Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子萌發(fā)及其生理特性的影響

劉玉艷，于鳳鳴，陸 鳴，王 棟

(河北科技師范學(xué)院，河北 秦皇島，066600)

世界工業(yè)發(fā)展日益迅速，隨之帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，其中因工業(yè)使用并排放重金屬及礦山的開(kāi)發(fā)等導(dǎo)致的重金屬污染日益成為環(huán)境的主要污染之一。因土壤受重金屬污染而產(chǎn)生的一系列問(wèn)題成為我國(guó)以及國(guó)際上越來(lái)越關(guān)注的熱點(diǎn)和亟待解決的難點(diǎn)。理化方法治理土壤重金屬污染費(fèi)用高昂、對(duì)土壤理化環(huán)境破壞過(guò)大、易產(chǎn)生其它新的污染，不適于大范圍的使用。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了利用超富集植物清理修復(fù)重金屬污染土壤方法，植物修復(fù)越來(lái)越以一種綠色修復(fù)技術(shù)而被各國(guó)廣為重視。而篩選對(duì)重金屬耐受性強(qiáng)的植物并研究其耐受機(jī)理從而應(yīng)用于環(huán)境的改善成為近年的研究熱點(diǎn)［1，2］。

地膚(Kochia scoparia)為藜科一年生草本植物，原產(chǎn)歐亞兩洲，廣布于我國(guó)各地。地膚適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)范圍廣泛、生長(zhǎng)迅速，是常用的園林綠化植物。關(guān)于地膚種子的研究主要集中于鹽堿脅迫對(duì)其萌發(fā)的影響［3～5］。而Cd，Pb，Ni對(duì)地膚種子萌發(fā)影響的相關(guān)探究比較缺乏。地膚種子具有自播能力，研究其種子對(duì)重金屬的耐受能力，為其在重金屬污染區(qū)的園林綠化、礦區(qū)復(fù)墾提供直接的理論依據(jù)，同時(shí)為重金屬污染土壤的治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

地膚種子采自河北科技師范學(xué)院園藝科技學(xué)院園林試驗(yàn)站。

1．1 種子萌發(fā)試驗(yàn)

選取均勻一致飽滿(mǎn)的種子，用質(zhì)量濃度30 g/L的高錳酸鉀溶液消毒15 min后，用自來(lái)水沖洗3次，再用蒸餾水沖洗，將其整齊地排列在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿30粒，分別加入不同質(zhì)量濃度的醋酸鉛溶液(200，400，800，1 600 mg/L)，硝酸鎳溶液(100，200，400，800 mg/L)，硫酸鎘溶液(100，200，400，800 mg/L)，蒸餾水為對(duì)照，3次重復(fù)，然后置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中，保持90%相對(duì)濕度，培養(yǎng)皿中濾紙一直處于濕潤(rùn)狀態(tài)，至試驗(yàn)結(jié)束為止。從第2天開(kāi)始記錄種子發(fā)芽數(shù)，以胚根伸出長(zhǎng)度不小于種子長(zhǎng)度為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每天記錄1次;每種重金屬對(duì)照種子萌發(fā)率達(dá)到90%以上時(shí)測(cè)量各處理萌發(fā)種子的胚根長(zhǎng)度，種子發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)束［3］。

根據(jù)種子發(fā)芽數(shù)計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽率=(供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%。

發(fā)芽勢(shì):發(fā)芽種子數(shù)達(dá)到高峰時(shí)，正常發(fā)芽種子的總數(shù)與供試種子總數(shù)的百分比。

發(fā)芽指數(shù)=ΣGt/Dt。式中，Gt為不同時(shí)間(t，d)的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽試驗(yàn)天數(shù)。

1．2 種子萌發(fā)過(guò)程中生理指標(biāo)的測(cè)定

依據(jù)上述各處理種子萌發(fā)結(jié)果，采用200 mg/L醋酸鉛、100 mg/L硝酸鎳、100 mg/L硫酸鎘處理，蒸餾水為對(duì)照，每皿放置1 g種子。每處理3次重復(fù)。發(fā)芽條件及方法同1．1。因地膚種子萌發(fā)較快，第3天時(shí)對(duì)照發(fā)芽率已達(dá)90%以上，故在置種后第2天、第3天、第4天取各處理已萌發(fā)種子進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。

蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定，淀粉酶活力的測(cè)定采用3，5-二硝基水楊酸法，SOD活性的測(cè)定采用NBT光化還原法，POD活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚比色法［6］。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(F檢驗(yàn))。

2 結(jié)果與分析

2．1 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子萌發(fā)的影響

2．1．1 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚發(fā)芽率的影響 Cd，Pb，Ni脅迫均降低了地膚種子的發(fā)芽率，且處理濃度越高發(fā)芽率越低(表1)。200，400，800 mg/L重金屬Cd處理地膚發(fā)芽率極顯著地低于對(duì)照和100 mg/L處理，100 mg/L的Cd處理與對(duì)照差異不顯著;400，800，1 600 mg/L的Pb處理地膚發(fā)芽率極顯著低于對(duì)照，200 mg/L的Pb處理顯著低于對(duì)照，顯著高于其它高濃度處理;400，800 mg/L的Ni處理地膚發(fā)芽率極顯著地低于對(duì)照和100，200 mg/L的Ni處理，100，200 mg/L的Ni處理與對(duì)照差異不顯著。雖然3種重金屬處理均抑制了地膚種子的發(fā)芽，但試驗(yàn)濃度下地膚的發(fā)芽率均高于80%，說(shuō)明地膚種子萌發(fā)時(shí)耐受重金屬的能力較強(qiáng)。Cd的質(zhì)量濃度低于200 mg·L－1，Pb的質(zhì)量濃度低于200 mg·L－1，Ni的質(zhì)量濃度低于400 mg·L－1時(shí)，地膚種子萌發(fā)不會(huì)受到顯著影響。3種重金屬對(duì)地膚的發(fā)芽率影響由大到小依次為 Cd，Pb，Ni。本結(jié)論與虎瑞 、吳麗芳的結(jié)論基本一致［3，7］。

表1 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子發(fā)芽率的影響 %

2．1．2 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子發(fā)芽指數(shù)的影響 3種重金屬脅迫使地膚種子發(fā)芽指數(shù)顯著或極顯著降低;Cd和Pb各處理之間差異不顯著，各處理發(fā)芽指數(shù)隨著濃度增加而顯著降低。說(shuō)明3種重金屬處理均顯著降低地膚種子萌發(fā)的整齊度。試驗(yàn)處理中，3種金屬的最低濃度均顯著地降低地膚種子萌發(fā)的整齊度。綜合3種重金屬對(duì)地膚種子的發(fā)芽指數(shù)的影響，抑制作用從強(qiáng)到弱為Cd，Pb，Ni。

2．1．3 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子發(fā)芽勢(shì)的影響 Cd，Pb，Ni脅迫均降低了地膚種子的發(fā)芽勢(shì)，且處理濃度越高發(fā)芽勢(shì)越低(表3)。200，400，800 mg/L重金屬Cd處理地膚種子的發(fā)芽勢(shì)顯著低于對(duì)照，100 mg/L處理時(shí)與對(duì)照差異不顯著，各處理間差異不顯著;Pb處理的地膚種子其發(fā)芽勢(shì)均極顯著低于對(duì)照，400，800，1 600 mg/L的Pb處理，發(fā)芽勢(shì)顯著低于 200 mg/L處理;400，800 mg/L的Ni處理發(fā)芽勢(shì)極顯著低于對(duì)照，各處理之間差異不顯著。Cd的質(zhì)量濃度低于200 mg·L－1，Pb的質(zhì)量濃度低于200 mg·L－1，Ni的質(zhì)量濃度低于100 mg·L－1時(shí)，對(duì)地膚種子發(fā)芽速度沒(méi)有顯著影響。

