不同浓度汞对3种水生植物根系构型的影响

周童+万可+王从梅+王瑞莹+王波

摘 要：采用液培法研究不同浓度的HgCl2（0，1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1）对水慈姑等3种水生植物幼苗根系构型的影响。结果显示：随着营养液中HgCl2浓度的升高，水慈姑和大花美人蕉根系总长呈先增加后降低的趋势，在2.5 mg·L-1（HgCl2）时达最大值；水生鸢尾根系总长则随着HgCl2浓度的增加呈持续下降；水慈姑的根系总体积、根系总表面积和根系直径随着营养液中HgCl2浓度的升高呈先增加后下降的趋势，且均在2.5 mg·L-1（HgCl2）时达最大值，而大花美人蕉和水生鸢尾的则持续减小。由此可见，大花美人蕉、水生鸢尾对溶液中HgCl2胁迫敏感，水慈姑在低浓度的HgCl2胁迫下钝感，在较高浓度的HgCl2胁迫下敏感。

关键词：水慈姑；大花美人蕉；水生鸢尾；汞胁迫；根系构型

中图分类号：Q945 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.12.002

Abstract：The influence of various concentrations （0，1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1） on the root system architecture of three types hydrophyte was investigated. The result showed that with the increasing of HgCl2 concentrations in nutrient solutions， the total length of Sagittaria sagittifolia L. and Canna generalis Bailey roots increased， and the highest values were observed at 2.5 mg·L-1 HgCl2 in nutrient solutions， while with the further increasing of HgCl2 concentrations in nutrient solutions， the total length of roots continued to decrease. However， with the increasing of HgCl2 concentrations in nutrient solutions， the total length of Iris pseudacorus L. roots continued to decrease. With the increasing of HgCl2 concentrations in nutrient solutions， the average diameter， total volume of roots and surface area of Sagittaria sagittifolia L. presented increasing first and then decreasing tendency. While， with the increasing of HgCl2 concentrations in nutrient solutions， these characters of Canna generalis Bailey and Iris pseudacorus L. continued to decrease. The results of this research could provide a theoretical basis for exploring the adaptation of hydrophyte under HgCl2 stress.

Key words： Sagittaria sagittifolia L.； Iris pseudacorus L.； Canna generalis Bailey； mercury stresses； root system architecture

中国是世界上最大的汞的生产、消费国[1]。据统计，我国每年汞消费量超过1 000 t，约占世界消费总量的40%[2]。在消费过程中产生了大量的汞排放，约占世界汞排放量的1/4[3]，其中一部分带来了汞污染。已有研究表明：眼子菜、金鱼藻[4]、水芹和羽毛草等[5]水生植物对水体重金属污染都具有耐受性和富集能力[6]。本研究以水慈姑（Sagittaria sagittifolia L.）、大花美人蕉（Canna generalis Bailey）、水生鸢尾（Iris pseudacorus L.）为试验材料，测定不同浓度HgCl2胁迫下对这3种水生植物根系构型的影响，以期进一步挖掘其对汞污染的修复能力并在该方面提供科学理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

将打捞上來的水慈姑、大花美人蕉、水生鸢尾幼苗于1/2霍格兰氏培养液中驯化1周测量其鲜质量，挑选出个体、长势以及鲜质量接近的幼苗作为研究材料。

1.2 试验设计

设定0，1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1梯度HgCl2浓度处理，每个处理3个重复，每个重复3株幼苗，并尽量避免3株幼苗叶片重叠。每天加2～5滴双氧水以增加培养液中溶氧量。连续培养1个月后对其根系构型进行分析。

1.3 测定项目与数据处理方法

采用Epson Perfection V700 Photo根系扫描仪进行根系扫描。采用WinRHIZO分析软件，分析其根系长度、根系直径、根尖数、根系表面积和根系体积的变化。endprint

