硫酸銅對黑豆種子萌發和幼苗生長的影響

摘要：用水培法探究了硫酸銅對黑豆種子萌發、幼苗生長和生理指標的影響。結果顯示，高濃度的硫酸銅抑制了黑豆種子的發芽勢、發芽率、發芽指數和幼苗的鮮重、根長和苗高。隨著硫酸銅處理濃度的增加，黑豆幼苗中的SOD活性呈上升趨勢，POD和CAT活性先升高后降低，MDA含量逐漸升高，可溶性蛋白含量先增高后下降。結果表明，高濃度硫酸銅可以改變抗氧化酶活性，顯著提高MDA含量和降低可溶性蛋白含量，從而抑制了黑豆種子的萌發和幼苗的生長。硫酸銅對黑豆幼苗根的抑制作用明顯強于對地上部分的抑制。

關鍵詞：硫酸銅；黑豆；種子萌發；幼苗生長

中圖分類號：Q945 "文獻標志碼：A

重金屬污染會影響植物的生長發育，且重金屬在植物中積累后會通過食物鏈進入人體，威脅人類生命和健康[1]。銅是植物生長所需的微量元素，但是當銅超標時，會對植物造成傷害[2-4]。銅在農業土壤中的濃度可急劇累積，因此是一種關鍵的土壤污染物[5，6]。植物種子的萌發是影響植物終產量和品質的關鍵因素，開展重金屬銅污染對植物種子萌發的研究具有重要的現實意義。許多學者已經進行了銅污染對植物種子萌發影響的研究[7-21]，表明銅離子會影響種子萌發和幼苗的生長，影響超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）的活性、丙二醛（malondialdehyde，MDA）的含量以及植物體內可溶性蛋白的含量。

黑豆具有很高的營養價值和藥用價值，已有學者報道了鉛脅迫和重金屬污染土壤對黑豆生理特性的影響[22，23]。盡管趙文欣等[13]研究了浸種對黑豆芽苗菜生長及生理特性的影響，但是沒有涉及持續銅脅迫對黑豆種子萌發和幼苗生長影響的報道。本研究以黑豆為實驗材料，探究硫酸銅對黑豆種子萌發及幼苗生長的影響，為深入研究銅脅迫對植物生長發育的毒害機理提供理論參考依據，對黑豆的種植具有參考意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

黑豆（Glycine max（L.）merr），購于煙臺萊山區萊山鎮種子站。

1.2 實驗方法

選用豆粒飽滿、大小一致的黑豆種子，用1%的次氯酸鈉溶液浸泡20 min，之后用清水沖洗干凈，分別倒入裝有0（作為對照）、50、100、300 和500 mg·L-1硫酸銅溶液的燒杯中，放入25 ℃光照培養箱浸泡24 h后，把黑豆轉移至添加對應濃度硫酸銅的培養皿（底部鋪有兩層濾紙）中，繼續在培養箱中進行培養，每天更換相應濃度的硫酸銅溶液并觀察記錄種子萌發情況。在第3天統計發芽勢，在萌發第7天統計發芽率并測定幼苗鮮重、根長和苗高、抗氧化酶活性、MDA和可溶性蛋白含量。

1.3 種子萌發測定

每天統計發芽情況，計算發芽指數。第三天測定發芽勢，第七天進行發芽率的測定。計算公式分別為：

發芽勢=前3天種子發芽數/供試種子總數×100%，

發芽率=前7天種子發芽數/供試種子總數×100%，

發芽指數=新發芽種子數/天數。

1.4 幼苗生長和生理指標測定

用電子天平測量鮮重，用游標卡尺測量根長和苗高。采用氮藍四唑光還原法測定SOD活性[24]；采用愈創木酚比色法測定POD活性[25]；采用紫外吸收法測定CAT活性[26]；采用硫代巴比妥酸法測定MDA含量[27]；采用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白含量[28]。

1.5 統計分析

實驗重復三次。采用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。結果表示為平均值±標準誤（xsx），P＜0.05表示組間差異具有統計學意義。

