鎘對檸條種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

李林芝,韓國君,張喜定

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

鎘對檸條種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

李林芝,韓國君,張喜定

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

為探討重金屬鎘(Cd)對檸條種子萌發(fā)的毒物刺激效應(yīng)，采用培養(yǎng)皿濾紙萌發(fā)法，研究了不同Cd2+濃度(0，2，5，10，15，50 mg/L)對檸條種子萌發(fā)、幼苗生長和酶活性的影響。結(jié)果表明：在5 mg/L 的Cd2+濃度下檸條種子的發(fā)芽率、胚芽和胚根的長度達(dá)最大,分別比對照提高3.8%，13.4%和11.2%，根和芽的POD活性分別比對照增加19.2%、1.8%，CAT活性比對照增加6.3%、10.4%；Cd2+濃度為50 mg/L時(shí)，檸條種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別比對照顯著降低46.9%，26.1%和27.8%；高濃度Cd2+(10，15和50 mg/L)對檸條種子萌發(fā)及酶活性表現(xiàn)為抑制作用，低濃度Cd2+(2、5 mg/L)表現(xiàn)為促進(jìn)作用。鎘對檸條種子萌發(fā)具有“低促高抑”的毒物刺激效應(yīng)，5 mg/L的Cd2+濃度為檸條種子萌發(fā)刺激效應(yīng)的臨界濃度。

檸條；鎘；刺激效應(yīng)；發(fā)芽

鎘(Cd)是一種具嚴(yán)重污染性的重金屬元素，很難被生物降解，其生物半衰期長達(dá)10～30年[1]，易被植物吸收，主要以Cd2+及其化合物存在于土壤中，通過食物鏈威脅到人類健康[2]，干旱區(qū)綠洲Cd主要以碳酸鹽態(tài)為主要存在形式[3]。有報(bào)道，中國耕地重金屬污染的面積占耕地總量的1/6，Cd污染在8種土壤重金屬元素中占25.2%[4]。一般來說，鎘在植物體內(nèi)的分布：根>莖>葉>籽粒[5]。當(dāng)鎘在植物體中富集到一定濃度，植物通常會(huì)出現(xiàn)發(fā)育不良、葉片發(fā)黃、生物量下降等毒害癥狀[6]。對種子植物而言，重金屬毒害首先會(huì)發(fā)生在種子萌發(fā)和幼苗生長階段，該階段影響到植物以后的生長。因此，研究植物種子萌發(fā)受重金屬鎘脅迫的影響顯得尤為重要。

毒物刺激效應(yīng)指有毒物質(zhì)對生物體的刺激反應(yīng)，即在低劑量時(shí)表現(xiàn)促進(jìn)作用，在高劑量時(shí)表現(xiàn)抑制作用[7]。學(xué)者在研究重金屬對生物的作用機(jī)制中，提出了“刺激效應(yīng)”或“興奮效應(yīng)”，并稱其“劑量效應(yīng)關(guān)系”為“荷爾蒙效應(yīng)”[8]。鎘對小麥[9]、四季豆[10]和紫花苜蓿[11]種子萌發(fā)具有雙向的劑量效應(yīng)關(guān)系，即“低促高抑”的毒物刺激效應(yīng)。低濃度Cd對金銀花的生長、葉綠素含量均產(chǎn)生一定的刺激作用[12]。當(dāng)Cd2+濃度從5 mg/L上升到40 mg/L時(shí)，苜蓿種子的發(fā)芽率降低了45%。雖然高濃度Cd2+不利于玉米萌發(fā)，但Cd2+濃度在0.5～1.0 mg/L時(shí)，可促進(jìn)玉米種子萌發(fā)[13]。大量研究證實(shí)，毒物刺激作用是一種客觀存在的劑量反應(yīng)現(xiàn)象，但是物種間其作用濃度不相同，對毒物刺激效應(yīng)也不同[14]。低濃度鎘污染的情況較普遍，研究低濃度鎘對植物的刺激效應(yīng)具有更重要的意義。

