全 文 ：铜对鹅观草两个种群生理、发育指标的影响研究*
刘登义* * 杨世勇 谢建春 赵 娟 (安徽师范大学生物多样性研究中心, 芜湖 241000)
摘要 铜尾矿上的鹅观草形态矮小, 茎秆柔弱, 叶色淡. 而生于正常土壤上的鹅观草则茎秆粗状, 叶色深. Cu
胁迫可引起鹅观草叶绿素含量的降低. 一定浓度范围内的 Cu 对鹅观草的种子萌发起促进作用, 尾矿浸提液不
降低种子的萌发率, 但延迟种子的萌发.根生长实验表明, 0. 125mg!L- 1Cu 对鹅观草生根起促进作用, 超过0. 25
mg!L- 1则抑制鹅观草的生根,生于正常土壤上的鹅观草比生于尾矿上的鹅观草对 Cu 敏感.
关键词 Cu 鹅观草 根生长 种子萌发
文章编号 10019332( 2001) 03045503 中图分类号 Q171. 5 文献标识码 A
Physiology and development of two Roegneria kamoj i populations stressed by copper. L IU Dengyi, YANG Shiyong ,
XIE Jianchun, ZHAO Juan ( College of Lif e Sciences, A nhui Normal University , Wuhu 241000) . Chin . J . A pp l .
Ecol . , 2001, 12( 3) : 455~ 457.
Roegner ia kamoj i grown copper tailings had weak stem, short height, and t hick leave color, w hile its counterpart on
no rmal soil w as the opposite. Exposed to copper, R . kamoj i had a decreased chlorophyll content. A cer tain concentr a
tion of copper could pr omote the seed germination of R . kamoj i , and the ex tract of copper tailings did not decr ease the
seed germinat ion rate, but deferred the germination. Root g rowth test indicated that w hen the concentration of copper
was 0. 125mg!L - 1, the rooting of R . kamoj i w as promoted. If the concentration w as more than 0. 25mg!L- 1 , the
rooting w as inhibited significantly. R . kamoj i colonized on normal soil w ase more sensitiv e to copper t han that on Cu
polluted so il.
Key words Copper , R . kamoj i, Root grow th, Seed germination.
* 安徽省教育厅自然科学重点基金资助项目( 2000J I094ZD) .
* * 通讯联系人.
2000- 11- 15收稿, 2001- 02- 26接受.
1 引 言
Cu是植物必需的矿质元素, 它是某些酶(如多酚
氧化酶、细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等)的成分,
这些酶都是植物氧化还原过程中不可缺的酶,它们的
多寡可以影响到细胞的氧化还原过程; Cu又存在于叶
绿素的质体蓝素中, 参与光合作用的电子传递[ 6] . 因
此, Cu对植物的生理生化过程都有着重要的作用. 国
内外对于 Cu 对植物生长发育的影响的研究报道较
多[ 3, 5, 9] .本文探讨了 Cu 胁迫下禾本科杂草 ∀ ∀ ∀ 鹅观
草两个种群几项生理指标、发育指标的差异. 揭示鹅观
草的耐 Cu性机制,为 Cu尾矿的治理提供理论依据.
2 材料与方法
21 样品采集
鹅观草( Roegner ia kamoj i)是禾本科鹅观草属一年生草本,
供试的正常植株和种子采自安徽师范大学校园, 受污染的植株
和种子采自安徽省铜陵市五公里中澳合作铜尾矿复垦试验场.
该实验场停止排放已达 7 年, 用于复垦的植物有狗牙根( Cyn
odon dactyon )、三叶草 ( T rif olium r epen )、杨树 ( S alix matsu
dana)等,目前复垦效果良好. 自然入侵种以鹅观草最为繁盛.
