重金屬鋅脅迫對小扁豆種子萌發和幼苗生長的影響

摘要[目的]探究鋅脅迫對小扁豆種子萌發和幼苗生長的作用。[方法]采用濃度分別為0、20、50、100、200、400 mg/L的鋅溶液處理小扁豆種子，測定鋅脅迫對小扁豆種子發芽和幼苗生長的影響。[結果]低濃度（20 mg/L）鋅處理對小扁豆種子的發芽率、發芽勢等有促進作用；超過一定濃度（>200 mg/L）后，小扁豆種子的萌發受到抑制，隨處理濃度的增加，小扁豆根長、芽長、根鮮重及芽鮮重均呈下降趨勢，鋅脅迫對根長的抑制作用最大，對芽長的影響最小。隨鋅脅迫濃度的增加，小扁豆種子過氧化物酶活性和可溶性糖含量基本呈先升高后降低的趨勢，可溶性蛋白含量呈上升趨勢。[結論]鋅處理對小扁豆種子萌發具有低濃度下的促進效應和高濃度下的抑制效應，隨鋅脅迫濃度的增加，小扁豆幼苗生長的抑制作用越強。

關鍵詞小扁豆；鋅脅迫；種子萌發；幼苗生長

中圖分類號S330.3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）26-001-03

Abstract [Objective] The research aimed to investigate the effects of seed germination and seedling growth of Lens culinaris under zinc stress. [Method] The seeds of Lens culinaris were soaked with different concentrations （ 0， 20， 50，100，200，400 mg/L） of zinc sulfate. The influence of zinc stress on germination and seeding growth of Lens culinaris was determined. [Result] Low concentration of zinc （20 mg/L） had a promoting effect on seed germination of Lens culinaris. When the concentration of zinc was above 200 mg/L， the seed germination of Lens culinaris was inhibited significantly. Zinc stress had the highest inhibitory effect on radicel growth and the the lowest inhibitory effect on germ growth. The activities of POD and the contents of soluble sugar first increased and then decreased as the zinc concentration increased， while zinc stress increased the contents of soluble protein. [Conclusion] Zinc is capable of stimulating seed germination at lower concentrations， but reducing seed germination at higher concentrations. With the increase of concentration， the seeding growth of Lens culinaris was inhibited， and the inhibition enhanced as the increase of zinc concentration.

Key wordsLens culinaris；Zinc stress；Seed germination；Seedling growth

環境污染是當今世界重要生態問題之一。近年來，受自然因素和人類活動的影響，我國農田土壤環境重金屬污染情況日益惡化，環境中重金屬含量急劇增加。土壤重金屬因制約植物生長發育和影響農產品安全問題而成為人們關注的焦點。鋅作為植物生長所必需的微量營養元素，與多種酶的合成、活性有關，在植物代謝過程中起著重要的作用。與此同時，鋅是環境污染的重金屬元素。土壤中過量鋅的存在會對植物產生一定的毒害作用，輕則阻礙植物的生長和發育，重則導致植物死亡[1-2] 。

種子萌發是植物生命周期的重要階段，也是對外界環境因子最敏感的時期之一[3]。種子萌發時期的生長狀況直接影響植物的生長量和生物產量。研究種子在萌發階段受重金屬污染的影響更具有重要的現實意義[4]。小扁豆（Lens culinaris）是耐旱性雜糧作物，多種在溫帶、亞熱帶和熱帶的高海拔地區，分布廣泛，且因小扁豆籽粒含豐富蛋白質、氨基酸和維生素等，其需求量逐年增加，應用潛力較大[5-7]。甘肅地帶狹長，自然環境和生境條件復雜，非常適合小扁豆的種植。選取小扁豆這一常規種，筆者研究了重金屬鋅對其種子萌發和幼苗生長的影響，以期得出不同濃度鋅溶液對小扁豆生命初期的生長及其體內的抗氧化酶活性的影響，旨在為農業生產中早期預報重金屬對作物的毒害效應，防止重金屬毒害的發生提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料供試小扁豆種子購買于甘肅省農科院種子市場。

