不同質(zhì)量濃度鉛離子對(duì)小扁豆種子萌發(fā)的影響

談建忠,趙格讓,李三相

（1.舟曲縣江盤學(xué)區(qū),甘肅舟曲746300；2.天水師范學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院,甘肅天水741001）

鉛是一種常見的有色重金屬元素,它在工業(yè)生產(chǎn)上用途很廣泛,同時(shí)在鉛的應(yīng)用過程中某些含鉛化合物對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染.這些含鉛化合物主要來自金屬的電解和電鍍加工,皮革鞣制、印染等生產(chǎn)也會(huì)排放出大量含鉛的廢物.近年來,印染、電鍍、化工等行業(yè)的發(fā)展,使大量含鉛的廢水、廢渣排出,致使土壤、水體和生物遭到不同程度的污染.農(nóng)作物受到鉛毒害后,不但嚴(yán)重影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì),更為嚴(yán)重的是通過食物鏈影響人畜健康[1].

小扁豆Lens culinaris Medic.為豆科小扁豆屬一年生或越年生草本,又名濱豆、雞眼豆,分大粒和小粒兩個(gè)亞種.亞洲生產(chǎn)最多,我國主產(chǎn)于山西、陜西、甘肅、河北、河南、云南等省.籽粒含蛋白質(zhì)約25%,脂肪0.7%,碳水化合物60%及多種維生素和礦物質(zhì)營養(yǎng)元素[2].小扁豆可以提供蛋白質(zhì)和降低膽固醇的可溶纖維,它的含鐵量是其他豆類的2倍；小扁豆中維生素B和葉酸的含量也較高,葉酸對(duì)女性非常重要,可以降低胎兒畸形率；深色小扁豆里的色素有抗氧化劑的作用,可以預(yù)防心臟病和癌癥,抗衰老.本文通過研究不同濃度的鉛離子對(duì)小扁豆種子萌發(fā)的影響,膜脂化和保護(hù)酶活性等的變化以及它們之間的可能聯(lián)系,探討環(huán)境中的鉛對(duì)種子萌發(fā)的脅迫作用,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中早期預(yù)報(bào)重金屬對(duì)作物的毒害效應(yīng),防止重金屬毒害的發(fā)生和環(huán)境監(jiān)測中重金屬污染的評(píng)價(jià)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

小扁豆種子由舟曲縣種子研究所提供.

1.2 培養(yǎng)方法

挑選籽粒完整無損、大小均勻的小扁豆種子1 050粒,用蒸餾水充分沖洗3次,再用蒸餾水浸泡6 h,分別移入質(zhì)量濃度為 0（對(duì)照用去離子水）、5、10、20、35、50、80 mg/L的乙酸鉛溶液中,室溫下浸種 24 h后放入培養(yǎng)皿內(nèi),每皿20粒,皿內(nèi)墊潮濕濾紙以保濕.在電熱恒溫培養(yǎng)箱（25℃左右）中進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn),每個(gè)濃度做10個(gè)重復(fù)培養(yǎng),并定期補(bǔ)充等量相應(yīng)濃度的乙酸鉛溶液.第3 d測發(fā)芽勢,第5 d測定發(fā)芽率.取發(fā)芽后第6 d的小扁豆種子測定鮮重、干重、脯氨酸（Pro）含量、可溶性糖含量、丙二醛（MDA）含量、過氧化物酶（POD）活性等生理生化指標(biāo).

1.3 生理指標(biāo)的測定

發(fā)芽期間,逐日記錄發(fā)芽粒數(shù)（以芽長即胚根長度大于種子長度一半為標(biāo)準(zhǔn)）,第3 d計(jì)發(fā)芽勢,第5 d測發(fā)芽率,發(fā)芽勢、發(fā)芽率的計(jì)算公式[3]分別為：

發(fā)芽勢/%=3 d內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100

發(fā)芽率/%=5 d內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100

萌發(fā)試驗(yàn)第6 d,測量幼苗（胚根和胚軸部分）含水量、MDA含量、POD活性、Pro含量、可溶性糖含量.MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定[4]；Pro含量采用茚三酮比色法測定[5]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[6]；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[6],以每min內(nèi)OD變化值表示酶活性大小,即以U/（g·min）表示.

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPASS11.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子萌發(fā)的影響

不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢的影響見圖1.

圖1 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子萌發(fā)的影響Fig.1 The effect ofPb2+on seed germination of Lens culinaris

由圖1可知,隨著Pb2+質(zhì)量濃度的升高,小扁豆的發(fā)芽率和發(fā)芽勢都呈降低趨勢.低濃度處理組與對(duì)照組相較差異不明顯,濃度越高,差異越明顯.當(dāng)Pb2+質(zhì)量濃度達(dá)到80 mg/L時(shí),小扁豆種子的萌發(fā)率較無Pb2+處理的種子萌發(fā)率下降了12.88%,發(fā)芽勢下降了18.65%,表現(xiàn)出明顯的抑制作用.Pb是植物生長的必需元素之一,所以當(dāng)Pb2+濃度較低時(shí)對(duì)作物種子的萌發(fā)影響較低,甚至可能會(huì)提高其萌發(fā)率,但是當(dāng)Pb2+濃度達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)抑制作物種子的萌發(fā)[7].

