鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)、幼苗生長和生理的影響

摘要：研究鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，以期為探索白蘿卜生長發(fā)育的耐鋅范圍提供參考。以“八斤棒春不老”白蘿卜為試驗材料，以鋅離子（Zn2+）濃度為變量，采用單因素隨機設計，設7個處理（0.00、0.09、0.17、0.35、0.70、1.04、1.39 mmol/L），每個處理3個重復，通過種子萌發(fā)試驗來研究鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。當鋅濃度為0～0.35 mmol/L時，白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數、物質消耗率、貯藏物質消耗率、平均芽長、平均根長、平均單株鮮質量均呈現(xiàn)遞增趨勢，均以Zn3處理（鋅濃度0.35 mmol/L）的最大，其值分別為53.00%、26.43、18.98%、75.96%、4.56 cm、11.56 cm和93.54 mg;當鋅濃度大于0.35 mmol/L時，這些指標均下降。當鋅濃度為0～0.17 mmol/L 時，白蘿卜種子的發(fā)芽率、糖消耗率、蛋白質消耗率、蛋白酶活性、α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性、α+β淀粉酶活性、平均單株干質量呈遞增趨勢，均以Zn2處理（鋅濃度0.17 mmol/L）的最大，其值分別為65.67%、86.94%、28.67%、15.51 μg/min、2.58 mg/（g·min）、12.88 mg/（g·min）、15.47 mg/（g·min）、11.01 mg，相對電導率呈遞減趨勢，以Zn2處理（鋅濃度0.17 mmol/L）的最小，其值為10.23%;當鋅濃度大于0.17 mmol/L，除電導率遞增外，其他指標均下降?？傊?，一定量的鋅有利于提高白蘿卜種子的萌發(fā)、幼苗的生長及酶活性，但濃度過高則起抑制作用。

關鍵詞：鋅;白蘿卜;種子萌發(fā);幼苗生長;生理特性

中圖分類號： S631.101;Q945.78 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）03-0141-05

鋅是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一[1]，同時也是一種對環(huán)境能產生毒害作用的重金屬元素[2]。近年來，由于鋅礦開采、冶煉、鍍鋅加工的快速發(fā)展，導致產生大量含鋅工業(yè)“三廢”，人類將含鋅工業(yè)“三廢”作為改土劑或混合肥料施入土壤中，致使土壤中的鋅超常積累，成為鋅污染土壤[3]。華南地區(qū)某礦區(qū)農田周圍的土壤含鋅量高達690～4 000 mg/kg;華北某污灌區(qū)土壤中鋅含量超過 1 500 mg/kg;而長期施用污泥灌溉的地區(qū)，土壤中鋅含量高達370～470 mg/kg。鋅污染的土壤造成農作物污染，進而危害人類的健康[4]。關于鋅脅迫對植物的生理毒害作用的研究，國內已經有不少報道，且主要集中于蓼珠芽[5]、高羊茅[6]、紅小豆[7]和油菜[8]等植物上。由于蔬菜多被人們直接食用，其體內重金屬的超標將對人們的健康產生巨大的危害。白蘿卜為十字花科蘿卜屬植物，具有很高的醫(yī)用和食療價值，其主要研究集中在汞[9]、鉛[10]、砷[11]和銅[12]等重金屬脅迫下生理毒害作用，在鋅脅迫下生理毒害作用的研究較少。因此，本研究以“八斤棒春不老”白蘿卜品種為試驗材料，采用種子萌發(fā)試驗，研究鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)、幼苗生長和生理的影響，以初步確定白蘿卜生長的耐鋅范圍，為十字花科蘿卜屬其他蔬菜鋅脅迫下的耐性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

本試驗白蘿卜品種為“八斤棒春不老”。挑選大小均一、健康飽滿的白蘿卜種子，用0.40%高錳酸鉀進行表面消毒6 min，用自來水沖洗數次，再用去離子水反復沖洗，最后用濾紙將水吸干后用于種子萌發(fā)試驗。本試驗設7個鋅脅迫處理（表1）。種子先用去離子水浸種，浸種時間均為3 h，浸種溫度為25 ℃，于生化培養(yǎng)箱中進行。浸種后的種子播種于鋪有2張濾紙的9 cm培養(yǎng)皿中，每皿播種50粒種子，依次添加10 mL的各處理液，每個處理3次重復，將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱內（參數設定為溫度20 ℃，光照14 h/d，6 000 lx，黑暗10 h/d，濕度≥80%）培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每天補充相應的處理液以保持處理液濃度基本不變并維持一定濕度。原則是保證種子2/3浸沒在處理液中，1/3暴露在外面，以利于種子進行有氧呼吸。24 h后，開始觀察出芽情況（當胚根長≥種子長，胚芽長≥1/2種子長時為發(fā)芽標準）[13]，發(fā)芽期間每隔24 h記錄1次。

