张书东 王宪菊 龙江英 凌立贞

摘要 [目的]研究两头毛的耐镉性。[方法]选取两头毛、小麦、韭菜和紫花苜蓿为研究材料，以蒸馏水为对照，在不同镉浓度（50、100、200、350和500 mg/L）下测定每种植物种子萌发的相关指标（萌发率、发芽势和发芽指数）;同时，利用平均隶属函数值综合评价这些植物的耐镉性。[结果]在镉胁迫下这4种植物种子萌发均受到明显抑制，且随着镉浓度的增加抑制作用逐渐增强。在100 mg/L镉胁迫下两头毛种子萌发受到明显抑制，而在50 mg/L时其他3种植物的种子萌发指标出现明显下降。隶属函数值结果显示，这4种植物的耐镉能力存在差异，由强到弱依次为两头毛、小麦、韭菜、紫花苜蓿。[结论]该研究结果可为两头毛在重金属镉土壤污染修复中奠定一定的基础。

关键词 两头毛;镉胁迫;种子萌发;影响

中图分类号 S567.23文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）08-0077-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.020

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Cadmium Stress on the Germination of Incarvillea arguta Seed

ZHANG Shu-dong，WANG Xian-ju，LONG Jiang-ying et al （School of Biological Sciences and Technology， Liupanshui Normal University，Liupanshui， Guizhou 553004）

Abstract [Objective]To study the cadmium resistance of Incarvillea arguta.[Method]Incarvillea arguta， wheat， leeks and alfalfa were selected as the research materials， and distilled water was used as the control， and the related indexes （germination rate， germination vigor and germination index） of various plant seeds were determined under different cadmium concentrations （50， 100， 200， 350 and 500 mg/L）; at the same time， the average membership function value was used to comprehensively evaluate the cadmium tolerance of these plants.[Result]Under cadmium stress， the seed germination of these four plants was significantly inhibited， and the inhibition gradually increased with the increase of cadmium concentration.Under the stress of 100 mg/L cadmium， the germination of the Incarvillea arguta seeds was significantly inhibited， while the seeds germination index of the other three plants decreased significantly at 50 mg/L.The membership function value results showed that the cadmium tolerance of these four plants were different， from strong to weak， they were Incarvillea arguta， wheat， leeks， and alfalfa.[Conclusion]The results of this study can lay a certain foundation for Incarvillea arguta in the remediation of heavy metal cadmium soil pollution.

Key words Incarvillea arguta;Cadmium stress;Seed germination;Effect

我國是一个农业大国，土壤是人类赖以生存的自然资源之一。然而随着工业的快速发展以及人类自身的活动，导致土壤重金属污染问题日益严重。重金属污染物主要包括汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、镍（Ni）、砷（As）、铯（Se）、铅（Pb）和锌（Zn）等[1]。根据2010年我国环境保护部、国家统计局和农业部联合发布的《第一次全国污染源普查公报》显示，我国重金属污染物的排放总量为0.09万t，每年由于重金属污染造成的直接经济损失超过200亿元[2-3]。在我国重金属污染中，污染最严重的是Cd、Hg、Pb和As。其中，Cd和As污染的比重最大，约占被污染耕地的40%[4]。目前，重金属污染问题已经成为国家议题。

Cd在自然界中主要存在于成硫镉矿中，主要是以硫化物、氧化物、磷酸盐形式与闪锌矿共存[5]。它本身并不具有毒性，在土壤中常会与羟基、氯化物形成络合离子而毒性增强。随着土壤Cd富集量的增加，Cd会伴随着植物—人类食物链的传递在人体内富集，导致各种疾病的发生，如食用“镉大米”“镉菜”能导致骨痛病，严重的甚至会危害生命健康[6]。土壤镉污染不仅能够影响土壤酶活性，而且影响土壤中微生物群落结构，直接造成土壤营养元素的供应不足和肥力下降[7-8]。另外，镉在植物体内过量积累也会严重影响植物的生长，通过破坏植株的叶绿素，使光合作用下降而导致植物生长缓慢、矮小和抑制根系生长等[9-10]。