2.2 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子相對(duì)含水量的影響

水分是植物的重要組成部分,而相對(duì)含水量的多少直接反映了植物體內(nèi)水分的多少,在干旱、重金屬等脅迫下,植物體內(nèi)的相對(duì)含水量也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化[8].不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子相對(duì)含水量的影響見圖2.

圖2 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子相對(duì)含水量影響Fig.2 The effect ofPb2+on the seed water content of Lens culinaris

由圖2可知,隨著Pb2+質(zhì)量濃度的增加,小扁豆種子含水量逐漸減少,0 mg/L處理下相對(duì)含水量為84.15%,50 mg/L處理Pb2+下相對(duì)含水量為55.64%,降低了28.51%.相對(duì)含水量的大小與Pb2+處理濃度的大小呈負(fù)相關(guān),當(dāng)處理濃度為0～35 mg/L時(shí),Pb2+對(duì)小扁豆種子含水量的影響較弱,當(dāng)處理濃度為50～80 mg/L時(shí),Pb2+對(duì)小扁豆種子含水量的影響較強(qiáng).

2.3 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子POD活性的影響

POD廣泛存在于植物體中,具有清除生物自由基的功能,是植物重要的保護(hù)酶之一,其活性高低與植物抗性密切相關(guān)[9].許多逆境能破壞植物體內(nèi)活性氧代謝系統(tǒng)的平衡,使POD活性升高.因此,測定POD值可以作為一項(xiàng)重要的植物生理指標(biāo).不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子POD活性的影響見圖3.

圖3 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子POD活性的影響Fig.3 The effect ofPb2+on activity ofPOD in radicle of Lens culinaris

由圖3可知,隨著Pb2+質(zhì)量濃度的增加,POD活性表現(xiàn)出先增后降的趨勢,在5～10 mg/L Pb2+處理下POD活性逐漸升高,隨著Pb2+質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加,POD活性表現(xiàn)出明顯的遞減趨勢.

2.4 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子MDA含量的影響

MDA是膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一,具有很強(qiáng)的細(xì)胞毒性,對(duì)膜和細(xì)胞中的許多生物功能分子如蛋白質(zhì)、核酸和酶等均有很強(qiáng)的破壞作用,并參與破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能.MDA含量高低是反映膜脂過氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)[10].不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子MDA含量的影響見圖4.

圖4 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子丙二醛含量的影響Fig.4 The effect ofPb2+on content ofMDA in radicle of Lens culinaris

由圖4可知,隨著Pb2+質(zhì)量濃度的增加,MDA含量總體表現(xiàn)出遞增趨勢,在5～10 mg/L Pb2+處理下,增加趨勢比較平緩,在20～80 mg/L Pb2+處理下MDA含量明顯增加,說明膜脂過氧化作用更強(qiáng),膜透性更高.

2.5 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子Pro含量的影響

游離Pro能促進(jìn)蛋白質(zhì)水合作用,防止蛋白質(zhì)脫水變性,因此在植物處于脅迫時(shí)游離Pro的積累被認(rèn)為是對(duì)脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)[11].在干旱、低溫以及重金屬脅迫等逆境條件下,植物體內(nèi)Pro的含量顯著增加,植物體內(nèi)Pro含量在一定程度上反映了植物的抗逆性.不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子Pro含量的影響見圖5.

圖5 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子脯氨酸含量的影響Fig.5 The effect ofPb2+on content ofproline in radicle of Lens culinaris

由圖5可知,小扁豆的脯氨酸含量隨Pb2+質(zhì)量濃度的增加和時(shí)間的延長而呈現(xiàn)上升的趨勢.處理濃度為10 mg/L時(shí),脯氨酸含量增加顯著,隨后增加趨勢比較平緩.

2.6 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子可溶性糖含量的影響

可溶性糖是另一類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),包括蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖等.可溶性糖的積累主要是由于淀粉等大分子碳水化合物的分解,光合產(chǎn)物形成過程中直接轉(zhuǎn)向低相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)蔗糖等.植物為了適應(yīng)干旱、低溫、重金屬污染等逆境條件,也會(huì)主動(dòng)積累一些可溶性糖,降低滲透勢和冰點(diǎn),以適應(yīng)外界環(huán)境條件的變化.不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子可溶性糖含量的影響見圖6.

