重金屬鉛脅迫對綠豆種子萌發(fā)及幼苗生長的抑制效應

段代祥，劉俊華

(1.濱州學院生物與環(huán)境工程學院，山東 濱州 256603；2.山東省黃河三角洲脆弱生態(tài)帶工程技術研究中心，山東 濱州 256603)

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和工業(yè)化進程進一步加快，土壤、空氣和水體等的污染狀況也隨之加劇，其中以鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、汞(Hg)等為代表的重金屬元素對環(huán)境造成嚴重的危害[1]，土壤遭受重金屬污染后不僅會導致農(nóng)作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，還會通過食物鏈危害人體健康[2-3]。重金屬鉛為“五毒元素”之一，一旦進入土壤便會慢慢累積，待土壤中鉛含量達到一定水平時，就會對植物的生長和發(fā)育產(chǎn)生毒害作用[1-4]。

為了闡明重金屬鉛脅迫對綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制作用和濃度效應，本試驗以華北地區(qū)常見農(nóng)作物綠豆為研究對象，以不同濃度重金屬鉛離子溶液構建脅迫條件，觀察測定其對受試綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，并比較分析了Pb2+濃度與綠豆種子萌發(fā)水平及幼苗生長狀況間的相關關系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試綠豆種子冀綠9號，由河北省農(nóng)林科學院糧油研究所選育，供試藥劑為硝酸鉛(Pb(NO3)2、分析純)。

1.2 研究方法

1.2.1Pb2+溶液的配制

用去離子水先將純Pb(NO3)2配制成400.0 mg·kg-1母液，然后利用母液依次稀釋得到濃度為200.0、100.0、50.0、20.0、10.0 mg·kg-1等5個濃度梯度的Pb2+溶液，置于避光處，備用。

1.2.2種子萌發(fā)試驗

試驗用綠豆種子先經(jīng)3%KMnO4消毒10 min，用自來水沖洗數(shù)次后再以蒸餾水反復沖洗(3～5次)，最后用濾紙將殘留水分吸干。取滅菌消毒后的培養(yǎng)皿(直徑120 mm，下層鋪雙層濾紙)若干，將配制好的不同濃度Pb2+溶液加入培養(yǎng)皿(首次每皿添加10.0 mL，以后每天分別向每個培養(yǎng)皿加入適量相應濃度溶液或蒸餾水以保持種子培養(yǎng)環(huán)境濕潤)，每皿均勻放入20粒大小相近且健康的綠豆種子；以蒸餾水作對照(ck)。所有處理均為5個重復，置于(25±3)℃環(huán)境下培養(yǎng)。

1.3 相關指標測定

每天固定時間記錄綠豆發(fā)芽種子數(shù)，并測量綠豆幼苗根長、芽長，至第9天結束。依據(jù)以下公式分別計算發(fā)芽勢、發(fā)芽率及發(fā)芽抑制率[1]：

發(fā)芽勢(%)=(第5天正常發(fā)芽的種子粒數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(第9天正常發(fā)芽的種子粒數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽抑制率(%)=(處理組發(fā)芽率/對照組發(fā)芽率)×100%。

在第9天培養(yǎng)周期結束后，用電子天平(精確至千分之一)測定綠豆幼苗整株鮮重(mg)，以直尺測量幼苗根長(cm)、芽長(cm)。依據(jù)以下公式計算幼苗全長抑制率(%)、幼苗鮮重抑制率(%)和綜合抑制率(%)：

幼苗全長抑制率(%)=(處理組根長/對照組根長)×100%；

幼苗鮮重抑制率(%)=(處理組鮮重/對照組鮮重)×100%；

綜合抑制率(%)= (發(fā)芽抑制率+幼苗全長抑制率+幼苗鮮重抑制率)/3。

綠豆種子活力指數(shù)的計算依據(jù)以下公式：

種子活力指數(shù)=(處理組發(fā)芽率/對照組發(fā)芽率)×(處理組鮮重/對照組鮮重)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010軟件匯總整理并進行初步統(tǒng)計分析與圖表繪制；應用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行相關指標間的Pearson相關性分析，以LSD多重比較及Duncan’s檢驗進行組間差異顯著性檢驗；本研究中，Pearson相關性分析及單因素方差分析(One-Way ANOVA)顯著性水平定為p<0.01。