檸條(Caraganakorshinskii)，豆科錦雞兒屬，落葉灌木，是我國重要的水土保持、固氮阻沙的樹種[15]，而且它能夠在極端干旱下葉片枯萎死亡，復(fù)水后仍能長出新葉[16]。有關(guān)檸條種子萌發(fā)、幼苗生長、土壤種子庫和營養(yǎng)繁殖等研究報(bào)道較多，但檸條種子萌發(fā)和幼苗生長與鎘污染的關(guān)系研究報(bào)道較少。用CdCl2溶液培養(yǎng)檸條種子萌發(fā)，測定鎘對檸條種子萌發(fā)、幼苗生長和根芽酶活性的影響，確定鎘對檸條雙向劑量效應(yīng)的臨界濃度，即低濃度Cd2+促進(jìn)作用和高濃度Cd2+抑制作用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)濃度。研究結(jié)果對于Cd污染土壤中檸條的自然更新及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有理論和實(shí)踐意義，亦可為檸條在干旱區(qū)Cd污染土壤的生態(tài)修復(fù)提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及Cd處理

以籽粒飽滿、大小均勻的檸條種子為試材，由甘肅省治沙研究所提供。檸條種子用0.4%的KMnO4進(jìn)行種子表面消毒10 min，去離子水沖洗3次，自然陰干。用CdCl2和蒸餾水配制Cd2+濃度分別為0、2、5、10、15、50 mg/L的處理液，將自然陰干后的種子放入鋪有雙層無菌濾紙的培養(yǎng)皿(Φ= 9 cm)中，每皿50粒，各處理組培養(yǎng)皿分別加入5 mL上述濃度的CdCl2溶液，每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，在25 ℃ PQX-300D型人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)。每2 d更換1次新濾紙以保持檸條種子Cd濃度。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1 種子發(fā)芽指標(biāo)的測定 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程”(GB/T3543.1-3543.7-1995)進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)[17]，取鎘處理的種子30 ℃浸種4 h后，置于25～28 ℃人工氣候箱，在黑暗環(huán)境下催芽。每隔12 h補(bǔ)水1次，以芽長達(dá)種子長1/2作為種子發(fā)芽的標(biāo)志，逐日記錄發(fā)芽情況，共培養(yǎng)6 d，第3 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，第6 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，并稱量其種子鮮重。取發(fā)芽高峰期的萌發(fā)種子，再培養(yǎng)12 h后用游標(biāo)卡尺測量其胚芽和胚根長度。

發(fā)芽勢(%)=(3 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

發(fā)芽率(%)=(6 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

發(fā)芽指數(shù)(GI)= ∑(Gt/Dt)

活力指數(shù)(VI)= 發(fā)芽指數(shù)(GI)× 第6 d種子鮮質(zhì)量(g)

式中：Dt為發(fā)芽時(shí)間，Gt為與Dt相對應(yīng)的每天種子發(fā)芽數(shù)。

1.2.2 根芽酶活性及膜透性的測定 根芽酶活性測定：待檸條種子發(fā)芽后，繼續(xù)用不同濃度CdCl2溶液培養(yǎng)10 d，取各處理的芽和根各1 g，采用愈創(chuàng)木酚法[18]測定檸條種子芽和根的POD活性，取芽和根各0.5 g，采用紫外吸收法[19]測定檸條種子芽和根的CAT活性。各項(xiàng)指標(biāo)測定均3次重復(fù)，測定所用試劑均為分析純(AR)。

膜透性測定：細(xì)胞膜相對透性參照文獻(xiàn)[20]的方法，并略有改動(dòng)。取芽或根1 g，3次重復(fù)，用蒸餾水沖洗3遍，用定性濾紙吸干根、芽表面浮水，將其放入潔凈的10 mL試管中，并加入適量蒸餾水，以未經(jīng)鎘處理的根芽作為對照，在25 ℃室溫中靜置12 h后，用DDS-307型數(shù)字電導(dǎo)儀測定浸出液電導(dǎo)率。將測定電導(dǎo)率后的試管100 ℃煮沸30 min，再冷卻至室溫后測定浸出液電導(dǎo)率，并計(jì)算相對電導(dǎo)率。

相對電導(dǎo)率=(煮沸前電導(dǎo)率/煮沸后電導(dǎo)率)×100%

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan法進(jìn)行顯著性(α=0.05)檢驗(yàn)，用Excel 2007作圖，圖表中的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cd對檸條種子萌發(fā)特性的影響