取3个重复的数据平均值为试验结果，数据库的建立和绘图采用Excel软件；显著性差异分析和方差分析采用SPSS 17.0统计软件。

2 结果与分析

2.1 不同浓度汞对根系总长的影响

图1显示，随着营养液中HgCl2浓度的增大，水慈姑和大花美人蕉的根系总长均呈现持续上升并在2.5 mg·L-1时达最大值，然而随着营养液中HgCl2浓度的进一步增加，水慈姑和大花美人蕉的根系总长度反而逐渐下降。水慈姑1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1浓度处理的根系总长分别为CK的101.57%，103.28%，101.66%，95.71%，89.98%，84.74%和81.85%。大花美人蕉各浓度处理的根系总长分别为CK的101.71%，106.68%，101.27%，91.98%，88.99%，84.75%和78.47%。这表明，低浓度的HgCl2对于这两种植物根系总长的增加具有促进作用，然而随着HgCl2浓度的进一步增大，则显著抑制其根系总长的增加。随着HgCl2浓度的升高水生鸢尾的根系总长逐渐下降，各浓度处理的根系总长分别占CK的99.04%，76.77%，59.91%，57.16%，54.77%，50.69%和45.31%。这表明，低浓度的HgCl2对水生鸢尾根系总长影响明显，但随着HgCl2的进一步增大，显著降低其根系总长。

2.2 不同浓度汞对根系总体积的影响

图2显示，随着营养液中HgCl2浓度的增大，水慈姑的根系总体积呈现上升的趋势，并在处理B时达最大值，然而随着HgCl2浓度的进一步增加水慈姑的根系总体积反而逐渐下降。水慈姑1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1浓度处理分别为CK的107.76%，114.61%，104.76%，102.37%，94.44%，83.38%和67.12%，除10.0 mg·L-1处理较CK差异不显著外，其它各处理均较CK差异显著。这说明，低浓度的HgCl2显著增大了水慈姑的根系总体积，然而，随着HgCl2浓度的进一步增大却抑制了其体积的增大。随着营养液中HgCl2浓度的增大，大花美人蕉的根系总体积呈现逐渐下降趋势，各浓度处理的根系总体积分别占CK的96.26%，87.75%，83.76%，78.74%，73.53%，65.95%和36.05%，且各组间处理差异显著。这说明，HgCl2浓度的变化可显著影响大花美人蕉根系总体积。随着营养液中HgCl2浓度的增大，水生鸢尾的根系总体积呈现上升的趋势，并在处理10.0 mg·L-1时达最大值，然后随着HgCl2浓度的进一步增加水慈姑的根系总体积反而逐渐下降。水生鸢尾各浓度处理的根系总体积分别占CK的101.50%，93.58%，82.97%，74.16%，68.34%，59.47%和57.54%，表现出与水慈姑相类似的结果。除10.0 mg·L-1处理较CK差异不显著外，其他各组间处理差异均显著。这说明，低浓度的HgCl2对水生鸢尾的根系总体积影响不显著，然而，随着HgCl2浓度的增大则抑制了其体积的增长。

