重金屬脅迫對高羊茅和黑麥草種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響

張文娟 李悅 陳忠林 徐蘇男 張利紅

摘要 [目的]研究重金屬脅迫對草坪草種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響。[方法]以高羊茅和黑麥草為研究對象，采用水培方法培養(yǎng)高羊茅和黑麥草幼苗，研究了重金屬Pb、Zn、Cu、Cd單一脅迫及Pb+Zn、Cu+Cd復合脅迫對草坪草種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響。[結果]Pb對高羊茅種子萌發(fā)、呼吸強度以及黑麥草種子電導率、呼吸強度的影響大于其余處理；Zn可緩解Pb脅迫對高羊茅種子發(fā)芽率、電導率和幼苗鮮重以及黑麥草種子萌發(fā)、電導率和幼苗鮮重的傷害；Pb+Zn復合脅迫對高羊茅種子電導率和幼苗葉綠素a（Chl a）、葉綠素 b（Chl b）、葉綠素a+b（Chl a+b）的影響有拮抗效應；Zn脅迫對黑麥草幼苗葉綠素a（Chl a）和類胡蘿卜素（Car）的合成無顯著影響；Cu+Cd復合脅迫對高羊茅種子萌發(fā)和幼苗鮮重的影響有協(xié)同效應，對黑麥草種子發(fā)芽率和幼苗葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）、葉綠素a+b（Chl a+b）的影響有拮抗效應。[結論]該研究結果可為今后重金屬污染的治理提供理論依據(jù)。

關鍵詞 重金屬脅迫；草坪草；種子萌發(fā)；生理特性

中圖分類號 S601 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）06-0001-04

Effects of Heavy Metals Stress on Seed Germination and Seedling Physiological Characteristics of Festuca arundinacea L. and Lolium perenne L.

ZHANG Wen-juan， LI Yue， CHEN Zhong-lin，ZHANG Li-hong* et al

（College of Environmental Sciences， Liaoning University， Shenyang，Liaoning 110036）

Abstract [Objective] To study the effects of heavy metals stress on the seed germination and seedling physiological characteristics of turfgrass. [Method] Taking Festuca arundinacea L. and Lolium perenne L. as research object， the effects of single stress of Pb， Zn， Cu， Cd， combined stress of Pb+Zn， Cu+Cd on the seed germination and seedling physiological characteristics of turfgrass were studied by using hydroponic culture method. [Result] Pb had stronger effects on the seed germination and respiratory intensity of F. arundinacea， the electrical conductivity and respiratory intensity of L. perenne than other treatments. Zn could alleviate the damage of Pb on seed germination percentage， electrical conductivity， seedling fresh weight of F. arundinacea， and the seed germination， electrical conductivity， seedling fresh weight of L. perenne. Pb+Zn combined stress had antagonistic effects on the seed electrical conductivity of F. arundinacea， Chl a， Chl b， Chl a+b in the seedlings of L. perenne. Zn stress had no significant effect on the synthesis of Chl a， Car in the seedlings of L. perenne. Cu+Cd combined stress had synergistic effects on seed germination and seedling fresh weight of F. arundinacea， but it had antagonistic effects on seed germination percentage and Chl a， Chl b， Chl a+b in the seedlings of L. perenne. [Conclusion] The research can provide theoretical basis for the treatment of heavy metals pollution in the future.

Key words Heavy metals stress；Turfgrass；Seed germination；Physiological characteristics

隨著我國工農業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬污染日益嚴重，重金屬污染容易通過食物鏈富集，對人類生存和健康產生重要影響。重金屬污染防治已成為當今環(huán)境研究的熱點之一[1-4]。

王翠香等[5]研究表明草坪草植物有一定的重金屬積累能力。多立安等[6]認為在生態(tài)系統(tǒng)中草坪草在降低環(huán)境污染與生態(tài)保護方面發(fā)揮著極其重要的作用。高羊茅和黑麥草是我國常用的草坪草，具有良好的應用前景[7-8]。目前，關于草坪草在Zn、Cu、Pb、As等重金屬單一脅迫下生理或生長指標及小麥、玉米等在重金屬復合脅迫下生理指標的變化研究均有報道[9-13]，但關于重金屬復合脅迫下高羊茅和黑麥草種子和幼苗生理指標的變化研究較少。

