張?zhí)?，范明慧，田勝尼，奚曉宇，呂夢?/p>

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重金屬污染問題嚴重[1]。有數(shù)據(jù)顯示，目前我國受污染土地面積已達耕地面積的20%，約2500萬hm2[2]。土壤重金屬污染具有來源廣泛、隱蔽性強、毒害性大且不易排出土壤等特點[3-4]。在我國土壤重金屬污染中，重金屬Cu和Cd危害性較大[5-6]。大量研究結(jié)果表明，重金屬在植物體內(nèi)積累量超標時，不僅毒害植物體，還會通過食物鏈危及人類健康[7-9]。Cu2+是高等植物正常生長代謝所必需的微量元素，但攝入過量會紊亂機體正常代謝，影響其生長發(fā)育及產(chǎn)量[10]。Cd毒性較大，受Cd2+污染的食物與空氣將嚴重危害人體健康[11]。Cd2+在人體中代謝較為緩慢，曾出現(xiàn)Cd中毒引發(fā)“痛痛病”的案例[12-13]。

目前已被發(fā)現(xiàn)的超積累植物將近500種，十字花科植物占據(jù)多數(shù)[14]。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，蘿卜、白菜和油菜三種十字花科植物在重金屬污染的土壤中能夠正常生長，表明其對重金屬有較強的耐性，因此研究三者對重金屬的耐性具有重要意義。種子萌發(fā)是植物生命中重要的階段之一，對根際的化學(xué)和物理條件十分敏感[15]。雖然種皮可以作為主要屏障限制重金屬的毒害影響，但多數(shù)種子和幼苗在重金屬脅迫下表現(xiàn)為萌發(fā)率和活力的降低[16]。因此，探究植物種子在重金屬處理下萌發(fā)情況的變化規(guī)律意義重大。

油菜(Brassicapekinensis)、白菜(Brassicapekinensis)，為十字花科(Cruciferae)蕓薹屬(Brassica)草本植物；蘿卜(Raphanussativus)，為蘿卜屬(Raphanus)草本植物。油菜是我國主要產(chǎn)油作物之一，種植面積逐年提升，其經(jīng)濟價值和營養(yǎng)價值較高。白菜和蘿卜是我國重要的農(nóng)作物。目前油菜對重金屬Cd的耐性研究較多[17-18]，對白菜、蘿卜的研究較少。本文選用在重金屬污染地區(qū)較常見的三種十字花科植物—蘿卜、白菜和油菜，研究三者在Cu2+和Cd2+處理下萌發(fā)率和生物量的變化情況，探究三種植物在生長初期對重金屬Cu、Cd的耐性，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)早期重金屬對農(nóng)作物的毒害影響效果做出預(yù)告，避免或減輕重金屬危害的產(chǎn)生，并為重金屬污染的相關(guān)環(huán)境監(jiān)測工作提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料：蘿卜、白菜和油菜，均屬十字花科植物，其種子采集于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園內(nèi)。

1.2 實驗方法

隨機選擇大小一致且飽滿的待試種子，在4% KMnO4溶液中浸泡消毒10 min后取出，多次用蒸餾水沖洗，用濾紙吸干表面水分。每個培養(yǎng)皿放20粒油菜種子，設(shè)置Cu濃度為0(空白對照)、20、50、100、300、500、800 mg/L，Cd濃度為0、10、25、50、100、150、200 mg/L，各3組重復(fù)，各處理中Cu以CuSO4·5H2O形式加入，Cd以CdCl2形式加入。于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天用恒重法加水，每12 h記錄一次萌發(fā)數(shù)量，待其萌發(fā)結(jié)束后，測量其株高、根長、地上部鮮重、根鮮重、地上部干重、根干重。白菜、油菜種子實驗方法與之相同。

1.3 項目測定與方法

1.3.1 萌發(fā)率 萌發(fā)率是種子萌發(fā)個數(shù)占種子總數(shù)的百分比。以胚芽長度大于種子直徑為萌發(fā)標準，每12 h記錄一次萌發(fā)個數(shù)。

1.3.2 生物量的測定 待萌發(fā)結(jié)束后，隨機選取各濃度梯度下幼苗各20株，用游標卡尺測量其株高、根長并用天平稱重，置于80℃恒溫箱中24 h后取出，稱其地上部干重、根干重。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 耐性指數(shù)=(處理組根長/對照組根長)×100%[19]。耐性指數(shù)高于50%，表明植物對重金屬有一定耐性；耐性指數(shù)低于50%，表明植物在重金屬脅迫下難以正常生長。