在长期进化的过程中，自然界中一些植物能够在污染环境中如煤矿区生存。它们在受到镉毒害的同时，自身也产生了一系列适应毒害的机制。因此，这些具有高Cd污染环境适应能力的植物通常被用于作为修复土壤重金属污染的首选植物。调查研究发现两头毛（Incarvillea arguta （Royle） Rovle）作为一种能够在煤矸山生长的优势植物，具有富集多种重金属如Cd、Pb、Cu和Zn的能力[11]，其中两头毛的地下部分对Cd的富集能力要高于地上部分。两头毛是紫葳科（Bignoniaceae）角蒿属（Incarvillea）的一种多年生草本植物。两头毛全草入药，是我国少数民族如彝族常用的一种中草药。研究表明两头毛在多种疾病上都具有疗效，如肝炎、痢疾、跌打损伤、风湿骨痛、月经不调、解毒止痛、止血和消食健胃等[12]。长期以来的研究主要集中于对两头毛有效化学成分的分离、鉴定、药理方面[13-15]。随着对两头毛研究的深入，这种植物的开发利用价值逐渐被发掘出来。尽管两头毛能够在重金属污染的煤矸山上生长，但是对于两头毛在重金属胁迫下的研究还知之甚少。为此，该研究将利用不同浓度的镉离子对两头毛种子进行胁迫处理，测定其种子发芽率、发芽势和发芽指数，同时对比在相同条件下其他3种常见植物（小麦、紫花苜蓿和韭菜）种子的相关指标，探讨两头毛的耐镉性。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

该研究使用的种子来自两头毛、紫花苜蓿、韭菜和小麦4种植物。两头毛成熟的种子收集于贵州省六盘水市煤矸山，其余种子从网上购买。氯化镉（CdCl2·2.5H2O）购买于上海亿欣生物科技有限公司。

1.2 镉胁迫处理

选取籽粒饱满、大小均匀的两头毛、紫花苜蓿、小麦、韭菜种子，用75%乙醇消毒3 s，取出后用无菌水冲洗3～5次，放入无菌水中吸胀24 h后置于滤纸上晾干。然后用不同浓度的镉离子溶液（0、50、100、200、350、500 mg/L）进行处理。具体操作如下：在培养皿中铺垫2层滤纸，每种植物取100粒种子置于培养皿中并加入等量不同浓度的镉离子溶液（以浸湿滤纸为宜），用无菌水做空白对照。每个处理3个生物学重复。将培养皿置于20 ℃的人工气候箱内培養，每日滴加等量各溶液保持滤纸湿润，从种子播种之日起观察并记录每天种子发芽数。

1.3 测定指标计算方法

种子萌发率（Gr）=（发芽种子粒数/供试种子粒数）×100%（1）

种子发芽势（Gp）=（发芽高峰时发芽种子数/供试种子粒数）×100%（2）

发芽指数（Gi） =Gt/Dt（3）

式中，Gt为t天的萌发数;Dt为发芽日数。

1.4 镉耐性综合评价

相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数均为各处理发芽率、发芽势和发芽指数与对照相应指标之百分比。这些萌发指标被用于计算不同浓度下的隶属函数值X（μ）。同时，计算3个萌发指标的隶属函数值平均值，对每种植物的耐镉性进行综合评价。具体计算公式如下：

μ（Xij）=Xij-XjminXjmax-Xjmin（4）

=1nnj=1μ（Xij）（5）

式中，Xij为第i个植物物种第j项评价指标的测定值;Xjmin和Xjmax分别代表所有植物中第j个评价指标的最小和最大观察值;μ（Xij）为第i个植物物种第j指标的隶属函数值;n是指测定指标的数目;是一个植物物种的所有评价指标耐镉隶属函数值的平均值。平均耐镉隶属函数数值越大则表明该植物对重金属镉的耐性越强。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel进行原始数据处理，计算平均值和标准误差。所有的数据用软件SPSS 19.0 进行方差分析，用Duncans法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同浓度镉离子胁迫对4种植物种子萌发的影响

由表1可知，随着镉离子浓度的增加，4种植物种子萌发率均呈下降趋势。

两头毛在50 mg/L镉胁迫下萌发率为89.00%，与对照相比差异不显著;但在100 mg/L镉胁迫下，两头毛的种子萌发开始受到了明显的抑制，其萌发率下降至26.67%;当镉浓度超过200 mg/L时，两头毛种子萌发率均降至6.00%以下，与100 mg/L相比显著下降，但是高浓度镉胁迫之间没有显著差异。与两头毛不同的是，其他3种植物的种子在50 mg/L 的镉胁迫下，其萌发率与对照相比均有显著下降，如韭菜的萌发率从81.33%下降至24.67%;在100 mg/L的镉胁迫下，这3种植物种子的萌发率与对照相比下降了7倍，与50 mg/L和较高浓度（200～500 mg/L）的镉胁迫相比，均出现显著性差异。这些结果表明不同植物种子萌发对镉胁迫有不同的响应。但是，镉的浓度越高对这4种植物的种子萌发影响越大，且到了足够高的浓度时它们的种子几乎不萌发。