筆者以高羊茅和黑麥草為試驗材料，研究重金屬Pb、Zn、Cu、Cd單一脅迫及Pb+Zn、Cu+Cd復合脅迫對高羊茅和黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響，以期為重金屬污染的治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及其處理

高羊茅和黑麥草種子由沈陽市園林研究院草坪所提供。

將高羊茅和黑麥草種子用濃度5%的次氯酸鈉溶液浸泡10 min，再用蒸餾水清洗數(shù)遍。選用直徑10 cm的培養(yǎng)皿，皿內鋪上定性濾紙作為發(fā)芽床，每個培養(yǎng)皿均勻放入100粒種子。用單一或復合重金屬脅迫液（表1）浸泡種子，以蒸餾水為對照，每24 h更換浸泡液1次。采用光照培養(yǎng)箱變溫模式培養(yǎng)，白天和夜間溫度分別為28和20 ℃、光照周期為14 L∶10 D、80%相對濕度、光照強度 3 000 lx。3 d后測定種子發(fā)芽勢，7 d后測定種子發(fā)芽率（以胚芽長度達到種子長度的50%為種子萌發(fā)的判斷標準），14 d后測定高羊茅和黑麥草幼苗的鮮重及生理指標。

1.2 重金屬脅迫液濃度的設置

重金屬Zn、Pb、Cu和Cd溶液分別用分析純ZnSO4·7H2O、Pb（NO3）2、CuSO4·5H2O、CdCl2·2.5H2O配制，水為去離子水，處理濃度的設置如表1所示，每個處理3次重復。

1.3 測定指標與方法

鮮重使用分析天平測量；種子呼吸強度的測定采用小籃子法[14]；電導率的測定采用電導儀法[15]；光合色素含量的測定采用分光光度法[16]。按照以下公式計算發(fā)芽勢和發(fā)芽率：

發(fā)芽勢=（前3 d發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100%

發(fā)芽率=（前7 d發(fā)芽的種子數(shù)/種子的總數(shù)）×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)使用Excel軟件錄入，使用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。試驗結果均以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 重金屬脅迫對高羊茅和黑麥草種子萌發(fā)的影響

由表2可知，重金屬單一脅迫和復合脅迫均會抑制高羊茅種子的萌發(fā)，Pb、Pb+Zn、Cu+Cd脅迫處理使高羊茅種子發(fā)芽率分別下降82.00、51.00、49.00百分點，發(fā)芽勢分別下降98.75%、93.75%和 72.50%。重金屬單一和復合脅迫對黑麥草種子的影響與高羊茅相同，均抑制黑麥草種子萌發(fā)。Pb、Pb+Zn、Cu+Cd脅迫處理黑麥草種子發(fā)芽率較CK分別下降43.82%、29.21%和25.84%，發(fā)芽勢較CK分別下降92.68%、92.68%和59.76%，除Zn處理外其余處理黑麥草種子發(fā)芽率均與CK存在顯著差異。

2.2 重金屬脅迫對黑麥草和高羊茅種子呼吸強度和電導率的影響

由表3可知，不同重金屬脅迫對高羊茅種子呼吸強度產生不同程度的影響，Pb對高羊茅種子呼吸強度的影響最為明顯，較CK下降42.65%，除Cu+Cd復合脅迫處理外其他脅迫處理與CK均存在顯著差異，電導率在重金屬脅迫下均有大幅上升，Cu和Pb脅迫處理黑麥草種子的電導率較CK分別上升176.30%和175.62%。Cu、Pb和Cu+Cd復合脅迫處理使黑麥草種子呼吸強度較CK分別下降40.96%、40.43%和36.17%，電導率在重金屬脅迫下均有大幅度上升，Pb單一脅迫以及Pb+Zn、Cu+Cd復合脅迫處理黑麥草種子電導率較CK分別升高51.73%、43.54%和37.53%，除Zn單一脅迫外其他脅迫處理均與CK存在顯著差異。

