赤霉素對(duì)鉛脅迫下苦蕎種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響

王小松，萬(wàn) 燕，樂(lè)梨慶，安 琪，公續(xù)霄

（成都大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜糧加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610106）

隨著我國(guó)工業(yè)化不斷發(fā)展，重金屬鉛污染不斷加劇，我國(guó)西南、中南地區(qū)土壤鉛超標(biāo)范圍較大[1]。目前我國(guó)受污染土壤中鉛的點(diǎn)位超標(biāo)率為1.5%[2]。當(dāng)土壤環(huán)境中鉛含量達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)抑制作物生長(zhǎng)，破壞正常的生理功能，而作物為維護(hù)體內(nèi)生理代謝平衡，在遭受鉛毒害時(shí)，會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)保護(hù)酶系統(tǒng)活性來(lái)降低鉛對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生較大的毒害作用[3]?？嗍w（Fagopyrum esculentum）被譽(yù)為“五谷之王”[4]，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值，是我國(guó)重要的雜糧作物。我國(guó)苦蕎主要種植在云南、貴州、四川等西南地區(qū)，而我國(guó)耕地土壤面積為1.35億hm2[5]，耕地總污染量為2 328萬(wàn)hm2，耕地點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，約有1.3萬(wàn)hm2耕地受到鉛等重金屬污染，包括云、貴、川、晉等苦蕎主要產(chǎn)出地均為我國(guó)耕地土壤鉛污染的重點(diǎn)區(qū)域[6]。鉛一旦進(jìn)入人體將會(huì)對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)及大腦產(chǎn)生不可逆的傷害，并且難以通過(guò)新陳代謝排出人體[7]。所以，對(duì)鉛污染環(huán)境下苦蕎耐鉛性研究已成為現(xiàn)代社會(huì)亟待解決的問(wèn)題，研究提高苦蕎耐鉛性將為我國(guó)苦蕎種植提供更有效的理論指導(dǎo)。

赤霉素作為一種重要的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)激素，被廣泛應(yīng)用于解除種子休眠、促進(jìn)萌發(fā)、促進(jìn)葉芽生長(zhǎng)[8]。目前，關(guān)于赤霉素緩解重金屬脅迫對(duì)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的生理試驗(yàn)在水稻、沙冬青等作物上已有諸多報(bào)道，但尚未有關(guān)于赤霉素緩解鉛脅迫下苦蕎種子萌發(fā)影響的報(bào)道。因此，深入了解赤霉素對(duì)苦蕎種子萌發(fā)的重金屬鉛脅迫緩解機(jī)制顯得尤為重要。

本試驗(yàn)以苦蕎為材料，用不同質(zhì)量濃度赤霉素對(duì)鉛脅迫下苦蕎種子進(jìn)行浸種處理，誘導(dǎo)苦蕎抗鉛脅迫的可能性及機(jī)制，緩解鉛污染造成的毒害，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中提高作物抗鉛能力及植物修復(fù)技術(shù)提供新的途徑，為重金屬脅迫保護(hù)反應(yīng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為成都大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜糧加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的2018年采集儲(chǔ)存的川蕎一號(hào)苦蕎品種，以1%高錳酸鉀溶液浸泡種子30 min消毒，再用蒸餾水充分清洗種子表面?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，每個(gè)處理30粒種子，6次重復(fù)。6個(gè)處理分別為：G0.清水浸種12 h；G1.5 mg/L赤霉素浸種12 h；G2.10 mg/L赤霉素浸種12 h；G3.20 mg/L赤霉素浸種12 h；G4.40 mg/L赤霉素浸種12 h；G5.100 mg/L赤霉素浸種12 h。經(jīng)赤霉素處理后均放置于800 mg/L乙酸鉛水溶液培養(yǎng)盤中培養(yǎng)，乙酸鉛水溶液量以培養(yǎng)盤表面浸潤(rùn)為佳。試驗(yàn)以清水浸種12 h，并置于清水環(huán)境中培養(yǎng)作為對(duì)照（CK）。隨后，將處理好的培養(yǎng)皿放入恒溫培養(yǎng)箱中，恒溫25℃，每日觀察記錄種子萌發(fā)情況，以種子芽長(zhǎng)超過(guò)種子1/2長(zhǎng)度記為發(fā)芽，連續(xù)2 d不再發(fā)芽記為發(fā)芽結(jié)束。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