从表1可以看出，随着镉浓度的增加，这4种植物的发芽势和发芽指数的变化趋势与其萌发率基本一致，尤其是小麦和韭菜种子萌发的这3个指标在相同的镉浓度下都出现了相同的显著变化。而两头毛的发芽势和发芽指数分别在50和100 mg/L的镉胁迫下与对照相比均有显著差异，随着镉浓度的增加发芽势与100 mg/L相比无太大的变化，直到在500 mg/L高浓度镉胁迫下时才出现了明显下降;而发芽指数在高于100 mg/L的镉胁迫下均出现了显著下降。紫花苜蓿的发芽势和发芽指数在不同镉浓度的胁迫下发生的显著变化几乎与萌发率指标是一致的。

2.2 4种植物种子萌发的耐镉性综合评价

为了比较这4种植物种子萌发的耐镉性，该研究通过对不同植物的多个测量指标进行相对萌发率、相对发芽势和相对发芽指数的计算，并通过这些结果算出每个指标的隶属函数值，具体的数据见表2。从单个指标来看，两头毛的隶属函数值均是最高的，说明两头毛种子的耐镉性更高。通过计算每个植物种子萌发3个指标的隶属函数平均值，对这4种植物进行了耐镉性排名。从表2可以看出，两头毛种子萌发3个指标的隶属函数平均值是最高的，依次是小麦、韭菜和紫花苜蓿。这些结果表明这4种植物的耐镉性从强到弱依次是两头毛、小麦、韭菜、紫花苜蓿。

3 讨论与结论

镉对植物来说是一种有毒的重金属元素。植物对镉胁迫的响应主要取决于植物的种类和镉的浓度。种子萌发是植物生长的一个最初过程，能够最先感知和判断植物是否具有耐镉性[16]。因此，在镉胁迫条件下种子的萌发情况通常可以被用于反映植物对镉胁迫的耐性强弱。煤矿区煤矸石的长期堆放已经成为土壤重金属污染的一个主要来源之一。多年来人们致力于对煤矸石山进行植被恢复与重建，也是目前最经济实惠且行之有效的防治方法。经过调查，两头毛是六盘水煤矸山上自然生长的一种优势植物，且对多种重金属，尤其是镉具有较强的富集能力[11]。但是关于重金属镉对两头毛生长的影响还鲜见报道。在该研究中，测定在不同镉浓度胁迫下两头毛种子萌发的3个指标（萌发率、发芽势和发芽指数），并与3种常见植物（小麦、韭菜、紫花苜蓿）的相同种子萌发指标进行了比较。

该研究结果表明，在镉胁迫下这4种植物的种子萌发都受到了不同程度的限制。随着镉浓度的增加，抑制效应越明显，直至种子几乎不萌发。有研究表明，在低浓度镉胁迫（如≤50 mg/L）下一些植物的种子萌发有被促进的作用[17]。在该研究中设定的镉初始浓度是50 mg/L，因此，无法得到低浓度镉胁迫下促进种子萌发的结果。在该研究中，对比了两头毛与常见的作物、蔬菜和牧草在镉胁迫下种子萌发的情况以及耐性，试验结果表明在镉胁迫下两头毛种子比其他3种植物受到的影响都小，且显示出较高的耐镉性，其中，紫花苜蓿的耐镉性最低。杨姝等[18]研究表明紫花苜蓿对镉具有一定的耐性，但是不同的品种对镉的吸收和累积存在着较大的差异。如阿尔冈金和新疆大叶2个品种在5 mg/L的镉胁迫下种子萌发就受到了明显抑制[19]。相对而言，在该研究中小麦和韭菜具有较高的耐镉性。陈丽丽等[20-21]研究表明小麦种子和韭菜种子在相对较高浓度的镉胁迫下萌发受到抑制。从该研究结果来看，两头毛具有一定的耐镉性，且耐性比小麦、韭菜和紫花苜蓿的强，其耐镉的生理生化、分子机理还需要进一步研究。

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