1.2試驗設計將種子用濃度70%酒精消毒15 min，自來水沖洗干凈，并用蒸餾水沖洗3次以上，最后用濾紙吸干水分備用。Zn以ZnSO4·7H2O 的形式提供。處理液濃度梯度設為 20、50、100、200、400 mg/L，以蒸餾水處理為對照（CK）。每個濃度處理3次重復。選取基本均勻一致、籽粒飽滿的小扁豆種子，整齊擺放在鋪有雙層濾紙的培養皿中，每皿50粒，用無菌注射器分別加入預先配好的處理液5 ml左右（以濾紙飽和為基準），置于室內常溫遮光條件下培養，每天加入適量相應濃度的處理液以保持濾紙的濕潤。

1.3發芽指標的測定

在種子培養期間，每天定時觀察其發芽、生長情況，并且記錄種子發芽數，第3天統計發芽勢，培養7 d后統計發芽率、發芽指數、活力指數及抑制指數[8]。

發芽勢（GP）= Gt/T ×100% （1）

發芽率（GR）= Gt/T×100% （2）

發芽指數（GI）=（Gt/Dt） （3）

式中，Dt 為發芽時間（d）；Gt 為與Dt 相對應的每天發芽種子數；T為種子總數。

活力指數（VI）=發芽指數（GI）×根鮮重（g） （4）

抑制指數（RI）=（對照指標值-處理指標值）/對照指標值 （5）

在發芽試驗結束后，從每個培養皿取10株幼苗，測量根長、芽長，同時稱量根鮮重、芽鮮重，將根、芽去下裝袋，置于烘箱烘干后稱其干重。

1.4生理指標的測定

過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創木酚比色法[9]；可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍G250法[10] ；可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[11]。

1.5數據分析

利用Excel 2007和SPSS19.0軟件，對測得數據進行統計分析。

2結果與分析

2.1鋅脅迫對小扁豆種子萌發的影響

由表1可知，隨著鋅脅迫濃度的增加，小扁豆種子的發芽率、發芽勢呈先升高后降低的趨勢，二者峰值均發生在20 mg/L處理上。該處理下發芽率、發芽勢較CK明顯升高。此后，隨著鋅脅迫濃度的增加，發芽率和發芽勢持續下降。其中，在20 mg/L鋅處理下，發芽率顯著高于200和400 mg/L鋅處理。這說明低濃度（20 mg/L）鋅脅迫處理對小扁豆種子發芽具有促進作用，高濃度（200、400 mg/L）鋅脅迫處理對小扁豆種子發芽具有抑制作用。各處理發芽指數均低于對照，且在200、400 mg/L處理下發芽指數與對照間差異顯著。除50 mg/L處理外，在其他濃度處理下活力指數均與對照有顯著性差異。

2.2鋅脅迫對小扁豆幼苗生長的影響

由表2可知，隨著處理濃度的增大，小扁豆種子的根長、芽長、芽鮮重、芽干重、根干重均有所下降，在20 mg/L濃度處理下根鮮重較CK有所增大，在其他處理下根鮮重均減小。此外，根長隨著處理濃度增大呈現下降趨勢。試驗中，隨著處理濃度的增大，根的形態也發生明顯的變化，根尖出現發黃、發黑的現象，處理濃度越高則根的顏色越深，根毛越少。這說明種子的胚根對鋅更敏感。

2.3鋅脅迫對各指標抑制指數的影響

由表3可知，當處理濃度為20 mg/L時，對發芽率、發芽勢、芽長有促進作用，當處理濃度為50 mg/L時，對發芽率、發芽勢、活力指數、根鮮重、芽長均有促進作用；當濃度大于50 mg/L時，促進作用減弱，抑制作用逐漸增大，且隨著處理濃度的不斷增加，抑制指數持續增長。抑制指數之和Σ（RI）表示各指標受抑制的程度，大小順序為根長>活力指數>根鮮重>發芽指數>發芽勢>發芽率>芽長。這表明鋅脅迫對根長的影響最大，對芽長的影響最小。

