Pb2+、Zn2+、Cd2+脅迫對鹽地堿蓬種子萌發的影響

邱振魯，吳楊藝璇，孫楨，于學文，莊杰隆

(齊魯理工學院 化學與生物工程學院，山東 濟南 250200)

鹽地堿蓬(Suaedasalsa)，藜科堿蓬屬植物[1]，一年生草本，多分布在黃河三角洲海濱及荒漠低處的鹽堿地上[2]，為遼寧、山東、江蘇一帶平原海岸淤灘上的優勢物種[3]。研究表明，種植鹽地堿蓬能大大降低土壤的含鹽量[4]，并且作為鹽堿地指示生物，對其進行研究有助于促進植物耐堿脅迫機理和應用的研究發展[5]。

近年來，重金屬污染日益嚴重，很多鹽堿地已經不是單純的鹽堿污染，而是鹽堿和多種重金屬的復合污染，所以，研究重金屬對植物生長發育的影響十分必要。重金屬通過礦采、化工、化石燃料的燃燒、各類污水的排放、農藥以及化肥的施用、大氣沉降等途徑持續地進入生物圈，在環境中具有潛在危害，極易被生物富集，并在土壤中累積，對種子的萌發過程產生不良影響[6]。目前關于鹽地堿蓬種子萌發的研究，僅限于鹽堿脅迫下種子萌發指標與幼苗生長指標的研究[7]，以及鹽堿與營養元素互作對上述指標影響的研究[8]和外源性物質浸種對鹽脅迫下鹽地堿蓬種子萌發指標的影響[9]。重金屬脅迫對鹽地堿蓬種子發芽各指標的影響未見文獻報道。本論文研究了不同濃度Zn2+、Pb2+、Cd2+脅迫對鹽地堿蓬種子萌發的影響，以期為鹽地堿蓬在重金屬污染環境下的種植以及鹽生植物資源的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

鹽地堿蓬種子(上海源葉生物科技有限公司提供)，Pb(NO3)2、ZnSO4、CdCl2均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 種子的選取與預處理

鹽地堿蓬種子具有二型性，本實驗采用的是黑色的籽粒。用鑷子挑選大小相近、無破損、發黑發亮的種子，用2% NaClO浸泡30 min，除去種子表面的雜菌。再用蒸餾水反復沖洗，洗凈殘留在表面的NaClO，風干備用。

1.2.2 處理設計

分別配置濃度為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.6、3.2 g·L-1的ZnSO4工作液[10]，0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1.2 g·L-1的Pb(NO3)2工作液[11]和0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g·L-1的CdCl2工作液[12]。

向經高壓蒸汽滅菌的培養皿中放入濾紙，分別加入上述不同濃度和種類的工作液，排出濾紙內氣泡并均勻放入處理好的種子50粒，蓋好培養皿，于25 ℃恒溫培養箱中培養[13]。每組處理做3個重復。

1.2.3 指標測定

測定指標包括發芽率、發芽勢、發芽指數、根長和芽長及根系活力[14-15]。以胚根突破種皮1 mm視為發芽，發芽指數計算到14 d。發芽14 d時，測定根長和芽長，以種子開始變色且翹起的位置至最長葉葉尖的長度為芽長，剩余的位置至最長根根尖的長度為根長，每皿選取長度接近的10株進行測量，取平均值[16]。

根系活力測定采用TTC還原法，制作TTC標準曲線，以空白實驗樣品液為參比，在485 nm波長下測定剪取的根尖樣品處理液的吸光度，根據吸光度查標準曲線，即求出TTC還原量，按照以下公式即可求出根系活力[17]：

TTC還原強度(mg·g-1·h-1)=m/(m0·t)

式中：m為從標準曲線查得的TTC還原量(mg)；m0為根尖樣品質量(g)；t為反應時間(h)。

2 結果與分析

2.1 對鹽地堿蓬發芽率及發芽勢的影響

2.1.1 Pb2+

不同濃度Pb2+對種子發芽率和發芽勢的影響如圖1所示，不同濃度處理組之間發芽勢差異均顯著，其中，Pb2+濃度為0.05和0.10 g·L-1時，發芽勢與對照組相比差異極顯著，可知0.05 g·L-1Pb(NO3)2脅迫就可以對鹽地堿蓬的發芽勢產生抑制作用。將其處理分為低濃度組(0.05、0.1 g·L-1)、中濃度組(0.2、0.3、0.5 g·L-1)和高濃度組(0.8、1.2 g·L-1)，數據分析表明，組間差異極顯著，組內差異顯著。不同濃度處理組之間的發芽率差異顯著性分析結果表明，與對照相比，低濃度組內Pb2+對發芽率影響顯著，中濃度組內及高濃度組內差異不顯著，但組間差異顯著。