22 叶绿素含量的测定[ 2]
称取新鲜叶片约 0. 5g , 放入研钵中加丙酮 5ml, 碳酸钙少
许,研磨成匀浆, 用 80%丙酮提取,定溶至 50ml,取提取液 5ml,
于 645nm 和 663nm 下比色, 752 紫外分光光度计测定其光密
度,利用 LambertBeer 公式计算 chl a和 chl b 含量.
23 种子活力的测定[ 2]
采用 TTC 法.实验分正常组和尾矿组两组,种子分别采自
于正常土壤和受铜尾矿污染土壤.每组取种子 50 粒.
24 尾矿浸提液的制备[ 2]
将尾矿和蒸馏水以 1#5(质量比)混合,于水平振荡机上振
荡约 3min,过滤,得正常尾矿浸提液.
25 种子发芽率的测定
试验前种子均用 10%双氧水消毒,各选取 60 粒颗粒饱满
的种子用于发芽率的测定. 实验设蒸馏水和尾矿浸提液对照.
萌发条件为:温度 20∃ 2 % ,光照为 16D/ 8N.
26 根生长实验
用束文圣等[ 7]和Wilkins [ 10]提出的方法进行. 选取生长正
常的分蘖节,剪除根, 保留茎叶.将各分蘖节的根区悬浮在装有
500ml培养液的 1000ml烧杯中, 每烧杯中放置 5 个分蘖节, 每
实验重复3 次. 为保证培养液中的 Cu2+ 浓度, 每3d 更换一次培
养液,整个实验持续 14d.实验结束后, 测量根伸长情况,观察生
根数目, 并计算其耐性指数和 ED50值. 实验前用分析纯级 Ca
( NO3) 2和 CuSO4!5H2O配成浓度分别为 5、20mg!L - 1的溶液,
以此为母液,再配成 Cu2+ 浓度分别为0. 125、0. 25、0. 50、1. 0 和
应 用 生 态 学 报 2001 年 6 月 第 12 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jun. 2001, 12( 3)#455~ 457
2. 0mg!L- 1的梯度溶液,每梯度中均含 Ca2+ 0. 5mg!L - 1.
27 耐性指数
耐性指数 = 植物在重金属溶液中的最长根长平均植植物在对照组中最长根长平均植 &
100% (每组 3个重复)
3 结果与讨论
31 鹅观草两个种群植株形态的观察
取自铜尾矿的鹅观草, 植株明显变矮, 叶色变淡,
须根明显变短, 变多,平均株高约 15cm,每株分蘖数平
均为 3~ 5 株; 正常土壤上的植株则高大, 茎干粗壮,
直径可达 0. 4cm, 须根数目少,平均株高约为 25cm,每
株分蘖 3~ 4株.由此可知,尾矿上植株的分蘖数并未
受到明显抑制, 这是因为 Cu2+ 浓度尚未高到足以抑制
分蘖发生的程度,二者株高极差达 10cm 说明, 由于鹅
观草对 Cu 的耐性不强, 不得不采取相应的适应策
略[ 11] , 使得它们能在不利的生境中获得生存.其∋适应
代价( [ 12]是降低株高,增加分蘖数,减少叶片内叶绿素
含量.
32 叶绿素含量的比较
由于 Cu是植物叶绿体的组成成分,适量的 Cu必
然会对植物的光合作用起促进作用, 但 Cu 又是重金
属的范畴,超过植物能够忍受的阈值,必然产生生理毒
害[ 3] .为确定 Cu2+ 对被试植物叶绿素含量的影响, 特
进行叶绿素 a, b组分含量和总叶绿素含量的测定(表
1) .由 t检验可知, 叶绿素总含量及 chl a和 chl b均达
显著差异,由表 1 可知, Cu 胁迫可引起鹅观草叶绿素
总含量的减少, 但对 chl a/ b 之比却无影响. 从叶绿素
组分来看, chl a、chl b都比对照低, 叶绿素是植物进行
光合作用所必需的, 其含量的减少,必然导致植物光合
作用的降低,生长受阻,其最终结果是植株发育延迟、
变矮变低、生物量亦随之减少.
