陳仲英,龍瑜菡,徐云,袁青,杜光輝,劉飛虎
(云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院,昆明 650091)
工業(yè)大麻品種萌發(fā)期及幼苗前期重金屬Pb耐性評價研究
陳仲英,龍瑜菡,徐云,袁青,杜光輝,劉飛虎*
(云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院,昆明 650091)
摘要:采用濾紙培養(yǎng)法,研究重金屬鉛(Pb)對7個工業(yè)大麻品種種子萌發(fā)及幼苗前期生長的影響,并通過隸屬函數(shù)法綜合評價各品種的Pb耐受能力。結(jié)果表明:Pb對多數(shù)大麻品種發(fā)芽勢和發(fā)芽率無明顯影響,對根的伸長生長和側(cè)根的發(fā)育有顯著抑制作用,對芽生長則表現(xiàn)為“低促高抑”;以600 mg/L Pb為篩選濃度,以相對根冠比、相對根長、相對芽長、相對側(cè)根數(shù)、根耐性指數(shù)和芽耐性指數(shù)為評價指標(biāo),根據(jù)隸屬函數(shù)加權(quán)平均值D值大小,研究發(fā)現(xiàn)巴馬火麻(B)、慶麻1號(Q1)、云晚6號(Y6)和云麻5號(Y5)為高耐型,皖麻1號(W1)和云麻1號(Y1)為中耐型,晉麻1號(J1)為低耐型。
關(guān)鍵詞:工業(yè)大麻;種子萌發(fā);Pb耐性;隸屬函數(shù)法
近年來,由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展所導(dǎo)致的重金屬水體污染和土壤污染,不但影響植物生長,而且嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境,危害人類健康[1]。因此,研究植物對重金屬脅迫的生理生態(tài)反應(yīng)、改善重金屬污染環(huán)境,已成為當(dāng)今生態(tài)學(xué)、環(huán)境工程和土壤學(xué)等研究的重要內(nèi)容。重金屬Pb是植物生長發(fā)育的非必需元素,一旦被根系吸收,將大部分滯留在根中,很難轉(zhuǎn)運到地上部分,對整個植株的生長造成嚴(yán)重傷害[2-4]。研究表明,Pb不僅影響植物種子萌發(fā)[5],誘使根尖形態(tài)改變、抑制植物生長[6],也會影響植物性別分化[7]等。
工業(yè)大麻是重要的纖維作物之一,其產(chǎn)品涉及各行各業(yè),具有較高的開發(fā)利用價值[8-9],其栽培與應(yīng)用研究已成為我國麻類產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)的重要內(nèi)容[10]。研究表明,工業(yè)大麻是重金屬植物修復(fù)的候選植物之一[11-12],其對多種重金屬有較高的耐性,較高濃度脅迫對工業(yè)大麻的影響并不嚴(yán)重[13]。然而,工業(yè)大麻不同生長發(fā)育時期對重金屬的響應(yīng)及其機(jī)理仍不是很清楚。不同工業(yè)大麻品種對重金屬的響應(yīng)具有一定的差異性[12,14],但是關(guān)于大麻品種重金屬耐性評價的報道卻少見。種子萌發(fā)、胚根伸長過程是植物感受環(huán)境變化的最初階段,植物對環(huán)境脅迫的敏感性直接影響植物的生存。因此,本試驗設(shè)計不同Pb質(zhì)量濃度,研究重金屬Pb對工業(yè)大麻種子萌發(fā)和幼苗根和芽生長的影響,并對該時期不同工業(yè)大麻品種的Pb耐性進(jìn)行評價,旨在揭示該時期工業(yè)大麻的重金屬耐性能力,同時初步篩選出重金屬Pb耐性大麻品種,為大麻在重金屬污染土壤的種植與利用方面提供參考。
1材料與方法
1.1試驗材料
本試驗使用的7個工業(yè)大麻品種為云麻1號(Y1)、云麻5號(Y5)、云晚6號(Y6)、晉麻1號(J1)、慶麻1號(Q1)、皖麻1號(W1)和巴馬火麻(B)。
1.2試驗設(shè)計與處理