2.3 不同浓度汞对根系总表面积的影响

图3显示，与对照相比，随着营养液中HgCl2浓度的增大，水慈姑的根系总表面积持续上升，并在处理2.5 mg·L-1浓度时达最大值，然而随着营养液中HgCl2浓度的进一步增加，水慈姑的根系总表面积反而逐渐下降。水慈姑处理1.0，2.5， 5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1浓度处理的根系总表面积分别为CK的105.27%，108.54%，102.92%，95.24%，91.79%，81.91%和65.95%，除2.5 mg·L-1浓度处理与CK差异不显著外，其它各处理与CK差异均达显著水平。这表明，低浓度的HgCl2显著促进了水慈姑根系总表面积的增加，然而高浓度HgCl2则抑制了其根系总表面积的增加。随着营养液中HgCl2浓度的增大，大花美人蕉的根系总表面积持续下降，各浓度处理根系总表面积分别为CK的96.66%，90.48%，87.09%， 77.70%，76.20%，69.99%和65.16%，各处理间差异均达显著水平。这说明，HgCl2浓度的加大对大花美人蕉根系总表面积有显著的抑制作用。与对照相比，随着营养液中HgCl2浓度的增大，水生鸢尾的根系总表面积持续上升，并在处理1.0 mg·L-1时达最大值，然而随着HgCl2浓度的进一步增大，水慈姑的根系总表面积反而持续下降，各处理根系总表面積分别为CK的101.51%，93.57%，82.98%， 71.49%，68.35%，59.49%和57.53%，除了1.0 mg·L-1浓度处理与CK差异不显著外，其它各处理间差异均达显著水平。这说明低浓度HgCl2对水生鸢尾根系总表面积的影响不显著，然而随着HgCl2浓度的增大，显著抑制其根系总表面积的增加。

2.4 不同浓度汞对根系直径的影响

图4显示，随着营养液中HgCl2浓度的增大，水慈姑的根系直径呈现上升的趋势，并在处理B时达最大值，然后随着HgCl2浓度的进一步增加水慈姑的根系直径反而逐渐下降。水慈姑1.0，2.5， 5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1浓度处理的根系直径分别为CK的106.06%，116.02%，103.90%，98.70%，94.37%，87.88%和79.65%，除了1.0 mg·L-1浓度处理与CK差异不显著外，其它各组间处理差异均显著。这说明，低浓度的HgCl2显著增大了水慈姑的根系直径，然而，随着HgCl2浓度的增大则抑制了其根系直径增大。大花美人蕉各浓度处理的根系直径分别是CK的103.03%，94.12%，90.74%，94.49%， 90.33%，85.37%和77.74%，且在处理1.0 mg·L-1时达到最大值。这表明，低浓度的HgCl2可以促进大花美人蕉根系直径的增加，然而，随着HgCl2浓度的增大反而抑制根系直径的增加。随着营养液中HgCl2浓度的增大，水生鸢尾的根系直径呈现上升的趋势，并在5.0 mg·L-1处理时达最大值，然后随着HgCl2浓度的进一步增加水生鸢尾的根系总表面积反而逐渐下降。水生鸢尾各浓度处理的根系总表面积分别占CK的133.74%，150.31%，155.83%，125.15%，85.28%，73.62%和63.80%，且各处理间差异显著。这表明，HgCl2浓度的变化对水生鸢尾根系直径有显著影响。endprint

2.5 不同浓度汞对根尖数的影响

图5显示，随着营养液中HgCl2浓度的增大，水慈姑的根尖数呈现上升的趋势，并在处理1.0 mg·L-1时达最大值，然而，随着HgCl2浓度的进一步增加水慈姑的根系总体积反而逐渐下降。水慈姑1.0，2.5， 5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1浓度处理的根尖数分别占CK的103.45%，103.45%，100%，106.90%，103.45%，96.55%，89.66%，除了40.0 mg·L-1和80.0 mg·L-1处理较CK差异显著外，其他各处理较CK差异均不显著。这说明，低浓度的HgCl2对水慈姑的根尖数影响不显著，然而，随着HgCl2浓度的增大却显著减少了其根尖数。随着营养液中HgCl2浓度的增大，大花美人蕉的根尖数呈现上升的趋势，并在处理2.5 mg·L-1时达最大值，然后随着HgCl2浓度的进一步增加，水慈姑的根尖数反而逐渐下降。大花美人蕉各浓度处理的根尖数除了20.0，40.0，80.0 mg·L-1处理较CK差异显著外，其它各处理较CK差异均不显著。这说明，低浓度的HgCl2对水慈姑的根尖数影响不显著，然而，随着HgCl2浓度的增大则显著减少了其根尖数。随着营养液中HgCl2浓度的增大，水生鸢尾的根尖数呈现上升的趋势，并在处理A时达最大值，然而随着HgCl2浓度的进一步增加水慈姑的根尖数反而逐渐下降。水慈姑各浓度处理的根尖数分别占CK的108.33%，100%，95.83%，87.50%，75%，66.67%和62.50%，除了10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1处理较CK差异显著外，其它各处理较CK差異均不显著。这说明，低浓度的HgCl2对水慈姑的根尖数影响不显著，然而，随着HgCl2浓度的增大则显著减少了其根尖数。