2 結果與分析

2.1 Pb2+脅迫對綠豆種子萌發(fā)的抑制作用

種子萌發(fā)是綠色開花植物新一個世代的開端，植物種子萌發(fā)這一過程會受到多種內(nèi)外部因素的影響。由圖1可以看出，綠豆種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率均受到Pb2+脅迫的顯著影響，即隨著Pb2+濃度的增加,綠豆種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率均呈單調(diào)下降趨勢,但在較低濃度(10.0、20.0 mg·kg-1)下未受到明顯抑制，而隨Pb2+濃度的進一步升高，其種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率均出現(xiàn)明顯降低，在100.0 mg·kg-1和200.0 mg·kg-1時均顯著低于ck組(p<0.01)。

經(jīng)對Pb2+濃度和綠豆種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率間進行Pearson相關分析(圖2)，結果表明，Pb2+溶液濃度與種子萌發(fā)水平間具有十分顯著的負相關關系(p<0.01)。

2.2 Pb2+脅迫對綠豆幼苗生長的影響

由圖3可以看出，以不同濃度的Pb2+溶液培養(yǎng)的綠豆幼苗，在根長、芽長方面與ck組表現(xiàn)出較為顯著的差異，具體表現(xiàn)為：10.0 mg·kg-1濃度下，綠豆幼苗芽長與ck差異不明顯(p>0.01)，而根長已受到明顯的抑制，顯著低于ck組(p<0.01)，而后隨著Pb2+溶液濃度的不斷升高，幼苗生長受到明顯的抑制，無論芽長還是根長均出現(xiàn)明顯的減小，直至200.0 mg·kg-1時出現(xiàn)最低值，而又以幼苗根長所受抑制程度為甚。

從綠豆幼苗全株長度來看，ck組綠豆幼苗長勢最好，株高約14.0 cm，其根長和芽長均高于所有Pb2+脅迫處理組，在最高濃度(200.0 mg·kg-1)時，綠豆幼苗植株長勢最弱，其平均株長約6.8 cm，根長所受抑制最為明顯。經(jīng)對綠豆幼苗根冠比進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著Pb2+濃度的升高，比值迅速下降(圖4)，且從20.0 mg·kg-1開始，綠豆幼苗根冠比即已顯著低于ck組和10.0 mg·kg-1濃度處理組，至200.0 mg·kg-1濃度時比值達到最低(0.189)，可見Pb2+脅迫對綠豆幼苗根長的抑制水平明顯強于對芽長的影響。

2.3 Pb2+脅迫對綠豆幼苗鮮重的影響

植株個體的生物量(包括鮮重和干重)大小常作為表征該種植物幼苗長勢旺盛與否和活力水平高低的重要指標[5]。本研究中，不同Pb2+濃度處理對綠豆幼苗的鮮重有明顯的影響(圖5)，ck組綠豆幼苗鮮重最高(每株約260 mg)，其次為10.0 mg·kg-1處理組(每株約250 mg)，隨著Pb2+濃度的進一步升高，綠豆幼苗鮮重進一步減小，在20.0 mg·kg-1濃度時已顯著低于對照組(p<0.01)，直至200.0 mg·kg-1濃度時綠豆幼苗鮮重達到最低(每株約198 mg)。由此可見，本研究中Pb2+脅迫對綠豆幼苗鮮重不僅具有明顯抑制作用，而且還表現(xiàn)出十分顯著的濃度效應(p<0.01)。

2.4 不同Pb2+濃度對綠豆種子活力水平的影響

種子活力不僅影響種子萌發(fā)過程，還對播種后幼苗根系建成及出土能力有重要影響，此外還可直接或間接影響植物苗期生長速率和幼苗對抗外界不良條件的能力[1]。由圖6可知，不同濃度Pb2+溶液對綠豆種子活力水平具有顯著影響，且其表現(xiàn)出的抑制規(guī)律與對綠豆幼苗全長和鮮重的影響相一致，ck組和最低濃度Pb2+處理組(10.0 mg·kg-1)幼苗長勢最好，葉色鮮綠，根長且白嫩，而隨著Pb2+濃度的升高，綠豆幼苗生長受到明顯抑制，根長和芽長皆急劇變短，甚至高濃度下許多種子胚根難以生長。

