葛元英　陳新彤　張鵬　崔旭

摘要：為了解狼尾草種子對重金屬鉻（Cr）污染的耐性，以狼尾草種子為試驗(yàn)材料，采用水培法，研究不同濃度的Cr6+脅迫對狼尾草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Cr6+質(zhì)量濃度較低時(shí)（≤25 mg/L），狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)與對照組相比均無顯著降低;當(dāng)Cr6+質(zhì)量濃度較高時(shí)（≥50 mg/L），狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)均隨Cr6+處理濃度的增加而降低。由研究結(jié)果可以看出，狼尾草種子對Cr6+有一定的耐受能力，可以應(yīng)用于Cr6+輕度污染土壤的修復(fù)。

關(guān)鍵詞：Cr6+;狼尾草;種子萌發(fā);幼苗生長

中圖分類號： S543+.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0126-03

收稿日期：2018-12-15

基金項(xiàng)目：山西省重點(diǎn)研發(fā)（指南）項(xiàng)目（編號：201603D21110-1-4）。

作者簡介：葛元英（1977—），女，江蘇泗陽人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事污染土壤修復(fù)、實(shí)驗(yàn)室管理工作。E-mail：sxaugyy@126.com。

通信作者：崔 旭，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事污染土壤的治理工作。E-mail：sxaucx@126.com。

重金屬鉻（Cr）是地球地殼中常見的元素[1]，存在于大氣、水體和自然形成的土壤中，隨著Cr在制革、染料、電鍍和有機(jī)合成等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，水體、土壤、生物均遭受了不同程度的污染[2]。近年來，常用的修復(fù)土壤重金屬污染的方法包括物理、化學(xué)、生物修復(fù)等，其中生物修復(fù)中的植物修復(fù)與其他修復(fù)方法相比具有高效、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)協(xié)調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛應(yīng)用[3]。但是，目前可應(yīng)用的Cr超積累植物仍然不多，并且缺乏植物對重金屬耐受能力的研究。種子萌發(fā)是植物生命的開始，萌發(fā)期是植物對環(huán)境最敏感的時(shí)期，它決定了幼苗的存活率、個(gè)體適合環(huán)境的程度以及植物生活史的表達(dá)等，進(jìn)而影響到種群動態(tài)、植被分布和恢復(fù)等生態(tài)過程[4-7]。

狼尾草（Pennisetum alopecuroides）是一種在我國絕大部分地區(qū)常見的多年生禾本科草本植物，具有生命力旺盛、抗逆性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、維護(hù)成本低廉、管理簡單等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。目前，對狼尾草在Cr6+污染脅迫下種子萌發(fā)及其生長影響的研究較少[11]。因此，本研究選取狼尾草種子，通過在實(shí)驗(yàn)室水培條件下研究Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)和生長的影響，旨在探索狼尾草對Cr的抗性機(jī)制及耐性表現(xiàn)，為選擇具有高耐Cr能力同時(shí)能夠富集Cr的植物物種提供一定的參考，也為后續(xù)利用植物修復(fù)Cr污染土壤的修復(fù)技術(shù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇籽粒飽滿完整、無病蟲害、大小相近的狼尾草種子作為試驗(yàn)種子，所用的Cr6+試劑為K2Cr2O7（分析純）。

1.2 種子萌發(fā)試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年4月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。配制Cr6+濃度分別為0、5、10、25、50、100、200 mg/L的鉻溶液，分別注入洗凈、烘干、襯有濾紙的90 mm培養(yǎng)皿中，對照用去離子水。在每個(gè)培養(yǎng)皿中放入40粒狼尾草種子，每個(gè)濃度設(shè)3次重復(fù)。將加蓋后的培養(yǎng)皿放入光照度為4 000 lx、光—暗周期為12 h—12 h、相對濕度為80%左右、25 ℃人工氣候培養(yǎng)箱中進(jìn)行恒溫培養(yǎng)，每隔12h觀察并記錄發(fā)芽的種[HJ1.4mm]子數(shù)。發(fā)芽的第3天掀開培養(yǎng)皿蓋，使其在透氣狀態(tài)下自然生長。每天定時(shí)加入一定量的去離子水，保持培養(yǎng)皿中的濕潤狀態(tài)，保證種子能夠正常生長。當(dāng)幼苗長出2張子葉時(shí)，測量種子的芽長、根長和鮮質(zhì)量，計(jì)算發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)

