汞脅迫對(duì)芝麻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

林必博，鄭愛泉，周濟(jì)銘，范學(xué)科

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

受灌溉、肥料施用、工業(yè)“三廢”排放等諸多因素的影響，土壤重金屬污染已成為當(dāng)前土壤污染的重要問題之一，我國約有1/6的農(nóng)田土壤受到重金屬污染[1,2]。土壤中各種重金屬離子的積累，對(duì)作物生長發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重的毒害作用，影響種子萌發(fā)，阻礙作物正常生長發(fā)育，降低其產(chǎn)量和品質(zhì)[3-5]。有關(guān)重金屬離子對(duì)作物種子萌發(fā)及幼苗生長的研究在水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、花生(Arachishypogaea)等農(nóng)作物中已有大量報(bào)道[6-8]。

芝麻(Sesamumindicum)是我國傳統(tǒng)的重要油料作物，全國大部分地區(qū)均有種植[9,10]。孫建等比較研究了鎘(Cd2+)、鎳(Ni2+)、鉻(Cr6+)、汞(Hg2+)、鉛(Pb2+)等5種重金屬離子對(duì)芝麻種子萌發(fā)的毒害作用，表明芝麻幼苗根和芽的生長均受到抑制[11]，但重金屬離子尤其是Hg2+對(duì)芝麻種子萌發(fā)及成苗的影響仍有待深入分析。本試驗(yàn)研究了Hg2+對(duì)芝麻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，以期為重金屬污染環(huán)境下芝麻生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

材料為白芝麻品種中芝8號(hào)。試劑HgCl2為分析純。

1.2 設(shè)計(jì)與處理

設(shè)置Hg2+濃度為0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，2.0 mmol·L-1共11個(gè)梯度處理液，以去離子水處理為對(duì)照(ck)。采用培養(yǎng)皿濾紙發(fā)芽法，培養(yǎng)皿直徑12 cm，內(nèi)鋪2層11 cm中速定量分析濾紙。挑選飽滿健康的種子，均勻置于培養(yǎng)皿中，每培養(yǎng)皿50粒，并加入10 mL處理液，每處理重復(fù)3次。置于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中，連續(xù)光照。培養(yǎng)期間適當(dāng)補(bǔ)充處理液保持濾紙濕潤。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

記錄種子萌發(fā)及生長情況，第3天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，第6天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，僅統(tǒng)計(jì)正常幼苗數(shù)量；第7天統(tǒng)計(jì)未露白種子、露白種子、正常幼苗、畸形幼苗數(shù)量，并測(cè)定正常幼苗胚軸長度、胚根長度和單株鮮重。未露白種子為截止統(tǒng)計(jì)時(shí)胚根未突破種皮的種子，露白種子為胚根突破種皮但停止進(jìn)一步生長的種子，正常幼苗為具有伸長的胚根和胚軸且子葉平展的幼苗，畸形幼苗為露白后進(jìn)一步生長但不具備正常幼苗特征的幼苗。

發(fā)芽勢(shì)(%)=(第3天供試種子萌發(fā)形成的正常幼苗數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(第6天供試種子萌發(fā)形成的正常幼苗數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

胚軸長度：胚根和胚軸接點(diǎn)處至子葉著生點(diǎn)的長度；

胚根長度：胚根和胚軸接點(diǎn)處至最長根尖的長度；

單株鮮重：用濾紙吸干幼苗表面水分，電子天平稱量鮮重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均取3次重復(fù)平均值，采用Microsoft office Excel 2003軟件和SPPS 10.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 Hg2+對(duì)芝麻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響

由表1可以看出，與對(duì)照相比，當(dāng)Hg2+濃度小于0.1 mmol·L-1時(shí)，芝麻種子的發(fā)芽率無明顯變化，發(fā)芽勢(shì)也未顯著降低，且0.02 mmol·L-1和0.04 mmol·L-1Hg2+濃度處理提高了芝麻種子發(fā)芽勢(shì)并差異達(dá)顯著水平；當(dāng)Hg2+濃度大于0.1 mmol·L-1時(shí)，芝麻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均顯著降低；0.8 mmol·L-1的Hg2+濃度處理則完全抑制了芝麻種子的萌發(fā)。

表1 不同Hg2+濃度處理對(duì)芝麻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響

2.2 Hg2+對(duì)芝麻種子成苗特性的影響

從表2可知，與對(duì)照相比，當(dāng)Hg2+濃度小于或等于0.1 mmoL·L-1時(shí)，芝麻種子的未露白比例和正常幼苗比例無顯著差異，所有露白種子均可生長成為正常幼苗，無露白后停止生長的現(xiàn)象，也無畸形苗產(chǎn)生；當(dāng)Hg2+濃度為0.2 mmoL·L-1時(shí)，未露白種子比例無明顯變化，已露白的種子中40%胚根突破種皮后停止生長或形成畸形幼苗，正常幼苗比例降至54.67%；Hg2+濃度達(dá)到0.8 mmoL·L-1時(shí)，未露白種子比例迅速上升至50%，且已露白的種子全部停止生長或形成畸形幼苗，無法生長為正常幼苗；當(dāng)Hg2+濃度大于等于2.0 mmoL·L-1時(shí)，未露白種子比例達(dá)到84.67%，已露白的種子全部停止生長。