以品種為因素A、Pb2+濃度為因素B,采用完全隨機(jī)設(shè)計。因素B設(shè)7個水平,即0(蒸餾水)、150、300、450、600、900、1200 mg/L,用Pb(NO3)2配制。選取均勻飽滿的大麻種子,用0.1% KMnO4溶液消毒10 min,蒸餾水反復(fù)沖洗干凈,濾紙吸干表面水分。挑選30粒種子均勻置于培養(yǎng)瓶內(nèi)(大小6×10 cm,內(nèi)置3層定性濾紙),加入15 mL不同濃度的Pb溶液,以蒸餾水處理為對照,每個處理3個重復(fù)。將培養(yǎng)瓶置于人工氣候箱內(nèi)(光照12 h/d,光強(qiáng)10000 lx,光照期溫度25℃,黑暗期溫度20℃)。隔天補充重金屬溶液至濾紙飽和,以維持發(fā)芽的濕度和重金屬的質(zhì)量濃度。以胚根長等于大麻種子長度為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),第3天統(tǒng)計發(fā)芽勢,第7天統(tǒng)計發(fā)芽率。第7天后各處理隨機(jī)選取10株,以側(cè)根長≥0.5 mm統(tǒng)計側(cè)根數(shù)[15],記錄根長、芽長、側(cè)根數(shù)、根鮮重、芽鮮重,計算抑制指數(shù)、耐性指數(shù)和側(cè)根率。計算公式如下:
根長(芽長)抑制指數(shù)=(對照-處理)/對照[16]
根(芽)耐性指數(shù)=處理最大根長(芽長)/對照最大根長(芽長)
側(cè)根率=具有側(cè)根的幼苗數(shù)量/總發(fā)芽數(shù)
根冠比=根鮮重/芽鮮重
1.3Pb耐性鑒定指標(biāo)的篩選
參考孫小芳和劉友良[17]的指標(biāo)篩選方法,將各項指標(biāo)值換算成相對值后,統(tǒng)計各品種每一濃度下的平均值,分析各項相對指標(biāo)與Pb濃度的相關(guān)性,R2越大,說明該指標(biāo)對Pb脅迫越敏感,可靠性越高。標(biāo)準(zhǔn)差的大小和變化,體現(xiàn)指標(biāo)的穩(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)差越小,穩(wěn)定性越高。因此,選用可靠性高和穩(wěn)定性好的指標(biāo)作為Pb耐性鑒定指標(biāo)。
1.4Pb耐性綜合評價
根據(jù)D值大小對品種進(jìn)行Pb耐性排序:D≥0.70為1級強(qiáng)耐型,0.50≤D<0.70為2級中耐型,0.30≤D<0.50為3級低耐型,D<0.30為4級不耐型。
1.5數(shù)據(jù)處理
用SPSS 21.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、顯著性檢驗,用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作。
2結(jié)果與分析
2.1Pb對大麻發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響
如表1所示,在不同Pb2+濃度下,各品種發(fā)芽勢均與對照差異不顯著;Y5和Y6發(fā)芽率隨濃度升高而升高,說明Pb處理促進(jìn)其萌發(fā);其他5個品種發(fā)芽率與對照并無顯著差異。
表1Pb對大麻種子萌發(fā)的影響
Tab.1Effects of Pb stress on seed germination of seven hemp varieties
注:同列同一品種不同小寫字母表示差異達(dá)0.05顯著水平(下同)。
2.2Pb對大麻幼苗前期生長的影響
如表2所示,在150 mg/L Pb處理下,Y6和B根長與對照無顯著差異,其他處理下與對照有顯著差異,呈下降趨勢;當(dāng)Pb濃度≥450 mg/L,7個品種根長差異較小或無差異。隨脅迫的增強(qiáng),Y1、Y5、J1和B的芽長呈下降趨勢,J1下降幅度較??;Y6、Q1和W1芽長先升后降,說明Pb對這3個品種芽的生長有“低促高抑”的作用。
本試驗中,隨Pb濃度的升高,Y6和J1根鮮重先升后降,在150 mg/L時最大;不同Pb處理下Y1根鮮重顯著低于對照但差異不大;低濃度Pb處理對Y5和W1 根鮮重?zé)o影響,高濃度體現(xiàn)為明顯抑制;Q1和B根鮮重在150 mg/L時與對照無差異,其他處理下顯著低于對照。Pb脅迫對Y1芽鮮重?zé)o明顯影響;隨Pb濃度的升高,Q1芽鮮重顯著下降,其余5個品種芽鮮重先升后降(見表2)。
表2Pb對大麻品種幼苗生長的影響