表 1 鹅观草两个种群叶绿素 a、b及总叶绿素含量的比较
Table 1 Comparison of chlorophyl l and chl a and chl b content of two pop
ulations of Roegneria kamoj i
叶绿素
Chlorophyll
正常组
Normal group
尾矿组
Tailings group
下降率
Reduct ion( % )
t 检验
tt est
chl a 0. 958 0. 695 27. 5 4. 850*
chl b 0. 418 0. 264 36. 8 6. 752* ( a+ b) 1. 376 0. 959 30. 3 6. 832*
chl a/ b 2. 292 2. 633 13. 0 1. 204
* < 0. 05.
33 种子活力的测定
实验过程中二者种子胚大部分被染成红色.由表
2可以看出, 二者种子活力并没有显著差异, 这也是鹅
观草能在受铜尾矿污染的土壤上生存的原因所在. 但
是种子能够萌发并不代表着该种能在尾矿上
完成其生活史. 据调查, 鹅观草在尾矿上的生物量很
表 2 鹅观草两个种群的种子活力的测定
Table 2 Seed vigor of two populations of Roegneria kamoj i
种子
S eeds
正常组
Normal group
尾矿组
Tailings group
t检验
tt est
活力 Act ivity( % ) 938 90 0238
低,开花结实率也很低.
34 种子发芽率的测定
从表 3可以看出,在整个萌发过程中,尾矿上的种
子在蒸馏水中的萌发率都大于正常种子在蒸馏水中的
萌发率, 说明尽管受到 Cu的胁迫,鹅观草的萌发率并
未因此降低, 这是因为植物吸收的重金属 Cu 大部分
积累在根部,而向茎和籽粒转移较少,因而不会对种子
产生毒害,也不会影响种子的萌发率.相反, 种子的萌
发率反而因少量重金属盐的存在而得到加强.低浓度
重金属盐溶液可促进种子萌发, 这是因为低盐溶液可
以增加种皮的透性, 使得水分易于进入种皮内部, 激活
了种子内部处于抑制状态的酶的活性的缘故[ 1, 6] . 就
二者在浸提液中的萌发率而言, 在萌发早期( 1~ 3d) ,
尾矿上的种子在浸提液中的萌发率大于正常种子在浸
提液中的萌发率, 但后期( 5d之后)萌发率相当, 这是
因为尾矿上的种子内虽积累了少量的重金属,但还不
至于毒害种子, 只是起到了延迟萌发的作用. 该现象与
张志权等[ 13]在铅锌尾矿上所作的研究结果相似.本实
验还有另一现象:尾矿上的种子在蒸馏水中的萌发率
高于对照, 且达显著水平, 估计是由于时间较短的缘
故,若继续下去,萌发率会达到同等水平.
表 3 鹅观草两个种群的种子发芽率的测定
Table 3 Seed germination rate of two populations of Roegneria kamoj i (%)
处理
T reatment
尾矿种子
Seed f rom tailings
3d 5d 7d
正常种子
Normal seed
3d 5d 7d
蒸馏水 Dist illed water 63. 3 88. 3 95. 0 18. 3 68. 3 83. 3
浸提液 Ext racted water 48. 3 73. 3 83. 3 13. 3 73. 3 83. 3
35 根生长实验
高浓度的重金属可在许多方面影响植物的生理生
化过程,但对根的影响最明显, 因此, 根生长实验是检
验植物耐性的快捷方法. 实验开始 4d 后, CK 组,
0. 125、0. 25、0. 50mg!L- 1组均出现生根,但根的长短、
数目各不相同. 1和 2mg!L - 1组不见根生出(表 3) .
