重金屬脅迫對向日葵種子萌發特征影響評價及花海品種篩選

于華麗, 溫四民, 張桂玲, 董傳潔, 程 乾

（臨沂大學, a.農林科學學院；b.臨沂大學實驗管理中心, 山東 臨沂 276005）

花海是自然界中通過花卉構成的具備一定規模的美麗景觀, 主要包括自然花海和人工花海[1］。近年來, 人工花海在國內發展迅猛, 花海植物中的大部分花卉多以直播的方式種植。由于種子萌發是種子植物生長過程的關鍵階段, 也是進行植物抗逆性研究的重要時期[2, 3］, 因此, 可選用種子萌發期對植物的抗逆性進行評價和篩選[4］。向日葵（Helianthus annuusL.）為菊科向日葵屬的一年生草本植物, 生長迅速, 生物量大, 適應性強, 在全國各地均有種植, 因其花色艷麗, 具有極高的觀賞價值[5］, 在花海中應用有逐年增多趨勢, 由于人工花海用地多為鹽堿、灘涂、沙化或污染等廢棄土地, 因此用于花海種植的向日葵品種需要具有較高的耐逆境脅迫能力。而目前對向日葵種子及幼苗逆境脅迫研究多集中于鹽脅迫[6］、干旱脅迫[7］、某一種重金屬脅迫[8］、兩種以上重金屬復合脅迫[9］、堿脅迫[10-12］、水淹[13］、緩解脅迫方式[14］等方面, 對混合重金屬離子脅迫研究及耐重金屬脅迫品種的篩選鮮見報道。

李海洋等[15］發現隨著鹽濃度的增加以及脅迫時間的延長, 向日葵根、莖、葉中IAA（吲哚-3-乙酸）、ABA（脫落酸）、ZR（玉米素核苷）3 種植物生長調節劑總體表現為先增后降的趨勢；凌云鶴等[16］發現隨著鹽濃度的增加, 從形態指標和生理指標顯示出銀葉向日葵具有較強的適應能力；周子超等[17］對152 份向日葵重組自交系苗期抗旱性的鑒定與評價中發現, 強耐旱型2 個、耐旱型2 個、弱耐旱型83 個和不耐旱型65 個；有學者研究汞[8］和鎳[18］對向日葵種子萌發和幼苗的生理生化特性影響發現, 脅迫濃度低于10 mg/L 時, 對其具有一定的促進作用, 高于50 mg/L 時具有明顯的抑制作用；黃開騰等[9］研究發現隨著鋁錳復合脅迫濃度的增加, 向日葵幼苗葉片的脯氨酸（Pro）含量總體呈上升趨勢, 可溶性蛋白質含量先升高后下降, 可溶性糖含量先升高, 再降低, 最后再升高, 且含量均高于對照；羅潔等[13］的研究表明淹水脅迫抑制了觀賞向日葵的生長, 但觀賞向日葵對淹水脅迫具有一定的耐性, 一方面通過提高抗氧化酶活性和增加滲透調節物質含量來抵抗淹水脅迫, 另一方面通過根系形成通氣組織來適應淹水脅迫。

本試驗選用營養生長周期短、花期較長、生產中常見的32 個向日葵品種, 通過重金屬溶液模擬污染土壤脅迫, 采用培養皿法進行發芽試驗, 使用隸屬函數法對供試品種進行抗逆性綜合評價和篩選, 以期為花海用向日葵品種選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料共32 個向日葵品種, 部分品種購自當地花卉公司, 詳見表1。

表1 供試向日葵品種

1.2 方法

根據重金屬污染土壤中主要重金屬種類, 重金屬鹽為硝酸鉛[Pb（NO3）2］、重鉻酸鉀（K2Cr2O7）、硝酸鎘[Cd（NO4）2·4H2O］、硫酸鎳（NiSO4·6H2O）、硫酸銅（CuSO4·5H2O）、硫酸鋅（ZnSO4·7H2O）, 設置T1、T2、T3 共3 個濃度梯度和清水對照（CK）, 重金屬溶液處理濃度配制如表2 所示。

表2 重金屬溶液處理濃度 （單位：mg/L）

選取顆粒飽滿度、大小一致的種子, 用2%高錳酸鉀溶液消毒, 用無菌水沖洗3～5 次, 放入不同濃度梯度重金屬溶液中浸種24 h, 對照為無菌水, 每個處理100 粒種子, 重復3 次, 然后均勻放入無菌培養皿中, 培養皿中鋪有雙層用無菌水潤濕的濾紙, 置于人工氣候箱, 晝溫25 ℃、濕度60%、光照度6 000 lx；夜溫15 ℃、濕度80%, 晝夜時間均設為12 h, 每天適當補充無菌水保持濾紙濕潤。