本研究主要測定狼尾草種子的發(fā)芽勢、 發(fā)芽率、鮮質(zhì)量，以及芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)，每天記錄發(fā)芽的種子數(shù)，以處理后第3天的數(shù)值計(jì)算種子的發(fā)芽勢，以處理后第7天的數(shù)值計(jì)算種子的發(fā)芽率。并于第7天計(jì)算發(fā)芽指數(shù)，測定鮮質(zhì)量，在每個(gè)培養(yǎng)皿中選取生長適中的10粒發(fā)芽種子，用直尺測量芽長、根長[12]。各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算方法如下[13]：

（1）發(fā)芽勢。發(fā)芽勢=（第3天發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)）×100%。

（2）發(fā)芽率。發(fā)芽率=（第7天發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)）×100%。

（3）鮮質(zhì)量。從發(fā)芽的種子中挑出長勢較好的3粒，晾干水分，用分析天平稱質(zhì)量，求平均值，即為單株幼苗鮮質(zhì)量。

（4）發(fā)芽指數(shù)。發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt。式中：Gt為td內(nèi)的發(fā)芽數(shù);Dt為相應(yīng)的發(fā)芽時(shí)間，d。

（5）活力指數(shù)?；盍χ笖?shù)=發(fā)芽指數(shù)×芽長度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Excel 2016軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)的影響

發(fā)芽勢和發(fā)芽率是評價(jià)種子發(fā)芽速度和整齊度的重要指標(biāo)[12]，由表1可以看出，當(dāng)Cr6+濃度≤25 mg/L時(shí)，狼尾草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢沒有明顯的變化，但是隨著重金屬Cr6+脅迫濃度的增大，發(fā)芽率和發(fā)芽勢都表現(xiàn)出不同程度的下降。在5 mg/L Cr6+處理濃度下，狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢與對照相比，雖然上升幅度不是很高，但仍可表明，低濃度Cr6+處理對狼尾草種子的萌發(fā)有一定的刺激作用，促進(jìn)了狼尾草種子的萌發(fā);而當(dāng)Cr6+處理濃度大于100 mg/L時(shí)，狼尾草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢都呈下降趨勢，其中當(dāng)Cr6+濃度為 200 mg/L 時(shí)，狼尾草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢分別為對照的56%、51%。

2.2 Cr6+對狼尾草芽長的影響

由圖1可見，在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+處理下，狼尾草種子的芽長均高于對照組;當(dāng)Cr6+濃度為5 mg/L時(shí)，芽長最長。說明低濃度的Cr6+處理對狼尾草種子芽長有一定的促進(jìn)作用，隨著Cr6+濃度的增加，表現(xiàn)出一定的抑制作用，且隨著脅迫濃度的增加，對狼尾草種子芽長的抑制作用也越強(qiáng)。狼尾草種子萌發(fā)的芽長變短以后，必然會影響狼尾草在隨后生長期內(nèi)的正常生長。

2.3 Cr6+對狼尾草根長的影響

由圖2可知，在不同濃度的Cr6+處理下，狼尾草根長隨Cr6+脅迫濃度增大，先略微上升，然后急劇下降，5～25 mg/L Cr6+處理對狼尾草種子根長有一定的促進(jìn)作用，但Cr6+濃度≥50 mg/L 時(shí)，抑制作用就很明顯。此外，由圖1、圖2可以看出，Cr6+對狼尾草種子根生長的抑制作用要大于對種子芽生長的抑制作用。

