镉胁迫对沙棘种子萌发与幼苗生长影响研究初报

王梓瑜，李林山，狄 龙，张高如，段义忠

(1. 榆林学院 陕西省陕北矿区生态修复重点实验室；2.榆林市林业和草原局/榆林市林业产业开发中心, 陕西 榆林 719000)

镉(Cd)是一种分布范围广、污染面积较大的重金属元素[1]，通过冶炼、电镀、塑料、颜料等工业生产方式排放[2]。目前，我国Cd污染农田面积约13.0×104hm2，涉及全国11个省(市)的25个地区[3]，且镉容易通过食物链在人体内积累，严重危害身体健康[4]，且具有在环境中分解周期长(半衰期超过20 a)、移动性大、毒性高、难降解等特点，所以修复被镉污染的土壤已成为急需解决的问题[5]。近年研究表明，植物可通过降低对Cd的吸收、区域化分布、络合等减轻或消除Cd毒害[6]。选择耐镉植物大多从成苗期开始，从种子萌发期者较少，而种子萌发是植物生命周期的一个重要阶段，此期生长状况直接关乎后期的生长和发育，探究种子萌发期和幼苗生长初期对重金属的生理响应显得更实际[7]。

沙棘(Hippophaerhamnoides)又称醋柳、醋溜溜，为胡颓子科沙棘属(Hippophae)落叶灌木[8]，具有生命力强、根系发达、耐干旱和抗风沙等特性，在我国南北均有分布，总面积超过2.133万平方千米，黄土高原是其分布中心[10]，可在盐碱化等很多特别恶劣的土地环境中生存，常被用在生态修复、防沙治理、煤矿区复垦等[9]，对我国西部水土流失治理和生态环境修复具有重要意义[10]。为给陕北煤炭开采区镉污染土壤的生物治理提供依据，我们进行了镉对乡土树种——沙棘的种子萌发及幼苗生长的影响研究，结果如下。

1 材料与方法

1.1 数据材料的来源

供试的沙棘品种为“深秋红”，种子2021年秋季种子成熟时采自于内蒙鄂尔多斯达拉特旗，精选后均匀饱满、无病虫危害及损伤。

1.2 试验设计与实施

Cd2+胁迫溶液的浓度设为6个梯度处理，即10、20、40、80、100、200 mg·L-1，去离子水处理作为对照 (CK)，每个处理3次重复，每个重复50粒种子。

采用纸上发芽的方式进行不同浓度处理对沙棘种子萌发和幼苗生长影响试验[11]。实验时先用0.1%高锰酸钾溶液消毒15 min；用蒸馏水冲洗3次；随后用75%酒精再消毒30 s，用蒸馏水再冲洗3次[12]。最后用镊子将其整齐地摆放在铺有两层滤纸的玻璃培养皿中，采用移液管滴加不同质量浓度的CdCl2溶液，滴加量以滤纸和种子湿润为宜，置于恒温培养箱内遮阴培养，每隔48 h更换一次处理液以保持一定湿度。

实验开始后，每天观察、记录1次种子发芽或幼苗生长情况，并随时根据情况给培养皿中添加水分，保障种子萌发、幼苗生长正常。处理后第10、13、15 d，每个处理分别随机抽10个幼苗，用游标卡尺测定根长及芽长[13]。

1.3 指标及其测定

种子发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数按常规方法[14]计算。种子萌发以胚根突破种皮0.5 mm为标准，试验期间对种子发芽情况及幼苗生长情况进行观测并记录，计算不同浓度Cd2+处理后的萌发指标值。

1.4 数据整理与分析

数据均为3次重复的算术平均值，采用SPSS 23.0统计分析软件进行相关数据的分析及差异显著性检验，采用Word软件绘图。

2 结果分析

2.1 镉对种子发芽的影响

2.1.1 发芽率 由表1可知，在不同浓度Cd2+胁迫下，沙棘种子发芽率随着镉浓度的升高呈现先增高后降低的趋势，即在Cd2+浓度低于40 mg·L-1条件下，镉浓度越高发芽率越高，在40 mg·L-1时达到峰值(49.33%)，较对照提高10.43%；之后随镉浓度升高发芽率越来越低，并在200 mg·L-1达到最低值(35.33%)，但分析发现，不同处理浓度及对照之间种子发芽率差异不显著 (P>0.05)。