1.3 項目測定

播種后第二天開始, 以胚根與種子等長作為萌發標準, 統計每天發芽數, 第4 天計算發芽勢, 連續3 d 無新萌發種子即為試驗結束。發芽率（G）=（發芽種子數/供試種子數）×100%；發芽勢=（第4 天發芽種子數/供試種子數）×100%；發芽指數（GI）=∑G/t,t為發芽時間（d）,GI為在t時間內發芽種子數；平均發芽日數=∑（Gt×Dt）/G,Gt為第t天發芽種子數,Dt為發芽天數。

1.4 數據分析

用Excel、IBM SPSS Statistics 19 軟 件 對 試 驗 數據進行處理和分析, 為消除不同向日葵品種間遺傳性特性差異, 先計算各項測定指標相對值（測定值/對照值）, 然后采用隸屬函數法和聚類分析法對供試材料的耐重金屬脅迫能力進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 重金屬脅迫對向日葵種子萌發特征的影響

由表3 可見, 隨著重金屬處理濃度的升高, 32 個品種的發芽率、發芽勢和發芽指數均呈降低的趨勢, 而32 個供試品種的平均發芽日數均呈逐漸升高的趨勢。

從不同品種向日葵發芽率分析可見, 與對照相比, 當重金屬濃度為T1 時, 深秋、檸檬碧翠、黃鉆、玫瑰情、樂翻天和桃之春發芽率有所下降, 其他26 個品種發芽率均出現不同程度的升高, 其中月光和莫奈升高顯著；當重金屬濃度為T2 時, 全部供試品種發芽率均呈下降趨勢, 即均低于對照, 其中滿天星和金富貴下降不顯著；當重金屬濃度為T3 時, 發芽率均下降顯著, 其中重金屬對金富貴和活力的發芽率抑制作用較小, 與對照相比分別下降了29.92、29.05個百分點, 而對開心小矮人和金海星的抑制作用較大, 發芽率分別下降了46.01、37.35 個百分點。

由發芽勢變化情況可見, 與對照相比, 不同向日葵品種在T1 處理下, 深秋、檸檬碧翠、黃鉆、玫瑰情、樂翻天和桃之春的發芽勢降低, 其他26 個品種發芽勢均有所升高, 且好運多、活力、歡樂火炮竹、帕蒂小葵、小熊、豐收樂、麗日、美麗微笑和寶石紅芳升高顯著；在T2 處理下, 32 個品種發芽勢均開始呈下降趨勢, 即均低于對照, 除金富貴的發芽勢下降不顯著外, 其他31 個品種均顯著下降；在T3 處理下, 32 個品種發芽勢均顯著下降, 其中小熊和活力發芽勢下降相對較少, 較對照均下降了18.67 個百分點, 而麗日和美麗微笑的發芽勢下降最為明顯, 較對照均下降了55.32 個百分點。

從發芽指數變化情況來看, 與對照相比, T1 處理下, 深秋、檸檬碧翠、黃鉆、魔術回旋、小熊、玫瑰情、樂翻天和寶石紅芳發芽指數降低, 其他24 個品種的發芽指數均升高, 并且歡樂火炮竹、穆天子、月光、金太陽、麗日和美麗微笑的發芽指數顯著升高；T2、T3 處理下, 發芽指數均呈下降趨勢, 且均顯著低于對照, 其中T3 處理下, 歡樂火炮竹和活力的發芽指數下降相對較少, 分別下降了43.86%和42.42%, 而金海星和樂翻天下降相對較多, 分別下降了80.51%和76.76%。

不同濃度重金屬處理均使向日葵種子平均發芽日數延長, 并且處理濃度越大平均發芽日數升高越明顯, 與對照相比, T1 處理下, 除滿天星、金富貴和

魔術回旋的平均發芽日數升高不顯著外, 其他29 個品種的平均發芽日數均升高顯著；T2 和T3 處理下, 32 個品種平均發芽日數均顯著升高, 說明重金屬脅迫抑制向日葵種子發芽速度, 處理濃度越大抑制作用越明顯。

2.2 向日葵種子萌發耐重金屬脅迫能力比較

根據不同品種的每個指標不同處理下的相對值計算出隸屬函數值, 得出隸屬函數綜合值, 最后根據隸屬函數綜合值進行排序。由表4 可見, 隸屬函數綜合值的大小能直觀體現不同向日葵品種在重金屬脅迫下的萌發能力強弱, 隸屬函數綜合值越大表明耐重金屬脅迫能力越強, 不同向日葵種子萌發期耐受重金屬脅迫能力的差異較大, 其中金富貴和魔術回旋的隸屬函數綜合值較大, 分別為9.04 和8.81, 綜合排序分別為第1 和第2, 美麗微笑和玫瑰情隸屬函數綜合值較小, 綜合排序分別為第31 和第32。由此可見, 在重金屬脅迫下金富貴和魔術回旋種子萌發能力較強, 而美麗微笑和玫瑰情萌發能力較弱。

