Zn2+對葉類植物生長的影響研究

劉 珍，黃碧捷，桂思琪，張 怡

(江漢大學 化學與環境工程學院， 湖北 武漢 430056)

1 引言

植物缺鋅和高鋅都會引起生理病害，導致植物的生長發育受到不同程度的抑制[1]。鋅在葉片中大多數以自由離子、低分子化合物和金屬蛋白存在，也有少部分和細胞壁結合，呈現不溶的形態。鋅在植物中大約超過6成是可溶的，植物中可溶的Zn2+是引起生理作用的主要形態，通常也是反映鋅豐富或缺少的較好指標[2]。研究Zn2+對植物的毒性效應具有很強的現實意義。白菜、油菜和香蔥是人類日常大量攝入的葉類植物的典型代表，研究Zn2+對其生長的影響是其對植物生態風險評價研究的第一步。

2 材料與方法

準備白菜、油菜和香蔥種子各1包，若干個Φ10 cm×5 cm的花盆。每組取5 kg土壤，按照N、P、K均為0.1 g/kg干土的量施配置好的NH3NO3、KH2PO4、K2SO4肥料，將肥料與土混勻；分別用濃度為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L 200 mg/L、300 mg/L的Zn2+(以ZnCl2提供)溶液浸泡土壤24 h，風干后過2 mm篩。每個花盆內放5顆種子，6組平行，置于人工氣候箱中培養5 d后，統計其種子發芽率，發芽率以百分率的平均值表示。

另取相應量的花盆中置于人工氣候箱中培養18 d后，向每盆土中添加濃度分別為0 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L和500 mg/L的Zn2+(以ZnCl2提供)溶液，每次添加5 mL，每3 h一次，連續添加7 d后測量其株高、株重和最大根長。用皮尺測株高和最大根長，用分析天平稱其鮮重和干重，取其平均值。由于白菜和油菜結果相似，僅報道白菜和香蔥的相關數據。

3 結果與分析

3.1 Zn2+對發芽率的影響

考慮到種子本身的質量以及本底土壤中其他物質對種子發芽的影響，以相對發芽率表示其發芽，相對發芽率=染Zn毒組的發芽率平均值/對照組(不染Zn毒)的發芽率平均值×100 %。圖1顯示了不同Zn2+濃度對白菜、香蔥和油菜的相對發芽率。

圖1 不同Zn2+濃度對白菜、香蔥和油菜的相對發芽率

由圖1可見：Zn2+對白菜和油菜的相對發芽率影響沒有對香蔥的顯著。香蔥的發芽與Zn2+濃度有著顯著性的差別。高濃度Zn2+僅使白菜和油菜損失不到一成的發芽率，而對于香蔥發芽率的損失高達近40 %。相比于白菜和油菜，Zn2+對發芽期的香蔥影響更大。

低濃度Zn2+存在下，白菜和油菜相對發芽率大于100 %，這可能是由于Zn2+的加入使其與土壤中本底的重金屬或其他污染物發生了如拮抗等相互作用，使得本底毒性較對照組(未染Zn2+毒)降低，從而提高了種子的發芽率。整體而言：Zn2+的加入對葉類植物發芽具有一定的影響，相比于白菜和油菜，對香蔥發芽的影響更大。

3.2 Zn2+對株重和根重的影響

生物量降低是污染物對植物毒性效應的最直接體現。筆者前期研究表明：相比于整個植株生物量，株重和根重的指標更為敏感。將不同Zn2+濃度染毒下白菜和香蔥的株重(干重和鮮重)和根重(干重和鮮重)數據繪于圖2。

由圖2可見：Zn2+的存在使得白菜株重和根重都發生了顯著性的改變，500 mg/L染毒條件下，株鮮重和根鮮重較空白分別下降27.3%和18.6%。而對于香蔥而言，無論是株重還是根重變化趨勢不明顯。整體而言：Zn2+的加入對葉類植物生物量具有一定的影響，相比于白菜和油菜，對白菜的影響更大。

3.3 Zn2+對株高和最大根長的影響

株高和最大根長也能敏感的表征污染物對植株生長的傷害。圖3顯示了不同Zn2+濃度下，白菜和香蔥株高和最大根長的變化情況。

圖2 不同Zn2+濃度對白菜和香蔥的株重(a：鮮重；b：干重)和根重(c：鮮重；d：干重)的影響

圖3 不同Zn2+濃度對白菜和香蔥的株高(a)和最大根長(b)的影響

由圖3可見：Zn2+顯著影響白菜和香蔥根系和莖的生長，尤其是對株高的影響。空白組白菜的株高和最大根長較300 mg/L染毒條件時增長16.1 %和11.3 %。整體而言：Zn2+的加入對葉類植物根和莖的發育具有一定的影響，對白菜和香蔥影響都很顯著。

4 結語

鋅是植物的必需元素，植物生長需要鋅，然而，鋅也能使根系生理代謝過程失調，植物根系生長受到抑制，從而導致根系吸收能力減弱，使植物缺乏營養。過量的鋅能抑制磷在大豆作物和牧草類植物根莖中的吸收，影響磷的代謝過程，使植物表現出缺磷的癥狀[3]。高濃度的鋅會使植物鐵代謝失常，即使在鐵供應充足的條件下，大豆葉片也會出現失綠和生物量減少[4]。本研究中，高濃度Zn2+存在時，白菜葉片擴展和伸長受到抑制，出現小葉且葉緣扭曲和皺折，植株變矮，Zn2+能降低白菜、香蔥等葉類植物的生物量。

種子萌發期是植物對外界環境變化最敏感的階段[5]。一般而言，Zn2+對植物種子萌發也可能具有低促高抑的現象，尤其是濃度越高抑制作用越明顯[6]。當土壤中的Zn2+離子含量超過一定限度時，植物根部會受到嚴重的毒害作用，從而影響植物對水分和養分的吸收，造成植物生長不良，甚至導致死亡。大量研究結果表明：鋅離子濃度與植物根長和株高也存在顯著性的關聯。如黑麥草幼苗的根長和株高在鋅脅迫下受到抑制[7]，紅壤中Zn濃度在250 mg/kg時，能對番茄的根伸長抑制率達到了95%[8]。本研究中也發現Zn2+的加入對葉類植物根和莖的發育具有一定的影響，對白菜和香蔥影響都很顯著。植物鋅中毒還可以通過不同的機制抑制光合作用的各個步驟[9]。對大多數植物來說，鋅被隔離在液泡中是最重要的耐鋅機制，并且與液泡中大量產生的有機酸形成復合物而減少其對細胞的傷害[2]。在探討鋅對植物生長影響的同時，應關注其對植物生理生化的影響，了解其在植物體內的生物積累。