9種植物種子在鈷脅迫下發(fā)芽特性及富集能力研究

李 黎， 王 丹*， 賀 佳， 代 威， 曾 超， 陳 黎

(1.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621000；2.西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點實驗室，四川綿陽 621000)

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9種植物種子在鈷脅迫下發(fā)芽特性及富集能力研究

李 黎1,2， 王 丹1,2*， 賀 佳1,2， 代 威1，2， 曾 超1,2， 陳 黎1,2

(1.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621000；2.西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點實驗室，四川綿陽 621000)

[目的]研究9種植物種子在鈷脅迫下發(fā)芽特性及富集能力。[方法]以甜高粱、玉米、蕹菜、豇豆、狼尾草、油菜、紅豆、豌豆和蘿卜為材料，研究鈷脅迫對9種供試植物種子發(fā)芽及富集能力的影響。[結(jié)果]隨著鈷濃度的增加，各供試植物種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽指數(shù)呈明顯的下降趨勢。植物種子鈷含量正相關(guān)于鈷脅迫濃度，相同濃度下不同植物種子鈷含量表現(xiàn)出差異顯著性，在鈷濃度為120 mg/L時，油菜的鈷含量最高，為2 399.15 mg/kg，而鈷含量最低的玉米僅為72.45 mg/kg。不同植物的鈷積累量受生物量和鈷含量影響，油菜的生物量最小，為3.12 mg/粒，積累量為7.49 μg/粒。[結(jié)論]綜合各個評價指標得出芽期耐鈷性及富集能力較好的植物種子為油菜和蘿卜，較差的為豌豆和豇豆。

植物種子；鈷脅迫；種子發(fā)芽；富集能力

隨著核工業(yè)的發(fā)展和核技術(shù)的廣泛應用，以及其他工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、軍事、交通、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域內(nèi)的活動，放射性核素及重金屬污染已成為當今難以治理的重要環(huán)境問題之一。鈷是人體、動物甚至有些高等植物的必需微量元素[1-2]。近年來鈷的應用越來越廣泛，其產(chǎn)生的污染也隨之加大。高濃度的鈷殘留在環(huán)境中，通過食物鏈進入人體，直接危害人體健康[3]。少量的鈷對植物生長有促進作用，但土壤中過量的鈷存在就會影響植物的生長發(fā)育并使之受到毒害正常生長[4-9]。劉雪華等在小麥和玉米的耐鈷性研究中發(fā)現(xiàn)，低濃度的鈷對苗期玉米、小麥具有一定的促進作用，而高濃度的鈷則明顯抑制它們的生長[10-13]。

目前關(guān)于鈷污染的相關(guān)研究在國內(nèi)還相對較少，在鈷污染土壤植物提取修復中篩選出適合的鈷超富集植物是關(guān)鍵。植物生活史中種子萌發(fā)階段是植物生活周期的起點和感知外界環(huán)境變化的最初生命階段，也是評價植物耐鈷性的重要階段[14]。以種子的耐鈷性和富集能力作為鈷的超富集植物篩選的起點具有重要的意義和廣闊的前景。該試驗用鈷作為處理因子，比較研究了甜高粱、玉米、蕹菜、豇豆、狼尾草、油菜、紅豆、豌豆和蘿卜的發(fā)芽特性及富集能力，以期探討不同植物在不同程度的鈷污染環(huán)境中對鈷的抗性和富集能力，為鈷超富集植物的篩選，同時也為植物修復重金屬或放射性核素污染土壤提供一定的理論基礎(chǔ)及科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料供試材料購于四川省綿陽市龍門種子市場，其名稱如表1所示。

表1 供試植物種子學名及科屬

1.2 試驗方法選取飽滿、大小一致的種子，先用75%的酒精消毒10 min，然后用去離子水反復沖洗干凈。將雙層濾紙鋪在洗凈烘干的直徑為12 cm的培養(yǎng)皿中，再將種子置于培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿均勻放置一定量種子(油菜、狼尾草各100粒，甜高粱、玉米、蕹菜、豇豆、紅豆、豌豆和蘿卜各50粒)。用分析純的氯化鈷配制成不同濃度的鈷培養(yǎng)液浸潤種子，每個培養(yǎng)皿加10 ml處理液，處理濃度為20、40、80、120 mg/L，以不施加鈷為空白對照(0 mg/L)。每處理重復3次，置于25 ℃生長箱內(nèi)黑暗培養(yǎng)。培養(yǎng)期間每天觀察并記錄發(fā)芽情況，加適量去離子水，保持一定的濕度。