2 結 "果

2.1 硫酸銅對黑豆種子萌發的影響

表1表明，在低濃度硫酸銅（50和100 mg·L-1）處理后，黑豆種子的發芽勢、發芽率和發芽指數與對照組相比差異不顯著；當硫酸銅濃度升高至300和500 mg·L-1時，以上三個指標均顯著低于對照組。結果表明，高濃度銅離子抑制了黑豆種子的萌發。

注：同一列相同字母表示組間差異具有統計學意義（P＜0.05）。

2.2 硫酸銅對黑豆幼苗鮮重的影響

從圖1可以看出，黑豆幼苗鮮重的總體趨勢是隨著硫酸銅濃度的升高而緩慢降低。黑豆幼苗的鮮重受到了銅脅迫的影響，高濃度的硫酸銅使鮮重降低。

柱上不同字母代表組間差異具有統計學意義（P＜0.05），下同。

2.3 硫酸銅對黑豆幼苗根長和苗高的影響

圖2顯示，黑豆幼苗的根長和苗高都隨著硫酸銅濃度的升高而降低。在硫酸銅濃度為50 mg·L-1時，黑豆的根長開始明顯短于對照組，而苗高與對照組無顯著性差異。在高濃度500 mg·L-1時，根長和苗高的長度分別為對照組的19.4%和36.5%。結果表明，銅脅迫對于黑豆幼苗根的抑制作用明顯強于對地上部分的抑制，即根對銅離子的反應更為敏感，受到的毒害更嚴重。

2.4硫酸銅對黑豆幼苗抗氧化酶活力的影響

2.4.1硫酸銅對SOD活性的影響 "從圖3可以看出，隨著硫酸銅濃度的升高，黑豆幼苗根和地上部分的SOD活性整體趨勢是上升的（本研究中酶活性均以每克黑豆幼苗鮮重計算）。硫酸銅濃度300 mg·L-1時，黑豆幼苗根的SOD活性達到最高值。黑豆幼苗地上部分SOD活性隨著硫酸銅濃度的升高而增加。

2.4.2硫酸銅對POD活性的影響 "圖4表明，銅脅迫對黑豆幼苗根和地上部分POD活性的影響趨勢是隨著濃度的升高先上升再降低。在硫酸銅濃度為100 mg·L-1時，黑豆幼苗根和地上部分的POD活性值均達到峰值。

2.4.3硫酸銅對CAT活性的影響 "與對照組相比，黑豆根CAT活性在硫酸銅濃度為300 mg/L和500 mg/L時下降，顯著低于對照組，在硫酸銅濃度為100 mg/L時CAT活性值達到頂峰。黑豆幼苗地上部分與根CAT活性的總體變化趨勢類似，均先上升后下降（圖5）。

2.5硫酸銅對黑豆幼苗MDA含量的影響

結果表明，銅脅迫對黑豆幼苗根和地上部分MDA含量的影響都呈上升趨勢，即硫酸銅濃度越高，MDA的含量越大（圖 6）。

2.6硫酸銅對黑豆幼苗可溶性蛋白含量的影響

由圖7可見，銅脅迫對黑豆幼苗的根與地上部分可溶性蛋白含量的影響都呈先上升后降低的趨勢。在50 mg·L-1銅離子時，根的可溶性蛋白含量升高與對照組相比差異顯著，但是地上部分的可溶性蛋白含量雖然有所升高但是與對照組相比組間差異無統計學意義。根部和地上部分的可溶性蛋白含量均在100 mg·L-1銅離子時達到峰值。硫酸銅濃度繼續升高時，根部和地上部分的可溶性蛋白含量均明顯降低，在500 mg·L-1時分別降低至對照組的45.32%和51.63%。