2.3 重金屬脅迫對黑麥草和高羊茅幼苗鮮重的影響

由表4可知，重金屬單一脅迫和復合脅迫對高羊茅幼苗鮮重均有抑制作用，且與CK均存在顯著差異。Pb單一脅迫和Pb+Zn復合脅迫處理使高羊茅幼苗鮮重分別下降69.82%和55.62%。Pb和Cu單一脅迫處理對黑麥草幼苗鮮重的影響最為顯著，其次為Pb+Zn、Cu+Cd復合脅迫處理，Pb、Cu單一脅迫以及Pb+Zn、Cu+Cd復合脅迫處理黑麥草幼苗鮮重較CK分別下降72.53%、71.67%、69.53%和69.53%，且與CK均存在顯著差異。

2.4 重金屬脅迫對高羊茅和黑麥草幼苗光合色素的影響

由表5可知，重金屬單一和復合脅迫處理對高羊茅幼苗葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）與葉綠素a+b（Chl a+b）含量的影響趨勢相似。Cu脅迫可促進Chl a、Chl b和Chl a+b的合成，其他處理Chl a、Chl b和Chl a+b含量較CK均有所下降。Pb脅迫對Chl a+b的抑制作用最強，其次為Zn脅迫，使高羊茅幼苗Chl a+b較CK分別下降63.39%和62.50%。重金屬單一脅迫和復合脅迫對高羊茅幼苗類胡蘿卜素（Car）有不同程度抑制，Zn脅迫使高羊茅幼苗Car較CK下降72.22%。

除Zn脅迫外，其余脅迫處理黑麥草幼苗Chl a均與CK存在顯著差異，Cd脅迫使Chl a較CK下降82.61%，除Zn處理外其余脅迫處理黑麥草幼苗Chl b和Chl a+b含量均有所下降，Cd脅迫使黑麥草幼苗Chl b、Chl a+b含量較CK分別下降72.73%和80.00%，除Zn脅迫外其余脅迫處理黑麥草幼苗Car含量均有所下降，且均與CK存在顯著差異。Pb+Zn、Cd、Cu+Cd復合脅迫處理黑麥草幼苗Car含量較CK分別下降90.48%、61.90%和57.14%。

3 討論與結論

種子萌發(fā)和苗期是植物對外界環(huán)境因子的敏感期[17]，關于重金屬對植物種子的萌發(fā)產生影響已有報道[18]。環(huán)境中重金屬不是單獨存在的，往往是多種污染成分同時出現(xiàn)，并且產生綜合作用[19]。該研究結果表明，重金屬脅迫均抑制高羊茅和黑麥草種子的萌發(fā)過程，與前人研究結果[6，8，20-21]相一致，高濃度重金屬脅迫對植物淀粉酶和蛋白酶的活性產生抑制作用，從而影響植物代謝所需的能量和物質，致使種子萌發(fā)受到抑制。Pb+Zn、Cu+Cd復合脅迫均與單一脅迫處理存在顯著差異，這說明復合脅迫處理對草坪草植物種子的毒害作用比單一脅迫處理嚴重，研究結果與楊玲等[20]相同。

Pb對高羊茅種子呼吸強度的抑制最嚴重，且Pb+Zn復合脅迫與Zn脅迫處理無顯著差異，說明Zn可緩解Pb脅迫對高羊茅種子呼吸強度的影響，該試驗結果與Peng等[22]研究結果相似，Cu和Pb嚴重影響黑麥草種子的呼吸過程，且Cu+Cd復合脅迫對黑麥草種子呼吸強度的影響大于Cu、小于Cd脅迫處理，Pb+Zn復合脅迫對呼吸強度的影響大于Zn、小于Pb脅迫處理，說明Cu可緩解Cd、Zn可緩解Pb對黑麥草種子呼吸的傷害。植物細胞膜系統(tǒng)是植物細胞與外界環(huán)境之間進行物質交換、信息交流的屏障和界面，其穩(wěn)定性是細胞進行正常生理活動功能的基礎。重金屬脅迫會對植物細胞膜系統(tǒng)結構的完整性有所破壞，其透性的變化也反映細胞脂膜過氧化作用的強弱和脂膜的破壞程度，高羊茅種子電導率在重金屬Cu、Pb、Cd脅迫下大幅上升，與前人研究結果[10，23-24]相似，且Pb+Zn復合脅迫比Pb、Zn單一脅迫對細胞膜的損害更為嚴重。這說明Pb與Zn同時存在加劇了對細胞膜的損害，Pb與Zn[25]在此過程中可能具有協(xié)同效應，黑麥草種子電導率在Pb脅迫處理下劇增，其次是Pb+Zn復合脅迫，Cu+Cd復合脅迫處理的電導率大于Cu、Cd單一脅迫處理，說明Zn脅迫能在一定程度上緩解Pb對細胞膜的傷害，Cu和Cd同時存在時加劇了對細胞膜的傷害。