1.3 測定指標及方法發(fā)芽第3天開始觀察，每天記錄發(fā)芽數(shù)、統(tǒng)計發(fā)芽率、發(fā)芽勢。萌發(fā)以胚根長達到種子長度一半為標準。培養(yǎng)7 d后收取。各指標計算公式如下：發(fā)芽率(%)= (第7天全部發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；發(fā)芽勢(%)=n/N×100%，式中，n為規(guī)定3 d內(nèi)的發(fā)芽種子數(shù)，N為種子總數(shù)；發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt,式中，Gt為第t天種子發(fā)芽數(shù)，Dt為對應的種子發(fā)芽的天數(shù)。

1.4 植物樣品的取樣、處理及測定方法將發(fā)芽7 d后的植物種子從培養(yǎng)皿中取出，用去離子水反復沖洗去除植物表面吸附的鈷元素，瀝干水分后按編號放入樣品袋，置于75 ℃干燥箱烘干至恒重(約48 h)。稱其干重后研磨至粉末狀，每個重復稱取0.2 g樣品，干燥保存。

所取樣品使用微波消解儀進行消解(TNAK)，消解方法如下：將樣品按順序加入消解管內(nèi)，然后分別加入10 ml濃硝酸，按照預設(shè)定的條件進行消解(消解條件：罐9個；爬坡時間為13 min；壓力為2 758 kPa；溫度為200 ℃；保溫10 min；硝酸10 ml。待消解完成溫度冷卻至70 ℃以下將其取出，打開排氣孔放氣，然后將樣液分別倒入對應編號的坩堝中，并將其放在墊有石棉網(wǎng)的電熱爐上進行趕酸。當小坩堝中液體加熱蒸發(fā)至1～2 ml后，將坩堝從電熱爐上取下加入少量去離子水，冷卻后將液體轉(zhuǎn)移至25 ml容量瓶中并加去離子水定容至刻度。最后將容量瓶中樣品轉(zhuǎn)移至樣品管中，作好編號，所得即為待測液。將待測樣品送至西南科技大學分析測試中心采用原子吸收光譜儀(AA700，美國PE公司)測定樣品消解液中的鈷含量[15]。

1.5 數(shù)據(jù)處理用統(tǒng)計分析軟件DPSv 7.05對所有測定的指標進行Duncan新復極差法顯著性分析，所有數(shù)據(jù)用平均值表示，并用Microsoft Office WPS 和Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈷濃度處理對9種植物種子相對發(fā)芽率的影響從表2可知，不同鈷濃度處理下甜高粱和油菜兩種種子相對發(fā)芽率間不存在顯著差異，說明甜高粱和油菜種子在鈷脅迫下表現(xiàn)出較強的耐性；其余7種植物種子相對發(fā)芽率間存在顯著差異(P<0.05)，隨著鈷濃度的增加，各植物種子相對發(fā)芽率的變化趨勢呈現(xiàn)2種情況，一種是大多數(shù)種子在低濃度鈷條件下的相對發(fā)芽率明顯高于對照，而且隨著鈷濃度的增加，相對發(fā)芽率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，如蕹菜、豇豆、狼尾草、豌豆和蘿卜，說明低濃度鈷對種子萌發(fā)有一定的促進作用。另一種情況是隨著鈷濃度的增加，相對發(fā)芽率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，只有少數(shù)品種屬于這種情況，如玉米和紅豆。不同品種間對鈷的抗性存在顯著差異(P<0.05)，總體來看，蘿卜、甜高粱和油菜在高鈷濃度下的相對發(fā)芽率高于其他品種，表現(xiàn)出較強的耐鈷性。

表2 不同鈷濃度下9種植物種子相對發(fā)芽率 %

注: 同行數(shù)據(jù)后標不同小寫字母，表示同一品種不同濃度間差異顯著(P<0.05)；同列數(shù)據(jù)后標不同大寫字母，表示同一濃度不同品種間差異極顯著(P<0.01)。

2.2 不同鈷濃度處理對9種植物種子相對發(fā)芽勢的影響從表3可知，不同鈷濃度處理下甜高粱和油菜兩種種子相對發(fā)芽勢間不存在顯著差異，其余7種植物種子相對發(fā)芽勢間存在顯著差異(P<0.05)。在鈷濃度為20 mg/L時，蘿卜和狼尾草與對照相比相對發(fā)芽勢達到顯著差異(P<0.05)。隨著鈷濃度的增加，當鈷濃度達到80和120 mg/L時，對供試植物種子的相對發(fā)芽勢有顯著的抑制作用(P<0.05)。而在120 mg/L時，蘿卜的相對發(fā)芽勢仍然高于對照，說明蘿卜對鈷具有很強的耐性。各品種間對鈷的抗性存在顯著的差異，其中蘿卜、甜高粱、油菜在較高濃度的鈷脅迫下相對發(fā)芽勢高于其他品種，表現(xiàn)出較強的耐性。