用Excel、SPSS軟件作圖及差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬Cu、Cd對三種植物萌發(fā)率的影響

不同濃度Cu2+和Cd2+處理對三種植物種子萌發(fā)率的影響如圖1～6所示。由圖1～6可知，在種子萌發(fā)過程中，隨著Cu2+濃度升高，三種植物種子萌發(fā)率均呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。種子萌發(fā)結(jié)束后，據(jù)圖1可知，蘿卜種子萌發(fā)率在Cu2+處理下均低于對照組；據(jù)圖3和圖5可知，Cu2+在濃度為20 mg/L時，白菜、油菜種子萌發(fā)率高于對照組；當Cu2+在濃度達到800 mg/L時，三種植物萌發(fā)率均低于50%，說明此時的重金屬脅迫強度下三種植物已經(jīng)無法正常萌發(fā)生長。當Cu2+濃度高于100 mg/L時，出現(xiàn)根尖發(fā)黑、根長變短、根毛數(shù)量減少直至消失等現(xiàn)象。當Cu2+濃度達到500 mg/L以上時，部分種皮不脫落，種子未萌發(fā)。

在重金屬Cd的脅迫下，三種植物種子的萌發(fā)率受Cd2+影響相對較小。但相比對照組，種子萌發(fā)速度受到一定影響。隨Cd2+濃度逐漸升高，種子萌發(fā)速度受到抑制：Cd2+的濃度越高，種子萌發(fā)周期越長。白菜在Cd2+濃度為10 mg/L處理下，萌發(fā)在3.5 d之內(nèi)完成；在Cd2+濃度為200 mg/L處理下，萌發(fā)在4.5 d之內(nèi)完成。三種植物首先完成種子萌發(fā)過程的是白菜，其次是油菜，最后是蘿卜。

總體而言，不同濃度下重金屬Cu和Cd對蘿卜、白菜和油菜種子萌發(fā)影響不同。低濃度下(Cu2+濃度為20 mg/L、Cd2+濃度為25 mg/L)促進三種植物生長，當重金屬濃度增高表現(xiàn)出抑制作用，并隨重金屬濃度上升，抑制作用增強。

2.2 重金屬Cu對三種植物株高、根長的影響

由表1可見，隨著Cu2+濃度逐漸升高，三種植物株高大致呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，根長逐漸降低。油菜幼苗株高和根長平均值分別為27.18 mm、72.87 mm；當Cu2+濃度為20 mg/L時，株高、根長分別為29.56 mm、60.97 mm，株高相比對照組增加8.76%，根長相比對照減少16.33%；當Cu2+濃度為50 mg/L時，株高、根長分別為21.60 mm、32.94 mm，與對照組相比分別減少20.53%、54.80%，變化差異顯著(P<0.05)；當Cu2+濃度為300 mg/L時，株高、根長分別為6.52 mm、4.57 mm，與對照組相比分別減少76.01%、93.73%，差異顯著(P<0.05)。試驗表明，隨著重金屬濃度的增加，三種植物生長受抑制作用逐漸增大。

表1 不同濃度Cu2+對蘿卜、白菜、油菜株高、根長的影響

三種植物的根和地上部在高濃度的重金屬Cu處理下生長受到抑制，其中根長所受抑制作用更為明顯。如表2所示，在Cu2+濃度為100 mg/L處理下，蘿卜、白菜、油菜根長耐性指數(shù)為59.11%、41.41%、45.20%，蘿卜耐性指數(shù)高于50%，說明蘿卜對此濃度Cu2+處理具有較強耐性。Cu2+濃度為100 mg/L時，蘿卜、白菜、油菜株高分別為對照組的57.70%、70.18%、50.00%，根長分別為對照組的30.96%、10.80%、15.08%，重金屬Cu對根長的抑制作用明顯大于株高。

表2 不同濃度Cu2+對蘿卜、白菜、油菜株高、根長耐性指數(shù)(TI)的影響

三種植物種子萌發(fā)結(jié)束后保持原狀，發(fā)現(xiàn)幼苗形態(tài)如圖7所示，當Cu2+濃度大于300 mg/L時，Cu2+脅迫下三種植物根系受到明顯抑制作用，出現(xiàn)根尖發(fā)黑現(xiàn)象，根須減少甚至消失。當Cu2+濃度為800 mg/L時，三種植物尤其是蘿卜幾乎不展葉，根長最短。其中白菜根長為0.0 mm，植株無法長久生存。