2.4 Cr6+對狼尾草種子發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)也是能夠反映種子萌發(fā)能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[12]。如圖3所示，在低濃度（5～25 mg/L）Cr6+脅迫下，發(fā)芽指數(shù)隨著Cr6+濃度的上升變化不大;當(dāng)Cr6+脅迫濃度大于50 mg/L時(shí)，發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)出下降趨勢，在200 mg/L Cr6+處理下的狼尾草種子發(fā)芽指數(shù)為對照的50.5%?；盍χ笖?shù)是綜合反映種子發(fā)芽速率和生長量的指標(biāo)，是反映種子活力高低的一種可靠性指標(biāo)[12]。由圖4可以看出，狼尾草種子的活力指數(shù)變化規(guī)律與發(fā)芽指數(shù)的變化規(guī)律相似，在低濃度（5～25 mg/L）Cr6+脅迫下，狼尾草種子活力指數(shù)隨著Cr6+濃度的上升而有所上升;當(dāng)Cr6+脅迫濃度≥50 mg/L時(shí)，狼尾草種子活力指數(shù)呈下降趨勢，在200 mg/L Cr6+處理下的狼尾草種子活力指數(shù)為對照的11.6%。這進(jìn)一步說明，在低濃度Cr6+脅迫下，重金屬對狼尾草種子萌發(fā)有促進(jìn)作用，而高濃度的Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)表現(xiàn)出一定的抑制作用。

3 討論與結(jié)論

種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都是表示種子發(fā)芽程度及其生存能力大小的主要參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)在不同Cr6+質(zhì)量濃度處理下的響應(yīng)狀況或被抑制程度，可以判斷狼尾草種子在萌發(fā)期間耐受重金屬Cr6+的狀況[7，12]。不同濃度的Cr6+對狼尾草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響一般表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制。在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+處理下，Cr6+處理狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與對照組間的差異不大，表明鉻可能是植物生長過程中體內(nèi)必需的微量元素之一。在高濃度（≥50 mg/L）Cr6+處理下，Cr6+處理對狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)開始表現(xiàn)出抑制作用，且對各指標(biāo)的影響相似。本研究結(jié)果與其他研究者對小麥種子、水稻種子、玉米種子和小香蒲種子的研究結(jié)果類似[14-16]。

Cr6+與植物作用時(shí)，首先接觸到根部，因此重金屬Cr6+進(jìn)入植物體后，大部分會在根部蓄積，同時(shí)，根細(xì)胞壁中存在大量的交換位點(diǎn)，能夠?qū)⒅亟饘匐x子固定或吸收在這些位點(diǎn)上，從而阻止重金屬離子向地上部分運(yùn)移[17]。隨著根部吸收或固定Cr6+離子的增加，加劇了細(xì)胞內(nèi)染色體和核仁的破壞程度，這可能是抑制狼尾草種子根生長的主要原因。植物體中絡(luò)合重金屬最重要的部位就是根，因此根也是最易受重金屬毒性影響的部位[7]。植物種子萌發(fā)所需要的能量和物質(zhì)來源于貯存于種子中的物質(zhì)氧化分解，這些物質(zhì)的分解過程需要大量酶的參與，可能由于低質(zhì)量濃度的Cr6+會與這些酶發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生物質(zhì)刺激促進(jìn)其萌發(fā)[18]，而高濃度的Cr6+對植物種子萌發(fā)及幼苗生長表現(xiàn)為明顯的抑制作用，可能由于高濃度的Cr6+增加了細(xì)胞膜透性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外滲[7，16]。

本研究結(jié)果表明，高濃度的Cr6+（≥50 mg/L）明顯抑制了狼尾草種子的萌發(fā)和幼苗生長，且高濃度的Cr6+對狼尾草根生長的抑制作用大于對芽生長的抑制作用。但在低濃度（≤25 mg/L）Cr6+作用下，狼尾草表現(xiàn)出一定的耐受能力，這為選擇具有高抗Cr能力，同時(shí)能夠富集Cr的植物物種以及后續(xù)利用植物修復(fù)Cr污染的土壤凈化治理提供了參考，但是對于Cr6+脅迫對狼尾草生長的影響機(jī)制，以及對于重金屬Cr污染土壤的修復(fù)效率等還有待進(jìn)一步的探索和系統(tǒng)的研究。

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