2.3 不同鈷濃度處理對9種植物種子相對發(fā)芽指數(shù)的影響鈷脅迫下，9個供試植物品種的相對發(fā)芽指數(shù)受到顯著的影響(圖 1)。相同鈷濃度下不同植物品種的相對發(fā)芽指數(shù)不同，在鈷濃度為20 mg/L 時，狼尾草和蘿卜的相對發(fā)芽指數(shù)有上升趨勢，說明低濃度下，鈷對狼尾草和蘿卜種子相對發(fā)芽指數(shù)有促進作用。當濃度達到40 mg/L時，鈷脅迫對除蘿卜外的植物種子相對發(fā)芽指數(shù)的影響呈下降趨勢。當鈷濃度達到80和120 mg/L時，各供試植物的相對發(fā)芽指數(shù)顯著下降，與對照相比，降幅分別為2.32%～22.30%和3.55%～23.44%，其中降幅最大的是豌豆和玉米，降幅最小的是油菜和甜高粱。

表3 不同鈷濃度下9種植物種子相對發(fā)芽勢 %

注: 同行數(shù)據(jù)后標不同小寫字母，表示同一品種不同濃度間差異顯著(P<0.05)；同列數(shù)據(jù)后標不同大寫字母，表示同一濃度不同品種間差異極顯著(P<0.01)。

2.4 不同鈷濃度作用下植物種子生物量的變化將植物烘干至恒重，稱重所得值為該植物的生物量。從表4可知，隨著鈷處理濃度的增加，供試9種植物種子的生物量逐漸增加，其中油菜、狼尾草在120 mg/L時，增幅較大，分別是0 mg/L時的1.46和1.26倍，蕹菜和紅豆在120 mg/L僅比0 mg/L時多出0.02及0.12倍。說明鈷濃度對植物種子生物量影響不大。在相同鈷濃度下，不同植物種子的生物量存在顯著差異(P<0.05)，其中豌豆和玉米的生物量顯著大于其他種子，蘿卜、狼尾草和油菜的生物量最小。

2.5 不同鈷濃度處理下供試植物種子的鈷含量單位質(zhì)量(干重)的植物中所含鈷單質(zhì)的量即為植物的鈷含量。從表5可知，隨著鈷濃度的增加，各供試植物種子中鈷含量顯著增加(P<0.05)，在鈷脅迫濃度為120 mg/L時，油菜中鈷含量是空白對照的459.17倍，而最低的豌豆在120 mg/L時比空白對照高出4.78倍，說明植物種子中鈷含量與環(huán)境中鈷含量呈正相關(guān)。在相同處理濃度下不同供試植物種子的鈷含量表現(xiàn)出差異顯著性，在60 mg/L時，蘿卜的鈷含量最高，達到了375.38 mg/kg，其次為油菜，而玉米和豌豆的鈷含量最低；在120 mg/L時，鈷含量最高的油菜為2 399.15 mg/kg，最小的玉米僅為72.45 mg/kg，說明在相同條件的鈷脅迫下，不同植物對鈷的吸收能力具有很大的差異。

表4 不同濃度的鈷對各植物種子生物量(干重)的影響 mg/粒

注: 同行數(shù)據(jù)后標不同小寫字母，表示同一品種不同濃度間差異顯著(P<0.05)；同列數(shù)據(jù)后標不同大寫字母，表示同一濃度不同品種間差異極顯著(P<0.01)。

2.6 不同鈷濃度處理下9種植物種子對鈷的積累能力由圖2可知，隨著鈷濃度的增加，植物種子對鈷的積累量呈顯著性增加，在120 mg/L時，油菜的鈷積累量為7.49 μg/粒，是0 mg/L時的669.24倍，豌豆的鈷積累量是23.15 μg/粒，比0 mg/L時多出5.70倍。在相同濃度下不同植物的鈷積累量表現(xiàn)出顯著性差異，豌豆的鈷積累量最高，在0 mg/L時，為3.46 μg/粒；在120 mg/L時，狼尾草鈷積累量最低，為3.29 μg/粒，最高的豌豆比之多出19.86 μg/粒。

表5 不同鈷濃度脅迫下供試植物種子的鈷含量 mg/kg

注: 同行數(shù)據(jù)后標不同小寫字母，表示同一品種不同濃度間差異顯著(P<0.05)；同列數(shù)據(jù)后標不同大寫字母，表示同一濃度不同品種間差異極顯著(P<0.01)。

