三种高寒牧草种子萌发期耐镉性研究_胡樱.pdf

第 37 卷第 2 期干旱区资源与环境Vol 37No 22023 年 2 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentFeb 2023文章编号:1003 7578(2023)02 171 06doi:1013448/j cnki jalre2023049三种高寒牧草种子萌发期耐镉性研究*胡樱1，王慧春1，2，贾慧萍1，朋毛德吉1，周碧瑶1，魏晶晶3(1 青海师范大学生命科学学院，西宁 810008;2 青海省青藏高原生物多样性形成机制与综合利用重点实验室，西宁 810008;3 青海师范大学地理科学学院，西宁 810008)提要:为了解无芒披碱草(Elymus sinosubmuticus S L Chen)、麦薲草(Elymus tangutorum(Nevski)Hand Mazz)和同德老芒麦(Elymus sibiricus L)三种高寒牧草种子的耐镉性，设置 0、5、10、20、40mgL1镉胁迫液浓度探究它们的发芽和生长情况。结果表明:镉胁迫对无芒披碱草和同德老芒麦种子的发芽率、发芽势、发芽指数、株高、叶长与根长均具抑制作用，而麦薲草部分指标表现为“先促后抑”，在 5mgL1镉处理下，麦薲草种子发芽率、发芽指数株高和根长具促进作用。通过隶属函数指数法计算，三种牧草镉耐大小为无芒披碱草 同德老芒麦 麦薲草，无芒披碱草可优选作为镉污染土地种植材料。关键词:镉胁迫;高寒植物;无芒披碱草;同德老芒麦;麦薲草;种子萌发中图分类号:Q945 78文献标识码:A对植物而言，镉是一种非必需元素，毒害作用巨大，在体内积累会造成叶绿素合成受阻、生长被抑制及体内各种生理代谢紊乱等问题1。自然界的镉主要以阳离子的形式存在，大量存在于地底深处的矿物质中2，伴随着人类对矿业的深度开发与利用，镉从地底转移到了地表的有机土壤层;其次，农业、工业及交通运输业也是镉污染的主要来源3。镉易溶于水，可随水在土壤、大气和水体等环境中迁移4，同时，镉是一种生物难降解重金元素，易随食物链富集，最终对人类健康产生巨大威胁5。据统计，我国土壤调查镉污染超标位点达到 7 0%6，受镉、砷、铅等污染的耕地面积已达 2 0 107hm2，约占总耕地面积的20%，每年生产的镉超标农产品约为 1 46 106t7。镉污染产生的问题已受到社会各界广泛关注8。耐镉植物种植是镉污染土地修复的重要手段。无芒披碱草(Elymus sinosubmuticus S L Chen)、麦薲草(Elymus tangutorum(Nevski)Hand Mazz)和同德老芒麦(Elymus sibiricus L)三种牧草种子均为禾本科披碱草植物，具耐寒、耐旱和耐盐碱等特点，广泛分布于我国西北部地区，是重要的牧草与生态草。开展这三种牧草的耐镉新研究，可以解决西北地区土壤镉含量偏高地区的生态修复问题，尤其是历史遗留的矿山、城镇垃圾填埋区等。种子萌发期是植物生长发育的开端，决定其后期的生长与繁殖9，10。文中以无芒披碱草、麦薲草和同德老芒麦为试验材料，以不同镉浓度梯度进行胁迫研究，测定发芽率、发芽势、发芽指数、株高、叶长和根长等指标，通过隶属函数指数法量化三种植物种子萌发与生长的耐镉性大小，以期为镉修复植物材料选择与相关研究提供参考。1材料与方法1 1试验材料与设计无芒披碱草、同德老芒麦和麦薲草植物种子由青海省同德牧场提供。挑选色泽鲜亮、形状饱满的种子，用蒸馏水浸种 24h，10%H2O2消毒 30min，洗净晾干备用。9cm 培养皿铺垫蛭石，表面覆滤纸，备用。*收稿日期:2022 10 19;修回日期:2022 11 5。基金项目:青海省重大生态保护工程生态监测体系运行项目(2020 031;2021 013);青海省科技特派员专项(2022 NK KTP38)资助。作者简介:胡樱(1996 )，男，汉族，四川射洪人，硕士，主要从事生态学研究。