鎘脅迫對沙棘種子萌發與幼苗生長影響研究初報

王梓瑜，李林山，狄 龍，張高如，段義忠

(1. 榆林學院 陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室；2.榆林市林業和草原局/榆林市林業產業開發中心, 陜西 榆林 719000)

鎘(Cd)是一種分布范圍廣、污染面積較大的重金屬元素[1]，通過冶煉、電鍍、塑料、顏料等工業生產方式排放[2]。目前，我國Cd污染農田面積約13.0×104hm2，涉及全國11個省(市)的25個地區[3]，且鎘容易通過食物鏈在人體內積累，嚴重危害身體健康[4]，且具有在環境中分解周期長(半衰期超過20 a)、移動性大、毒性高、難降解等特點，所以修復被鎘污染的土壤已成為急需解決的問題[5]。近年研究表明，植物可通過降低對Cd的吸收、區域化分布、絡合等減輕或消除Cd毒害[6]。選擇耐鎘植物大多從成苗期開始，從種子萌發期者較少，而種子萌發是植物生命周期的一個重要階段，此期生長狀況直接關乎后期的生長和發育，探究種子萌發期和幼苗生長初期對重金屬的生理響應顯得更實際[7]。

沙棘(Hippophaerhamnoides)又稱醋柳、醋溜溜，為胡頹子科沙棘屬(Hippophae)落葉灌木[8]，具有生命力強、根系發達、耐干旱和抗風沙等特性，在我國南北均有分布，總面積超過2.133萬平方千米，黃土高原是其分布中心[10]，可在鹽堿化等很多特別惡劣的土地環境中生存，常被用在生態修復、防沙治理、煤礦區復墾等[9]，對我國西部水土流失治理和生態環境修復具有重要意義[10]。為給陜北煤炭開采區鎘污染土壤的生物治理提供依據，我們進行了鎘對鄉土樹種——沙棘的種子萌發及幼苗生長的影響研究，結果如下。

1 材料與方法

1.1 數據材料的來源

供試的沙棘品種為“深秋紅”，種子2021年秋季種子成熟時采自于內蒙鄂爾多斯達拉特旗，精選后均勻飽滿、無病蟲危害及損傷。

1.2 試驗設計與實施

Cd2+脅迫溶液的濃度設為6個梯度處理，即10、20、40、80、100、200 mg·L-1，去離子水處理作為對照 (CK)，每個處理3次重復，每個重復50粒種子。

采用紙上發芽的方式進行不同濃度處理對沙棘種子萌發和幼苗生長影響試驗[11]。實驗時先用0.1%高錳酸鉀溶液消毒15 min；用蒸餾水沖洗3次；隨后用75%酒精再消毒30 s，用蒸餾水再沖洗3次[12]。最后用鑷子將其整齊地擺放在鋪有兩層濾紙的玻璃培養皿中，采用移液管滴加不同質量濃度的CdCl2溶液，滴加量以濾紙和種子濕潤為宜，置于恒溫培養箱內遮陰培養，每隔48 h更換一次處理液以保持一定濕度。

實驗開始后，每天觀察、記錄1次種子發芽或幼苗生長情況，并隨時根據情況給培養皿中添加水分，保障種子萌發、幼苗生長正常。處理后第10、13、15 d，每個處理分別隨機抽10個幼苗，用游標卡尺測定根長及芽長[13]。

1.3 指標及其測定

種子發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數按常規方法[14]計算。種子萌發以胚根突破種皮0.5 mm為標準，試驗期間對種子發芽情況及幼苗生長情況進行觀測并記錄，計算不同濃度Cd2+處理后的萌發指標值。

1.4 數據整理與分析

數據均為3次重復的算術平均值，采用SPSS 23.0統計分析軟件進行相關數據的分析及差異顯著性檢驗，采用Word軟件繪圖。

2 結果分析

2.1 鎘對種子發芽的影響

2.1.1 發芽率 由表1可知，在不同濃度Cd2+脅迫下，沙棘種子發芽率隨著鎘濃度的升高呈現先增高后降低的趨勢，即在Cd2+濃度低于40 mg·L-1條件下，鎘濃度越高發芽率越高，在40 mg·L-1時達到峰值(49.33%)，較對照提高10.43%；之后隨鎘濃度升高發芽率越來越低，并在200 mg·L-1達到最低值(35.33%)，但分析發現，不同處理濃度及對照之間種子發芽率差異不顯著 (P>0.05)。