3 討 "論

3.1 硫酸銅對黑豆種子萌發的影響

本研究采用水培的方式對黑豆種子萌發進行銅離子毒害實驗，避免了土培時銅離子與土壤中的成分吸附或者結合造成銅離子濃度不確定的現象。通過實驗可以得出，硫酸銅影響了黑豆種子的萌發，發芽勢、發芽率和發芽指數均都隨著硫酸銅濃度的增加而下降，結果與其他學者對小麥、水稻和海棗的研究結果一致[12，18-19]，這是由于高濃度銅離子能促進細胞產生ROS，導致細胞膜破壞和DNA斷裂等，從而抑制了種子萌發；高濃度銅離子也會影響種子內各種酶的活性，導致種子不能正常萌發。但是，本實驗結果與趙文欣等研究外源銅對黑豆芽苗生長的結果有區別[13]，可能是由于水培前浸種方法及后續的處理不同造成的。

3.2 硫酸銅對黑豆幼苗生長的影響

高濃度硫酸銅會使黑豆幼苗的鮮重、根長和苗高降低，該結果與蘇明星等研究銅處理對大豆和綠豆種子萌發和幼苗生長影響的研究結果一致[14]。其原因可能是銅脅迫造成植物生理代謝異常，使得蛋白含量下降，影響了植物對養分和水的吸收，從而導致幼苗生長緩慢，甚至死亡。根據實驗結果可以看出，銅脅迫對根造成的傷害比地上部分更嚴重。根是植物營養吸收器官，是植物直接與重金屬接觸的部位，銅離子因影響紡錘體形成而抑制了細胞分裂和伸長，造成根長變短[29]。銅離子能破壞植物細胞膜，導致細胞失去了細胞膜調節對物質的滲透選擇性和水分的保持能力。這種破壞會導致植物失去正常的細胞結構和功能[30]。

高濃度硫酸銅使幼苗高度降低，原因可能是銅離子抑制了幼苗的光合作用等多種代謝途徑[31]，也可能破壞了植物伸長細胞的細胞膜，使其內部物質外滲，導致幼苗不再繼續生長，高度降低。因此，硫酸銅對豆類植物根的影響顯著高于對地上部分的影響。

3.3 硫酸銅對黑豆幼苗內抗氧化系統的影響

數據分析表明，銅脅迫能影響黑豆萌發種子的抗氧化酶活性和MDA含量。隨著銅脅迫濃度的增加，黑豆幼苗根和地上部分的SOD活性整體呈上升趨勢，而黑豆幼苗的POD和CAT活性都是先增加后下降，結果與殷金梅等研究銅對小麥種子的研究結果一致[15]；SOD升高可去除多余的ROS，同時產生過量的過氧化氫；POD和CAT活性升高以消除過量的過氧化氫，但是在高濃度銅離子作用下POD和CAT活性降低。銅離子可以作為活躍的氧化劑參與到細胞內產生氧化應激反應中，產生大量的自由基和活性氧，可能會破壞細胞膜的完整性和結構，使細胞膜中的脂質過氧化損傷加劇，并導致MDA的含量升高，結果與其他學者研究銅脅迫對豇豆、水稻和黃麻種子萌發影響的研究結果一致[16，18，21]。

3.4 硫酸銅對黑豆幼苗可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白含量的增加有助于提高植物的抗逆性。硫酸銅濃度較低時，黑豆幼苗體內可溶性蛋白含量呈增加趨勢，銅離子濃度較高時，黑豆幼苗體內可溶性蛋白含量逐漸降低，并且根和地上部分趨勢類似。該結果與田曉璇研究銅脅迫對玉蟬花種子萌發和幼苗生長的結果一致[17]。原因是低濃度重金屬可以促進植物體合成新蛋白尤其是重金屬結合蛋白作為主要防御物質，提高植物體抗性，因此可溶性蛋白含量升高；高濃度重金屬加速了蛋白質的降解，破壞了蛋白質合成系統，造成可溶性蛋白的含量下降[32]。

4 小 "結

本實驗表明，高濃度硫酸銅降低了萌發指標，抑制了黑豆種子的萌發，降低了黑豆幼苗的鮮重、根長和苗高。銅脅迫對根造成的傷害比地上部分更嚴重。隨著硫酸銅濃度的升高，黑豆幼苗的SOD活性整體呈升高趨勢，POD和CAT活性表現為先升高后降低的趨勢，MDA含量逐漸升高，而可溶性蛋白含量先升高后降低。這些生理指標的改變，影響了黑豆幼苗的生長和發育。

參考文獻：

[1] 廉雅菲. 淺析土壤受重金屬污染的治理與修復[J]. 石河子科技， 2023（1）： 1-2.