高羊茅和黑麥草受到重金屬脅迫時鮮重均有不同程度降低。Pb對高羊茅鮮重的抑制最為顯著，與姚婧等[21]研究結果相一致；Cd對鮮重的影響與CK存在顯著差異，說明Cd對高羊茅幼苗的生長和發(fā)育有明顯毒害作用，與劉麗珍等[26]研究Cd對玉米幼苗的影響結果相一致；Pb+Zn復合脅迫處理對高羊茅鮮重的影響大于Zn、小于Pb脅迫處理，說明Zn可緩解Pb脅迫對高羊茅鮮重的傷害。重金屬脅迫對黑麥草鮮重的影響與高羊茅相似，鮮重在重金屬脅迫下均有所降低，Pb對黑麥草鮮重的抑制最為顯著，其次為Pb+Zn復合脅迫處理，說明Zn能在一定程度上緩解Pb脅迫對黑麥草鮮重的抑制，Cu+Cd復合脅迫處理黑麥草的鮮重大于Cd、小于Cu脅迫處理，說明Cu可緩解Cd脅迫對黑麥草鮮重的傷害。

光合生理的變化可以衡量植物對重金屬的耐受性[10]，葉綠素作為植物光合作用的主要色素，其含量高低可直接反映植物光合作用的強弱。Car為輔助色素，是葉綠素捕獲光能的補充。該研究結果表明，重金屬脅迫對高羊茅Chl a、Chl b與Chl a+b的影響趨勢相似，Pb嚴重抑制高羊茅幼苗Chl a+b的合成，與前人研究結果[10，27]相一致，由于Pb2+可以降低葉綠素合成必需的原葉綠素酶的活性，或者替代葉綠素分子中的Mg2+，進而破壞葉綠素結構。Cu處理可促進高羊茅葉片Chl a、Chl b和Chl a+b的合成，Pb+Zn復合脅迫處理對Chl a、Chl b和Chl a+b的影響均小于Pb、Zn單一脅迫處理，說明Pb和Zn同時存在有拮抗效應，Zn處理嚴重抑制高羊茅Car的合成；除Zn脅迫處理外，其他脅迫處理黑麥草葉片Chl a含量均與CK存在顯著差異，Cu+Cd復合脅迫處理對黑麥草葉片Chl a、Chl b和Chl a+b的影響均小于Cu、Cd單一脅迫處理，說明Cu和Cd共存時有拮抗效應，除Zn處理外其他脅迫處理黑麥草葉片Car含量較CK均有所下降，且達到顯著差異；Zn對黑麥草幼苗Chl a和Car含量均無顯著影響，說明Zn作為植物光合作用中葉綠素和相關酶類的非必需元素，當Zn濃度為150 mg/L時對黑麥草幼苗Chl a和Car的合成無顯著影響。

綜上所述，Pb嚴重抑制高羊茅種子萌發(fā)過程和幼苗鮮重，Zn可緩解Pb脅迫對高羊茅種子萌發(fā)、呼吸強度、電導率和幼苗鮮重的傷害，Pb+Zn復合脅迫處理對高羊茅幼苗Chl a、Chl b和Chl a+b的影響有拮抗效應，Cu+Cd復合脅迫處理對高羊茅種子萌發(fā)和幼苗鮮重的影響有協(xié)同效應；Pb對黑麥草種子萌發(fā)、電導率和幼苗鮮重的影響強于其余處理，Cd對黑麥草種子呼吸強度的抑制最顯著，Zn對黑麥草幼苗Chl a和Car的合成無顯著影響，Cu+Cd復合脅迫處理對黑麥草種子發(fā)芽率和幼苗Chl a、Chl b和Chl a+b的影響有拮抗效應。

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