澤蘭從我國西南邊境不斷侵入，占據(jù)農(nóng)田、草地、山坡、林地、路邊及宅旁。紫莖澤蘭一旦傳入新的生境并定居下來，很快排擠當(dāng)?shù)刂参锒纬纱笃瑔蝺?yōu)群落[3-6]，導(dǎo)致當(dāng)?shù)匚锓N滅絕[7]、耕地退化、經(jīng)濟(jì)作物嚴(yán)重減產(chǎn)和牧場退化[3，8]，給入侵地的農(nóng)業(yè)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。目前對紫莖澤蘭的防除有人工防除、物理防除、化學(xué)防除和生物防除等方法，但都收效甚微。在防除紫莖澤蘭的同時充分利用它也不失為一種不錯的選擇。據(jù)報道，紫莖澤蘭對Pb、Zn和Cd具有一定的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力，因此，紫莖澤蘭具備作為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與重建先鋒植物的潛力[9-11]。種子萌發(fā)及幼苗的生長是植物生命進(jìn)程的起點，是植物對外部環(huán)境反應(yīng)的開始，該時期既是植物對外界反應(yīng)的敏感期，同時也是植物最早接受重金屬脅迫的階段。為此，本試驗以紫莖澤蘭種子為實驗材料，通過研究不同濃度Pb、Zn和Cd單一及復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響，了解紫莖澤蘭種子的生態(tài)適應(yīng)性和抗逆性，以期對紫莖澤蘭的利用和礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)與重建提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紫莖澤蘭種子采自云南省昆明市郊區(qū)。試驗材料硝酸鉛為天津市化學(xué)試劑三廠生產(chǎn)，七水合硫酸鋅為西隴化工股份有限公司生產(chǎn)，氯化鉻為天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)，RXZ智能型人工氣候箱為浙江省寧波江南儀器廠生產(chǎn)，游標(biāo)卡尺為杭州工具量具廠生產(chǎn)，脫脂棉為河南焦作市聯(lián)盟衛(wèi)生材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)，濾紙為杭州特種紙業(yè)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

選取飽滿的紫莖澤蘭種子用蒸餾水沖洗3～5遍，再用蒸餾水浸泡24 h，選取飽滿的種子均勻置于下層鋪有棉花上層鋪有濾紙直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿放置100粒種子，依次加入40 mL(表1)各重金屬溶液，同時以加入蒸餾水的一皿作為空白對照，3個重復(fù)。然后把培養(yǎng)皿放入溫度為25 ℃、相對濕度為(80±5)%、光-暗周期為12 h-12 h的人工氣候箱中培養(yǎng)。當(dāng)紫莖澤蘭種子吸水膨脹開始萌發(fā)后，每天記錄其萌發(fā)數(shù)及生長情況，發(fā)芽15 d后測量其根長。并按下列各式計算發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)。

(1)

(2)

(3)

公式(3)中，Gt為與D相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)，Dt為發(fā)芽日數(shù)。

重金屬Pb、Zn、Cd分別采用分析純Pb(NO3)2、ZnSO4·7H2O和CdCl2.2 1/2配制，其濃度見表1。

表1 試驗中配制的不同濃度重金屬溶液Table 1 The different concentrations of heavy metals solution in the test

2 結(jié)果與分析

2.1 單一重金屬對紫莖澤蘭萌發(fā)的影響

2.1.1 不同濃度Pb對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響 從表2可知，當(dāng)Pb濃度在500～4 000 μmol/L范圍內(nèi)時，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長都隨著濃度的增加而降低。與對照相比，100 μmol/L 和200 μmol/L Pb促使紫莖澤蘭種子萌發(fā)，種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及發(fā)芽勢都增高(P<0.05)，但幼苗根長已受到極顯著抑制；當(dāng)Pb濃度大于或等于500 μmol/L時顯著降低了其種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長(P<0.05)。

表2 不同濃度Pb對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響Table 2 Effects of different concentration of Pb on seed germination and seedling root length of Eupatorium adenophorum

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。同列數(shù)據(jù)后不同字母表示P<0.05水平差異顯著(Duncan 氏新復(fù)極差法)。-代表只發(fā)芽不長根。下同。

2.1.2 不同濃度Zn對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響 從表3可知，在Zn濃度為100～4 000 μmol/L范圍內(nèi)，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長都顯著低于對照(P<0.05)，且隨著Zn濃度的增加，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及根長呈下降趨勢。這說明Zn脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長具有明顯的抑制作用。