圖6 不同質(zhì)量濃度Pb2+對(duì)小扁豆種子可溶性糖含量的影響Fig.6 The effect ofPb2+on content ofsoluble sugar in radicle of Lens culinaris

由圖6可知,可溶性糖含量隨Pb2+質(zhì)量濃度的變化呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢.用5 mg/L Pb2+處理其可溶性糖含量明顯增加,相對(duì)于CK組其可溶性糖含量增加了68.01%.用80 mg/L Pb2+處理其可溶性含糖量相對(duì)于CK組又明顯減少,減少了22.17%.

3 結(jié)論與討論

研究表明,重金屬對(duì)種子萌發(fā)及幼苗生長的影響存在一個(gè)較低濃度下的促進(jìn)效應(yīng)和高濃度下的抑制效應(yīng)[12],鉛作為化學(xué)性毒害元素,也具有類似的效應(yīng).植物體內(nèi)Pro含量在一定程度上反映植物的抗逆性,逆境條件下植物體內(nèi)Pro含量的上升可視為植物的保護(hù)性反應(yīng).前人研究表明,Pro作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),它的積累可能一方面是細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能遭受傷害時(shí)機(jī)體作出的反應(yīng),另一方面也是植物在逆境下的適應(yīng)表現(xiàn),是一種防護(hù)效應(yīng)[13].本試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著Pb2+處理濃度的增加,小扁豆種子的Pro積累呈上升的趨勢.表明在低濃度的Pb2+處理下小扁豆種子可以通過提高體內(nèi)Pro的含量以減輕逆境對(duì)它所產(chǎn)生的傷害,但處理濃度過高時(shí)Pro積累會(huì)保持穩(wěn)定的趨勢,即不再上升,可能是高濃度的Pb2+脅迫損傷了細(xì)胞內(nèi)多種功能膜及酶系統(tǒng),造成Pro合成代謝紊亂.因此,小扁豆種子對(duì)Pb2+脅迫的耐受性具有一定的限度,處理濃度過高時(shí)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生毒害作用.

種子萌發(fā)初期膜保持一定的透性有利于種子的吸脹,電解質(zhì)最初的外滲屬于被動(dòng)擴(kuò)散,但隨后的萌發(fā)過程,依賴于膜的完整性[14].因此萌發(fā)過程中膜的修補(bǔ)以防止過多電解質(zhì)流失,是種子保持高水平活力的重要條件.高濃度重金屬鉛處理可能是鉛與種子中的蛋白質(zhì)（特別是與萌發(fā)過程有關(guān)的酶）發(fā)生了反應(yīng),引起種子內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)活性降低,導(dǎo)致體內(nèi)活性氧積累,從而引起膜質(zhì)過氧化,質(zhì)膜透性增高,電解質(zhì)流失,導(dǎo)致小扁豆種子活力降低、萌發(fā)過程受阻.植物生長在自然環(huán)境條件下,不可避免地受到多種逆境脅迫,如重金屬、干旱、鹽、高溫、低溫、高輻射、紫外線、養(yǎng)分缺乏和大氣污染.這些非生物脅迫均會(huì)產(chǎn)生次級(jí)脅迫,使植物直接或間接地形成過量的活性氧自由基（ROS）,而ROS對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等大分子具有強(qiáng)烈的破壞作用[15-18].研究表明,耐性較強(qiáng)的大豆種子在逆境脅迫初期,其磷酸化作用降低,但其呼吸電子鏈傳遞仍保持相對(duì)較高的活性,這種電子傳遞和ATP形成能力的不平衡導(dǎo)致電子傳遞的電子漏,從而產(chǎn)生大量的O-2及H2O2等多種活性氧[19-20],對(duì)植物產(chǎn)生傷害作用.與此相應(yīng),植物體內(nèi)也有一套復(fù)雜的活性氧清除系統(tǒng),其中SOD、POD、CAT是植物體內(nèi)酶促防御系統(tǒng)的3個(gè)重要保護(hù)酶,它們協(xié)同起來可以清除代謝產(chǎn)物,以保護(hù)植物細(xì)胞免受活性氧的損傷.本研究結(jié)果表明,隨著Pb2+處理濃度的增加,小扁豆細(xì)胞MDA含量呈上升的趨勢,POD活性升高.POD活性升高,表明其在逆境的脅迫下被激活的程度越大,且持續(xù)時(shí)間越長,暗示POD活性在抗鉛脅迫的過程中起關(guān)鍵性的作用.高濃度的Pb2+處理下,膜發(fā)生膜脂過氧化,MDA積累,膜透性增加,導(dǎo)致膜功能受損,從而引起細(xì)胞的衰老和死亡,對(duì)植物產(chǎn)生抑制效應(yīng)甚至毒害作用.另外,從本試驗(yàn)結(jié)果還可看出,高濃度Pb2+處理對(duì)小扁豆種子萌發(fā)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及各項(xiàng)生理指標(biāo)均表現(xiàn)出了極其顯著的抑制效應(yīng).

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