由表3可見，重金屬Cd對三種植物株高、根長的脅迫與重金屬Cu脅迫變化規(guī)律類似，三種植物隨著Cd2+濃度逐漸升高株高大致呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，根長則逐漸降低。對照組蘿卜幼苗株高和根長分別為37.54 mm、101.43 mm；在10 mg/L Cd2+處理下，其株高、根長分別為37.58 mm、85.41 mm，株高相比對照組增加0.11%，根長相比對照組降低15.79%；在25 mg/L Cd2+處理下，株高、根長分別為30.89 mm、68.04 mm，與對照組相比分別降低17.71%、32.92%，差異顯著(P<0.05)。

表3 不同濃度Cd2+對蘿卜、白菜、油菜株高、根長的影響

Cd脅迫對地下部伸長的抑制高于地上部。如表4所示，當Cd2+濃度為25 mg/L時，三者根長相比對照組降低67.08%、48.81%、76.30%，蘿卜、油菜地下部的耐性指數(shù)高于50%，說明蘿卜、油菜對此濃度Cd2+具有較強耐性。當Cd2+濃度為50 mg/L時，蘿卜、白菜、油菜株高分別比對照組降低25.07%、25.10%、1.75%，蘿卜、白菜、油菜根長相比對照組降低53.76%、71.08%、49.39%；當Cd2+濃度為100 mg/L時，蘿卜、白菜、油菜根長相比對照組降低77.62%、94.82%、86.29%。與對照相比，在Cd2+處理下三種植物根長受抑制作用較強，且隨著Cd2+含量的上升，毒害作用加強。

表4 不同濃度Cd2+對蘿卜、白菜、油菜株高、根長耐性指數(shù)(TI)的影響

觀察三種植物種子萌發(fā)結(jié)束后的幼苗形態(tài)(圖8)發(fā)現(xiàn)，在高濃度Cd2+(大于100 mg/L)處理下，根長度變短甚至發(fā)霉，幼苗無法長期正常生長。

2.3 重金屬Cu、Cd對三種植物生物量的影響

不同濃度重金屬Cu處理對三種植物幼苗生物量的影響如表5所示。隨著重金屬Cu、Cd濃度逐漸升高，三種植物地上部鮮重和干重基本呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，地下部生物量逐漸減少。經(jīng)差異性分析可知，蘿卜、白菜、油菜與重金屬含量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。對照組處理的白菜幼苗地上部鮮重和干重分別為11.8 mg、1.0 mg，當Cu2+濃度為20 mg/L時，白菜幼苗地上部鮮重和干重分別為12.2 mg、1.1 mg，相較對照組增加3.38%、10.00%；當Cu2+濃度為300 mg/L時，白菜幼苗地上部鮮重和干重分別為6.2 mg、0.8 mg，相較對照組降低47.46%、20.00%。因此當Cu2+濃度為20 mg/L時促進白菜幼苗地上部的生長發(fā)育，Cu2+濃度達到或超過50 mg/L時，抑制白菜幼苗的生長。對照組處理的白菜幼苗地下部鮮重和干重分別為4.2 mg、0.6 mg，當Cu2+濃度為50 mg/L時，白菜幼苗地下部鮮重和干重分別為2.2 mg、0.4 mg，相較對照組降低45.45%、33.33%，因此重金屬Cu處理對白菜幼苗地下部的生長產(chǎn)生抑制作用。

表5 不同濃度Cu2+對蘿卜、白菜、油菜生物量的影響

由表6可見，在六種不同濃度Cd2+的處理下，蘿卜、白菜、油菜在不同濃度Cu2+處理下變化規(guī)律基本一致。三種植物地上部鮮重和干重先升高后降低，地下部鮮重、干重逐漸降低。對照組處理的油菜幼苗地上部鮮重和干重分別為32.1 mg、3.6 mg，在10 mg/L Cd2+處理下，油菜幼苗地上部鮮重和干重分別為36.1mg、4.0 mg，相較對照組增加12.46%、11.11%；在100 mg/L Cd2+處理下，油菜幼苗地上部鮮重和干重分別為22.8 mg、2.7mg，相較對照組降低28.97%、25.00%，因此當Cd2+濃度達到或超過100 mg/L時對油菜幼苗地上部的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著抑制作用(P<0.05)。對照組處理的油菜幼苗地下部鮮重和干重分別為6.5 mg、1.1 mg，在100 mg/L Cd2+處理下，油菜幼苗地下部鮮重和干重分別為2.8 mg、0.5 mg，相較對照組降低56.92%、54.55%，因此重金屬Cd處理抑制油菜幼苗地下部的生長。