圖1 Pb2+、Zn2+、Cd2+脅迫對鹽地堿蓬發芽勢和發芽率的影響

不同濃度Pb2+脅迫下，發芽勢的波動幅度大于發芽率的波動幅度，說明Pb2+對發芽勢影響更大，即對種子萌發前期的影響更為明顯。

2.1.2 Zn2+

從發芽勢來看，對照組與低濃度處理(0.1 g·L-1)和中等濃度處理組內(0.2、0.4、0.6 g·L-1)差異不顯著，但組間差異極顯著。從發芽率來看，Zn2+濃度為0.1 g·L-1時，發芽率極顯著低于對照組；另外，在相鄰濃度的處理中，即0.2 g·L-1和0.4 g·L-1、0.6 g·L-1和0.8 g·L-1以及0.8 g·L-1和1.6 g·L-1之間，發芽率表現出極顯著差異，其他相鄰處理組之間差異均顯著，其中0.1 g·L-1和0.2 g·L-1處理組的發芽率差異不顯著。ZnSO4在低濃度下對發芽勢具有抑制作用，但中高濃度相比中低濃度呈上下波動狀態。隨ZnSO4濃度的升高發芽率呈降低趨勢。比較發芽勢和發芽率變化趨勢可知，低濃度Zn2+對發芽勢影響更加明顯，而高濃度Zn2+對發芽率影響更明顯。

2.1.3 Cd2+

0.05 g·L-1處理組與0.01 g·L-1處理組發芽勢差異顯著，而0.01 g·L-1處理組與對照組差異不顯著，說明CdCl2從0.05 g·L-1開始對鹽地堿蓬的發芽勢產生抑制作用。CdCl2超過0.05 g·L-1后，每個處理組都和相鄰低濃度處理組之間差異顯著，其中，0.2 g·L-1的處理組與0.3 g·L-1的處理組之間發芽勢差異極顯著。發芽率數據分析表明，CdCl2濃度為0.01 g·L-1時，發芽率極顯著低于對照組，表明從該濃度起，Cd2+就對發芽率產生了明顯的影響。從0.2 g·L-1到0.4 g·L-1，每個處理組的發芽率均與前一個處理組差異極顯著，其余處理組之間發芽率無顯著性差異。不同濃度Cd2+脅迫下：發芽勢整體呈波動下降趨勢，其中，0.05 g·L-1處理組與前一組比較，作用最為明顯；發芽率呈持續下降趨勢。

2.2 對發芽指數的影響

Pb2+、Zn2+、Cd2+脅迫下鹽地堿蓬發芽指數的變化趨勢如圖2所示，Pb(NO3)2脅迫下鹽地堿蓬種子發芽指數持續下降，說明隨著Pb(NO3)2濃度的升高，能使種子在失去發芽力之前持續劣變，種子活力持續下降；隨ZnSO4濃度的升高，發芽指數整體呈下降趨勢，在0.1～0.6 g·L-1時，下降趨勢更為明顯。隨著CdCl2濃度的升高，發芽指數也呈整體下降趨勢，在0.1～0.5 g·L-1時，下降趨勢最明顯。

圖2 Pb2+、Zn2+、Cd2+脅迫對鹽地堿蓬發芽指數的影響

2.3 對根長和芽長的影響

2.3.1 Pb2+

由圖3可知，從0.2 g·L-1開始，Pb2+對根長有顯著抑制作用；Pb2+濃度高于0.5 g·L-1時，根長顯著小于0.2 g·L-1的處理組。Pb2+濃度為0.05 g·L-1時，芽長顯著小于對照組，說明0.05 g·L-1的Pb2+就開始抑制鹽地堿蓬芽的生長；隨著Pb2+濃度的升高，中低濃度處理組芽長差異顯著，而高濃度組之間差異不顯著。Pb2+脅迫對根長和芽長的影響趨勢大致相同，均表現為隨濃度增加而下降，尤其是在中等濃度變化范圍內，下降趨勢更為明顯。

圖3 Pb2+、Zn2+、Cd2+脅迫對鹽地堿蓬根長和芽長的影響

2.3.2 Zn2+

Zn2+濃度為0.2 g·L-1的處理組鹽地堿蓬根長顯著低于0.1 g·L-1和對照組，說明Zn2+濃度達到0.2 g·L-1時，開始對根尖細胞分裂產生明顯的抑制作用；Zn2+濃度高于0.8 g·L-1的處理組之間根長均無顯著差異。0.2 g·L-1處理組與0.6 g·L-1處理組之間差異顯著，且均與0.4 g·L-1處理組之間差異不顯著。隨脅迫Zn2+濃度的增加，鹽地堿蓬根長和芽長均呈現明顯的下降趨勢，根長的下降趨勢隨Zn2+濃度增加比較穩定，而在較低的濃度下即可強烈抑制鹽地堿蓬芽的細胞分裂。