1.3 指標測定

電導率測定：處理24 h后采樣，用電導儀法[14]測定電導率。

物質消耗率：處理48 h后采樣測定，物質消耗率=（發(fā)芽前種子質量-發(fā)芽后種子烘干質量）/發(fā)芽前種子質量×100%[15]。

貯藏物質消耗率：處理48 h后采樣測定，貯藏物質消耗率=苗干質量（芽+根）/苗各部分干質量（芽+根+籽粒）×100%[15]。

α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性和α+β淀粉酶活性：處理48 h后采樣，采用3，5-二硝基水楊酸法[16]測定。

蛋白酶活性：處理48 h后采樣測定，參照李延的方法[17]測定，其中酶液提取時將0.5 g種子加入 5 mL 的50 mmol/L的磷酸緩沖液（含1% PVP，pH值7.0）在冰浴中研磨成勻漿，15 000 g離心20 min，倒出上清液即為酶提取液。然后取1 mL酶提取液加2 mL反應液（內含1.5 mL 50 mmol/L pH值6.0檸檬酸緩沖液，0.5 mL新配制的2%牛血清蛋白），在40 ℃下混合培養(yǎng)2 h，加入2 mL 10% TTC終止反應，4 ℃過夜。12 000 g離心10 min，吸取0.2 mL上清液加1 mL無氨蒸餾水，0.1 mL 0.1% ASA及 3 mL 水合茚三酮試劑，加塞，在沸水浴中反應 15 min，冷水冷卻，在570 nm處測吸光度（D570 nm）。

糖消耗率：處理48 h采樣，糖含量測定參照華東師大生物系編寫的方法[18]。糖消耗率=（發(fā)芽前種子糖含量-發(fā)芽后種子糖含量）/發(fā)芽前種子糖含量×100%。

蛋白質消耗率：處理48 h采樣，蛋白氮含量測定參照李合生的方法[16]。蛋白質消耗率=（發(fā)芽前種子蛋白氮含量-發(fā)芽后種子蛋白氮含量）×6.25/（發(fā)芽前種子蛋白氮含量×6.25）×100%。

發(fā)芽指標：3 d后統(tǒng)計發(fā)芽勢，發(fā)芽勢=前3 d發(fā)芽種子數/供試種子總數×100%[19];7 d后統(tǒng)計發(fā)芽率，發(fā)芽率=7 d內發(fā)芽種子數/供試種子總 數×100%[19];發(fā)芽指數=∑Gt/Dt，其中，Gt為在t時間內的發(fā)芽總數，Dt為發(fā)芽時間[20];第8天測定芽長、側根長[13]。

平均單株鮮質量、平均單株干質量參照魯如坤的方法[21]進行測定。

2 結果與分析

2.1 鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)的影響

試驗結果表明，在不同濃度鋅脅迫下，白蘿卜種子的發(fā)芽情況有一定的差異（表2）。白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數整體上呈先升后降的趨勢，以Zn3處理的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數為最高，以Zn2處理的發(fā)芽率最高，與對照組（Zn0處理）相比，分別提高了20.45%、15.31%和12.28%。隨著鋅濃度的繼續(xù)增加，白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數逐漸降低。方差分析結果表明，Zn3處理的發(fā)芽勢與Zn2處理、Zn4處理、Zn5處理之間差異均不顯著，與Zn0處理、Zn1處理、Zn6處理的差異均達到極顯著水平（P<0.01）。Zn3處理的發(fā)芽率與Zn2處理、Zn4處理之間的差異均不顯著，與Zn0處理、Zn1處理、Zn5處理、Zn6處理之間的差異均達到了極顯著水平（P<0.01）。Zn3處理的發(fā)芽指數與Zn2處理之間差異不顯著，而與Zn4處理之間的差異達到顯著水平，與Zn0處理、Zn1處理、Zn5處理、Zn6處理之間的差異均達到了極顯著水平（P<0.01）。

可見，低濃度鋅脅迫顯著提高白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數，但當鋅濃度超出一定范圍后，則白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數開始顯著或極顯著降低。因此低濃度的鋅有利于白蘿卜種子的萌發(fā)，當濃度過高時則會出現(xiàn)抑制作用，反而不利于種子萌發(fā)。

