鎘鎳脅迫對3 種草本植物種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

王永吉，關(guān) 正,2,3，解麗媛，趙茹霞，李伊凡，關(guān)正萍，張粉果

（1.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 山西 太原 030031；2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100190；3.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室, 北京 100093；4.山西師范大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院, 山西 太原 030031）

鎘(Cd)作為具有高度毒性的重金屬在電鍍、采礦等行業(yè)中大量產(chǎn)生，易造成環(huán)境污染[1]。鎘在植物體內(nèi)積累會影響植物生長發(fā)育，主要表現(xiàn)為生長發(fā)育不良、植株矮小等[2]。鎳(Ni)在自然界多數(shù)以鎳化合物的形式存在，高濃度的鎳化合物對植物具有生物毒性，造成植物光合作用受阻和細胞損傷，也會污染環(huán)境。與單一重金屬污染相比，多種重金屬造成的環(huán)境污染更加普遍，其對植物和環(huán)境的毒害作用也更大，全國土壤中鎘和鎳的點位超標率分別為7.0%和4.8%，對土壤環(huán)境和糧食安全造成了嚴重威脅，全國30 個省(除海南省外)表層土壤鎘含量平均值均高于全國背景值，其中22 個省高于全球背景值；全國26 個省表層土壤鎳含量平均值均高于全國背景值，其中9 個省高于全球背景值[3]。王宇靜等[4]研究了焦化工業(yè)園區(qū)周邊土壤重金屬污染對居民的影響，發(fā)現(xiàn)Cd 的潛在危害最大，Ni 的含量超過了致癌風(fēng)險邊界值，成為致癌風(fēng)險的主要污染物。植物修復(fù)技術(shù)作為重金屬修復(fù)領(lǐng)域中的熱門課題之一，其關(guān)鍵在于重金屬超富集植物的篩選與培育。其中草本植物因適應(yīng)性強、生長迅速和生物量大的特點，在土壤重金屬修復(fù)中常用作先鋒植物。

種子萌發(fā)和幼苗生長階段是植物對周圍環(huán)境最為敏感的時期，對植物后期的生長發(fā)育有著決定性的作用。胡櫻等[5]通過種子萌發(fā)試驗探究西北地區(qū)3 種高寒牧草的耐鎘能力，結(jié)果表明種子發(fā)芽和幼苗生長整體表現(xiàn)為隨著鎘濃度的升高而降低，其中無芒披堿草(Elymus sinosubmuticus)可以作為鎘污染修復(fù)的理想植物。Ahmed 等[6]通過探究28-高油菜素內(nèi)酯引發(fā)蘿卜(Raphanus sativus)種子緩解鎳脅迫的機制，發(fā)現(xiàn)由28-高油菜素內(nèi)酯引發(fā)的蘿卜種子培養(yǎng)出的幼苗，除了可以提高脯氨酸的生物合成，還可以降低鎳含量。對重金屬脅迫下植物種子萌發(fā)與幼苗生長的研究是開展植物修復(fù)的重要環(huán)節(jié)。

雜交狼尾草(Pennisetum americanum×P.purpureum)為禾本科狼尾草屬多年生草本植物，具有不受土壤條件限制、生長迅速、生物量大和適應(yīng)性強的特點，對于重金屬鎘和鋅具備一定的耐受能力[7-8]。高羊茅(Festuca arundinacea)為禾本科羊茅亞屬多年生草本植物，具有較強的適應(yīng)性，抗逆性較好[9]，在重金屬鎘鉛污染治理中有不錯的表現(xiàn)[10]。黃花草木樨(Melilotus officinalis)為豆科草木樨屬二年生草本植物[11]，抗逆性較強，對鉛脅迫有較強的耐受性[12]。以上3 種草本植物在重金屬修復(fù)方面具備較好的應(yīng)用前景，但目前對3 種草本植物在鎘鎳污染環(huán)境下種子萌發(fā)和幼苗生長的適應(yīng)機制研究相對較少，這限制了其在礦區(qū)修復(fù)工程中的推廣應(yīng)用?；诖?，本研究以3 種植物為研究對象，設(shè)置不同鎘鎳單一及復(fù)合濃度梯度開展種子萌發(fā)和幼苗生長試驗，分析比較鎘鎳脅迫下3 種草本植物的種子萌發(fā)及幼苗生長特性，以期為鎘鎳污染土壤的植物修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用的種子均購自山西格瑞偉業(yè)牧草有限公司。將種子放于室內(nèi)陰干，在4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?。?jīng)測量，雜交狼尾草的千粒重約為24.41 g，高羊茅的千粒重約為3.75 g，黃花草木樨的千粒重約為2.35 g。試驗?zāi)M的鎘鎳脅迫中鎘元素是以CdCl2·2.5H2O (分析純)溶液的形式加入，鎳元素是以NiCl2(分析純)溶液的形式加入。

