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(huán)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(fā)育受到不同程度的抑制[1]。鋅在葉片中大多數(shù)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(xiàn)不溶的形態(tài)。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(tài)，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(xiàn)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(tài)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(yǎng)5 d后，統(tǒng)計其種子發(fā)芽率，發(fā)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(yǎng)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(xù)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(shù)據(jù)。

3 結果與分析

3.1 Zn2+對發(fā)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(fā)芽的影響，以相對發(fā)芽率表示其發(fā)芽，相對發(fā)芽率=染Zn毒組的發(fā)芽率平均值/對照組(不染Zn毒)的發(fā)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(fā)芽率。

圖1 不同Zn2+濃度對白菜、香蔥和油菜的相對發(fā)芽率

由圖1可見：Zn2+對白菜和油菜的相對發(fā)芽率影響沒有對香蔥的顯著。香蔥的發(fā)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(fā)芽率，而對于香蔥發(fā)芽率的損失高達近40 %。相比于白菜和油菜，Zn2+對發(fā)芽期的香蔥影響更大。

低濃度Zn2+存在下，白菜和油菜相對發(fā)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(fā)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(fā)芽率。整體而言：Zn2+的加入對葉類植物發(fā)芽具有一定的影響，相比于白菜和油菜，對香蔥發(fā)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(xiàn)。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(shù)據(jù)繪于圖2。

由圖2可見：Zn2+的存在使得白菜株重和根重都發(fā)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(fā)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(yǎng)。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)期是植物對外界環(huán)境變化最敏感的階段[5]。一般而言，Zn2+對植物種子萌發(fā)也可能具有低促高抑的現(xiàn)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(yǎng)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(lián)。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(fā)現(xiàn)Zn2+的加入對葉類植物根和莖的發(fā)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(shù)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(chǎn)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。