用濃度2～50 mg/L的CdCl2溶液處理后，檸條種子的出芽高峰期比對照(0 mg/L)延遲1 d。在2和5 mg/L Cd濃度下檸條種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)與對照無顯著差異，但Cd濃度>10 mg/L(15、50 mg/L)時(shí)檸條種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均顯著降低。其中，5 mg/L的Cd處理下檸條種子的平均發(fā)芽率比15 mg/L的處理提高18%。50 mg/L的Cd處理下檸條種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)減小為5 mg/L的處理下78%和77%。可見，5 mg/L的Cd處理對檸條種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)無影響。

表1 不同濃度鎘處理下檸條種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)Table1 The effect of cadmium solutions with different concentrations on germination percentage,germination potential,germination index and vigor index of Caragana korshinskii

注：發(fā)芽數(shù)為3次重復(fù)的平均值，*表示發(fā)芽高峰期，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下表同

2.2 不同濃度Cd對檸條幼苗生長的影響

檸條種子萌發(fā)的第7 d，5 mg/L的Cd處理的根長和芽長均顯著大于對照，分別比對照顯著增加13%和11%，而2 mg/L的Cd處理與對照無顯著差異。但是種子萌發(fā)的10 d和13 d，5 mg/L的Cd濃度下檸條的根長比對照顯著減小了5%和16%，檸條的芽長比對照顯著減小了10%和18%。隨Cd脅迫時(shí)間的延長，檸條的根長和芽長均受到顯著的抑制作用，且Cd濃度越大抑制作用越明顯。在檸條種子萌發(fā)的第7 d，Cd脅迫對檸條的根和芽均表現(xiàn)為：低濃度促進(jìn)生長、高濃度抑制生長的刺激效應(yīng)(圖1)。

2.3 不同濃度Cd對檸條幼苗根芽酶活性及膜透性的影響

檸條幼苗芽、根的相對電導(dǎo)率隨Cd濃度增大而增大，且芽的相對電導(dǎo)率大于根的相對電導(dǎo)率。當(dāng)Cd濃度≤5 mg/L時(shí)，芽、根的相對電導(dǎo)率與對照無顯著差異；當(dāng)Cd濃度≥10 mg/L時(shí)，幼苗的相對電導(dǎo)率隨Cd濃度的增大而顯著增大，Cd濃度為50 mg/L時(shí)，芽、根的相對電導(dǎo)率分別為對照的3.2倍、2.5倍。當(dāng)Cd濃度≥5 mg/L時(shí)，根、芽POD和CAT活性隨Cd濃度增大而減弱。Cd濃度為5 mg/L時(shí)，幼苗根的POD和CAT活性的最大，分別比對照增加19%和6%，但芽的POD和CAT活性與對照之間無顯著差異(表2)。說明鎘對檸條根的酶活性的刺激效應(yīng)明顯大于芽的酶活性。

圖1 不同濃度鎘處理下檸條幼苗根長和芽長Fig.1 The effect of cadmium solutions with different concentrations on root and bud of Caragana korshinskii注：圖中條形圖上方不同的小寫字母表示5%水平的差異顯著性(P<0.05)

表2 不同濃度鎘處理下檸條幼苗相對電導(dǎo)率，POD和CATTable2 The effect of cadmium solutions with different concentrations on relative conductivity,peroxidase and catalase of Caragana korshinskii

3 討論與結(jié)論

發(fā)芽率表明種子出芽的多少，發(fā)芽勢則表明種子萌發(fā)的整齊度，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)可反映重金屬脅迫對種子萌發(fā)的抑制程度。有研究表明，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cd對杉木種子發(fā)芽與根伸長均存在抑制效應(yīng)，且發(fā)芽高峰期推遲1～2 d[21]。當(dāng)Cd濃度為10 mg/L時(shí)，二月藍(lán)種子的發(fā)芽無明顯抑制作用，但Cd濃度提高到20 mg/L以上明顯抑制二月藍(lán)的發(fā)芽[22]。當(dāng)Cd濃度≤5 mg/L對金銀花的最大根長、植株干質(zhì)量及葉綠素和類胡蘿卜素含量均有顯著的促進(jìn)作用，而Cd濃度≥10 mg/L對金銀花的生長具顯著的抑制作用[7]。在干旱區(qū)綠洲供試土壤上，低濃度的Cd、Zn、Ni重金屬復(fù)合處理促進(jìn)芹菜根、莖葉的生長，而濃度增大時(shí)其生長受到明顯的抑制[23]。研究中，用濃度2～50 mg/L的CdCl2溶液處理后，檸條種子的出芽高峰期推遲1 d。當(dāng)Cd濃度為2、5 mg/L對檸條種子萌發(fā)無顯著影響，5 mg/L的Cd處理下促進(jìn)了檸條的根、芽的生長且達(dá)最大，而15、50 mg/L的Cd處理顯著抑制了檸條種子萌發(fā)。這些均符合毒物刺激效應(yīng)的特征。