2.3 Hg2+對(duì)芝麻幼苗胚根、下胚軸生長和鮮重的影響

試驗(yàn)分析了不同Hg2+濃度處理下正常植株胚根、下胚軸和單株鮮重情況(表3)。結(jié)果表明：Hg2+的存在抑制了芝麻種子胚根的伸長和單株鮮重的增加，尤其是對(duì)胚根生長的影響更加顯著，在Hg2+濃度為0.02 mmoL·L-1時(shí)，平均胚根長度僅為對(duì)照的65.17%。而對(duì)于胚軸的伸長，Hg2+濃度小于0.1 mmoL·L-1的處理反而會(huì)促進(jìn)胚軸的伸長，當(dāng)Hg2+濃度為0.04 mmoL·L-1時(shí)，對(duì)胚軸伸長的促進(jìn)作用更加明顯并達(dá)到顯著水平(與對(duì)照相比增加了52.03%)，但隨著Hg2+濃度的持續(xù)增加，胚根伸長逐漸受到抑制。

表2 不同Hg2+濃度處理對(duì)芝麻種子萌發(fā)成苗的影響

表3 不同Hg2+濃度處理對(duì)芝麻幼苗生長的影響

3 討論與結(jié)論

一直以來，重金屬離子對(duì)植物生長發(fā)育的影響受到廣泛關(guān)注，重點(diǎn)是重金屬離子所表現(xiàn)出毒害作用。本試驗(yàn)主要研究了在Hg2+存在的情況下芝麻種子能否發(fā)育成為正常植株，以探討其對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響。從總體看，低濃度的Hg2+(小于0.1 mmoL·L-1)對(duì)芝麻種子發(fā)芽率沒有明顯影響，且萌發(fā)的種子均可發(fā)育為正常植株，對(duì)芝麻種子萌發(fā)成苗無明顯影響。而高濃度的Hg2+(大于0.1 mmoL·L-1)可降低種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，已萌發(fā)的種子在后續(xù)發(fā)育過程中產(chǎn)生畸變很難成長為正常幼苗，所形成正常幼苗的胚根、胚軸、單株鮮重均受到抑制，該效應(yīng)隨著Hg2+濃度增加愈加明顯，表現(xiàn)出明顯的毒害作用。

研究發(fā)現(xiàn)，Hg2+對(duì)植物種子萌發(fā)成苗具有低濃度促進(jìn)效應(yīng)和高濃度抑制效應(yīng)[12,13]。本研究結(jié)果表明：低濃度Hg2+的存在可提高發(fā)芽勢(shì)，促進(jìn)幼苗胚軸的伸長，對(duì)芝麻種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用；而高濃度的Hg2+則降低芝麻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，抑制幼苗胚軸伸長，具有明顯的抑制作用，這與前人的研究結(jié)果一致。分析其原因，與Hg2+對(duì)種子萌發(fā)過程中有關(guān)酶活性的影響及防御調(diào)節(jié)機(jī)制的激發(fā)有關(guān)。有研究表明，低濃度Hg2+可提高種子萌發(fā)過程中淀粉酶、蛋白酶、酯酶、超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性，促進(jìn)一些蛋白質(zhì)的合成，高濃度Hg2+則抑制了上述酶和蛋白質(zhì)的活性[14-17]。淀粉酶和蛋白酶活性的提高，可加速營養(yǎng)物質(zhì)的水解，有助于加快種子萌發(fā)成苗，酯酶可提高種子萌發(fā)成苗過程中的抗逆性，超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性的增強(qiáng)對(duì)Hg2+脅迫下種子萌發(fā)成苗起到重要保護(hù)作用。

本研究還發(fā)現(xiàn)，Hg2+脅迫對(duì)芝麻幼苗胚軸伸長和胚根生長的影響不盡相同，低濃度Hg2+促進(jìn)了幼苗胚軸的伸長，但無論是低濃度還是高濃度的Hg2+均抑制了胚根的生長。推測(cè)其原因，可能與胚軸和胚根兩者營養(yǎng)物質(zhì)供給差異有關(guān)。供給胚軸和胚根生長的營養(yǎng)物質(zhì)主要貯藏于子葉中，在低濃度Hg2+脅迫下，種子萌發(fā)成苗有關(guān)酶活性的提高，使鄰近部位的胚軸比遠(yuǎn)離子葉的胚根更易于獲取營養(yǎng)物質(zhì)。此外，有研究表明，植物對(duì)Hg2+脅迫的響應(yīng)存在器官特異性[18]，芝麻胚軸和胚根對(duì)Hg2+脅迫的響應(yīng)機(jī)制也可能存在差異。

雖然研究表明低濃度的Hg2+對(duì)芝麻種子萌發(fā)成苗無明顯影響，但在實(shí)際生產(chǎn)中，土壤環(huán)境具有其復(fù)雜性和多樣性，加之植物本身對(duì)重金屬離子具有一定的富集作用。因此，Hg2+對(duì)芝麻萌發(fā)成苗尤其是后續(xù)生長發(fā)育的影響還有待進(jìn)一步深入研究。