表2 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子發(fā)芽指數(shù)的影響

表3 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子發(fā)芽勢(shì)的影響%

2．1．4 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子胚根長(zhǎng)度的影響 Cd，Pb，Ni等3種重金屬處理均極顯著抑制了地膚種子胚根的生長(zhǎng)(表4)。Cd各處理之間差異不顯著;200 mg/L的Pb處理使地膚種子胚根長(zhǎng)度顯著高于其它3個(gè)較高濃度的處理，400，800，1 600 mg/L的 Pb處理間差異不顯著;100 mg/L的Ni處理使地膚種子胚根長(zhǎng)度顯著高于其它3個(gè)處理，200，400，800 mg/L的Ni處理之間差異不顯著。說(shuō)明地膚種子的胚根生長(zhǎng)對(duì) Pb，Cd，Ni比較敏感，較低的質(zhì)量濃度(Cd 為100 mg·L－1，Pb 為200 mg·L－1，Ni為100 mg·L－1)即對(duì)其生長(zhǎng)造成強(qiáng)烈的抑制作用。該結(jié)論與其對(duì)黑麥草、紫花苜蓿、龍葵、水稻的影響結(jié)論一致［8～11］。

表4 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子胚根長(zhǎng)度的影響 mm

2．2 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子生理指標(biāo)的影響

2．2．1 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子萌發(fā)過(guò)程中蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 各處理地膚萌發(fā)種子中可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈逐漸下降的趨勢(shì)(表5)。在置種后第2天各處理的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于對(duì)照，Cd處理最低;除第3天Cd處理與對(duì)照差異不顯著外，3種重金屬處理后第3天、第4天種子中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均極顯著高于對(duì)照，各處理間差異不顯著。說(shuō)明3種重金屬處理抑制了種子中貯存蛋白質(zhì)的分解，從而推遲了地膚種子萌發(fā)的進(jìn)程，由于地膚種子具有一定的適應(yīng)機(jī)制，處理后期蛋白酶等酶類(lèi)發(fā)揮正常作用，將蛋白體分解為可溶性蛋白質(zhì)，進(jìn)而用于種子萌發(fā)，而對(duì)照已分解的蛋白質(zhì)或游離氨基酸已合成新的蛋白或活性物質(zhì)，蛋白質(zhì)含量減少。該結(jié)論與古紅梅［12］在玉米上的部分結(jié)論一致。

2．2．2 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子萌發(fā)過(guò)程中可溶性糖的影響 重金屬Cd，Pb，Ni處理的地膚種子中可溶性糖變化趨勢(shì)不同(表5)。Pb處理和對(duì)照的變化趨勢(shì)一致，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降;Cd和Ni處理則是先上升后下降。置種后第2天，Ni和Pb處理地膚種子的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于對(duì)照，Cd處理則顯著低于對(duì)照;第3天、第4天Cd，Pb，Ni處理可溶性糖均極顯著高于對(duì)照，Ni處理高于對(duì)照及其它處理，Cd處理顯著高于對(duì)照及Pb處理。

2．2．3 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子萌發(fā)過(guò)程中淀粉酶總活力的影響 植物組織中貯藏的淀粉只有水解成麥芽糖之后才能用于呼吸作用和轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)，而此水解過(guò)程正是在淀粉酶的催化下完成的。各重金屬處理及對(duì)照的地膚種子淀粉酶總活力均呈逐漸下降趨勢(shì)(表5)。在置種后第2天、第3天，Ni處理種子的淀粉酶總活力均最低，顯著低于對(duì)照及Pb處理、Cd處理，Pb處理和Cd處理與對(duì)照差異不顯著;第4天3種重金屬處理淀粉酶活性與對(duì)照差異不顯著。

種子萌發(fā)初期，由于淀粉酶的作用，將淀粉轉(zhuǎn)化為還原糖，隨著萌發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，大量的還原糖被種子萌發(fā)所利用，含量下降，隨后保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。結(jié)合地膚種子萌發(fā)結(jié)果及可溶性糖、淀粉酶活力的測(cè)定分析，地膚種子對(duì)Ni的耐受能力較強(qiáng)，置種后淀粉酶能夠迅速分解淀粉為可溶性糖。由于作用產(chǎn)物的大量積累，抑制了淀粉酶的活力，使得Ni處理后淀粉酶活性降低。

