Cu2+胁迫对象草种子萌发及幼苗生长的抑制

王小玲，刘腾云，高 柱，余发新，王碧琴

(江西省科学院生物资源研究所 江西省重金属污染生态修复工程技术研究中心，江西 南昌330029)

近年来，环境污染和生态破坏日益严峻，严重影响到人类的健康和生存，其中重金属对环境的污染和破坏尤为严重[1]。Cu是动植物生长发育必需的一种微量元素，也是具有一定微量元素功能的毒性元素，会在高浓度时对植物或微生物产生毒害[2-3]。Cu在环境中的含量一般较低，在非污染土壤和沉积物中为10～30 mg·kg-1，在非污染自然水体中低于2 mg·L-1。江西省环境保护局公布的数据显示，江西省土壤重金属Cu元素的背景值为20.8 mg·kg-1。然而，受采矿和冶炼工业的影响，矿区周围和附近流域的土壤存在重金属污染或潜在污染，优势水稻区域土壤中Cu含量最高达67.0 mg·kg-1，德兴铜矿区土壤Cu平均含量高达186.5 mg·kg-1，一些典型地区农田土壤中含Cu量最高可达3 755 mg·kg-1[4]。当重金属Cu在土壤中积累到一定程度时，就会对土壤-植物系统产生毒害和破坏作用，对植物生长、产量和品种均有较大危害，特别是被农作物吸收富集进入食物链后，会损害动物和人类的健康[5-6]。

象草(Pennisetumpurpureum)又名紫狼尾草，是热带和亚热带地区广泛栽培的一种多年生高产牧草，也是我国南方饲养畜禽的重要青绿饲料。近年来，许多地方都有种植象草作为能源植物的报道[7]。象草适应性较强、生长迅速、生物量大且营养价值较高[8]，在作为良种牧草及食用菌栽培原料[9]方面研究成果较多，但迄今尚鲜见其在重金属污染土壤防治方面利用的报道。种子萌发是植物生长的起点，也是对外界环境响应敏感的阶段，因此，本研究分析不同浓度Cu2+胁迫对象草发芽率及幼苗生长的影响，以期为热带和亚热带地区Cu污染土壤中种植象草的适应性研究提供参考。

1 材料与方法

1.1供试材料 供试材料为禾本科象草种子，购于浙江虹越花卉有限公司。用分析纯CuSO4·5H2O做培养液中Cu的来源，浓度以Cu2+计。试验于2012年3-8月在江西省观赏植物遗传改良重点实验室进行。

1.2试验方法

1.2.1种子预处理 随机取一定量种子，剔除杂质及瘪种，挑选出饱满一致的种子。先用自来水冲洗干净，再用蒸馏水浸泡2 h，然后用0.5%的高锰酸钾溶液表面消毒15 min，最后用蒸馏水冲洗干净，待用。

1.2.2溶液配制 称取一定量的CuSO4·5H2O配成100 mg·L-1的原液(以Cu2+的浓度计)，依次稀释成80、40、20和10 mg·L-1的溶液待用。

1.2.3胁迫处理 取待用种子，均匀摆放在铺有双层无菌定性滤纸，直径为10 cm的带盖培养皿中，每皿均匀摆放30粒。各培养皿分别加入10、20、40、80和100 mg·L-1的Cu2+溶液5 mL，等量蒸馏水作对照。放在温度为(28±2) ℃，光照为12 h·d-1、光照强度10 000 lx的培养箱中培养。每12 h用称量法加水一次，每处理3次重复。萌发试验在培养箱内进行，将萌发2 d后的种子幼苗各个在不同浓度Cu2+处理溶液中水培7 d，之后测定幼苗各项指标。