E mail:2421753784 qq com通讯作者:王慧春(1974 )，女，汉族，青海海东人，教授，主要从事青藏高原生物质资源可持续利用等研究。E mail:whch_66163 com每皿置 50 粒种子。分别添加 0、5、10、20、40mgL1镉胁迫液(CdCl22 5H2O 配制)11 13，每个梯度 3个重复。模拟白天(14h 光照，25)与夜晚(黑暗处理 10h，20)进行培养。种子胚根长达到种子长度一半视为种子发芽14。记录种植萌发数。继续培养 45d 测定植物株高、叶长和根长指标。1 2计算参照王玉祥等15 的方法计算种子的发芽率、发芽势和发芽指数。发芽率=总发芽种子数/供试种子总数 100%，发芽势=高峰期发芽种子数/供试种子总数 100%，发芽指数(GI)=(Gt/Dt)(式中，Gt为第 t 日的发芽数，Dt 为相应发芽天数)。运用隶属函数指数法16 评价三种植物耐镉能力。X()=X XminXmax Xmin(1)Xj=1nni=1Xij(2)Vj=ni=1(Xij Xj)2Xj(3)Wj=Vjmj=1Vj(4)D=nj=1(Xj)Wj(5)式(1)中，X()为第 个指标的从属函数值，X 为评价指标的平均值，Xmax表示评价指标的最大值，Xmin为最小值。式(2)、(3)中，Xj为第 j 个评价指标的平均值，n 为品种数，Xij为第 i 个品种的第 j 个评价指标。式(4)中，Vj为第 j 个评价指标的标准差系数，Xj为品种第 j 个评价指标。Wj为第 j 个评价指标的加权系数。式(5)中，(Xj)为第 j 个评价指标的从属函数值。D 为 Cd 胁迫下植物镉耐性的综合值。D值越大，植物品种 Cd 耐受性越高。1 3数据统计采用单因素方差分析(one way ANOVA)对种子发芽指标进行差异显著性分析，其中多个样本均数间的多重比较用 LSD t 法检验。不同处理间的显著性差异用 SPSS 17 0 分析，各变化趋势图由 Origin2021 软件完成。2结果与分析2 1镉胁迫对三种牧草种子萌发的影响如图 1(1)所示，随镉浓度升高，无芒披碱草种子发芽率逐渐降低，各处理间均具显著性差异(P 0 05);麦薲草在 0 10mgL1镉处理下无显著差异(P 0 05)，20mgL1处理后呈显著降低趋势 P 0 05);同德老芒麦种子发芽率先升后降，在 5mgL1处理下达到最大，为 97 18%，0 和 10mgL1处理组间、20 和 40mgL1处理组间差异也不显著(P 0 05)。可见镉胁迫对三种高寒牧草种子发芽率均呈抑制作用，但对无芒披碱草种子发芽率抑制作用更显著。如图 1(2)所示，随镉浓度渐高，无芒披碱草种子发芽势逐渐降低，0 和 5mgL1、10 和 20mgL1镉处理下差异不显著(P 0 05);麦薲草种子发芽势叶逐渐降低，0mgL1处理组与其它处理组间差异显著(P 0 05)，其余处理组间差异不显著(P 0 05);同德老芒麦种子发芽势中，对 0、5、10、20mgL1处理组间差异不显著(P 0 05)，它们与 20mgL1处理组差异显著(P 0 05)。随镉浓度升高，三种牧草发芽势均逐渐降低，但存在一定差异，与对照组相比(0mgL1处理组)，麦薲草最先出现显著降低趋势，其次为无芒披碱草，同德老芒麦在 20mgL1处理组才出现显著降低趋势。如图 1(3)所示，随镉浓度渐高，三种青藏高原牧草种子发芽指数变化趋势大致相同，无芒披碱草和同德老芒麦各处理组间呈显著差异(P 0 05);麦薲草在 5mgL1处理组较其余处理组显著升高(P 0 05)，0 和 10mgL1处理组间差异不显著(P 0 05)。2 2镉胁迫下三种牧草生长如图 2(1)、(2)所示，随镉胁迫浓度升高，三种高寒牧草株高和叶长均逐渐减小且变化趋势和显著性相同，无芒披碱草与同德老芒麦均在 0mgL1处理组后显著减小(P 0 05)，而麦薲草在 5mgL1处理组后显著降低(P 0 05)，说明麦薲草的株高和叶长两种表型镉耐受阈值可能较其余两种牧草高。