相對電導(dǎo)率可反映細(xì)胞膜受傷害的程度，過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等被稱為植物抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)。研究中，高濃度Cd脅迫(≥10 mg/L)后檸條幼苗的相對電導(dǎo)率隨Cd濃度的增大而顯著增大。這與張治安等[24]研究得到大豆種子電導(dǎo)率隨Cd濃度升高而升高的研究結(jié)果一致。很多研究證明，Cd對植物細(xì)胞膜具有嚴(yán)重破壞作用，使細(xì)胞膜透性增加[6]。在脅迫初期植物體內(nèi)的POD和CAT活性氧清除系統(tǒng)被啟動(dòng)，其產(chǎn)生的促進(jìn)作用超過了活性氧對植物的損傷作用[25]。當(dāng)Cd濃度為10～100 mg/L，在蜀葵種子萌發(fā)階段無明顯毒害，而在幼苗形態(tài)建成階段，鎘濃度高于20 mg/L 時(shí)表現(xiàn)明顯的毒害效應(yīng)[22]。分析認(rèn)為，低濃度Cd脅迫(2、5 mg/L)激活了四季豆幼苗的保護(hù)酶系統(tǒng)，POD和CAT活性迅速增高以清除體內(nèi)自由基，當(dāng)Cd濃度超過一定臨界值，POD和CAT活性會(huì)迅速下降[10]。豆科植物中吸收的鎘僅有2%被運(yùn)送至地上部，絕大部分存在于根部，故根POD和CAT活性隨Cd濃度變化較顯著[26]。研究中，低濃度Cd(2、5 mg/L)脅迫在檸條種子萌發(fā)和幼苗階段對種子芽、根的生長有明顯的促進(jìn)效應(yīng)，但隨脅迫時(shí)間延長鎘對檸條的抑制效應(yīng)增大。當(dāng)Cd濃度為5 mg/L時(shí)，幼苗根的POD和CAT的活性最大，當(dāng)Cd濃度>5 mg/L時(shí)，根、芽的POD和CAT活性隨Cd濃度的增大而減弱，且根的POD和CAT活性大于芽的。因此，5 mg/L的Cd濃度為檸條種子萌發(fā)的刺激效應(yīng)的臨界濃度。

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Effects of cadmium stress on seed germination and seedling growth ofCaraganakorshinskii

LI Lin-zhi,HAN Guo-jun,ZHANG Xi-ding

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

In order to study the hormesis effect of heavy metal cadmium onCaraganakorshinskii,the seed germination,seedling growth,enzyme activity was measured in petri dishes with different concentration of Cd2+stress (0，2，5，10，15，50 mg/L).The results showed that the seed germination,bud and root length reached to the maxium when the concentration of Cd2+was 5 mg/L.Compared with the controls,the seed germination,bud and root length improved 3.8%,13.4% and 11.2%,respectively,the POD activity in root and bud increased 19.2% and 1.8%,respectively,CAT activity increased 6.3 % and 10.4%.When the concentration of Cd2+was 50 mg/L,the seed germination potential,germination index,vigor index were decreased 46.9%,26.1% and 27.8% respectively compared with the controls.In the range of Cd2+concentration between 2 to 50 mg/L,the high concentration of Cd2+solution (10 mg/L,15 mg/L,50 mg/L) had the stress on germination and enzyme activity inhibitory,however,the low concentration of Cd2+solution (2 mg/L,5 mg/L) promoting them.The Cd2+concentration with 5 mg/L was the upper limit to hormesis effect on seed germination.

Caraganakorshinskii；cadmium；hormesis；germination

2015-05-18；

2015-06-15

973前期項(xiàng)目(2012CB722902)資助;甘肅省高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(037-041015)資助

李林芝(1983-)，女，甘肅甘谷人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)橹参锷砩鷳B(tài)。 E-mail：lilinzhi@gsau.edu.cn 韓國君為通訊作者。

S 793.3

A

1009-5500(2015)04-0061-05