2.1.2 發芽勢 由表1可知，沙棘種子的發芽勢隨著鎘濃度的升高也呈現先增高后降低的趨勢，但在溶液濃度為40 mg·L-1時達到最高值(27.33)，較對照組提高7.8%；在200 mg·L-1處達到最低值(22.67%)，發芽勢各處理組間無顯著差異(P>0.05)，不同處理濃度及對照之間種子發芽勢差異也不顯著 (P>0.05)。

2.1.3 發芽指數 該指標能反映種子萌發的快慢和整齊程度[14]。表1顯示，對照組沙棘的發芽指數為26.15，當Cd2+濃度為10、20、40、80、100、200 mg·L-1時沙棘種子發芽指數分別為22.54、23.87、21.34、20.85、20.23、19.90，與對照組相比依次降低了13.80%、8.72%、18.39%、20.27%、22.64%、23.90%，分析發現，不同處理濃度及對照之間種子發芽指數差異不顯著 (P>0.05)。

表1 不同濃度Cd2+脅迫下的沙棘種子萌發情況

2.2 鎘對幼苗生長的影響

2.2.1 芽 由表2可知，Cd2+脅迫對沙棘種子萌發后幼苗的芽長影響較大。沙棘幼苗的芽長隨著Cd2+濃度的升高，呈現出先降低后升高再下降的趨勢。在Cd2+濃度為10、40 mg·L-1時，芽長較對照組相比無顯著差異(P>0.05)，但在20、80、100、200 mg·L-1Cd2+脅迫處理下較對照組呈顯著下降趨勢(P<0.01)。對照組沙棘種子的芽長為27.32 mm，當Cd2+濃度為10、20、40、80、100、200 mg·L-1時，芽長與對照組相比降幅分別為14.20%、42.30%、11.90%、52.60%、83.89%、90.80%；Cd2+溶液濃度為40 mg·L-1時，對芽長有明顯的刺激作用，由此可以得出：該濃度對種子的芽長起著促進生長作用；當Cd2+濃度提高到一定濃度時，芽的生長明顯受到抑制，整體表現為“低濃度促進，高濃度抑制”，這可能是由于低濃度Cd2+對沙棘剛發芽的幼苗芽生長沒有影響，也就是說幼苗芽對低濃度Cd2+有抵抗或適應作用；當Cd2+濃度再升高就對幼苗芽生長產生擬制，之后當Cd2+濃度稍微再升高時苗芽又適應了稍高的Cd2+濃度環境，即產生了抗性，或毒性興奮效應[15]，苗芽長度生長不再受影響，再當Cd2+濃度進一步升高超出一定閾值(40 mg·L-1)即超出苗芽適應范圍后，對幼苗芽產生毒害，苗芽長度生長受到擬制，并隨Cd2+濃度不斷提升受害越重，苗芽長度越短。

表2 不同濃度Cd2+下沙棘幼苗根生長及活力指數

2.2.2 根 根系是植物吸收水分和營養物質的主要器官，其生長強弱直接反應植株整體的生長狀況[15]。由表2可知，沙棘的根長隨著Cd2+濃度的上升，呈現顯著下降趨勢(P<0.01)，且降幅較芽長更快，這說明Cd2+濃度越高，對根部生長的抑制作用就越強。對照組沙棘種子的根長是24.30 mm，當Cd2+濃度為10、20、40、80、100、200 mg·L-1時的根長分別為9.97、5.44、3.93、2.68、1.93、0.99 mm，與對照組相比降幅分別為58.97%、77.62%、83.81%、88.97%、92.06%、95.94%，并且隨著鎘溶液濃度的升高，根長的降幅呈現先快后慢趨勢。當Cd2+溶液濃度為40 mg·L-1和80 mg·L-1時，幼苗根長開始出現黃化現象，且幼苗植株矮??；當培養液濃度為100、200 mg·L-1時，根系末端局部開始出現枯焦、發黑等現象。與苗芽相比，幼苗根長生長對不同濃度Cd2+的適應較簡單或調節能力較差。

