重金屬脅迫對(duì)牛蒡種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

譚洪偉 左明博 何月慶 付靖雯 高天鵬

摘 ? ?要：為了研究重金屬脅迫對(duì)植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，以牛蒡?yàn)椴牧?，研究了不同濃度的鋅、鎳、銅、鉻、鉛、鎘6種重金屬對(duì)牛蒡種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，重金屬脅迫后的牛蒡種子發(fā)芽率和幼苗芽長(zhǎng)顯著低于對(duì)照組;牛蒡幼苗體內(nèi)過氧化氫酶（CAT）活性隨重金屬脅迫濃度的增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在高濃度銅、鋅、鎳、鎘處理下，CAT活性下降并最終低于對(duì)照組，高濃度鉛脅迫下CAT活性有所下降但仍舊高于對(duì)照組，鉻脅迫下植物全部死亡。研究結(jié)果表明，重金屬脅迫對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，且牛蒡幼苗對(duì)重金屬有一定的抗性。

關(guān)鍵詞：牛蒡;重金屬脅迫;種子發(fā)芽率;幼苗發(fā)育;CAT活性

文章編號(hào)：1005-2690（2022）02-0010-04 ? ? ? 中國圖書分類號(hào)：R282.71 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

土壤是人類生存不可或缺的資源。人類從土壤中獲得休養(yǎng)生息的物質(zhì)財(cái)富，沒有土地，人類難以生存。但人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)土壤資源缺乏足夠的保護(hù)意識(shí)，造成土壤污染狀況日趨嚴(yán)重。重金屬污染是土壤污染中危害最大、影響面積最廣的，極大地破壞了生態(tài)環(huán)境，損害了人們的身體健康，甚至嚴(yán)重威脅到我國的可持續(xù)發(fā)展。全國土壤污染狀況調(diào)查于2005—2013年進(jìn)行，2014年4月17日公布調(diào)查結(jié)果。全國土壤中鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率為7%，汞為1.6%，砷為2.7%，銅為2.1%，鉛為1.5%，鉻為1.1%，鋅為0.9%，鎳為4.8%。目前，我國土壤鎘、鉻、鉛等重金屬污染嚴(yán)重[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前約有1 000萬hm2農(nóng)田受到了污染，每年生產(chǎn)的受重金屬污染的糧食達(dá)1 200萬t，情況不容樂觀[2]。重金屬具有易積累和毒性大的特點(diǎn)，不僅會(huì)造成耕地質(zhì)量下降、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量低等危害，還會(huì)遷移到農(nóng)產(chǎn)品中，隨著食物鏈的傳遞最后進(jìn)入人體并在人體內(nèi)富集，對(duì)人體造成危害[3-4]。

牛蒡（Arctium lappa L.）為多年生菊科草本藥用植物，其根、葉、果均可入藥，具有降血糖、抗菌、抗腫瘤、降血壓、輕度利尿及下瀉作用，還具有疏散風(fēng)熱、宣肺透疹、利咽化痰、解毒通便的功效，主治感冒頭痛、咽喉不利、咳嗽不爽、咽喉腫痛等，作為一種具有營養(yǎng)與保健功能的食品受到消費(fèi)者喜愛[5-7]。近年來，隨著農(nóng)田重金屬污染的加劇，重金屬脅迫對(duì)種子萌發(fā)的研究越來越多，但重金屬脅迫對(duì)牛蒡種子萌發(fā)的研究較少。研究不同濃度、不同重金屬對(duì)牛蒡種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的牛蒡種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上所用的種子。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子萌發(fā)階段

選取直徑為9 cm的培養(yǎng)皿，皿內(nèi)以定性濾紙為發(fā)芽床，將配好的含有不同重金屬濃度的重金屬溶液置于培養(yǎng)皿中至濾紙飽和，重金屬濃度見表1。挑選飽滿的種子放入皿內(nèi)，每個(gè)培養(yǎng)皿均勻放入20顆，每處理設(shè)3組平行。以等量蒸餾水培養(yǎng)作對(duì)照（0組）。28 ℃下培養(yǎng)，種子萌發(fā)后，每天定時(shí)觀察記錄發(fā)芽情況，直至對(duì)照種子發(fā)芽基本不再變化，所有培養(yǎng)時(shí)間約持續(xù)7 d。試驗(yàn)結(jié)束后將幼苗取出，分別測(cè)量幼苗的苗高，數(shù)據(jù)取各平行組均值。

1.2.2 土壤培育重金屬脅迫幼苗階段

根據(jù)前期重金屬對(duì)水培植物種子發(fā)芽率的影響結(jié)果分析，本試驗(yàn)牛蒡種子進(jìn)行土培，再挑選長(zhǎng)勢(shì)較好幼苗進(jìn)行不同濃度梯度的銅、鋅、鎳、鉛、鉻、鎘脅迫，觀察幼苗的生長(zhǎng)狀況，并采集脅迫21 d后的植物葉片作為試驗(yàn)材料進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