2.1.3 不同濃度Cd對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響 從表4可知，在Cd濃度為20～1 000 μmol/L范圍內(nèi)，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、

表3 不同濃度Zn對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響Table 3 Effects of different concentration of Zn on seed germination and seedling root length of Eupatorium adenophorum

發(fā)芽勢及幼苗根長與對照相比都存在顯著差異(P<0.05)，且隨著Cd濃度的增加，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長呈下降趨勢。當(dāng)濃度達(dá)到 400 μmol/L 時，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢分別僅為4.67%、1.32和4.67%，且只發(fā)芽不長根。說明Cd脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長具有明顯的抑制作用。

表4 不同濃度Cd對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響Table 4 Effects of different concentration of Cd on seed germination and seedling root length of Eupatorium adenophorum

2.2 復(fù)合重金屬處理對紫莖澤蘭種子萌發(fā)的影響

2.2.1 Pb+Cd復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響 從表5可知，在不同濃度的Pb+Cd復(fù)合脅迫下，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長與對照相比都存在顯著差異(P<0.05)，隨著Pb+Cd濃度的增加，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長呈下降趨勢，表現(xiàn)為抑制作用。

表5 Pb+Cd復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響Table 5 Effects of Pb and Cd combined stress on seed germination and seedling root length of Eupatorium adenophorum

2.2.2 Pb+Zn復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的的影響 從表6可知，在不同濃度的Pb+Zn復(fù)合脅迫下，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長與對照相比都存在顯著差異(P<0.05)，其中，在Pb(100 μmol/L)+Zn(100 μmol/L)復(fù)合處理下，其發(fā)芽率是最高的，為94.67%，比對照高出3百分點，說明低濃度的Pb、Zn復(fù)合脅迫促進(jìn)種子的萌發(fā)，之后隨著復(fù)合濃度的增加，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長呈下降趨勢，表現(xiàn)為抑制作用。

表6 Pb+Zn復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響Table 6 Effects of Pb and Zn combined stress on seed germination and seedling root length of Eupatorium adenophorum

2.2.3 Zn+Cd復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的的影響 從表7可知，在不同濃度的Zn+Cd復(fù)合脅迫下，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長都顯著小于對照(P<0.05)，隨著復(fù)合濃度的增加，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長呈下降趨勢，表現(xiàn)為抑制作用，說明高濃度Zn+Cd復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子的萌發(fā)及根的生長有明顯的抑制作用。

表7 Zn+Cd復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響Table 7 Effects of Zn and Cd combined stress on seed germination and seedling root length of Eupatorium adenophorum

2.2.3 Pb+Zn+Cd復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的的影響 由表8可知，在不同濃度的Pb+Zn+Cd復(fù)合脅迫下，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長與對照相比存在顯著差異(P<0.05)，在低濃度Pb(100 μmol/L)+Zn(100 μmol/L)+Cd(20 μmol/L)條件下，其發(fā)芽率為91%。之后隨著濃度的增加，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢及幼苗根長呈下降趨勢，表現(xiàn)為抑制作用，說明高濃度Pb+Zn+Cd復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子的萌發(fā)及幼苗根的生長有明顯的抑制作用。

表8 Pb+Zn+Cd復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長的影響Table 8 Effects of Pb、Zn and Cd combined stress on seed germination and seedling root length of Eupatorium adenophorum

3 結(jié)論與討論

在Pb濃度為500～4 000 μmol/L范圍內(nèi)，紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢都隨著Pb濃度的增加而降低，而低濃度Pb促進(jìn)了紫莖澤蘭種子的萌發(fā)，雖然這與Pb對油菜種子[12]、大豆種子[13]的影響結(jié)果相類似，這可能是因為本試驗選用的Pb(NO3)2含有NO3-，NO3-有一定的營養(yǎng)作用，并且超過了低濃度Pb帶來的負(fù)面影響，所以低濃度Pb總體表現(xiàn)促進(jìn)了種子的萌發(fā)；濃度為100～4 000 μmol/L范圍的Zn對紫莖澤蘭的萌發(fā)及幼苗根的生長有明顯的抑制作用，且濃度越高抑制作用越強(qiáng)，這與劉茵[14]的試驗結(jié)果相類似；濃度為20～1 000 μmol/L的Cd 抑制了紫莖澤蘭種子的萌發(fā)，且濃度越高抑制作用越強(qiáng)，這與唐為萍的研究結(jié)果相類似[15]。