2.3.3 Cd2+

Cd2+脅迫下，鹽地堿蓬根長和芽長的變化趨勢一致，0.01 g·L-1處理組與對照組及0.05 g·L-1處理組之間差異顯著，說明低濃度Cd2+處理已經對根尖和芽的細胞分裂產生了顯著的抑制作用；而Cd2+高于0.05 g·L-1的處理組之間根長、芽長差異不顯著，這可能是低濃度Cd2+的抑制效應幾乎已經達到極限，從而使高濃度抑制增強的作用不明顯。

2.4 對鹽地堿蓬根系活力的影響

2.4.1 Pb2+

鹽地堿蓬的根系活力隨Pb2+濃度的增加而呈現持續下降趨勢，Pb2+濃度超過0.3 g·L-1時，根系活力下降趨勢更大，說明實驗中設置的高濃度處理組對根系中各種脫氫酶的抑制作用更加明顯(圖4)。

圖4 Pb2+、Zn2+、Cd2+脅迫對鹽地堿蓬根系活力的影響

2.4.2 Zn2+

與Pb2+脅迫的結果不同，低濃度Zn2+脅迫可以提高鹽地堿蓬根系活力，而高濃度Zn2+脅迫強烈抑制根系活力，推測這與鋅是植物生長的必要元素有關。研究表明，鋅是甘油醛-3-磷酸脫氫酶的活化劑，低濃度Zn2+脅迫能夠促進根系活力，而高濃度Zn2+的抑制作用可能與重金屬引起胞內蛋白變性或對某些根系活力指標中脫氫酶的抑制作用有關。

2.4.3 Cd2+

鹽地堿蓬的根系活力隨Cd2+濃度增加呈現持續下降趨勢，Cd2+濃度為0.05～0.3 g·L-1時，隨濃度增加，根系還原酶活力下降最為明顯。

3 討論

Pb2+對鹽地堿蓬發芽率和發芽勢均呈現始終抑制的作用，Pb2+濃度為0.05 g·L-1時便與對照組產生了顯著差異，這說明Pb2+在較低的濃度下，可以抑制種子萌發時相關酶的活力或者使細胞內蛋白或核酸變性。Zn2+對鹽地堿蓬發芽勢表現出低濃度促進而高濃度抑制的結果，可能是Zn2+作為植物的必須元素，低濃度時能夠激活種子萌發時某些酶的活性，高濃度時導致胞內蛋白變性和對種子萌發過程中酶有非競爭性抑制作用。Zn2+對發芽率的影響沒有出現低濃度促進的現象，猜測其原因可能是由于種子已經在Zn2+脅迫處理14 d，其細胞內的Zn2+積累較多。低濃度Cd2+脅迫即可以顯著抑制鹽地堿蓬發芽率和發芽勢，隨Cd2+濃度增大，鹽地堿蓬發芽率和發芽勢受抑制程度均增加，推測與重金屬導致核酸、蛋白變性或者抑制酶的活性有關。

Pb2+、Zn2+、Cd2+對鹽地堿蓬發芽指數的影響與對發芽率、發芽勢的影響幾乎一致，原因也可以認為同上述分析。而對根長和芽長的影響，也與這3種重金屬對發芽率的影響幾乎一致。根的伸長是根尖分生區細胞分裂和伸長區細胞伸長的結果，芽的增長是芽細胞分裂伸長的結果，重金屬進入細胞，使核酸或蛋白變性，或者抑制有絲分裂過程中紡錘體的形成從而抑制細胞的分裂，或者通過抑制細胞骨架蛋白的形成影響細胞的伸長，可能是導致根長、芽長隨重金屬濃度增加而下降的原因。

除低濃度Zn2+對鹽地堿蓬根系活力有略微的促進作用外，Pb2+、Cd2+均表現為隨濃度的升高對根系活力的抑制作用增強，Zn2+超過0.4 g·L-1后，開始對根系活力呈現抑制作用。低濃度Zn2+使根系活力增強的原因可能是因為其作為甘油醛-3-磷酸脫氫酶和乙醇脫氫酶的組成成分，它們在細胞內的合成量增加從而使酶活性增強，也可能是Zn2+作為脫氫酶的激活劑使酶活性增強。

4 小結

本文使用平皿培養法，研究3種重金屬Pb2+、Zn2+和Cd2+單一脅迫對鹽地堿蓬種子萌發的影響，結果表明，只有Zn2+在低濃度下對鹽地堿蓬種子的發芽勢、發芽指數和根系活力有促進作用。Pb2+、Cd2+對種子萌發各指標的影響均表現為隨濃度的升高抑制作用逐漸增強，Zn2+在高濃度下對種子萌發各指標的抑制作用也隨濃度增加而增強。