2.4鋅脅迫對小扁豆種子生理指標的影響

2.4.1鋅脅迫對小扁豆種子POD活性的影響。

由圖1可知，隨著鋅處理濃度的增加，小扁豆種子的POD活性基本呈現先升高后降低的趨勢，在50 mg/L處理下活性達到最大，之后隨著處理濃度的增大，POD活性逐漸下降。與CK相比，400 mg/L處理下的酶活性顯著下降。這說明低濃度的鋅處理破壞種子中活性氧代謝系統平衡，使得小扁豆通過增加POD活性對外界的有害環境因子做出保護性反應，而隨著脅迫強度的增加，保護酶系統逐漸被抑制，導致POD活性降低。

2.4.2鋅脅迫對小扁豆種子中可溶性蛋白含量的影響。

由圖2可知，隨著鋅脅迫濃度的不斷增加，種子中可溶性蛋白含量持續升高，在400 mg/L處理下可溶性蛋白含量與對照相比差異顯著。可溶性蛋白是一類滲透調節物質，可以絡合重金屬離子具有一定的解毒作用。可溶性蛋白質含量的提高可增加細胞滲透濃度和功能蛋白的數量，有助于維持細胞正常代謝[12]。所以，隨著處理液濃度的升高，小扁豆種子中可溶性蛋白含量會升高。

2.4.3鋅脅迫對小扁豆種子中可溶性糖含量的影響。

由圖3可知，在不同濃度鋅處理下，萌發種子中可溶性糖含量呈先升高后降低的趨勢。在20～100 mg/L鋅處理下，可溶性糖含量不斷上升；在200～400 mg/L鋅處理下，可溶性糖含量不斷下降；在100 mg/L鋅處理下可溶性糖含量明顯增加，較CK增加68%。

3結論與討論

研究表明，重金屬鋅對小扁豆種子的發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數的影響存在一個較低濃度下的促進效應和高濃度下的抑制效應。這與金海燕等[13]相關研究的結論一致。在不同濃度鋅脅迫下，小扁豆根長、芽長、根鮮重及芽鮮重均呈下降趨勢，而且隨著處理濃度的增加，小扁豆幼苗生長的抑制作用增強。重金屬在植物體內積累到一定程度就會對植物產生毒害作用，影響植物的生長發育[14]。

另外，在不同濃度的鋅處理下，隨著處理濃度的升高，POD活性呈現先增加后降低的趨勢。逆境能破壞植物體內活性氧代謝平衡，從而誘導體內活性氧積累，其清除系統尤其是抗氧化酶類則會表現出相應的應激反應[15-17]。POD是植物細胞中抗氧化脅迫的關鍵酶。當脅迫強度較輕時，植物體內的活性氧清除系統被激活，其產生的作用超過活性氧對植物的損傷作用。但是，隨著脅迫強度的增加，保護酶系統逐漸被抑制。植物在逆境條件下保持較高的抗氧化酶活性，能有效地清除活性氧或降低活性氧產生，從而緩解活性氧積累對植物造成傷害，提高抗逆性。因此，在一定范圍內鋅的增加可以誘導小扁豆體內抗氧化酶活性的增加，從而清除和降低活性氧帶來的傷害。

可溶性糖和可溶性蛋白是植物體內重要的滲透調節物。植物在逆境條件下通過增加其含量來調節細胞滲透壓，提高抵抗力[18-19]。低濃度鋅脅迫處理下植物主動積累一些可溶性糖，降低滲透勢和冰點，以適應外界環境條件的變化，致使體內可溶性糖含量增加。高濃度脅迫則破壞其滲透調節功能，使得可溶性糖含量降低[20]。試驗中，隨著鋅脅迫濃度的增加，小扁豆幼苗中可溶性糖含量基本呈先升高后降低的趨勢，可溶性蛋白含量呈上升趨勢。所以，在小扁豆幼苗對鋅脅迫的響應中，可溶性糖和可溶性蛋白發揮著重要的滲透性調節作用。

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