Tab.2Effects of Pb stress on the seedling growth of seven hemp varieties
2.3Pb對大麻側(cè)根發(fā)育的影響
如表3所示, Y5、Y6、J1和W1側(cè)根數(shù)量隨Pb濃度的升高先緩慢上升后下降,分別在300 mg/L、150 mg/L、450 mg/L和450 mg/L達(dá)到最大值。Y1、Q1和B側(cè)根數(shù)量呈下降趨勢,但在150 mg/L至600 mg/L Pb濃度下,Y1和Q1各自的側(cè)根數(shù)量無差異;低濃度(150 mg/L和300 mg/L)處理下,B側(cè)根數(shù)量在150 mg/L和300 mg/L濃度下與對照無差異。
側(cè)根率反映Pb對幼苗群體生長的影響。Pb脅迫對Y1、Y6、W1側(cè)根率無明顯影響;隨Pb脅迫的增強(qiáng),Q1側(cè)根率呈顯著下降趨勢,J1側(cè)根率呈上升趨勢;Y5和B側(cè)根率先升后降,低濃度促進(jìn)側(cè)根形成。
表3Pb對大麻側(cè)根發(fā)育的影響
Tab.3Effects of Pb stress on the development of lateral roots of seven hemp varieties
2.4Pb對大麻根長/芽長抑制指數(shù)的影響
由圖1可知,隨Pb濃度的升高,根長抑制指數(shù)增大。150 mg/L濃度下,除Y6、J1、W1、B外,抑制指數(shù)高于0.3;600 mg/L時均高于0.7。由圖2可知,低濃度下,Y5、Y6、Q1芽長抑制指數(shù)為負(fù)值,說明低濃度對其芽長有促進(jìn)作用;而高濃度脅迫時表現(xiàn)為抑制作用。芽長抑制指數(shù)先降后升,但低于0.6。綜合圖1和圖2可知,Pb對大麻幼根生長抑制大于對芽生長的抑制。
2.5不同指標(biāo)對Pb脅迫的敏感性和穩(wěn)定性
由表4可知,相對根冠比、相對根長、相對芽長、芽耐性指數(shù)、根耐性指數(shù)下降幅度大,與Pb脅迫的相關(guān)性高于0.85,可靠性好,同時,標(biāo)準(zhǔn)差也較小,穩(wěn)定性較高;而相對側(cè)根數(shù)和相對側(cè)根率與Pb脅迫相關(guān)性不高,標(biāo)準(zhǔn)差也較大;相對發(fā)芽率與Pb脅迫相關(guān)性最低。
表47個大麻品種Pb耐性評價指標(biāo)相對值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差
Tab.4Means and their standard deviations of the relative parameters for Pb tolerance of seven hemp varieties
2.6不同大麻品種Pb耐性綜合評價
選擇對大麻根和芽生長具有限制性作用的Pb濃度(600 mg/L),以相對根冠比、相對根長、相對芽長、相對側(cè)根數(shù)、根耐性指數(shù)和芽耐性指數(shù)為評價指標(biāo),采用隸屬函數(shù)法對各品種Pb耐性進(jìn)行評價,結(jié)果如表5所示。根據(jù)隸屬函數(shù)加權(quán)平均值(D)的大小,得到7個品種Pb耐性強(qiáng)弱:巴馬火麻(B)、慶麻1號(Q1)、云晚6號(Y6)、云麻5號(Y5)為高耐型,皖麻1號(W1)和云麻1號(Y1)為中耐型,晉麻1號(J1)為低耐型。
表5不同大麻品種Pb耐性(600 mg/L)的綜合評價
Tab.5Comprehensive evaluation of Pb tolerance of hemp varieties
注:根據(jù)D值的大小對品種進(jìn)行耐性鑒定,即D≥0.7為1級高耐型,0.50≤D≤0.70為2級中耐型,0.30≤D<0.50為3級低耐型,D<0.3為4級不耐型。
3討論
3.1Pb脅迫對大麻種子萌發(fā)的影響
