张文娟 李悦 陈忠林 徐苏男 张利红

摘要 [目的]研究重金属胁迫对草坪草种子萌发及幼苗生理特性的影响。[方法]以高羊茅和黑麦草为研究对象，采用水培方法培养高羊茅和黑麦草幼苗，研究了重金属Pb、Zn、Cu、Cd单一胁迫及Pb+Zn、Cu+Cd复合胁迫对草坪草种子萌发和幼苗生理特性的影响。[结果]Pb对高羊茅种子萌发、呼吸强度以及黑麦草种子电导率、呼吸强度的影响大于其余处理；Zn可缓解Pb胁迫对高羊茅种子发芽率、电导率和幼苗鲜重以及黑麦草种子萌发、电导率和幼苗鲜重的伤害；Pb+Zn复合胁迫对高羊茅种子电导率和幼苗叶绿素a（Chl a）、叶绿素 b（Chl b）、叶绿素a+b（Chl a+b）的影响有拮抗效应；Zn胁迫对黑麦草幼苗叶绿素a（Chl a）和类胡萝卜素（Car）的合成无显著影响；Cu+Cd复合胁迫对高羊茅种子萌发和幼苗鲜重的影响有协同效应，对黑麦草种子发芽率和幼苗叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、叶绿素a+b（Chl a+b）的影响有拮抗效应。[结论]该研究结果可为今后重金属污染的治理提供理论依据。

关键词 重金属胁迫；草坪草；种子萌发；生理特性

中图分类号 S601 文献标识码 A 文章编号 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

隨着我国工农业的迅速发展，重金属污染日益严重，重金属污染容易通过食物链富集，对人类生存和健康产生重要影响。重金属污染防治已成为当今环境研究的热点之一[1-4]。

王翠香等[5]研究表明草坪草植物有一定的重金属积累能力。多立安等[6]认为在生态系统中草坪草在降低环境污染与生态保护方面发挥着极其重要的作用。高羊茅和黑麦草是我国常用的草坪草，具有良好的应用前景[7-8]。目前，关于草坪草在Zn、Cu、Pb、As等重金属单一胁迫下生理或生长指标及小麦、玉米等在重金属复合胁迫下生理指标的变化研究均有报道[9-13]，但关于重金属复合胁迫下高羊茅和黑麦草种子和幼苗生理指标的变化研究较少。

笔者以高羊茅和黑麦草为试验材料，研究重金属Pb、Zn、Cu、Cd单一胁迫及Pb+Zn、Cu+Cd复合胁迫对高羊茅和黑麦草种子萌发和幼苗生理特性的影响，以期为重金属污染的治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及其处理

高羊茅和黑麦草种子由沈阳市园林研究院草坪所提供。

将高羊茅和黑麦草种子用浓度5%的次氯酸钠溶液浸泡10 min，再用蒸馏水清洗数遍。选用直径10 cm的培养皿，皿内铺上定性滤纸作为发芽床，每个培养皿均匀放入100粒种子。用单一或复合重金属胁迫液（表1）浸泡种子，以蒸馏水为对照，每24 h更换浸泡液1次。采用光照培养箱变温模式培养，白天和夜间温度分别为28和20 ℃、光照周期为14 L∶10 D、80%相对湿度、光照强度 3 000 lx。3 d后测定种子发芽势，7 d后测定种子发芽率（以胚芽长度达到种子长度的50%为种子萌发的判断标准），14 d后测定高羊茅和黑麦草幼苗的鲜重及生理指标。

1.2 重金属胁迫液浓度的设置

重金属Zn、Pb、Cu和Cd溶液分别用分析纯ZnSO4·7H2O、Pb（NO3）2、CuSO4·5H2O、CdCl2·2.5H2O配制，水为去离子水，处理浓度的设置如表1所示，每个处理3次重复。

1.3 测定指标与方法

鲜重使用分析天平测量；种子呼吸强度的测定采用小篮子法[14]；电导率的测定采用电导仪法[15]；光合色素含量的测定采用分光光度法[16]。按照以下公式计算发芽势和发芽率：

发芽势=（前3 d发芽的种子数/供试种子数）×100%

发芽率=（前7 d发芽的种子数/种子的总数）×100%

1.4 数据处理

试验数据使用Excel软件录入，使用SPSS 17.0统计软件进行数据统计与分析。试验结果均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 重金属胁迫对高羊茅和黑麦草种子萌发的影响

由表2可知，重金属单一胁迫和复合胁迫均会抑制高羊茅种子的萌发，Pb、Pb+Zn、Cu+Cd胁迫处理使高羊茅种子发芽率分别下降82.00、51.00、49.00百分点，发芽势分别下降98.75%、93.75%和 72.50%。重金属单一和复合胁迫对黑麦草种子的影响与高羊茅相同，均抑制黑麦草种子萌发。Pb、Pb+Zn、Cu+Cd胁迫处理黑麦草种子发芽率较CK分别下降43.82%、29.21%和25.84%，发芽势较CK分别下降92.68%、92.68%和59.76%，除Zn处理外其余处理黑麦草种子发芽率均与CK存在显著差异。