2.2.3 活力指數 該指標是表征種子活力的重要指標，可反應Cd2+脅迫對沙棘種子萌發的脅迫情況。由表2可知，與對照組活力指數(635.35)相比，當Cd2+濃度為10、20、40、80、100、200 mg·L-1時，降幅分別為62.27%、76.41%、86.90%、91.14%、93.95%、96.95%，并在濃度為200 mg·L-1時達到最低值(19.36)，各處理與對照相比均存在極顯著的差異(P<0.01)。當Cd2+濃度為10、20 mg·L-1時，沙棘種子的活力指數顯著降低，隨著Cd2+濃度的升高，對活力指數的抑制作用越明顯。

3 結論與討論

3.1 結論

沙棘種子繁殖的幼苗的發芽勢、發芽率對不同Cd2+濃度的響應均表現“低促高抑”效應，當Cd2+濃度為40 mg·L-1時，對沙棘的發芽率、發芽勢都起到促進作用；不同濃度Cd2+脅迫處理對發芽指數無影響；當Cd2+濃度為10、20 mg·L-1時，沙棘種子的活力指數顯著降低， Cd2+濃度升高，對活力指數的抑制作用越明顯；沙棘幼苗的芽長度隨著Cd2+濃度升高，呈現先降低后升高再又降低的趨勢，Cd2+濃度為40 mg·L-1時，對芽長有明顯刺激作用；根長隨著Cd2+濃度的上升，呈現顯著下降趨勢，Cd2+濃度越高，對根部生長的抑制作用越強。

3.2 討論

本研究在Cd2+脅迫下沙棘種子萌發和生長受到了不同程度的毒害作用，不同Cd2+濃度對沙棘的發芽勢、發芽率的影響均表現“低促高抑”效應，濃度40 mg·L-1Cd2+對沙棘的發芽率、發芽勢、芽生長都有不同的促進作用，說明本試驗沙棘種子發芽時對低濃度Cd2+可能也產生了毒性興奮效應[15]，與鎘脅迫對吊蘭(Chlorophytumcomosum)、銀邊吊蘭(Chlorophytumcomosumvar.variegatu)的生長影響結果一致[17]，原因可能是低濃度Cd2+脅迫刺激胚導致其生理活性增強[16]。

本實驗Cd2+濃度較低(<40 mg·L-1)時，沙棘的發芽率、發芽勢、發芽指數基本不受影響，這是因為種子發芽初期主要依靠吸水作用使得胚芽沖破種皮，基本不利用外界營養和重金屬離子，重金屬的影響也就微弱，與鎘脅迫對多個小麥(Triticumaestivum)品種種子萌發的影響結果[18]一致，但是種子發芽指數、活力指數隨Cd2+濃度的增高而不斷下降，同時低濃度Cd2+對幼苗生長的刺激效應隨幼苗生長時間延長會逐漸消失。Cd2+濃度較高(>40 mg·L-1)時，抑制效應逐漸增強，幼苗的各項指標均隨著濃度的增高而降低[19]，并在200 mg·L-1處達到最低值，原因可能是Cd2+濃度過高會抑制種子內貯藏淀粉和蛋白質分解，從而影響種子萌發所需要的物質和能力[20]。

雖然種子發芽率、發芽勢、發芽指數受Cd2+的影響不顯著，但是種子萌發后其胚根伸長和胚芽生長均受Cd2+顯著影響[21]。本研究中，隨著Cd2+溶液濃度的增加，沙棘的根長和芽長均顯著降低，且根長的受抑制程度高于芽長，與菠菜(Spinaciaoleracea)和油菜(Brassicacampestris)的早期生長規律[22]一致，原因可能是種子吸脹萌動時，胚根快速吸水伸長并最先突破種皮，使根的Cd2+積累量、受Cd2+脅迫時長大于芽，對重金屬污染的反應更直接、敏感[21]。本研究結果顯示Cd2+脅迫隨濃度變化對沙棘種子萌發及幼苗生長的影響發育較為復雜，其中的生理生化原由還待進一步研究總結。