表4 重金屬脅迫下各項測定指標相對值的隸屬函數值

2.3 對32 個向日葵品種耐重金屬脅迫能力的聚類分析

由圖1 可以看出, 依據32 個向日葵品種的隸屬函數綜合值, 用Ward 方法進行聚類分析比較, 將耐重金屬脅迫能力相近的品種聚在一起, 結果表明, 在歐氏距離平方值大約為7 時, 可將32 個向日葵品種劃分為三大類, 耐性較好的品種是金富貴、魔術回旋、滿天星、金庸碧翠、醉云長和活力；耐性中等的品種是黃鉆、寶石紅芳、紅檸檬、歡樂火炮竹、小熊、穆天子、莫奈、月光、墨池吐金和三陽開泰；耐性較差的品種是出水芙蓉、帕蒂小葵、金太陽、綠波仙子、綠天使、開心小矮人、豐收樂、桃之春、深秋、金海星、麗日、好運多、檸檬碧翠、樂翻天、美麗微笑和玫瑰情。

圖1 32 個向日葵品種的種子萌發期耐重金屬脅迫的聚類分析

3 小結與討論

向日葵是耐干旱、耐瘠、耐鹽堿、適應性較強的經濟作物, 已被證實對重金屬有較強的耐受性[19］, 重金屬脅迫下, 向日葵通過激活抗氧化系統、絡合重金屬離子[20］、有毒離子區隔化、細胞壁吸附沉積作用[21］等方式來降低重金屬對細胞的傷害。有研究表明, 當汞脅迫濃度低于10 mg/L 時, 對向日葵種子萌發有促進作用, 高于10 mg/L 時會抑制種子萌發[8］, 本試驗與以上研究結果有相同之處, 重金屬濃度為T1（Pb2+、Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+濃度分別為8、4、2、8、8、20 mg/L）時, 對24 個向日葵品種的種子萌發有促進作用, 當重金屬濃度為T2（Pb2+、Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+濃度分別為32、16、8、32、32、80 mg/L）時, 對所有供試品種均產生抑制作用, 試驗中有部分品種在低濃度重金屬脅迫（T1）時也受到抑制作用, 可能是由于不同品種間存在生物學遺傳特性差異, 試驗中所設置的最低濃度處理仍然超出其耐受范圍, 與低濃度可促進種子萌發并不矛盾。重金屬脅迫對向日葵種子萌發之所以產生低濃度促進高濃度抑制的作用, 有研究認為, 在種子萌發過程中, 低濃度的重金屬離子與種子萌發所必需的酶反應或特異性結合, 可提高胚的生理活性[22, 23］, 快速提高種子萌發初期的蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等酶活性[24］, 提高種子的呼吸速率, 加快胚乳中營養物質的降解, 從而促進萌發代謝[25］。隨著重金屬濃度的升高, 植物體產生過量活性氧自由基, 使細胞膜結構過氧化作用加強, 最終導致膜通透性增大, 胞內物質外滲[26］, 同時高濃度重金屬離子可能抑制淀粉酶、蛋白酶、酸性磷酸酯酶等酶活性, 進而抑制種子儲藏營養成分分解, 減少種子萌發所需的物質和能量供給[27］, 致使發芽率、萌發指數和活力值各項指標均呈下降趨勢, 種子萌發進程受到嚴重抑制[28］。

以發芽率、發芽勢、發芽指數、平均發芽日數為測定指標, 研究32 個向日葵品種的種子萌發期耐重金屬脅迫差異, 采用隸屬函數和聚類分析法, 進行抗逆性綜合評價和篩選。研究發現, 重金屬脅迫對多數向日葵種子萌發產生低濃度促進高濃度抑制的作用, 不同品種間耐重金屬脅迫能力差異較大, 篩選出耐重金屬脅迫性較好的品種有金富貴、魔術回旋、滿天星、金庸碧翠、醉云長和活力；耐性中等的品種有黃鉆、寶石紅芳、紅檸檬、歡樂火炮竹、小熊、穆天子、莫奈、月光、墨池吐金和三陽開泰；耐性較差的品種有出水芙蓉、帕蒂小葵、金太陽、綠波仙子、綠天使、開心小矮人、豐收樂、桃之春、深秋、金海星、麗日、好運多、檸檬碧翠、樂翻天、美麗微笑和玫瑰情。