2.2 重金属胁迫对黑麦草和高羊茅种子呼吸强度和电导率的影响

由表3可知，不同重金属胁迫对高羊茅种子呼吸强度产生不同程度的影响，Pb对高羊茅种子呼吸强度的影响最为明显，较CK下降42.65%，除Cu+Cd复合胁迫处理外其他胁迫处理与CK均存在显著差异，电导率在重金属胁迫下均有大幅上升，Cu和Pb胁迫处理黑麦草种子的电导率较CK分别上升176.30%和175.62%。Cu、Pb和Cu+Cd复合胁迫处理使黑麦草种子呼吸强度较CK分别下降40.96%、40.43%和36.17%，电导率在重金属胁迫下均有大幅度上升，Pb單一胁迫以及Pb+Zn、Cu+Cd复合胁迫处理黑麦草种子电导率较CK分别升高51.73%、43.54%和37.53%，除Zn单一胁迫外其他胁迫处理均与CK存在显著差异。

2.3 重金属胁迫对黑麦草和高羊茅幼苗鲜重的影响

由表4可知，重金属单一胁迫和复合胁迫对高羊茅幼苗鲜重均有抑制作用，且与CK均存在显著差异。Pb单一胁迫和Pb+Zn复合胁迫处理使高羊茅幼苗鲜重分别下降69.82%和55.62%。Pb和Cu单一胁迫处理对黑麦草幼苗鲜重的影响最为显著，其次为Pb+Zn、Cu+Cd复合胁迫处理，Pb、Cu单一胁迫以及Pb+Zn、Cu+Cd复合胁迫处理黑麦草幼苗鲜重较CK分别下降72.53%、71.67%、69.53%和69.53%，且与CK均存在显著差异。

2.4 重金属胁迫对高羊茅和黑麦草幼苗光合色素的影响

由表5可知，重金属单一和复合胁迫处理对高羊茅幼苗叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）与叶绿素a+b（Chl a+b）含量的影响趋势相似。Cu胁迫可促进Chl a、Chl b和Chl a+b的合成，其他处理Chl a、Chl b和Chl a+b含量较CK均有所下降。Pb胁迫对Chl a+b的抑制作用最强，其次为Zn胁迫，使高羊茅幼苗Chl a+b较CK分别下降63.39%和62.50%。重金属单一胁迫和复合胁迫对高羊茅幼苗类胡萝卜素（Car）有不同程度抑制，Zn胁迫使高羊茅幼苗Car较CK下降72.22%。

除Zn胁迫外，其余胁迫处理黑麦草幼苗Chl a均与CK存在显著差异，Cd胁迫使Chl a较CK下降82.61%，除Zn处理外其余胁迫处理黑麦草幼苗Chl b和Chl a+b含量均有所下降，Cd胁迫使黑麦草幼苗Chl b、Chl a+b含量较CK分别下降72.73%和80.00%，除Zn胁迫外其余胁迫处理黑麦草幼苗Car含量均有所下降，且均与CK存在显著差异。Pb+Zn、Cd、Cu+Cd复合胁迫处理黑麦草幼苗Car含量较CK分别下降90.48%、61.90%和57.14%。

3 讨论与结论

种子萌发和苗期是植物对外界环境因子的敏感期[17]，关于重金属对植物种子的萌发产生影响已有报道[18]。环境中重金属不是单独存在的，往往是多种污染成分同时出现，并且产生综合作用[19]。该研究结果表明，重金属胁迫均抑制高羊茅和黑麦草种子的萌发过程，与前人研究结果[6，8，20-21]相一致，高浓度重金属胁迫对植物淀粉酶和蛋白酶的活性产生抑制作用，从而影响植物代谢所需的能量和物质，致使种子萌发受到抑制。Pb+Zn、Cu+Cd复合胁迫均与单一胁迫处理存在显著差异，这说明复合胁迫处理对草坪草植物种子的毒害作用比单一胁迫处理严重，研究结果与杨玲等[20]相同。