1.2 試驗方法

萌發(fā)試驗參考王悟敏等[13]方法進行，選擇尺寸均勻、顆粒飽滿的種子，使用0.5%的KMnO4溶液浸泡15 min，去離子水充分洗滌后吸干水分備用。

Cd2+與Ni2+的濃度梯度參照2018 年《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地和工用地土壤污染風(fēng)險管控標準》中土壤污染風(fēng)險篩選值、管控值和大量文獻[14-15]，同時結(jié)合前期的預(yù)試驗綜合得出。以等量蒸餾水為對照組(CK)[16]，Cd2+、Ni2+單一脅迫及復(fù)合脅迫共16 個濃度處理(表1)。

表1 種子萌發(fā)試驗中Cd2+、Ni2+脅迫添加濃度Table 1 Concentration and treatment code of Cd2+ and Ni2+stress added in seed germination test

在直徑為90 mm 的培養(yǎng)皿中鋪設(shè)兩層濾紙，選擇質(zhì)地均一的30 粒種子放入各個培養(yǎng)皿中，每個濃度梯度設(shè)置3 個重復(fù)，每個培養(yǎng)皿中加入等量的重金屬處理液，之后將培養(yǎng)皿放入智能光照培養(yǎng)箱，溫度設(shè)為25 ℃，光照條件為12 h 光照和12 h 黑暗，光照強度為8 000 lx 開始種子萌發(fā)試驗。每隔24 h更換一次處理液和濾紙，以保持脅迫濃度可以達到恒定狀態(tài)[13]。

1.3 指標測定

以胚根長度達到種子自身長度的1/2 作為種子萌發(fā)的標準，每日定時觀察種子萌發(fā)情況，并實時記錄種子每日萌發(fā)數(shù)量，自種子萌發(fā)時起培養(yǎng)10 d 后停止試驗，培養(yǎng)結(jié)束后測定根長、芽長、總鮮重和總干重。種子萌發(fā)指標的計算方法[17]如下：

式中：m為規(guī)定10 d 內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)，N為供試種子數(shù)，n為規(guī)定3 d 內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)，S為幼根的長度，Gt為t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為對應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 軟件對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，通過單因素方差分析(one-way ANOVA)計算平均值與標準誤差，通過鄧肯檢驗多重比較法(顯著性水平設(shè)為0.05)分析不同濃度處理下各指標的差異性。使用Origin pro 2019b 作圖。

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法，對3 種草本植物進行了耐鎘鎳性分析和評價[18]。計算3 種草本植物各指標的隸屬函數(shù)值u(Xi)。

依據(jù)隸屬函數(shù)值的大小，確定萌發(fā)期3 種草本植物的耐鎘鎳毒性的能力。平均值越高耐性越強，平均值越小耐性越弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對3 種草本植物種子萌發(fā)與幼苗生長的影響

2.1.1 鎘脅迫對3 種草本植物發(fā)芽情況的影響

隨鎘濃度增加，與對照相比，3 種草本植物的發(fā)芽率在鎘濃度為10 mg·L-1達到峰值，其中黃花草木樨較對照顯著升高了18.47% (P＜ 0.05) (表2)。雜交狼尾草的發(fā)芽勢隨著鎘濃度升高整體呈現(xiàn)下降趨勢，高羊茅和黃花草木樨的發(fā)芽勢在鎘濃度為10 mg·L-1時上升之后隨著鎘濃度升高逐漸下降。高羊茅和黃花草木樨發(fā)芽指數(shù)在濃度為10 mg·L-1與對照相比分別顯著增加了28.05%和32.70% (P＜ 0.05)(表2)。雜交狼尾草的活力指數(shù)與對照相比呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而高羊茅和黃花草木樨的活力指數(shù)均表現(xiàn)為整體降低趨勢。當鎘脅迫濃度達到200 mg·L-1時各草本植物種子的發(fā)芽指標均降到最低，與對照相比，雜交狼尾草、高羊茅和黃花草木樨的發(fā)芽率分別顯著下降了38.76%、50.00%和70.77%(P＜ 0.05)，發(fā)芽勢分別顯著下降了39.25%、58.21%和80.65% (P＜ 0.05)，發(fā)芽指數(shù)分別顯著下降了35.21%、51.39%和77.96% (P＜ 0.05)，活力指數(shù)分別顯著下降了85.61%、95.29%和97.06% (P＜ 0.05)。