3 結(jié)論與討論

植物的生長情況受到種子萌發(fā)時期的生長狀況的直接影響。鈷是植物的重要有益元素，在植物抗病、葉綠素合成和氮代謝等方面都有十分重要的作用[16-17]，但高濃度的鈷則對植物的生長有明顯的抑制作用[10-11]。該試驗結(jié)果表明，不同濃度的鈷對甜高粱和油菜的發(fā)芽特性沒有顯著的影響，說明鈷對甜高粱和油菜種子的發(fā)芽影響很??；另外7種植物在不同濃度的鈷脅迫下發(fā)芽特性表現(xiàn)出明顯的差異性，與對照相比(0 mg/L)，低濃度的鈷(20 mg/L)對大多數(shù)品種的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)均高于對照，當鈷濃度達80 mg/L 時，其毒害表現(xiàn)非常明顯，相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽指數(shù)明顯降低，當鈷濃度達120 mg/L 時，種子生長受到抑制，這表明種子耐鈷能力的有限性。相同鈷濃度處理下不同供試植物品種的發(fā)芽特性也有顯著差異，與辛寶寶等[18]關(guān)于多花黑麥草在鈷脅迫下發(fā)芽特性研究得出的結(jié)論一致。在相同鈷濃度處理下，豌豆和豇豆的發(fā)芽特性最差，說明鈷對其的影響最大；而蘿卜、甜高粱和油菜的發(fā)芽特性明顯優(yōu)于其他品種，表明鈷對其的影響最小。

植物鈷含量與鈷脅迫濃度呈正相關(guān)，表明環(huán)境中的鈷濃度會影響植物種子對鈷的吸收。當鈷濃度達120 mg/L 時，供試植物種子鈷含量是對照(0 mg/L)的5.78～459.17倍。不同供試植物種子的鈷含量表現(xiàn)出差異顯著性，在120 mg/L時，鈷含量最大的油菜為2 399.15 mg/kg，而最小的玉米僅72.45 mg/kg。由于植物品種的差異，不同植物的生物量具有顯著性差異，豌豆的生物量最大(301.14 mg/粒)，是最小的油菜的96.46倍。積累量與生物量呈正相關(guān)，盡管豌豆的鈷含量很低，在120 mg/L時僅為76.86 mg/kg，其積累量在所有植物中最高為23.15 μg/粒，只比油菜的積累量多出2.09倍，比較可知油菜對鈷的富集能力更強。綜合考慮鈷對供試植物的發(fā)芽特性影響和供試植物鈷富集能力，油菜和蘿卜在鈷脅迫下表現(xiàn)出較強的耐受性及對鈷表現(xiàn)出較強的富集能力。

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Research of Germination Characteristics and Cobalt Accumulation Abilities of Nine Kinds of Plant Seeds under the Cobalt Stress

LI Li1,2,WANG Dan1,2*,HE Jia1,2et al

(1.Life Science and Engineering College,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan 621000; 2.State Defense Key Laboratory of the Nuclear Waste and Environmental Security,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan 621000)

[Objective] The research aimed to study the germination characteristics and cobalt accumulation abilities of nine kinds of plant seeds under cobalt stress.[Method] In this paper,we studied the germination characteristics and cobalt accumulation abilities of sweet sorghum,maize,water spinach,cowpea,Chinese pennisetum,rape,Ormosia,pea and carrot seeds under the cobalt stress.[Result] The relative germination rate,relative germination potential and relative germination index of all tested plant seeds obviously decreased with the increase of cobalt concentration.There was a positive correlation between cobalt stress concentration and cobalt content in the plant seeds,but the difference of cobalt content in different plant seeds was significant,in which cobalt content in rape seed (2 399.15 mg/kg) was the highest under the 120 mg/L of cobalt stress concentration,and that was the lowest in maize seed (72.45 mg/kg).Cobalt accumulation of different plants is closely related with its biomass and cobalt content，in which biomass(3.12 mg per grain)of rape was the lowest and its accumulation was 7.49 μg per grain.[Conclusion] Above all,cobalt resistances and cobalt accumulation abilities of rape and carrot seeds were higher,and that of pea and cowpea seeds were lower in budding time.

Plant seeds; Cobalt stress; Germination characteristics; Accumulation ability

國家863計劃項目(2012AA063503)；四川省科技支撐計劃項目(2012SZ0064)；西南科技大學研究生創(chuàng)新

(14ycxjj0078)。

李黎(1989- )，男，四川南充人，碩士研究生，研究方向：輻射生物效應及其生物修復。*通訊作者，教授，碩士，碩士生導師，從事輻射生物效應及其生物修復研究。

2015-02-11

S 181.3

A

0517-6611(2015)09-246-04