熒蒽對大豆種子發芽的影響

李秋爽，史雅娟，王鐵宇，倪坤，徐笠，劉世杰，王琳，呂永龍,*

1.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京100085

2.中國科學院大學，北京100039

近年來，隨著城市化和工業化進程不斷加速，環 境中多換芳烴(PAHs)污染問題日益嚴重。大量文獻數據表明，我國農田土壤中多環芳烴污染普遍存在[1-3]。PAHs可被植物從大氣、土壤中吸收并在植物體內遷移、代謝和積累，從而對植物的生長產生影響[4-5]。熒蒽(FLT)，一種四環芳烴，是EPA規定的16種多換芳烴的典型代表，它對植物具有毒性作用[6-8]，然而，目前關于FLT脅迫對種子萌發影響的研究尚不多見。大豆是我國重要的經濟作物，種子萌發是植物生長的最初環節，也是最敏感最重要的生理過程之一，萌發受阻將影響其后的整個生長發育過程，導致生物量降低和作物減產。本實驗研究了不同濃度的FLT對大豆種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數和幼苗長度的影響，以期為探討FLT對植物種子萌發的作用機制奠定基礎，并為農田生態風險評價提供科學的理論依據。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 實驗材料

試劑:熒蒽(FLT，分析純，TCI，日本);丙酮(優級純，Fisher，美國)。

實驗種子:大豆種子(品種為中黃30)，獲取于中國農業科學院作物科學研究所。

1.2 實驗方法

使用丙酮作助溶劑(與超純水的體積比為1:99)，配制FLT溶液。挑選顆粒飽滿、大小均勻的大豆種子，于30%的雙氧水中消毒浸泡15 min，用超純水沖洗5次，浸泡于超純水中活化12 h。將活化好的種子均勻置于直徑為10 cm的培養皿中，皿內墊有雙層濾紙，每皿種子15粒，加入溶液10 mL，放入培養箱發芽。培養箱溫度為25℃，相對空氣濕度為80%。實驗設置5個水平的 FLT 濃度處理，濃度分別為2、5、15、25、50 mg·L-1，同時設定1個空白對照組和1個加入5 mL丙酮的對照組，每個處理均設5個重復。于4 d、6 d、8 d和10 d記錄所有樣本的發芽個數(胚根長度大于或等于5 mm，視為正常發芽)，并隨機抽取每個處理的3個重復測量幼苗長度，實驗周期為10 d。

1.3 指標測定

按國家種子質量檢驗標準(GB/T 3534.3—1995)，大豆的發芽勢于處理后第4天測定，發芽率則于處理后第10天統計。

發芽勢=前4 d內正常發芽的種子數/供試種子數×100%

發芽率=前10 d內正常發芽的種子數/供試種子數×100%

發芽指數=ΣGt/Dt

式中:Gt為t時間內的發芽數，Dt為相應的發芽天數

發芽長度=發芽10 d時幼苗總長

活力指數=發芽指數×10 d時幼苗長度

1.4 數據處理

采用SPSS 17.0統計分析軟件，在p=0.05的置信水平進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD檢驗，并用Excel軟件繪圖。文中所有的數據均為所取重復的平均值。

2 結果(Results)

2.1 FLT對大豆種子發芽勢和發芽率的影響

大豆種子發芽勢(4 d)和發芽率結果如表1所示，當FLT濃度較低時(小于等于15 mg·L-1)，大豆種子發芽率降低程度未達顯著(p＞0.05)，而當FLT濃度較高時(大于15 mg·L-1)，發芽率顯著降低(p＜0.05)，且隨FLT濃度增加，大豆種子發芽率逐漸減小，當濃度為50 mg·L-1時，發芽率相對于空白對照下降了45.33%。發芽勢則對FLT脅迫的響應更加敏感，不論低濃度還是高濃度，FLT均顯著降低了大豆種子發芽勢(4 d)，且發芽勢隨濃度升高呈現明顯的降低趨勢(p ＜ 0.05)，在 2、5、15、25 和 50 mg·L-1的FLT脅迫下，分別下降了1.64%、16.39%、21.31%、34.43%和60.66%。

表1 FLT對大豆種子發芽勢和發芽率的影響Table 1 Effects of fluoranthene on germination energy and germination rate of soybean