表2 鎘脅迫下3 種草本植物的發(fā)芽情況Table 2 Germination parameters of three herbaceous plants under cadmium stress

2.1.2 鎘脅迫對3 種草本植物幼苗生長的影響

不同濃度鎘脅迫下，與對照相比，雜交狼尾草幼苗的總鮮重在鎘濃度為10 mg·L-1與對照相比顯著增加了65.24% (P＜ 0.05)，雜交狼尾草的芽長、根長在鎘濃度為10 mg·L-1與對照相比有上升趨勢(表3)。黃花草木樨的總干重在鎘濃度為10 mg·L-1時達到最大。當脅迫濃度為200 mg·L-1時各供試植物的形態(tài)指標均降到最低。與對照相比，雜交狼尾草、高羊茅和黃花草木樨的總鮮重分別顯著下降了21.46%、75.93%和77.78% (P＜ 0.05)，總干重分別下降了14.00%、50.00%和50.00%，芽長分別顯著下降了45.70%、54.99%和63.64% (P＜ 0.05)，根長分別顯著下降了77.87%、90.39%和86.24% (P＜ 0.05) (表3)。相比較而言，鎘脅迫對于3 種植物的總干重影響最小，根長影響最明顯(表3)。

表3 鎘脅迫下3 種草本植物幼苗生長的情況Table 3 Growth parameters of seedlings of three herbaceous plants under cadmium stress

2.1.3 不同草本植物對Cd2+的耐性綜合評價

采用隸屬函數(shù)法，對3 種植物的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對根長、相對芽長、相對鮮重、相對干重進行隸屬函數(shù)值計算，對比分析平均隸屬函數(shù)值大小，得到不同草本植物的耐Cd2+能力強弱排序為雜交狼尾草 ＞ 高羊茅 ＞ 黃花草木樨(表4)。

表4 鎘脅迫下不同草本植物的耐性隸屬函數(shù)值Table 4 Tolerance membership function value of different herbaceous plants under cadmium stress

2.2 鎳脅迫對3 種草本植物種子萌發(fā)與幼苗生長的影響

2.2.1 鎳脅迫對3 種草本植物發(fā)芽情況的影響

高羊茅的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)在10 mg·L-1時與對照相比分別顯著增加了17.92%、52.59%和88.53% (P＜ 0.05) (表5)。鎳 濃 度 大 于10 mg·L-1后3 種草本植物各發(fā)芽指標開始下降，直到鎳濃度為300 mg·L-1時降到最低，與CK 相比差異顯著(P＜0.05)，雜交狼尾草、高羊茅和黃花草木樨在300 mg·L-1時發(fā)芽率分別下降了43.75%、38.16%和80.01%，發(fā)芽勢分別下降了44.30%、29.85%和88.71%，發(fā)芽指數(shù)分別下降了41.63%、44.82%和89.03%，活力指數(shù)分別下降了87.81%、97.33%和98.79% (表5)。

表5 鎳脅迫下3 種草本植物發(fā)芽情況Table 5 Germination parameters of three herbaceous plants under nickel stress

2.2.2 鎳脅迫對3 種植物幼苗生長的影響

不同濃度的鎳脅迫對3 種植物的幼苗形態(tài)指標總體呈現(xiàn)出“低促高抑”的趨勢，雜交狼尾草幼苗的總鮮重、總干重和根長在低濃度鎳脅迫時相比對照有增加的趨勢，其中總鮮重在鎳濃度為10 mg·L-1和50 mg·L-1時顯著增加，根長在10 mg·L-1時顯著增加(P＜ 0.05)；隨鎳濃度的升高，與對照相比，3 種植物的幼苗形態(tài)指標下降，直至鎳濃度為300 mg·L-1時降到最低，雜交狼尾草、高羊茅、黃花草木樨的總鮮重分別下降了9.44%、74.07%和74.07%，總干重分別顯著下降了60.00%、60.00%和75.00% (P＜0.05)，芽長分別下降了47.48%、28.52%和56.06%，根長分別顯著下降了72.92%、95.28%和88.99% (P＜0.05) (表6)。

表6 鎳脅迫下3 種草本植物幼苗生長的情況Table 6 Growth of seedlings of three herbaceous plants under nickel stress