2.5 Pb2+脅迫對綠豆幼苗生長的影響

從上述結果可知，本實驗中Pb2+脅迫綠豆種子萌發(fā)及幼苗生長的影響是多方面的，但對不同指標的影響又有較大差異。通過對綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長所受抑制效應綜合分析(表1)，結果發(fā)現(xiàn)，鉛脅迫對綠豆種子萌發(fā)的抑制效應最低(在200.0 mg·kg-1時抑制率為-13.83%)，其次為對幼苗鮮重(在200.0 mg·kg-1時抑制率為-23.53%)，而對幼苗全長的抑制效應最強(在200.0 mg·kg-1時抑制率達-51.78%)。基于上述3個指標的綜合抑制率分析，200.0 mg·kg-1濃度處理的綜合抑制率為(-29.82±19.67)%。

表1 Pb2+脅迫對綠豆幼苗生長的綜合抑制效應Table 1 Comprehensive inhibition effect of Pb2+ stress on mung bean seedling growth

為進一步闡明Pb2+對綠豆幼苗生長綜合抑制作用的濃度效應，經(jīng)對Pb2+濃度與綜合抑制水平間作Pearson相關性分析，結果顯示，二者間存在較為明顯的正相關關系，即Pb2+離子濃度越高對綠豆的綜合抑制水平越強(圖7)，但在p<0.01水平上相關性不顯著(p=0.020)。

3 結論與討論

對綠色開花植物而言，其種子萌發(fā)過程十分復雜，且容易受到多種內(nèi)外部因素的影響。本試驗以綠豆種子為受試材料，通過添加不同濃度Pb2+溶液進行脅迫處理，研究Pb2+脅迫對綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。結果表明，不同濃度Pb2+溶液處理下的綠豆種子，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率均受到一定程度的抑制，且隨Pb2+濃度的不斷升高而迅速降低，并表現(xiàn)出十分顯著的濃度效應，即Pb2+溶液濃度越高，其對受試綠豆種子萌發(fā)過程的抑制作用就越強。經(jīng)進一步對相關指標測定分析，結果表明，如幼苗根長、芽長和全株鮮重等生長指標均受到Pb2+脅迫條件的顯著負影響，其中又以綠豆幼苗根生長所受影響最大。

由上述結果可知，本研究中重金屬鉛對受試作物綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制作用，對根部生長的影響顯著高于對芽生長的影響，對幼苗生長初期的影響又顯著高于對其種子萌發(fā)階段的影響。此外，通過分析Pb2+脅迫對綠豆幼苗生長綜合抑制效應，發(fā)現(xiàn)所有測定指標中綠豆種子萌發(fā)率受Pb2+脅迫抑制水平最低；進一步對Pb2+濃度與其對受試綠豆幼苗生長綜合抑制水平作相關性分析，結果顯示，二者間具有顯著的正相關關系，隨著Pb2+濃度升高，綠豆幼苗所受綜合抑制作用越強。

本研究中，所有處理組綠豆種子的發(fā)芽率均較高(80%以上)，表明綠豆種子在萌發(fā)生理方面具有較強的抗Pb2+脅迫能力。在Pb2+影響綠豆幼苗生長方面，低濃度效果不十分顯著，但中高濃度下Pb2+對幼苗的生長表現(xiàn)出明顯抑制效應，隨著Pb2+濃度的升高，綠豆幼苗的根長和芽長均較短，尤其對根生長的抑制作用更為顯著，即重金屬鉛脅迫對植物生長的抑制優(yōu)先作用于胚根生長，這與已有類似研究結果相一致[1,6-9]。對高等植物而言，無論以孢子繁殖還是以種子繁殖，其萌發(fā)階段和幼苗生長初期均對外部環(huán)境因子尤其對不利條件十分敏感，包括對重金屬鉛脅迫在內(nèi)的污染因素。本研究僅就Pb2+脅迫條件下的綠豆種子萌發(fā)和幼苗前期生長狀況進行了初步探討，而有關Pb2+對其產(chǎn)生脅迫抑制的具體機理機制尚有待進一步研究。