2.1.2 发芽势 由表1可知，沙棘种子的发芽势随着镉浓度的升高也呈现先增高后降低的趋势，但在溶液浓度为40 mg·L-1时达到最高值(27.33)，较对照组提高7.8%；在200 mg·L-1处达到最低值(22.67%)，发芽势各处理组间无显著差异(P>0.05)，不同处理浓度及对照之间种子发芽势差异也不显著 (P>0.05)。

2.1.3 发芽指数 该指标能反映种子萌发的快慢和整齐程度[14]。表1显示，对照组沙棘的发芽指数为26.15，当Cd2+浓度为10、20、40、80、100、200 mg·L-1时沙棘种子发芽指数分别为22.54、23.87、21.34、20.85、20.23、19.90，与对照组相比依次降低了13.80%、8.72%、18.39%、20.27%、22.64%、23.90%，分析发现，不同处理浓度及对照之间种子发芽指数差异不显著 (P>0.05)。

表1 不同浓度Cd2+胁迫下的沙棘种子萌发情况

2.2 镉对幼苗生长的影响

2.2.1 芽 由表2可知，Cd2+胁迫对沙棘种子萌发后幼苗的芽长影响较大。沙棘幼苗的芽长随着Cd2+浓度的升高，呈现出先降低后升高再下降的趋势。在Cd2+浓度为10、40 mg·L-1时，芽长较对照组相比无显著差异(P>0.05)，但在20、80、100、200 mg·L-1Cd2+胁迫处理下较对照组呈显著下降趋势(P<0.01)。对照组沙棘种子的芽长为27.32 mm，当Cd2+浓度为10、20、40、80、100、200 mg·L-1时，芽长与对照组相比降幅分别为14.20%、42.30%、11.90%、52.60%、83.89%、90.80%；Cd2+溶液浓度为40 mg·L-1时，对芽长有明显的刺激作用，由此可以得出：该浓度对种子的芽长起着促进生长作用；当Cd2+浓度提高到一定浓度时，芽的生长明显受到抑制，整体表现为“低浓度促进，高浓度抑制”，这可能是由于低浓度Cd2+对沙棘刚发芽的幼苗芽生长没有影响，也就是说幼苗芽对低浓度Cd2+有抵抗或适应作用；当Cd2+浓度再升高就对幼苗芽生长产生拟制，之后当Cd2+浓度稍微再升高时苗芽又适应了稍高的Cd2+浓度环境，即产生了抗性，或毒性兴奋效应[15]，苗芽长度生长不再受影响，再当Cd2+浓度进一步升高超出一定阈值(40 mg·L-1)即超出苗芽适应范围后，对幼苗芽产生毒害，苗芽长度生长受到拟制，并随Cd2+浓度不断提升受害越重，苗芽长度越短。

表2 不同浓度Cd2+下沙棘幼苗根生长及活力指数

2.2.2 根 根系是植物吸收水分和营养物质的主要器官，其生长强弱直接反应植株整体的生长状况[15]。由表2可知，沙棘的根长随着Cd2+浓度的上升，呈现显著下降趋势(P<0.01)，且降幅较芽长更快，这说明Cd2+浓度越高，对根部生长的抑制作用就越强。对照组沙棘种子的根长是24.30 mm，当Cd2+浓度为10、20、40、80、100、200 mg·L-1时的根长分别为9.97、5.44、3.93、2.68、1.93、0.99 mm，与对照组相比降幅分别为58.97%、77.62%、83.81%、88.97%、92.06%、95.94%，并且随着镉溶液浓度的升高，根长的降幅呈现先快后慢趋势。当Cd2+溶液浓度为40 mg·L-1和80 mg·L-1时，幼苗根长开始出现黄化现象，且幼苗植株矮小；当培养液浓度为100、200 mg·L-1时，根系末端局部开始出现枯焦、发黑等现象。与苗芽相比，幼苗根长生长对不同浓度Cd2+的适应较简单或调节能力较差。