表6 不同濃度Cd2+ 對蘿卜、白菜、油菜生物量的影響

3 討論

重金屬污染已成為當今生態(tài)保護亟待解決的問題，尤其是土壤中重金屬含量超標將破壞植物組織生理代謝，阻礙甚至抑制植物正常生長。從生理學(xué)角度出發(fā)，植物種子萌發(fā)是其生長進程的開端，是植物受重金屬脅迫的最初始時期，是研究重金屬脅迫機理的較好階段[20]。

實驗結(jié)果表明，Cu2+濃度在20 mg/L、Cd2+濃度為25 mg/L對白菜、油菜植物種子萌發(fā)個數(shù)呈現(xiàn)促進作用；隨Cu2+和Cd2+濃度提高抑制種子萌發(fā)。當Cu2+濃度達到800 mg/L、Cd2+濃度達到200 mg/L時對三種植物生長抑制作用達到顯著水平(P<0.05)。在低濃度重金屬Cu、Cd脅迫下，三種植物株高、根長與對照相比略有增加，說明三種植物均能抵抗低濃度Cu2+和Cd2+的脅迫，對其具有較強的耐性。重金屬對三種植物種子萌發(fā)影響的規(guī)律普遍為低濃度促進高濃度抑制。Cu是植物生長所必須的微量元素，一定范圍濃度下利于植物生長發(fā)育，Cd是植物生長的非必須元素，低濃度的Cd2+處理在三種植物正常生長需要的濃度范圍之內(nèi)，對其生長有利；若Cd2+的濃度超過此范圍，則對其生長有害。這與張義賢[21]研究汞、鎘、鉛脅迫對油菜的影響結(jié)果一致。根系受到溶液中Cu2+毒害，其生長和對營養(yǎng)元素的吸收被抑制，影響水分運輸，擾亂酶促反應(yīng)，降低萌發(fā)率[22]。低濃度的Cu2+和Cd2+，可以刺激相關(guān)酶的活性，利于植物根尖細胞有絲分裂，促進植物正常生長[23]。白菜和油菜在較高濃度Cu2+和Cd2+處理下生物量降低量低于蘿卜，同等條件下表現(xiàn)出對Cu2+和Cd2+較強的耐性。

對于生長在重金屬污染土壤中的植物而言，植株高度是判斷其耐受性大小的指標之一。根是植物生長過程中重要的吸收器官，根過低的生長量將導(dǎo)致其無法正常完成后續(xù)的生長進程[24]。三種植物株高、地上部鮮重、地上部干重在Cu2+濃度為20 mg/L、Cd2+濃度為25 mg/L處理下高于對照組，Cu2+和Cd2+濃度升高，其生物量呈現(xiàn)下降趨勢。Cu2+和Cd2+脅迫對三種植物幼苗生長的抑制效果為:根長>株高。實驗中還發(fā)現(xiàn)，在高濃度的Cu2+和Cd2+處理下，三種植物的株高、根長及其生物量相比對照組均有明顯下降，且在三種植物幼苗生長發(fā)育過程中，對根長的抑制作用更加明顯，Cd2+的毒害作用大于Cu2+。這與龔寧[25]等人的實驗研究結(jié)果基本一致。Cu2+和Cd2+對植物根系具有抑制作用，根作為植物幼苗汲取營養(yǎng)的器官，與污染物直接接觸，使植物暴露于過量重金屬離子環(huán)境中，影響根對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時根的生長受到抑制[26]。

4 結(jié)論

本實驗通過種子萌發(fā)實驗，探究重金屬Cu和Cd對蘿卜、白菜和油菜三種十字花科植物種子萌發(fā)的影響，初步判斷其對重金屬Cu和Cd的耐性。低濃度Cu和Cd(Cu2+濃度為20 mg/L、Cd2+濃度為25mg/L)處理對三種植物的種子萌發(fā)率、株高、根長、生物量呈現(xiàn)促進作用，高濃度(20 mg/L油菜>白菜，三種植物對Cd的耐性大小為油菜>蘿卜>白菜。

因此，三種十字花科植物對重金屬Cu和Cd具有一定的耐受性，但植株對重金屬脅迫的耐受能力十分復(fù)雜，除同種植物不同植株之間其適應(yīng)性存在一定差異，還受生長環(huán)境中其它因素影響，因此關(guān)于蘿卜、白菜和油菜對重金屬的耐受機理及十字花科植物對重金屬污染土壤的修復(fù)等方面還有待更深入的研究。