3 讨 论

被子植物拥有庞大的根系，根系不仅起支持和固着作用[7]，更是植物重要的吸收器官，可以满足对地上部分生长、发育的需求。根尖是其最活跃的部分，其数量的多少和损伤程度直接影响到植物对水分和养分的吸收[8]。本研究表明，不同浓度的HgCl2对3种水生植物的根尖数均有影响。低浓度的HgCl2就可以引起水生鸢尾根尖数的减少，而对大花美人蕉和水慈姑根尖数影响则不显著。但高浓度的HgCl2同样会引起3种水生植物根尖数的显著减少。已有的研究表明，植物根系的吸收能力还与它的形态分布有着密切的联系[9]。根是首先和重金属接触的部位，同时植物的根系也是对重金属进行吸收和富集的主要部位。植物根系可以通过调节自身根系的长度和直径来对汞胁迫作出适应。本研究表明，汞胁迫可以显著影响3种水生植物的根长和根系直径，总体表现为高浓度促进，低浓度抑制的趋势。造成这种现象的原因可能是由于低浓度的HgCl2对植物根系中的酶系统造成了影响，反而促进了植物根系的伸长和增粗。高浓度HgCl2导致植物根系长度显著减少的原因可能是由于植物根尖受到了破坏，由于其生长点受到破坏后影响了它的伸长。而根体积和表面积是评价植物根系形态分布的最主要指标。植物根系的体积大植物根系的辐射范围就大，因而获得水分和养分的能力就越强，相反则越弱。而植系的表面积则体现了与土壤中水分、养分接触的能力。通过本试验可以发现，汞胁迫对于3种水生植物根系表面积和体积表现出了一致性，表明汞胁迫在影响植物根系体积的同时也影响了其表面积的大小。低浓度的汞可以促进水慈姑根系的延伸和生长，而浓度较高时则起抑制作用。这与商海燕[9]研究重金属对水鳖根系影响的结果相一致。而水生鸢尾和大花美人蕉对重金属相对较为敏感，在汞浓度较低时就会引起此两种植物根系体积和面积的变小，起初的影响不显著，然而随着汞胁迫的进一步增加，导致水生鸢尾和大花美人蕉根系体积和表面积显著下降。植物的体积和表面积受到植物根系长度和根系直径的制约，高浓度引起3种水生植物根系面积和体积下降的直接原因则是根系长度发生显著变化。

研究表明，高浓度的HgCl2对3种水生植物根系长度、根尖数、根系表面积、体积和根系直径都产生了显著的影响。这说明，汞胁迫影响了植物根系细胞的分裂和生长，进而对植物体根系构型造成了显著的影响。植物根系构型遭到显著的破坏，最终的结果是导致植物生长受阻，生物量增长受到显著抑制[10]。

4 结 论

低浓度HgCl2可以促进3种水植物根系的生长，导致了其根系长度、根系直径、根表面积、根系体积的增加，但对植物根尖数的影响不显著。而高浓度的HgCl2则显著抑制了3种水生植物的增长，对上述指标均表现出显著的影响。这表明，低浓度的HgCl2对3种植物根系生长的促进效果不显著，但高浓度的HgCl2显著破坏了3种植物根系细胞。

参考文献：

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[10]毛齐正，杨喜田，苗蕾.植物根系构型的生态功能及其影响因素[J].河南科学，2008，26（2）：172-176.endprint