1.3测定指标和方法

1.3.1发芽率 12 h后，开始观察发芽情况，以后每3 h统计一次发芽数，第18小时统计发芽势，第27小时统计发芽率，并计算发芽指数。

发芽率=27 h内正常发芽的种子数/供试种子总数×100%；

相对发芽率=Cu2+胁迫处理发芽率/对照发芽率×100%；

发芽势=18 h内正常发芽的种子数/供试种子总数×100%；

相对发芽势= Cu2+胁迫处理发芽势/对照发芽势×100%；

发芽指数GI=∑Gt/Dt；

活力指数VI=GI×S；

抑制率=(对照指标值-处理指标值)/对照指标值×100%。

式中，Gt为在t日的发芽数，Dt为发芽天数，S为幼苗高度。

1.3.2胚芽鞘长度测量 萌发20 h后，胚芽鞘伸长至20～30 mm，切取5 mm胚芽鞘于各浓度梯度Cu2+处理培养皿中，等量蒸馏水作对照，每皿9段，每处理3次重复，于28 ℃下避光培养，分别在24、48、72和96 h时测量芽鞘切段长度。

1.3.3幼苗根长、苗高、鲜质量和干质量的测量 每处理随机挑选10株幼苗，先用电子游标卡尺分别测量根长和苗高，再用电子天平测其鲜质量，最后用锡箔纸包好于105 ℃杀青30 min后80 ℃烘至质量恒定，冷却称干质量。

1.4数据分析法 采用Sigmaplot 10.0和SPSS 16.0统计软件进行试验数据的处理及相关方差分析(ANOVA)。

2 结果与分析

2.1Cu2+胁迫对象草种子萌发的影响 各处理种子前18 h发芽率升高迅速，18 h后增幅逐渐变缓(图1)。前18 h，10、20和40 mg·L-1处理的发芽率均大于对照，80和100 mg·L-1处理发芽率低于对照，推测该现象与高浓度时象草为适应逆境条件使种子发育变缓有关。18 h后，发芽率先随着Cu2+胁迫的增加而升高，40 mg·L-1处理发芽率达最大(95%)，之后随Cu2+浓度继续增加发芽率逐渐降低，80 mg·L-1处理发芽率(88%)虽低于40 mg·L-1，却明显高于对照(79%)。

图1 Cu2+对象草发芽率的影响Fig.1 Effects of Cu2+ on germination percentage of Pennisetum purpureum

除100 mg·L-1Cu2+的处理外，其它处理相对发芽率和相对发芽势均大于对照(图2)。当Cu2+浓度从10 mg·L-1增加到40 mg·L-1时，相对发芽率和相对发芽势同时达到最高，分别为130%、120%，当Cu2+浓度继续升高到80 mg·L-1时，相对发芽率和相对发芽势分别降低到114%、111%。从相对发芽率和相对发芽势的变化规律可看出，象草种子萌发对重金属Cu2+具一定耐性。

Cu2+浓度10～40 mg·L-1时，象草种子发芽指数高于对照，Cu2+浓度≥80 mg·L-1则低于对照。各浓度象草种子活力指数均低于对照，且随浓度升高呈现下降趋势(表1)。

图2 Cu2+对象草相对发芽势和相对发芽率的影响Fig.2 Effects of Cu2+ on relative germination energy and relative germination percentage of Pennisetum purpureum

表1 Cu2+对象草发芽指数及活力指数的影响Table 1 Effects of Cu2+ on germination index and vigor index of Pennisetum purpureum

2.2Cu2+胁迫对5 mm胚芽鞘的影响 不同Cu2+浓度处理的5 mm象草胚芽鞘，在24、48、72和96 h时，不存在生长停顿或枯萎现象(图3)。低于80 mg·L-1的胚芽鞘生长速度高于对照，说明低浓度Cu2+胁迫对象草生长存在一定的促进作用，当浓度在80～100 mg·L-1时胚芽鞘生长低于对照，说明高浓度Cu2+胁迫对象草生长存在抑制作用，且强度随浓度增加而增强。其中20 mg·L-1处理24 h和48 h时，胚芽鞘最长，分别达6.58和6.99 mm，40 mg·L-1处理72 h和96 h后胚芽鞘长度达最大值，分别为7.86和8.08 mm。由此可知，低浓度Cu2+胁迫(< 80 mg·L-1)对胚芽鞘生长不存在抑制效应，象草能够较好生长，较高浓度Cu2+胁迫(≥ 80 mg·L-1)可抑制象草生长。