2.2.3 3 種草本植物不同指標對Ni2+的耐性綜合評價

對鎳脅迫下3 種植物的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對根長、相對芽長、相對鮮重、相對干重進行隸屬函數(shù)值計算，結(jié)果表明，雜交狼尾草對于鎳脅迫的耐受能力最好，黃花草木樨的耐受能力最低(表7)。

表7 鎳脅迫下不同草本植物的耐性隸屬函數(shù)值Table 7 Tolerance membership function value of different herbaceous plants under nickel stress

2.3 鎘鎳復(fù)合脅迫對3 種植物種子萌發(fā)與幼苗生長的影響

2.3.1 鎘鎳復(fù)合脅迫對3 種植物種子萌發(fā)的影響

鎘鎳復(fù)合脅迫下，雜交狼尾草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和活力指數(shù)在低濃度鎘鎳復(fù)合脅迫(C10N10)時與對照相比有提升，其中活力指數(shù)顯著提升了20.11% (P＜ 0.05) (表8)。高羊茅在鎘鎳復(fù)合處理為C10N10時的發(fā)芽指數(shù)與對照相比顯著提高了9.13%(P＜ 0.05) (表8)。3 種植物的萌發(fā)指標均隨著鎘鎳濃度的升高呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，當鎘鎳復(fù)合處理為C200N300時3 種植物的萌發(fā)指標降到最低，與對照相比差異顯著(P＜ 0.05)。其中雜交狼尾草、高羊茅和黃花草木樨的發(fā)芽率分別下降了43.75%、59.21%和58.46%，發(fā)芽勢分別下降了54.43%、68.51%和88.71%，發(fā)芽指數(shù)分別下降了59.84%、75.53%和78.97%，活力指數(shù)分別下降了89.15%、98.23%和98.82%(表8)。

表8 鎘鎳復(fù)合脅迫下3 種草本植物種子萌發(fā)情況Table 8 Seed germination parameters of three herbaceous plants under combined stress of Cd and Ni

2.3.2 鎘鎳脅迫對3 種草本植物幼苗生長的影響

隨著鎘鎳復(fù)合濃度的升高，雜交狼尾草的總干重、芽長和根長均表現(xiàn)為先增加后降低，黃花草木樨的總干重和芽長與對照相比在C10N10處理時均有所增加，其中總干重與對照相比差異顯著(P＜0.05) (表9)。3 種植物的幼苗形態(tài)指標均隨著鎘鎳濃度的增加呈現(xiàn)一直下降的趨勢，最終3 種植物的所有形態(tài)指標直至高濃度鎘鎳復(fù)合處理時降到最低(C200N300)，與對照相比差異顯著(P＜ 0.05)，其中雜交狼尾草、高羊茅和黃花草木樨的總鮮重分別降低了32.19%、75%和76.54%，總干重分別下降了46.00%、60.00%和75.00%，芽長分別下降了40.36%、29.67%和58.59%，根長分別下降了78.50%、92.93%和94.50%。

表9 鎘鎳復(fù)合脅迫下3 種草本植物幼苗生長的情況Table 9 Seedling growth parameters of three herbaceous plants under combined stress of Cd and Ni

2.3.3 3 種草本植物不同指標對鎘鎳復(fù)合脅迫的耐性綜合評價

鎘鎳復(fù)合脅迫下對鎘鎳復(fù)合脅迫下3 種植物的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對根長、相對芽長、相對鮮重、相對干重進行隸屬函數(shù)值計算并比較，表明雜交狼尾草對于鎘鎳復(fù)合脅迫的耐受能力最好，黃花草木樨的耐受能力最低(表10)。

表10 鎘鎳復(fù)合脅迫下3 種草本植物的耐性隸屬函數(shù)值Table 10 Tolerance membership function values of three herbaceous plants under combined stress of Cd and Ni

3 討論

3.1 鎘鎳脅迫對不同草本植物種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)作為植物生長周期的起點，具有重要生態(tài)意義。種子萌發(fā)期易受機械傷害、病害與氣候和環(huán)境影響，是生活史最重要和脆弱的時期[19]。植物種子萌發(fā)對逆境的耐受能力可以通過相關(guān)萌發(fā)指標反映[20]。本研究結(jié)果顯示，在鎘濃度為10 mg·L-1時雜交狼尾草的發(fā)芽率和活力指數(shù)高于對照且達到峰值；高羊茅的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)在鎘和鎳濃度分別為10 mg·L-1時相比對照提升且達到最大；黃花草木樨在鎘鎳單一脅迫濃度為10 mg·L-1時的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均與分別相比均升高且達到最大。當鎘鎳單一及復(fù)合濃度達到最高時，不同植物的種子萌發(fā)均降至最低，說明此時3 種植物的生長受到了明顯的抑制。