三种牧草根长叶随镉浓度升高而降低，无芒披碱草、麦薲草和同德老芒麦分别在 5、10mgL1处理组后显著减小(P 0 05)，说明三者根长镉影响下限值大小为麦薲草 无芒披碱草 同德老芒麦。2 3镉胁迫下三种牧草种子各指标的相关性分析271干旱区资源与环境第 37 卷图 1镉胁迫对三种牧草种子萌发的影响Figure 1 Effects of cadmium stress on seed germination of three herbage species注:(A)表示无芒披碱草，P 0 001，(B)表示麦薲草，P 0001，(C)表示同德老芒麦，P 0001。(1)(2)(3)分别代表三种植物的发芽率、发芽势和发芽指数如图 3 所示，三种牧草各指标与镉浓度均呈负相关性。无芒披碱草的根长和发芽势间无显著相关性(P 0 05)，其余指标间均呈显著相关性(P 0 05)，其中株高和叶长，发芽率和发芽指数相关性最强，均达到 0 98。麦薲草的发芽势与其余指标间及发芽指数和发芽势间不具显著相关性(P 0 05)，其余指标间均呈显著相关性(P 0 05)，其中株高和叶长相关性最强，均达到 0 99。同德老芒麦的根长与其余指标间不具显著相关性(P 0 05)，其余指标间均呈显著相关性(P 0 05)，其中株高和叶长相关性最强，均达到 0 97。2 4三种牧草种子萌发期耐镉性综合评价如表 1 所示，通过隶属函数量化了三种牧草的耐镉性，大小依次为无芒披碱草 同德老芒麦 麦薲草，无芒披碱草是一种较好的镉修复种植优选材料。表 1 三种牧草种子萌发期耐镉性综合评价Table 1 Comprehensive evaluation on cadmium tolerance of three herbages during seed germination牧草品种耐镉指标隶属值发芽率发芽势发芽指数根长叶长株高平均值(D)排名无芒披碱草0 03860 039200154001110021000253002511同德老芒麦0 02060 019300233002090017000142001922麦薲草0 00870 009500103000620015700142001083371第 2 期胡樱等三种高寒牧草种子萌发期耐镉性研究图 2镉胁迫对三种牧草生长的影响Figure 2 Effects of cadmium stress on the growth of three species of herbage注:(A)表示无芒披碱草，P 0 001，(B)表示麦薲草，P 0001，(C)表示同德老芒麦，P 0 001。(1)(2)(3)分别代表三种植物的株高、叶长和根长图 3镉胁迫下三种牧草种子各指标相关性分析Figure 3 Correlation analysis of seed germination indexes of three herbages under cadmium stress3讨论植物耐镉性因物种不同而异，低浓度镉胁迫对部分植物种子萌发具促进作用，如在 25mgL1镉处理下，红豆草和柠条的种子发芽率与发芽势均有不同程度升高17;小麦种子(郑麦 1354)的发芽势、发芽率、活力指数、根长和芽长均在 Cd 胁迫质量浓度为 5mgL1时达最大值18。文中，5mgL1镉处理对麦薲471干旱区资源与环境第 37 卷草种子发芽率、发芽指数株高和根长具促进作用，这与查应琴等19 的研究结果一致。这有可能是镉胁迫导致植物体内激素脱落酸(ABA)/赤霉素(GS)比值增大而促进植物种子萌发20，杨铝等21 也认为外源赤霉素可以促进植物内源赤霉素合成与积累，进而促进 DELLA 蛋白的降解，同时抑制脱落酸信号途径中关键因子的表达水平，解除 DELLA 蛋白和 ABA 对种子萌发的抑制作用，促进种子的萌发。此外，镉胁迫叶会导致植物体内 MDA 和 H2O2含量积累，一定量的 H2O