多數(shù)重金屬是植物生長的非必需元素,對植物的萌發(fā)及生長發(fā)育具有抑制作用[5]。Pb濃度達(dá)到100 mg/L時, 對小麥種子的萌發(fā)表現(xiàn)為顯著抑制作用,對水稻[19]和玉米[20]種子萌發(fā)也具有明顯抑制作用,但是對煙草種子的萌發(fā)影響不大[21]。本試驗中,Pb脅迫下,各品種發(fā)芽勢與對照并無差異,發(fā)芽率僅在云麻5號和云麻6號中存在差異;除云麻5號、云麻6號和巴馬火麻外,其他品種相對發(fā)芽率在Pb脅迫下無明顯差異,與Pb脅迫相關(guān)性低(7個品種r值依次為-0.203,0.692,0.853,0.775,-0.183,-0.350,-0.726)。許艷萍等[22]研究也表明,Pb脅迫對大麻種子萌發(fā)抑制作用較小,在1000 mg/L濃度時,萌發(fā)率仍然達(dá)到80%以上。出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是大麻種子大、殼厚且硬,在萌發(fā)過程中可能有緩解Pb脅迫的作用,從而導(dǎo)致大麻種子萌發(fā)對Pb脅迫不敏感。
3.2Pb脅迫對大麻幼苗前期生長的影響
研究結(jié)果表明,Pb脅迫對大麻品種根生長均具有明顯的抑制作用,芽則表現(xiàn)為“低促高抑”,高濃度下側(cè)根數(shù)量顯著低于對照,根長、芽長和側(cè)根數(shù)對Pb的敏感性大小順序為根長>芽長>側(cè)根數(shù),根的耐性低于芽的耐性。Kopittke等[6]研究發(fā)現(xiàn),高濃度Pb脅迫導(dǎo)致虎尾草根毛縮短、根尖彎曲,表現(xiàn)出明顯的毒性癥狀。大麻為深根作物[9],發(fā)達(dá)的根系意味著地上生物量高。側(cè)根發(fā)育的情況可以反映重金屬脅迫下幼苗的抗性能力。本實驗結(jié)果表明,中高濃度重金屬Pb脅迫嚴(yán)重抑制主根的伸長和側(cè)根的形成,根冠比隨脅迫的增強(qiáng)呈顯著負(fù)相關(guān)。由于Pb在普通植物中轉(zhuǎn)運能力比Cd等重金屬低[12],主要積累在根中[23];而且,Pb會誘導(dǎo)植物細(xì)胞微核形成,使有絲分裂受阻、DNA損傷和酶活性擾亂等[3,24],這可能與Pb對大麻根的傷害最大有關(guān),其作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。側(cè)根率代表了大麻群體對Pb的反應(yīng)一致性,同一Pb濃度下大麻品種的側(cè)根率越低,說明該品種Pb敏感性較高、耐性較低,同時也說明該品種內(nèi)個體間差異越大,這樣的品種有晉麻1號、云麻1號、皖麻1號和巴馬火麻。
3.3大麻品種Pb耐性鑒定指標(biāo)的篩選
孫小芳和劉友良[17]在研究棉花品種耐鹽性時指出,因品種本身性狀存在固有差異,部分指標(biāo)絕對值并不能作為品種評價的有效指標(biāo),要真正反映品種抗(耐)性,只有選擇各個指標(biāo)相對值來進(jìn)行評價。在本實驗中,對照條件下品種間發(fā)芽存在品種差異,且大麻種子萌發(fā)對Pb脅迫不敏感,多數(shù)品種Pb處理下與對照無顯著差異,因此其相對指標(biāo)不能作為比較評價不同品種Pb耐性的有效指標(biāo)。通過分析各相對指標(biāo)值與Pb脅迫強(qiáng)度間的相關(guān)性,依據(jù)相對指標(biāo)下降幅度和相對指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差大小,進(jìn)一步檢驗了幾個指標(biāo)的可靠性和穩(wěn)定性。由于相對發(fā)芽率與Pb脅迫間相關(guān)性很低(R2=0.17),因此不能用于大麻品種Pb耐性的綜合評價。相對側(cè)根數(shù)和相對側(cè)根率與Pb脅迫間相關(guān)性較低(分別為0.6和0.5),但是由于側(cè)根的形成是大麻對Pb耐性最重要的體現(xiàn)之一,不容忽視,因此選擇兩者中相關(guān)性更高的指標(biāo)參與大麻品種Pb耐性的綜合評價。
3.4大麻品種Pb耐性評價
大麻品種的Pb耐性是一個復(fù)雜的生物性狀,是基因與環(huán)境的綜合表現(xiàn)。在萌發(fā)期及幼苗生長初期,對大麻品種Pb耐性鑒定,是進(jìn)行大麻Pb耐性品種篩選及Pb污染修復(fù)的基礎(chǔ)。不同大麻品種對Pb脅迫的表現(xiàn)不盡相同,本研究采用隸屬函數(shù)法對大麻品種進(jìn)行綜合評價,消除了個別指標(biāo)帶來的片面性;根據(jù)隸屬函數(shù)值加權(quán)平均值大小對Pb耐性進(jìn)行排序,增加大麻品種Pb耐性的可靠性。本試驗中,隸屬函數(shù)法鑒定出的Pb高耐性品種Y5、Y6、B和Q1、中耐性品種W1和Y1、低耐性品種J1與實際觀測耐性一致。