2．2．4 Cd，Pb，Ni脅迫對(duì)地膚種子萌發(fā)過(guò)程中POD和SOD活性的影響 3種重金屬處理及對(duì)照地膚種子的POD和SOD活性均隨著萌發(fā)進(jìn)程呈上升趨勢(shì)(表6)。

POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，能有效地清除過(guò)氧化氫，常作為植物組織抗性的一個(gè)診斷指標(biāo)。用Pb處理地膚種子，除置種后第2天POD活性極顯著低于對(duì)照外;第3天POD活性極顯著高于對(duì)照;第4天與對(duì)照差異不顯著。用Ni處理地膚種子，置種后第2天POD活性低于對(duì)照，但差異不顯著;置種后第3天POD活性顯著高于對(duì)照;第4天POD活性極顯著低于對(duì)照。Cd處理地膚種子，置種后第2天POD活性顯著高于對(duì)照，第3天極顯著高于對(duì)照，第4天極顯著低于對(duì)照 (表6)，這與馬文麗等［13］的部分結(jié)論一致，即 Cd短期處理對(duì)POD有激活作用。

表6 鉛、鎳、鎘處理對(duì)地膚種子萌發(fā)中POD、SOD活性的影響

綜上所述，用Cd、Pb和Ni處理后，地膚種子的POD活性升高以抵抗重金屬的脅迫，其中對(duì)Ni的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

SOD與過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)協(xié)同一致，組成保護(hù)酶系統(tǒng)，防御活性氧或其他過(guò)氧化物自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，以抵抗不良環(huán)境。

由表6可以看出，用重金屬Pb，Ni，Cd處理地膚種子后，短時(shí)間內(nèi)SOD活性升高，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，重金屬對(duì)SOD產(chǎn)生抑制作用，該結(jié)果與馬文麗等［13］部分結(jié)論一致，即Cd短期處理對(duì)SOD有激活作用。

置種后4 d之內(nèi)，Ni對(duì)萌發(fā)的地膚種子內(nèi)SOD的擾動(dòng)最小，即地膚種子對(duì)Ni的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

3 結(jié)論與討論

3種重金屬處理對(duì)地膚種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)有不同程度的抑制作用，影響的大小因重金屬濃度和種類(lèi)的不同各異，但受抑制后的發(fā)芽率依然很高，說(shuō)明地膚對(duì)這3種重金屬的耐受性較強(qiáng)。地膚種子的胚根對(duì)重金屬Cd，Ni，Pb處理敏感。綜合3種重金屬對(duì)地膚種子發(fā)芽的影響，地膚種子萌發(fā)時(shí)期能夠耐受 Cd，Pb，Ni的質(zhì)量濃度分別為 200，200，400 mg·L－1。

3種重金屬處理后，萌發(fā)初期降低地膚種子中的蛋白質(zhì)含量，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，處理的蛋白質(zhì)含量逐漸高于對(duì)照;除短期Cd處理極顯著降低可溶性糖含量外，其它各處理均極顯著提高了地膚萌發(fā)種子中的可溶性糖含量。

Cd，Pb，Ni處理后，在萌發(fā)初期可使地膚種子中的POD和SOD活性升高，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，3種重金屬對(duì)POD和SOD產(chǎn)生抑制作用。

種子發(fā)芽是植物生長(zhǎng)發(fā)育的起點(diǎn)，較高的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)是植物整體生長(zhǎng)的良好基礎(chǔ)。胚根是種子萌發(fā)時(shí)先長(zhǎng)出的部分，也是最先感受重金屬脅迫的組織。結(jié)合3種重金屬對(duì)所測(cè)定的生理指標(biāo)的影響，認(rèn)為地膚種子對(duì)3種重金屬均有一定的耐受性，其中以對(duì)Ni的適應(yīng)能力最強(qiáng)。

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