培養(yǎng)11 d時(shí)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量幼苗根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)；用根系掃描儀測(cè)量不定根數(shù)量。

可溶性蛋白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法測(cè)定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑和核黃素法測(cè)定；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定；游離氨基酸含量采用茚三酮比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用Excel記錄整理數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)平均值，并用SPSS 22.0軟件進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)鉛脅迫下苦蕎種子形態(tài)指標(biāo)的影響

2.1.1 不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎種子發(fā)芽率的影響 研究表明，當(dāng)植物受到重金屬脅迫后，發(fā)芽率會(huì)出現(xiàn)顯著性降低，所以，發(fā)芽率可以作為植物受重金屬脅迫程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由圖1可知，與CK相比，苦蕎遭受鉛脅迫后發(fā)芽率明顯降低，通過(guò)赤霉素提前浸種處理后，苦蕎種子發(fā)芽率逐步提升，其中，G0處理的發(fā)芽率為67%，G4處理發(fā)芽率最高，達(dá)到76%，且與G5處理間差異顯著（P＜0.05），所以，40 mg/L赤霉素對(duì)鉛脅迫下苦蕎種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用。

2.1.2 不同濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎幼苗根長(zhǎng)的影響 由圖2可知，苦蕎在沒(méi)有使用重金屬鉛溶液脅迫的CK中長(zhǎng)勢(shì)最好，與CK相比，Pb脅迫抑制了苦蕎幼苗根生長(zhǎng)，G0處理的主根長(zhǎng)到1 cm左右后就停止生長(zhǎng)，且經(jīng)過(guò)不同質(zhì)量濃度赤霉素浸泡后的苦蕎種子根長(zhǎng)也沒(méi)有明顯差異，均在1 cm左右，僅G2處理稍有緩解，但效果不明顯。所以，種子在800 mg/L鉛溶液下根的生長(zhǎng)嚴(yán)重受到抑制，使用赤霉素浸種后并無(wú)明顯緩解效果。

2.1.3不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎幼苗不定根數(shù)量的影響 由圖3可知，CK的不定根數(shù)量明顯小于鉛脅迫處理，僅為1條，結(jié)合根長(zhǎng)變化分析可知，鉛脅迫會(huì)破壞植物原來(lái)的根系，抑制植物根系生長(zhǎng)。通過(guò)比較不同質(zhì)量濃度赤霉素處理后苦蕎的不定根數(shù)量可以看出，赤霉素處理G1～G5的不定根數(shù)量較G0處理有一定減少，在赤霉素100 mg/L的G5處理下不定根數(shù)量最少，為3條，與其他質(zhì)量濃度赤霉素處理間差異顯著（P＜0.05）。說(shuō)明種子在100 mg/L赤霉素浸種后，在800 mg/L鉛溶液下苦蕎不定根數(shù)最接近正常。

2.1.4 不同濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎幼苗莖長(zhǎng)的影響 從圖4可以看出，與CK相比，Pb脅迫下不同處理苦蕎長(zhǎng)勢(shì)緩慢，莖長(zhǎng)普遍較低，在6 cm左右，而CK莖長(zhǎng)可以達(dá)到12 cm以上。說(shuō)明800 mg/L的鉛溶液顯著抑制了苦蕎的莖生長(zhǎng)，只能達(dá)到正常值的1/2。通過(guò)不同濃度赤霉素浸種，僅40 mg/L赤霉素浸種下能使苦蕎莖長(zhǎng)有所增長(zhǎng)，且差異顯著，說(shuō)明赤霉素浸種對(duì)鉛脅迫環(huán)境下苦蕎莖長(zhǎng)具有一定作用，但一定質(zhì)量濃度的赤霉素浸種才具有顯著促進(jìn)作用。