2.2 FLT對大豆種子發芽指數和活力指數的影響

如圖1和圖2所示，FLT對大豆種子發芽指數和活力指數隨著其濃度增加抑制作用增強。當FLT濃度小于5 mg·L-1時，發芽指數和活力指數未見顯著變化(p ＞0.05)，當濃度大于5 mg·L-1時，發芽指數和活力指數顯著降低，且隨濃度增加逐漸下降，具有明顯的劑量—效應關系(p＜0.05)。

2.3 FLT對大豆幼苗長度的影響

圖1 熒蒽(FLT)對大豆種子發芽指數的影響注:圖中標有不同字母者表示數據組間差異顯著(p＜0.05)Fig.1 Effects of fluoranthene on germination index of soybean seedsNote:Data represented as mean±standard error.Values followed by the same letter are not significantly different(LSD,p＜0.05).

圖2 熒蒽(FLT)對大豆種子活力指數的影響注:圖中標有不同字母者表示數據組間差異顯著(p＜0.05)Fig.2 Effects of fluoranthene on germination vitality of soybean seedsNote:Data represented as mean±standard error.Values followed by the same letter are not significantly different(LSD,p＜0.05).

實驗測量并記錄了4 d、6 d、8 d和10 d的大豆幼苗長度(圖3)，結果表明，發芽初期(4 d)，FLT對幼苗長度的抑制作用并不明顯，僅在最高濃度(50 mg·L-1)時達顯著水平(p＜0.05);發芽中期(6 d)，熒蒽濃度小于15 mg·L-1時，對幼苗長度的抑制作用不顯著，濃度大于等于15 mg·L-1時，幼苗長度顯著降低(p＜0.05);發芽后期(8 d)和末期(10 d)，熒蒽小于等于5 mg·L-1時，對幼苗長度抑制未達顯著，大于等于5 mg·L-1時，抑制作用達到顯著水平(p＜0.05)。綜上，FLT抑制大豆幼苗長度，濃度越高，抑制作用越強，處理時間越久，抑制作用越明顯。

3 討論(Discussion)

國內外有關FLT對種子萌發影響的研究極少[7]，本文探索性地研究了大豆種子萌發對FLT的響應。結果顯示FLT對大豆種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數和幼苗長度均有不同程度的抑制作用。在較低濃度(小于15 mg·L-1)的FLT脅迫下，大豆發芽率與對照相比均無顯著差異，較高濃度(大于等于15 mg·L-1)的FLT脅迫則顯著抑制了發芽率;發芽勢則對FLT的脅迫作用更加敏感，當FLT濃度大于等于5 mg·L-1時，體現出顯著的抑制作用，表明FLT對大豆種子發芽起到推遲作用，這與Kummerová對FLT影響其他種子發芽的研究結果一致[7]。

多環芳烴具有高度的脂溶性，FLT也不例外，容易與生物膜發生作用，使膜系統結構和功能遭到破壞，從而抑制植物生長和細胞的代謝活性。種子發芽過程中，75%的脂類會被乙醛酸循環轉化成糖類，水解和脂肪酸的β-氧化也是脂類代謝的重要過程，FLT或者其光解產物在細胞內促使活性氧物質(ROS)生成，造成脂質過氧化[6-8]，也可能會抑制或破壞脂類代謝中的酶活性。此外，FLT進入細胞內，在微粒體水平發生氧化生物轉化，產生的中間產物可能成為氧化磷酸化反應的脫偶聯劑，從而阻礙種子細胞的呼吸代謝，減少細胞能量供應。

FLT脅迫時間越久、濃度越高，幼苗長度受到的抑制作用越明顯，這可能與FLT的生物轉化酶合成有關。外源化合物的生物轉化酶往往具有可誘導性，隨脅迫時間和脅迫濃度的增加，FLT的生物轉化酶合成量變大，FLT的中間產物隨之增多，呼吸代謝的阻礙和破壞更加嚴重，導致細胞能量產生效率不斷降低，從而抑制蛋白質的合成代謝途徑。FLT與大豆種子萌發代謝過程中酶的相互作用機制比較復雜，有待在細胞和分子水平上做進一步深入研究。

圖3 熒蒽(FLT)對大豆幼苗長度的影響注:圖中標有不同字母者表示數據組間差異顯著(p＜0.05)。Fig.3 Effects of fluoranthene on length of soybean seedlingsNote:Data represented as mean±standard error.Values followed by the same letter are not significantly different(LSD,p＜0.05).

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