Pb对高羊茅种子呼吸强度的抑制最严重，且Pb+Zn复合胁迫与Zn胁迫处理无显著差异，说明Zn可缓解Pb胁迫对高羊茅种子呼吸强度的影响，该试验结果与Peng等[22]研究结果相似，Cu和Pb严重影响黑麦草种子的呼吸过程，且Cu+Cd复合胁迫对黑麦草种子呼吸强度的影响大于Cu、小于Cd胁迫处理，Pb+Zn复合胁迫对呼吸强度的影响大于Zn、小于Pb胁迫处理，说明Cu可缓解Cd、Zn可缓解Pb对黑麦草种子呼吸的伤害。植物细胞膜系统是植物细胞与外界环境之间进行物质交换、信息交流的屏障和界面，其稳定性是细胞进行正常生理活动功能的基础。重金属胁迫会对植物细胞膜系统结构的完整性有所破坏，其透性的变化也反映细胞脂膜过氧化作用的强弱和脂膜的破坏程度，高羊茅种子电导率在重金属Cu、Pb、Cd胁迫下大幅上升，与前人研究结果[10，23-24]相似，且Pb+Zn复合胁迫比Pb、Zn单一胁迫对细胞膜的损害更为严重。这说明Pb与Zn同时存在加剧了对细胞膜的损害，Pb与Zn[25]在此过程中可能具有协同效应，黑麦草种子电导率在Pb胁迫处理下剧增，其次是Pb+Zn复合胁迫，Cu+Cd复合胁迫处理的电导率大于Cu、Cd单一胁迫处理，说明Zn胁迫能在一定程度上缓解Pb对细胞膜的伤害，Cu和Cd同时存在时加剧了对细胞膜的伤害。

高羊茅和黑麦草受到重金属胁迫时鲜重均有不同程度降低。Pb对高羊茅鲜重的抑制最为显著，与姚婧等[21]研究结果相一致；Cd对鲜重的影响与CK存在显著差异，说明Cd对高羊茅幼苗的生长和发育有明显毒害作用，与刘丽珍等[26]研究Cd对玉米幼苗的影响结果相一致；Pb+Zn复合胁迫处理对高羊茅鲜重的影响大于Zn、小于Pb胁迫处理，说明Zn可缓解Pb胁迫对高羊茅鲜重的伤害。重金属胁迫对黑麦草鲜重的影响与高羊茅相似，鲜重在重金属胁迫下均有所降低，Pb对黑麦草鲜重的抑制最为显著，其次为Pb+Zn复合胁迫处理，说明Zn能在一定程度上缓解Pb胁迫对黑麦草鲜重的抑制，Cu+Cd复合胁迫处理黑麦草的鲜重大于Cd、小于Cu胁迫处理，说明Cu可缓解Cd胁迫对黑麦草鲜重的伤害。

光合生理的变化可以衡量植物对重金属的耐受性[10]，叶绿素作为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强弱。Car为辅助色素，是叶绿素捕获光能的补充。该研究结果表明，重金属胁迫对高羊茅Chl a、Chl b与Chl a+b的影响趋势相似，Pb严重抑制高羊茅幼苗Chl a+b的合成，与前人研究结果[10，27]相一致，由于Pb2+可以降低叶绿素合成必需的原叶绿素酶的活性，或者替代叶绿素分子中的Mg2+，进而破坏叶绿素结构。Cu处理可促进高羊茅叶片Chl a、Chl b和Chl a+b的合成，Pb+Zn复合胁迫处理对Chl a、Chl b和Chl a+b的影响均小于Pb、Zn单一胁迫处理，说明Pb和Zn同时存在有拮抗效应，Zn处理严重抑制高羊茅Car的合成；除Zn胁迫处理外，其他胁迫处理黑麦草叶片Chl a含量均与CK存在显著差异，Cu+Cd复合胁迫处理对黑麦草叶片Chl a、Chl b和Chl a+b的影响均小于Cu、Cd单一胁迫处理，说明Cu和Cd共存时有拮抗效应，除Zn处理外其他胁迫处理黑麦草叶片Car含量较CK均有所下降，且达到显著差异；Zn对黑麦草幼苗Chl a和Car含量均无显著影响，说明Zn作为植物光合作用中叶绿素和相关酶类的非必需元素，当Zn浓度为150 mg/L时对黑麦草幼苗Chl a和Car的合成无显著影响。

综上所述，Pb严重抑制高羊茅种子萌发过程和幼苗鲜重，Zn可缓解Pb胁迫对高羊茅种子萌发、呼吸强度、电导率和幼苗鲜重的伤害，Pb+Zn复合胁迫处理对高羊茅幼苗Chl a、Chl b和Chl a+b的影响有拮抗效应，Cu+Cd复合胁迫处理对高羊茅种子萌发和幼苗鲜重的影响有协同效应；Pb对黑麦草种子萌发、电导率和幼苗鲜重的影响强于其余处理，Cd对黑麦草种子呼吸强度的抑制最显著，Zn对黑麦草幼苗Chl a和Car的合成无显著影响，Cu+Cd复合胁迫处理对黑麦草种子发芽率和幼苗Chl a、Chl b和Chl a+b的影响有拮抗效应。

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