研究還表明，重金屬Pb+Cd復(fù)合脅迫抑制紫莖澤蘭種子萌發(fā)；低濃度重金屬Pb(100 μmol/L)+Zn(100 μmol/L)復(fù)合脅迫促進(jìn)種子的萌發(fā)，之后較高的濃度表現(xiàn)為抑制作用；重金屬Zn+Cd復(fù)合脅迫抑制種子的萌發(fā)，這與劉茵[14]的實驗結(jié)果相類似；重金屬Pb+Zn+Cd復(fù)合脅迫也抑制紫莖澤蘭種子的萌發(fā)。這三種重金屬的復(fù)合脅迫對紫莖澤蘭種子萌發(fā)的影響與單一重金屬脅迫有所不同，這可能與不同重金屬之間的相互作用有關(guān)[16]。

重金屬脅迫明顯降低了紫莖澤蘭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)，并影響紫莖澤蘭幼苗的根長。高濃度重金屬脅迫下紫莖澤蘭種子也有一定的發(fā)芽率，說明紫莖澤蘭種子對Pb、Zn、Cd有一定的耐受性，可以在Pb、Zn、Cd污染的土壤上種植。高濃度Pb、Zn、Cd對紫莖澤蘭幼苗根長的影響最為明顯，這可能是因為高濃度的重金屬對根尖細(xì)胞有毒害作用，影響根尖細(xì)胞的分裂和抑制細(xì)胞的伸長生長，導(dǎo)致根生長受阻。已有研究表明，重金屬對植物的傷害首先表現(xiàn)在幼苗的根部，尤其是根毛區(qū)最為明顯[17]，分析根受損嚴(yán)重的原因可歸因于種子萌發(fā)時胚根快速吸水伸長并最先突破種皮，使胚根直接接觸重金屬，其生長和發(fā)育全過程受溶液濃度條件的控制，從而表現(xiàn)為根對重金屬的反應(yīng)更直接、敏感，受毒害最為嚴(yán)重[18-19]。由于根是植物吸收的主要器官，所以一旦根的生長受到影響，勢必會對幼苗造成危害，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致死亡[17]。這也是本研究中紫莖澤蘭種子在高濃度重金屬脅迫下即使發(fā)芽幼苗也不會正常發(fā)育生長的原因。

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EffectsofLead,ZincandCadmiumStressesonSeedGerminationandSeedlingRootGrowthofEupatoriumadenophorum

MA Sha， GAO Xi, CHEN Chun-mei，WU Guo-xing, WANG Jin-rong, YE Min, XIAO Chun, LI Zheng-yue

(College of Plant Protection,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201，China)

UsingEupatoriumadenophorumas material，effects of single or combinative stress of Pb,Zn and Cd on seed germination and seedling root growth ofE.adenophorumwere investigated. The result showed that germination rate,germination index and germination energy ofE.adenophorumseeds decreased as the Pb treated concentration increasing with the extent of 100～4 000 μmol/L.Germination rate,germination index and germination energy were higher than that of control when Pb concentration was within the extent of 100 ～ 200 μmol/L,and the highest germination rate,germination index and germination energy was 94.67%，42.25 and 89.67% respectively at 100 μmol/L of Pb treated.Germination rate,germination index and germination energy ofE.adenophorumseeds decreased as the Zn concentration increasing,within the extent of 100～4 000 μmol/L. The germination rate,germination index and germination energy ofE.adenophorumdecreased as the Cd concentration increasing,within the extent of 20～1 000 μmol/L. Under lower combinative stresses with Pb(100 μmol/L)+ Zn (100 μmol/L),the germination rate ofE.adenophorumseeds was highest and reached to 94.67%,but germination rate,germination index and germination energy showed downward trend as Pb+Zn

combined treatment concentration increased. Germination rate,germination index and germination energy ofE.adenophorumseeds decreased as Pb+Cd,Zn+Cd,Pb+Zn+Cd concentration increasing . Despite of single or combinative treatment with heavy metals,the seedling root length ofE.adenophorumwas inhibited significantly than that of control.

heavy metal;Eupatoriumadenophorum; seed;germination

Q948.113

A

1003-935X(2012)04-0016-05

2012-10-03

國家自然科學(xué)基金(編號：30960221)；云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點實驗室開放基金(編號：ZK10A305)。

馬 沙(1986—)，女，碩士研究生，研究方向為昆蟲生態(tài)。E-mail: ynztmasha@126.com。

吳國興。Email: wugx1@163.com。