2.2 不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)鉛脅迫下苦蕎幼苗生理指標(biāo)的影響

2.2.1 不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎幼苗可溶性蛋白含量的影響 由圖5可知，CK下苦蕎幼苗的可溶性蛋白含量只有1 mg/g，與CK相比，Pb脅迫顯著提升了苦蕎幼苗可溶性蛋白含量，苦蕎受到鉛脅迫后可溶性蛋白含量均高于3 mg/g。通過(guò)比較不同質(zhì)量濃度赤霉素處理后苦蕎可溶性蛋白含量可以發(fā)現(xiàn)，赤霉素浸種與未浸種G0處理中可溶性蛋白含量差異顯著（P＜0.05），呈先下降后上升的趨勢(shì)，可溶性蛋白含量最高可達(dá)5.2 mg/g。其中，G3處理的苦蕎在鉛溶液下可溶性蛋白含量最低，為2.9 mg/g，差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），這表明一定質(zhì)量濃度赤霉素浸種對(duì)苦蕎鉛脅迫具有顯著緩解作用。

2.2.2 不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎幼苗可溶性糖含量的影響 由圖6可知，苦蕎受到800 mg/L重金屬鉛溶液脅迫后G0處理，與CK相比，Pb脅迫增加了苦蕎幼苗體內(nèi)的可溶性糖含量，且增加了14.4 mg/g；而經(jīng)赤霉素浸泡后的種子可溶性糖含量呈緩慢上升趨勢(shì)，20 mg/L赤霉素浸泡后苦蕎幼苗的可溶性糖含量達(dá)到峰值，為27.7 mg/g。說(shuō)明當(dāng)苦蕎受到重金屬鉛脅迫后會(huì)促進(jìn)體內(nèi)可溶性糖的積累，并且20 mg/L赤霉素浸種處理的積累量達(dá)到最大，植物的抗逆性最高；當(dāng)用5 mg/L赤霉素浸種時(shí)，苦蕎幼苗的可溶性糖積累量最低，為19.9 mg/g，說(shuō)明赤霉素在幫助鉛脅迫下苦蕎積累可溶性糖上具有促進(jìn)作用。

2.2.3不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎幼苗超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響 從圖7可以看出，與CK相比，Pb脅迫顯著增加了苦蕎幼苗體內(nèi)的SOD活性，增加了965 U/（g·h），但使用外源赤霉素浸種后呈逐步下降趨勢(shì)，在40 mg/L赤霉素浸種下苦蕎SOD活性最低，且差異顯著，只有400 U/（g·h），說(shuō)明赤霉素浸種能夠顯著降低鉛脅迫下苦蕎SOD活性，從而達(dá)到增強(qiáng)苦蕎耐鉛性的作用。

2.2.4 不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎幼苗丙二醛含量的影響 從圖8可以看出，與CK相比，Pb脅迫增加了苦蕎幼苗體內(nèi)的丙二醛含量。CK下苦蕎幼苗的丙二醛含量為6.46 μmol/g，而經(jīng)Pb脅迫后G0處理上升了1.55 μmol/g，說(shuō)明鉛脅迫會(huì)使苦蕎質(zhì)膜受損，導(dǎo)致丙二醛含量增加。通過(guò)赤霉素浸種后發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)量濃度赤霉素浸種對(duì)苦蕎質(zhì)膜受損并無(wú)緩解作用，20 mg/L赤霉素處理的苦蕎幼苗丙二醛含量最低，為7.6 μmol/g，但隨著赤霉素質(zhì)量濃度逐步增加，緩解作用降低，苦蕎丙二醛含量增加，說(shuō)明經(jīng)一定質(zhì)量濃度赤霉素溶液浸種，可以有效提升苦蕎耐鉛性。

2.2.5 不同質(zhì)量濃度赤霉素處理對(duì)苦蕎幼苗游離氨基酸含量的影響 由圖9可知，與CK相比，苦蕎受到重金屬鉛脅迫后會(huì)顯著增加苦蕎體內(nèi)游離氨基酸的含量。G1、G2處理經(jīng)過(guò)赤霉素浸種后游離氨基酸含量較G0處理分別下降了3.41、6.66 mg/g，G2處理下降至最低值，該處理的緩解脅迫效果最佳，接近CK處理的游離氨基酸含量，隨后又呈逐步上升趨勢(shì)，說(shuō)明一定質(zhì)量濃度赤霉素浸種后，可以顯著提升苦蕎耐鉛性。