綜上所述，當鎘鎳低于較低濃度時，不同植物的萌發(fā)情況與對照相比有所升高，其原因可能是較低濃度的鎘離子進入種子體內(nèi)后刺激了種子自身的抗逆反應(yīng)，從而表現(xiàn)為種子萌發(fā)效果高于對照，這與鎘脅迫對于青葙種子萌發(fā)與幼苗生長的影響結(jié)果相類似[21]。處于高濃度脅迫時，3 種植物的種子萌發(fā)均受到抑制，其可能原因是高濃度的重金屬離子破環(huán)了種子內(nèi)部淀粉酶等的酶活性并使其失活分解，最終導(dǎo)致種子萌發(fā)無法順利進行，此結(jié)果與周?，B等[22]對鎘脅迫下於術(shù)(Atractylodes macrocephala)種子萌發(fā)及生理指標的研究結(jié)果一致。同時高濃度的鎘鎳單一及復(fù)合脅迫對3 種草本植物種子的活力指數(shù)下降最為明顯，此結(jié)果與鎘脅迫對不同繁穗莧(Amaranthus cruentus)種質(zhì)萌發(fā)和生長的影響相類似[23]，可能原因是較高濃度的鎘鎳離子促使種子內(nèi)部如超氧陰離子和羥自由基的生成，損傷種子細胞的膜結(jié)構(gòu)和功能，進而降低種子的活力。

3.2 鎘鎳脅迫對不同草本植物幼苗生長的影響

3 種植物在低濃度的鎘鎳脅迫下幼苗生長情況優(yōu)于對照，其中雜交狼尾草在鎘脅迫為10 mg·L-1時總鮮重與對照相比差異顯著(P＜ 0.05)，鎳脅迫為10 mg·L-1時，總鮮重和根長與對照相比差異顯著(P＜ 0.05)。不同植物的幼苗生長均隨著脅迫濃度升高受抑制程度逐步增強，直至濃度達到最高升至最大，符合“低促高抑”的規(guī)律，與段代祥和劉俊華[24]關(guān)于鉛脅迫對綠豆(Vigna radiate)種子萌發(fā)的研究結(jié)果相同。

與此同時鎘鎳脅迫下不同植物根長的下降幅度要大于芽長，表現(xiàn)為逆境脅迫下胚根比胚芽更敏感，這與徐曼等[25]探究鹽脅迫對長穗偃麥草(Elytrigia elongate)的種子萌發(fā)和幼苗生長的影響結(jié)果一致，可能原因是種子在萌發(fā)過程中，胚根比胚芽吸收更多水分，因此重金屬離子在根內(nèi)的累積量大于胚芽，從而表現(xiàn)出更明顯的毒害特征。

3.3 不同草本植物耐鎘鎳性綜合評價

通過對3 種植物的耐鎘鎳脅迫能力進行隸屬函數(shù)綜合評價，平均隸屬函數(shù)值越高耐性越強，平均隸屬函數(shù)值越小耐性越弱[18]，表明鎘鎳單一及復(fù)合脅迫下雜交狼尾草的平均隸屬函數(shù)最高，黃花草木樨的平均隸屬函數(shù)值最低。封保根[26]對鉻脅迫下9 種植物的生長影響進行研究發(fā)現(xiàn)，禾本科的植物抗重金屬脅迫能力要高于十字花科和豆科類植物，與本研究結(jié)果一致。本研究中采用的隸屬函數(shù)值平均法不僅可以消除個別指標所造成的片面性問題和各植物之間耐性差異問題，而且提升了材料之間的可比性[18,27]。

4 結(jié)論

低濃度的鎘鎳單一及復(fù)合脅迫對3 種草本植物的種子萌發(fā)和幼苗生長有促進作用，隨濃度升高，3 種植物的生長特性均出現(xiàn)下降，當單一鎘濃度為200 mg·L-1，單一鎳濃度為300 mg·L-1和復(fù)合濃度為C200N300時，3 種植物的種子萌發(fā)及幼苗生長均受到嚴重抑制，其中根長和活力指數(shù)下降幅度最大。隸屬函數(shù)綜合評價表明，3 種草本植物中雜交狼尾草對于鎘鎳脅迫的耐性最強，其結(jié)果可為耐鎘鎳脅迫下超富集植物的篩選及鎘鎳污染土壤的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。