2.2 鋅脅迫對白蘿卜種子電導率和消耗率的影響

2.2.1 鋅脅迫對白蘿卜種子相對電導率的影響 由圖1可得，白蘿卜種子的相對電導率隨鋅脅迫濃度的增加呈現(xiàn)出先降后升的趨勢。在Zn2處理時，白蘿卜種子的相對電導率達最低，與對照組（Zn0處理）相比，降低了17.03%，差異達到極顯著水平（P<0.01），當鋅濃度超過Zn2處理后，相對電導率將開始逐步上升。在Zn6處理時，白蘿卜種子的相對電導率達到最高，與對照組（Zn0處理）相比，極顯著上升了15.98%。

2.2.2 鋅脅迫對白蘿卜種子物質消耗率的影響 由圖2可知，白蘿卜種子的物質消耗率隨鋅脅迫的加劇呈先增后減，在Zn3處理時，白蘿卜種子的物質消耗率達到最大值，與對照組（Zn0處理）相比，極顯著提高44.74%。隨鋅脅迫的繼續(xù)加深，其物質消耗率開始下降。

2.2.3 鋅脅迫對白蘿卜種子貯藏物質消耗率的影響 試驗結果（圖3）表明，隨鋅濃度的增加，白蘿卜種子的貯藏物質消耗率呈先增后減的趨勢，在Zn3處理時達到最高值，與Zn0處理相比，提高了 22.12%。方差分析結果表明，Zn3處理的貯藏物質消耗率與Zn2處理之間差異不顯著，但與Zn0處理、Zn1處理、Zn4處理、Zn5處理、Zn6處理之間均有極顯著差異（P<0.01）。

2.2.4 鋅脅迫對白蘿卜種子糖消耗率的影響 從圖4可以看出，隨鋅脅迫的加劇，白蘿卜種子的糖消耗率在0～0.17 mmol/L時呈現(xiàn)上升的趨勢，在Zn2處理時達到最高值，與對照（Zn0處理）相比，極顯著提高了11.86%。當鋅濃度大于0.17 mmol/L（Zn2處理）時，白蘿卜種子的糖消耗率逐漸下降，在Zn6處理時，糖消耗率達到最低，與對照組（Zn0）相比，下降了2.64%，但與對照組的差異不顯著。

2.2.5 鋅脅迫對白蘿卜種子蛋白質消耗率的影響 由圖5可知，隨鋅濃度的增加，白蘿卜種子的蛋白質消耗率在0～0.17 mmol/L時呈現(xiàn)增加的趨勢，在Zn2處理時達到最高值，與Zn0處理相比提高了 14.40%，差異達到極顯著水平（P<0.01）。當鋅濃度大于0.17 mmol/L（Zn2處理）時，其蛋白質消耗率呈逐漸減少，在Zn6處理時，蛋白質消耗率達到最低，與對照組（Zn0處理）相比，極顯著下降了78.13%?？梢姡欢舛鹊匿\脅迫可促進白蘿卜種子的萌發(fā)，種子的萌發(fā)需要消耗種子里的各種物質，導致白蘿卜種子物質的消耗（物質消耗率、貯藏物質消耗率、糖消耗、蛋白質消耗）增加，但當鋅濃度過高時，高濃度的鋅抑制白蘿卜種子的萌發(fā)，進而減少種子內物質的消耗。因此一定濃度的鋅脅迫加速種子內物質的消耗，但當濃度過高時反而降低種子內物質的消耗。

2.3 鋅脅迫對白蘿卜幼苗蛋白酶和淀粉酶活性的影響

2.3.1 鋅脅迫對白蘿卜幼苗蛋白酶活性的影響 由圖6可知，白蘿卜幼苗蛋白酶的活性隨鋅濃度的增高呈現(xiàn)先升后降的趨勢，在Zn2處理時其蛋白酶活性達到最大，與對照組（Zn0處理）相比提高了159.80%，與對照的差異達到極顯著水平（P<0.01）。當鋅濃度達到0.35 mmol/L（Zn3處理）后，其蛋白酶活性受到抑制，開始呈現(xiàn)下降的趨勢，在Zn6處理時，其活性達到最小值，與對照組（Zn0處理）相比降低了12.90%，與對照的差異不顯著。

2.3.2 鋅脅迫對白蘿卜幼苗淀粉酶活性的影響 由圖7可以看出，隨鋅濃度的增加，白蘿卜幼苗淀粉酶活性具有一定的差異。α-淀粉酶、β-淀粉酶、α+β淀粉酶活性均隨鋅濃度的增加呈先升后降的趨勢，均在Zn2處理（鋅濃度為0.17 mmol/L）時達到最高值，與對照組比較，分別提高了159.00%、180.61%、177.24%。方差分析結果表明，Zn2處理的α-淀粉酶、β-淀粉酶和α+β淀粉酶活性與Zn0處理、Zn1處理、Zn3處理、Zn4處理、Zn5處理、Zn6處理之間都存在著極顯著差異水平（P<0.01）。