图3 Cu2+对象草5 mm胚芽鞘长度的影响Fig.3 Effects of Cu2+ on 5 mm length coleoptile of Pennisetum purpureum

2.3Cu2+胁迫对象草幼苗生长的影响 Cu2+处理对象草的苗高和根长表现出一定的抑制作用，并随浓度升高苗高和根长生长量均表现出降低趋势(表2)。

从第3天开始，随Cu2+浓度增加，幼苗从叶尖到基部逐渐由白亮变成微黄，直至叶片全部变成黄色、脱落。从第4天开始，随Cu2+浓度的增加，幼苗根逐渐萎缩变黑，在高浓度条件下(80～100 mg·L-1)，几乎看不到正常发育的幼根，根生长点已严重破坏，出现畸形甚至腐烂。由此说明，Cu2+对象草的抑制作用是从根开始的，通过抑制根的生长进而影响植株的生长(图4)。

表2 Cu2+对象草苗高及根长的影响Table 2 Effects of Cu2+ on seedling height and root length of Pennisetum purpureum

图4 Cu2+胁迫处理后第7天的象草幼苗形态Fig.4 Cu2+ stress treatment on seedling morphology of Pennisetum purpureum in the 7th day

Cu2+胁迫显著降低象草的鲜、干质量(图5)。10 mg·L-1时，象草幼苗的平均鲜、干质量分别为对照的77%、81%，与对照差异不显著，但20、40、80和100 mg·L-1单株鲜、干质量显著低于对照(P<0.05)，鲜质量分别为对照的54%、41%、30%和25%，干质量分别为对照的60%、51%、37%和33%。

2.4Cu2+浓度与抑制率的回归分析 象草苗高、根长、鲜质量和干质量的抑制率与Cu2+浓度显著正相关(P<0.05)(图6、7)。Cu2+污染对象草根长抑制率明显高于苗高，对鲜质量和干质量抑制率差异不明显。Cu2+胁迫下对根长的抑制作用大于苗高，表明Cu2+最先影响到根系生长，再迁移到地上部分，进而影响幼苗高度。

3 讨论与结论

重金属离子胁迫会影响草种萌发，进而对其生产产生影响。多立安等[10]发现，高浓度Cd和Pb抑制多年生黑麦草种子的萌发，而Cu和Zn抑制作用较小。王瀚等[11]在Cu胁迫条件下发现，萝卜种子的萌发并不表现出剂量依赖效应。象草种子萌发过程中，当Cu2+处理浓度小于80 mg·L-1时，促进萌发，高于80 mg·L-1时，抑制萌发。这与重金属在较低浓度下刺激种子萌发和高浓度下抑制种子萌发[12]的结论一致。

图5 Cu2+对象草幼苗鲜、干质量的影响Fig.5 Effects of Cu2+ on fresh and dry weight of Pennisetum purpureum

图6 Cu2+对象草苗高和根长抑制率的影响 Fig.6 Effects of Cu2+ on inhibition rates of seedling height and root length of Pennisetum purpureum

图7 Cu2+对象草鲜质量和干质量抑制率的影响Fig.7 Effects of Cu2+on inhibition rates of fresh and dry weight of Pennisetum purpureum

活力指数是反映种子品质的重要参数。象草种子活力指数随Cu2+浓度增加显著下降，说明Cu2+胁迫会影响象草幼苗品质。但总体来看，当Cu2+浓度升高到100 mg·L-1时，象草的萌发虽然受到抑制，但仍有78%的种子萌发，说明象草对Cu2+有一定的耐受性，可以尝试用象草来进行对Cu2+污染土壤的修复。

根系是植物最早感应重金属胁迫的部位，也是对重金属毒害响应最敏感的部位之一[13]。几乎所有的重金属元素都能通过植物根系进入植物体内，土壤中重金属含量的多少能够直接或间接地影响到根系的生长[14-15]。Cu2+对象草幼苗高度和根长表现出不同程度的抑制作用，抑制率与Cu2+处理浓度呈正相关，且Cu2+对根系伸长的抑制作用比对幼苗高度的抑制作用更显著，这与植物根部最先接触到重金属污染区有关[16-17]。

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