[2] 祝沛平. 銅在植物生長發育中的作用[J]. 生物學通報， 2000， 35（10）： 7.

[3] ANJUM N A， SINGH H P， KHAN M I R， et al. Too much is bad—an appraisal of phytotoxicity of elevated plant-beneficial heavy metal ions[J]. Environmental Science and Pollution Research， 2015， 22（5）： 3361-3382.

[4] KUMAR V， PANDITA S， SINGH SIDHU G P， et al. Copper bioavailability， uptake， toxicity and tolerance in plants： a comprehensive review[J]. Chemosphere， 2021， 262： 127810.

[5] MIR A R， PICHTEL J， HAYAT S. Copper： uptake， toxicity and tolerance in plants and management of Cu-contaminated soil[J]. Biometals： an International Journal on the Role of Metal Ions in Biology， Biochemistry， and Medicine， 2021， 34（4）： 737-759.

[6] TAYLOR A A， TSUJI J S， GARRY M R， et al. Critical review of exposure and effects： implications for setting regulatory health criteria for ingested copper[J]. Environmental Management， 2020， 65（1）： 131-159.

[7] 蔣桂芳. Cu2+對豌豆種子萌發及幼苗生長的影響[J]. 北方園藝， 2010（5）： 49-51.

[8] 龔磊. Ni2+、Cu2+脅迫對五種旱生植物種子萌發及幼苗生長的影響[D]. 蘭州： 甘肅農業大學， 2013： 13-29.

[9] 楊旭輝. Cu2+脅迫下不同地域棒頭草的耐受性研究[D]. 成都： 四川師范大學， 2010： 20-38.

[10] 柯佳穎， 吳文杰， 陳細香. Pb2+、Cr6+、Cu2+對黃豆種子萌發、生長的影響[J]. 廣東農業科學， 2011， 38（5）： 37-38， 46.

[11] 張天， 范明慧， 田勝尼， 等. 重金屬銅、鎘對三種十字花科植物種子萌發的影響[J]. 信陽農林學院學報， 2021， 31（3）： 92-99.

[12] 程貫召. 銅離子脅迫對小麥種子萌發和幼苗生長的毒害[D]. 濟南： 山東師范大學， 2008： 21-26.

[13] 趙文欣， 劉凱凱， 徐偉， 等. 外源鈣和銅對黑豆芽苗菜生長及生理活性物質的影響[J]. 山西農業科學， 2022， 50（1）： 46-53.

[14] 蘇明星， 謝芳， 石戈， 等. 銅處理對大豆和綠豆種子萌發和幼苗生長的影響[J]. 華中師范大學學報： 自然科學版， 2010， 44（3）： 478-482.

[15] 殷金梅. 銅鋅處理對小麥種子萌發及根系生理生化特性的影響[D]. 蘭州： 西北師范大學， 2017： 15-19.

[16] 趙雨云， 龍岳峰. 銅脅迫對豇豆種子萌發影響的研究[J]. 安徽農學通報， 2019， 25（20）： 32-34.

[17] 田曉璇. 銅鎘脅迫對玉蟬花種子萌發及幼苗生長生理的影響[D]. 哈爾濱： 東北林業大學， 2020： 8-31.

[18] YE N H， LI H X， ZHU G H， et al. Copper suppresses abscisic acid catabolism and catalase activity， and inhibits seed germination of rice[J]. Plant and Cell Physiology， 2014， 55（11）： 2008-2016.

[19] CHA?BENE Z， HAKIM I R， RORAT A， et al. Copper toxicity and date palm （Phoenix dactylifera） seedling tolerance： monitoring of related biomarkers[J]. Environmental Toxicology and Chemistry， 2018， 37（3）： 797-806.