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Tolerance of Industrial Hemp to Pb at the Stage of Seed Germination and Young Seedling Growth
CHEN Zhongying, LONG Yuhan, XU Yun, YUAN Qing, DU Guanghui, LIU Feihu*
(School of Agriculture, Yunnan University, Kunming 650091, China)
Abstract:Effects of Pb stress on germination and young seedling growth of seven industrial hemp cultivars were tested, and a comprehensive evaluation of Pb tolerance of the seven cultivars was assessed using Subordinate Function Methods. Pb stress had no significant impact to germination potential and germination ratio of seeds in the most cultivars, but the elongation of radicle and development of lateral roots were significantly inhibited by Pb stress. A low concentration of Pb2+showed that the trend of stimulation was obvious in shoot growth, while high concentrations of Pb2+had negative influence on shoot growth. Pb tolerance of the seven hemp cultivars were identified based on six indexes, including relative root/shoot ratio, relative root length, relative shoot length, relative number of lateral root, root tolerance index and shoot tolerance index under the stress of 600 mg/L Pb. Pb tolerance of the cultivars were classified into high of Qingma 1, Wanma 1, Bamahuoma and Yunwan 6, medium of Yunma 5 and Yumma 1 and low of Jinma 1 according to the weighed means of Subordinate Function values.
Key words:industrial hemp; seed germination; Pb tolerance; Subordinate Function Methods
文章編號:1671-3532(2016)03-0097-08
收稿日期::2016-03-11
基金項目:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-19)
作者簡介:陳仲英(1991-),女,碩士研究生,從事大麻栽培育種研究。E-mail:chzhy725@sina.com。 *通訊作者:劉飛虎(1958-),男,教授,從事麻類作物栽培育種研究。E-mail: dmzpynu@126.com。
中圖分類號:S563.3
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A