从表 4可以看出, Cu2+ 浓度高于 0. 5mg!L- 1时,
便强烈抑制鹅观草的生根,对于该实验的两份样品来
说,尾矿上的鹅观草对 Cu 的耐性比正常组的强, 说
明,同种植物由于生活条件的不同,为适应变化了的环
境,不得不采取相应的适应策略[ 11] . 另据观察, 高于
1mg!L - 1的浓度,鹅观草根区已出现明显的烂根现象,
表现出明显的受 Cu害症状, 这与 Cu 主要抑制根系生
长有关[ 3, 8] . 0. 25和0. 5mg!L- 1浓度时, 虽短期内生
456 应 用 生 态 学 报 12卷
表 4 鹅观草两个种群的实生苗根生长 14d后的观察结果
Table 4 Root growth resul ts of two populai ton of Roegner ia kamoj i ( after 14days)
项目
Item
浓度Concent rat ion( mg!L- 1)
CK
T N
0125
T N
025
T N
050
T N
10
T N
20
T N
生根的分蘖数
Root ing t illers
5 4 5 4 5 4 5 4 1 0 0 0
总生根数 Total numbers 16 10. 3 18. 3 11. 7 9. 1 9 10. 7 7 1 0 0 0
最长根长 Longest root
( cm)
3. 2 4. 5 4. 2 4. 0 1. 7 0. 3 0. 8 0. 3 0. 2 0 0 0
* T :尾矿组T ailings group; N:正常土壤组 Normal group.
出新根,但后期生长缓慢, 甚至停止生长, 这是因为该
浓度虽短期内促进了根的伸长, 但却抑制了根的生长
的缘故. 0. 125mg!L- 1组, 生长情况明显高于对照, 这
与重金属的低浓度促进、高浓度抑制的现象相一
致[ 4, 8] .
36 耐性指数的测定
从表 5可以看出, 正常组的植株比取自尾矿组的
植株对 Cu敏感,其耐性指数随 Cu浓度的升高而急剧
降低.生于尾矿上的鹅观草, 由于长期受 Cu 胁迫, 已
形成比正常土壤上的植株高的 Cu耐性.其在 Cu浓度
为 0. 5mg!L- 1时,耐性指数仍达 25%,且随 Cu浓度的
升高而下降缓慢,至于该物种是否已形成对重金属的
多重耐性还有待进一步研究[ 7] .
表 5 鹅观草两个种群耐性指数的比较
Table 5 Comparison of tolerance index of two population of Roegner ia
kamoj i
浓度
Concent rat ion
( mg!L- 1)
正常组
Normal group
( % )
尾矿组
Tailings group
( % )
t检验
tt est
0125 889 1313 7253*
025 667 531 19584* *
050 667 250 13278* *
10 625
20
* < 0. 05, * * < 0. 01.
37 ED50值(半抑制浓度)
ED50值是和对照相比根生长降低一半的浓度[ 10] .
从表 5可以初步判断出, 正常组的 ED50值在0. 125~
0. 25mg!L - 1之间,而只有 Cu浓度在高于0. 25mg!L - 1
时,尾矿组的根生长才比对照低 50%, 这又从另一个
侧面说明尾矿组的 Cu耐性高于对照.
4 结 论
41 Cu胁迫下,鹅观草植株变矮. 叶绿素含量降低,
且和对照差异显著.
42 Cu尾矿不影响鹅观草种子活力和萌发率, 但会
延迟种子的萌发.
43 根生长实验表明, 尾矿组鹅观草比对照组的 Cu
耐性增强,表现为耐性指数增大, ED50也随之上升.
44 生于尾矿上的鹅观草靠减少叶片内叶绿素含量、
降低生长量以适应不利生境, 显示出一定的∋ 适应代
价(.
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作者简介 刘登义, 男, 1958 年 9 月生,博士, 教授, 博导. 主要
从事植物种群生态学、生物多样性及其保护和污染生态学研
究,已发表学术论文 40 余篇,出版专著两部. Email: ldy@ mail.
ahnu. edu. cn
4573 期 刘登义等:铜对鹅观草两个种群几项生理、发育指标的影响研究