[20] JA?CZAK-PIENI??EK M， CICHO?SKI J， MICHALIK P， et al. Effect of heavy metal stress on phenolic compounds accumulation in winter wheat plants[J]. Molecules， 2022， 28（1）： 241.

[21] AMEEN F， MUMTAZ S， ALI B， et al. The impact of Cu-polluted and organic soil on the fibrous plant; insights into plant growth promotion， antioxidant defences system， and oxidative stress[J]. Functional Plant Biology， 2023， 50（8）： 623-632.

[22] 陶玲， 郭永春， 李萍， 等. 鉛脅迫對3種豆類作物生理特性的影響[J]. 中國農學通報， 2012， 28（33）： 78-83.

[23] 張盼盼， 崔亦沐， 袁琴琴， 等. 重金屬污染土壤對三種豆科作物光合生理和產量的影響[J]. 榆林學院學報， 2022， 32（6）： 37-42.

[24] 廖展如， 張舒， 石巨恩， 等. 雙核銅（Ⅱ）， 鐵（Ⅲ）， 錳（Ⅱ）模型化合物的超氧化物歧化酶活性檢測——氮藍四唑光還原法[J]. 華中師范大學學報： 自然科學版， 1993， 27（2）： 194-200.

[25] 李忠光， 龔明. 愈創木酚法測定植物過氧化物酶活性的改進[J]. 植物生理學通訊， 2008（2）： 323-324.

[26] 王群， 劉朝巍， 徐文娟. 紫外分光光度法測定玉米過氧化氫酶活性新進展[J]. 中國農學通報， 2016， 32（15）： 159-165.

[27] 祁紅學， 劉秀萍， 安靜. 硫代巴比妥酸法測定魚體肌肉中脂質過氧化物含量的方法優化[J]. 安徽農業科學， 2017， 45（10）： 91-92.

[28] 焦潔. 考馬斯亮藍G-250染色法測定苜蓿中可溶性蛋白含量[J]. 農業工程技術， 2016（17）： 33-34.

[29]宋玉芳， 許華夏， 任麗萍， 等.重金屬對西紅柿種子發芽與根伸長的抑制效應[J].中國環境科學， 2001， 21（5）： 390-394.

[30]王友保， 劉登義， 張莉， 等. 銅、砷及其復合污染對黃豆（Glycine max）影響的初步研究[J]. 應用生態學報， 2001， 12（1）： 117-120.

[31]張穎，高景慧. 鎘處理對紅三葉種子萌發及幼苗生理特性的影響[J]. 西北農業學報， 2007，16（3）： 57-59.

[32] 李珊， 程舟， 楊曉伶， 等. 鎘與鋅復合污染對栝樓幼苗生理特性的影響[J]. 西北植物學報， 2007， 27（6）： 1191-1196.

Effect of Copper Sulfate on Germination and Seedling Growth of

Black Bean Seeds

LI Qian， ZHAO Yingxu， LIU Hao， LV Yan，ZHOU Xin

（School of Life Science， Yantai University， Yantai 264005， China）

Abstract： The effects of copper sulfate on seed germination， seedling growth， and physiological indexes of black bean were studied using hydroponics. The results indicate that high concentration of copper sulfate inhibits the germination potential， germination rate， germination index， fresh weight， root length， and seedling height of black bean seeds. As the concentration of copper sulfate treatment increased， SOD activity in black bean seedlings increased， POD and CAT activities first increased first and then decreased， MDA content increased gradually， and soluble protein content initially increased first and subsequently decreased. In conclusion， the high concentration of copper sulfate changes the activity of antioxidant enzymes， significantly increases MDA content， and decreases soluble protein content， thereby inhibiting seed germination and seedling growth in black beans. The inhibition effect of copper sulfate on the roots of black bean seedlings is markedly stronger than on the ground parts.

Key words： copper sulfate; black bean; seed germination; seedling growth