2.2.3 活力指数 该指标是表征种子活力的重要指标，可反应Cd2+胁迫对沙棘种子萌发的胁迫情况。由表2可知，与对照组活力指数(635.35)相比，当Cd2+浓度为10、20、40、80、100、200 mg·L-1时，降幅分别为62.27%、76.41%、86.90%、91.14%、93.95%、96.95%，并在浓度为200 mg·L-1时达到最低值(19.36)，各处理与对照相比均存在极显著的差异(P<0.01)。当Cd2+浓度为10、20 mg·L-1时，沙棘种子的活力指数显著降低，随着Cd2+浓度的升高，对活力指数的抑制作用越明显。

3 结论与讨论

3.1 结论

沙棘种子繁殖的幼苗的发芽势、发芽率对不同Cd2+浓度的响应均表现“低促高抑”效应，当Cd2+浓度为40 mg·L-1时，对沙棘的发芽率、发芽势都起到促进作用；不同浓度Cd2+胁迫处理对发芽指数无影响；当Cd2+浓度为10、20 mg·L-1时，沙棘种子的活力指数显著降低， Cd2+浓度升高，对活力指数的抑制作用越明显；沙棘幼苗的芽长度随着Cd2+浓度升高，呈现先降低后升高再又降低的趋势，Cd2+浓度为40 mg·L-1时，对芽长有明显刺激作用；根长随着Cd2+浓度的上升，呈现显著下降趋势，Cd2+浓度越高，对根部生长的抑制作用越强。

3.2 讨论

本研究在Cd2+胁迫下沙棘种子萌发和生长受到了不同程度的毒害作用，不同Cd2+浓度对沙棘的发芽势、发芽率的影响均表现“低促高抑”效应，浓度40 mg·L-1Cd2+对沙棘的发芽率、发芽势、芽生长都有不同的促进作用，说明本试验沙棘种子发芽时对低浓度Cd2+可能也产生了毒性兴奋效应[15]，与镉胁迫对吊兰(Chlorophytumcomosum)、银边吊兰(Chlorophytumcomosumvar.variegatu)的生长影响结果一致[17]，原因可能是低浓度Cd2+胁迫刺激胚导致其生理活性增强[16]。

本实验Cd2+浓度较低(<40 mg·L-1)时，沙棘的发芽率、发芽势、发芽指数基本不受影响，这是因为种子发芽初期主要依靠吸水作用使得胚芽冲破种皮，基本不利用外界营养和重金属离子，重金属的影响也就微弱，与镉胁迫对多个小麦(Triticumaestivum)品种种子萌发的影响结果[18]一致，但是种子发芽指数、活力指数随Cd2+浓度的增高而不断下降，同时低浓度Cd2+对幼苗生长的刺激效应随幼苗生长时间延长会逐渐消失。Cd2+浓度较高(>40 mg·L-1)时，抑制效应逐渐增强，幼苗的各项指标均随着浓度的增高而降低[19]，并在200 mg·L-1处达到最低值，原因可能是Cd2+浓度过高会抑制种子内贮藏淀粉和蛋白质分解，从而影响种子萌发所需要的物质和能力[20]。

虽然种子发芽率、发芽势、发芽指数受Cd2+的影响不显著，但是种子萌发后其胚根伸长和胚芽生长均受Cd2+显著影响[21]。本研究中，随着Cd2+溶液浓度的增加，沙棘的根长和芽长均显著降低，且根长的受抑制程度高于芽长，与菠菜(Spinaciaoleracea)和油菜(Brassicacampestris)的早期生长规律[22]一致，原因可能是种子吸胀萌动时，胚根快速吸水伸长并最先突破种皮，使根的Cd2+积累量、受Cd2+胁迫时长大于芽，对重金属污染的反应更直接、敏感[21]。本研究结果显示Cd2+胁迫随浓度变化对沙棘种子萌发及幼苗生长的影响发育较为复杂，其中的生理生化原由还待进一步研究总结。