3 結(jié)論與討論

3.1 鉛脅迫下赤霉素浸種對(duì)苦蕎形態(tài)指標(biāo)的影響

重金屬鉛脅迫會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成一定程度的傷害，經(jīng)赤霉素浸種后，可以一定程度提高植物耐鉛性。發(fā)芽率大小可作為苦蕎種子受到鉛脅迫程度的一個(gè)重要指標(biāo)[9]。研究表明，種子在受到鉛脅迫時(shí)，發(fā)芽率會(huì)明顯降低。劉楓[10]的研究也表明，鉛脅迫對(duì)水稻種子的萌發(fā)具有較大的抑制作用。本試驗(yàn)中，鉛溶液脅迫苦蕎會(huì)嚴(yán)重降低其發(fā)芽率，破壞根系生長(zhǎng)，影響苦蕎莖長(zhǎng)生長(zhǎng)，經(jīng)40 mg/L赤霉素水溶液浸種后可以有效提升苦蕎發(fā)芽率，但對(duì)苦蕎莖長(zhǎng)的改善沒(méi)有明顯作用，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[11]。張春雨等[12]研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素可以使白楊或者擬南芥胚軸基部不能形成生長(zhǎng)素峰值，達(dá)到抑制不定根生長(zhǎng)的效果。由于重金屬鉛會(huì)誘導(dǎo)苦蕎不定根的生長(zhǎng)，而赤霉素又可以抑制不定根的啟動(dòng)。本試驗(yàn)比較G0～G5處理，經(jīng)過(guò)40 mg/L赤霉素浸種后苦蕎種子發(fā)芽率均可以達(dá)到70%以上，表明赤霉素可以抑制不定根生長(zhǎng)，這與張煥欣等[13]的研究結(jié)果一致。

3.2 鉛脅迫下赤霉素浸種對(duì)苦蕎生理指標(biāo)的影響

可溶性蛋白含量是用來(lái)衡量植物是否受到重金屬脅迫的重要指標(biāo)。任秀娟等[14]研究表明，玉米在受到高濃度鉛污染后體內(nèi)的可溶性蛋白含量會(huì)明顯升高。當(dāng)植物遭受到重金屬脅迫后，組織細(xì)胞會(huì)積累可溶性糖，保持水分正常供應(yīng)，以保證植物的正常生理活動(dòng)[15]。為消除大量產(chǎn)生的氧自由基，SOD活性也會(huì)急劇上升。同時(shí)，鉛脅迫使得植物膜系統(tǒng)受到毒害，加重膜脂化情況，植物體內(nèi)會(huì)積累大量丙二醛。本試驗(yàn)結(jié)果表明，鉛脅迫可顯著提高苦蕎可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛和游離氨基酸含量，提升SOD活性，這與前人研究結(jié)果一致。

研究表明，低濃度的赤霉素可以降低鉛脅迫下苦蕎可溶性蛋白含量，而高濃度的赤霉素會(huì)使苦蕎可溶性蛋白含量升高[16]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)赤霉素浸種后的苦蕎種子在鉛脅迫環(huán)境下，可溶性蛋白含量呈先下降后上升的趨勢(shì)；赤霉素質(zhì)量濃度在5～10 mg/L時(shí)，可溶性糖含量得到抑制，但隨著赤霉素質(zhì)量濃度增加，可溶性糖含量抑制效果不明顯，說(shuō)明苦蕎在鉛脅迫下赤霉素對(duì)可溶性糖積累無(wú)明顯作用。SOD具有消除氧自由基的特殊生理活性，是生物體內(nèi)去除氧自由基的關(guān)鍵物質(zhì)[17]。經(jīng)40 mg/L赤霉素浸種后的苦蕎在鉛脅迫環(huán)境下SOD活性會(huì)出現(xiàn)顯著性降低，說(shuō)明當(dāng)苦蕎受到鉛脅迫后，赤霉素可以緩解鉛對(duì)苦蕎脅迫的影響，減少體內(nèi)氧自由基的含量，使苦蕎中SOD活性保持正常值?？嗍w受到高濃度重金屬鉛的毒害后，苦蕎細(xì)胞膜系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重破壞，經(jīng)赤霉素浸種也很難緩解這種傷害，導(dǎo)致本試驗(yàn)中赤霉素浸種后苦蕎丙二醛含量仍然難以降低；苦蕎經(jīng)10 mg/L赤霉素溶液浸種后可以降低游離氨基酸的含量至正常值，說(shuō)明赤霉素具有抑制鉛脅迫的作用。在生理指標(biāo)方面，本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。