2.4 鋅脅迫對白蘿卜幼苗生長的影響

試驗結果（表3）表明，隨鋅濃度的增加，白蘿卜幼苗的生長具有一定的差異。白蘿卜幼苗的平均芽長、平均根長、平均單株鮮質量和平均單株干質量均隨鋅濃度的增加呈先增后減的趨勢，平均芽長、平均根長和平均單株鮮質量在Zn3處理時達到最高，與Zn0處理相比，分別極顯著提高了 11.22%、23.90%和20.65%，而平均單株干質量在Zn2處理時達到最高，與對照相比，提高了12.69%，與對照的差異達到極顯著水平（P<0.01）。因此低濃度的鋅脅迫有利于白蘿卜幼苗（平均芽長、平均根長、平均單株鮮質量、平均單株干質量）的生長，但當濃度過高時則會開始出現(xiàn)抑制作用，反而不利于白蘿卜幼苗的生長。

3 討論

種子萌發(fā)是植物感知外界環(huán)境的最初生命階段，同時也是對外界環(huán)境變化最敏感的階段[22]，種子萌發(fā)時期的生長狀況直接影響到作物以后的生長和產量。本研究中，白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數、物質消耗率、貯藏物質消耗率、平均芽長、平均根長、平均單株鮮質量均隨鋅脅迫濃度的增加呈先增后減的趨勢，白蘿卜種子的發(fā)芽率、糖消耗率、蛋白質消耗率、蛋白酶活性、α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性、α+β淀粉酶活性、平均單株干質量隨鋅脅迫的加劇呈低促高抑效應，該研究結果與姜成等研究銅對蘿卜種子[12]、王瀚等研究鉛對蘿卜種子[10]、房志浩等研究砷對蘿卜種子[11]的研究有相同點但又有所不同，白蘿卜對銅、鉛和砷表現(xiàn)為低濃度促進高濃度抑制效應，低促說明白蘿卜對低濃度的銅、鉛、砷重金屬具有一定的耐抗性，而本試驗白蘿卜部分種子萌發(fā)和生長指標對鋅表現(xiàn)出中低濃度促進，這可能是由于鋅不同于銅、鉛和砷等重金屬元素，鋅本身也是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一，所以白蘿卜對鋅的耐抗性高于對銅、鉛和砷等其他重金屬元素的耐抗性;高濃度鋅抑制種子萌發(fā)各種指標可能是由于種子萌發(fā)成苗的過程中，必須有物質和能量的不斷供應，而貯存物質分解需要酶的參與，因此，與貯存物質分解有關的酶活性降低是導致種子萌發(fā)受抑的重要原因，高濃度鋅抑制白蘿卜種子的淀粉酶活性、蛋白酶活力，導致淀粉、蛋白質的水解速度降低，使種子萌發(fā)所需的物質和能量供應不足，同時高鋅破壞了白蘿卜種子的膜結構，造成營養(yǎng)物質的外滲[23]。高濃度鋅抑制白蘿卜子葉的生長可能是由于大量鋅進入體內，破壞白蘿卜體內正常的生理代謝平衡，對白蘿卜的光合、呼吸代謝等功能產生不良影響，從而使白蘿卜生長不良[24]。本試驗研究與李春龍研究汞對蘿卜種子萌 影響的研究結果[9]不一致，汞對蘿卜種子萌發(fā)的所有指標均表現(xiàn)抑制效應，可能是因為重金屬汞的毒性比其他重金屬強，白蘿卜不屬于超富集汞的重金屬，對汞并沒有表現(xiàn)出抗性。

4 結論

高濃度鋅脅迫能顯著降低白蘿卜種子的萌發(fā)、子葉的生長和抑制酶活性，表現(xiàn)為白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數、物質消耗率、貯藏物質消耗率、糖消耗率、蛋白質消耗率、平均芽長、平均根長、平均單株鮮質量、平均單株干質量的降低，相對電導率的上升，蛋白酶活性、α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性、α+β淀粉酶活性下降;但白蘿卜對鋅脅迫也表現(xiàn)出了一定的耐性，表現(xiàn)為在一定的脅迫程度下，其發(fā)芽指標、生長指標和酶指標均有所增加，并可初步判定白蘿卜在鋅離子濃度為0.17～0.35 mmol/L 時表現(xiàn)出耐性。本研究結果為探討白蘿卜在鋅污染土壤中的耐鋅表現(xiàn)及十字花科蘿卜屬植物對重金屬鋅脅迫的耐性提供了參考。

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