1.2.3 CAT活性測(cè)定

CAT活性通過分光光度法進(jìn)行測(cè)定[8]，取植物葉片0.5 g，加入5 mL磷酸緩沖液，研磨充分后，12 000 r/min離心15min，取上清液適當(dāng)稀釋后用于酶活性的測(cè)定。在3 mL反應(yīng)體系中，包括0.3% H2O2 1 mL、H2O 1.95 mL，最后加入0.05 mL酶液，啟動(dòng)反應(yīng)，測(cè)定240 nm波長(zhǎng)處的OD降低速度。將每分鐘的OD減少0.01定義為1個(gè)活力單位。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、Origin 2018、SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度重金屬對(duì)牛蒡種子發(fā)芽率的影響

由圖1可知，經(jīng)重金屬脅迫后，牛蒡種子發(fā)芽率較對(duì)照下降，說明重金屬脅迫對(duì)牛蒡種子萌發(fā)有明顯的抑制作用。當(dāng)銅濃度大于50 mg/L、鎘濃度大于0.5 mg/L時(shí)，隨濃度升高，銅和鎘對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用加劇。該結(jié)果與宋紅和田曉璇（2020）[9]研究銅、鎘單一及復(fù)合脅迫對(duì)玉蟬花種子萌發(fā)的影響結(jié)果一致;鋅脅迫下隨著鋅濃度升高，牛蒡種子的發(fā)芽率出現(xiàn)一定波動(dòng)，表現(xiàn)出低抑制、高刺激的現(xiàn)象，該結(jié)果與吳羽晨等（2020）[10]對(duì)麥瓶草的研究結(jié)果一致;鉛脅迫下，隨著鉛濃度升高，牛蒡種子發(fā)芽率下降，鉛對(duì)牛蒡種子的毒害作用加劇;鉻脅迫下，隨著鉻濃度升高，牛蒡種子發(fā)芽率下降，鉻對(duì)牛蒡種子的毒害作用加劇;鎳脅迫下，鎳濃度為50 mg/L時(shí)出現(xiàn)峰值，當(dāng)鎳濃度大于50 mg/L時(shí)，隨著鎳濃度升高，牛蒡種子發(fā)芽率下降，鎳對(duì)牛蒡種子的毒害作用加劇。

2.2 不同濃度重金屬脅迫對(duì)幼苗長(zhǎng)度的影響

由圖2可知，幼苗芽長(zhǎng)在鋅溶液50 mg/L時(shí)出現(xiàn)最大值，隨鋅濃度增加出現(xiàn)低促高抑現(xiàn)象;在鎘脅迫下幼苗芽長(zhǎng)較對(duì)照明顯減小，說明不同濃度鎘脅迫對(duì)幼苗生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，但在鎘濃度大于1.0 mg/L時(shí)出現(xiàn)波動(dòng);在銅、鉻、鎳、鉛脅迫下，幼苗芽長(zhǎng)較對(duì)照明顯減小，說明不同濃度重金屬對(duì)幼苗生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，且隨重金屬濃度的增加，抑制作用加劇。這一結(jié)果與許志敏等（2020）[11]研究銅、鋅脅迫對(duì)粉黛亂子草種子萌發(fā)及抗氧化特征影響以及王椏楠等（2020）[12]關(guān)于鉛對(duì)雞爪大黃種子的幼苗生長(zhǎng)研究結(jié)果一致。

2.3 不同濃度重金屬對(duì)CAT活性的影響

由圖3可知，牛蒡幼苗在低濃度的重金屬脅迫下CAT的活性比空白對(duì)照組略高，隨著重金屬濃度的提升，達(dá)到某一特定值時(shí)開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。低濃度時(shí)，銅、鎳、鎘、鉛元素脅迫下，試驗(yàn)樣品體內(nèi)CAT活性大幅度提升，而鋅元素脅迫下試驗(yàn)樣品體內(nèi)CAT活性較對(duì)照組數(shù)據(jù)沒有明顯變化規(guī)律;隨著濃度提升，銅、鎘在試驗(yàn)設(shè)置的最高濃度梯度時(shí)，試驗(yàn)樣品體內(nèi)CAT活性明顯低于對(duì)照組，而高濃度鉛脅迫下植物樣品體內(nèi)CAT含量仍舊高于對(duì)照組。另外，在鉻脅迫下的植物全部死亡，說明鉻脅迫對(duì)植物幼苗的毒害程度較其他5種重金屬更大。

2.4 重金屬脅迫與種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的相關(guān)性分析

通過表2相關(guān)性分析可知，銅元素與幼苗長(zhǎng)度和酶活性在0.01水平上呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說明銅對(duì)牛蒡的毒害作用主要在幼苗生長(zhǎng)階段，對(duì)種子萌發(fā)的影響較小;鋅與幼苗長(zhǎng)度在0.01水平上呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而與種子萌發(fā)和CAT酶活性相關(guān)性不顯著;鎳與幼苗長(zhǎng)度在0.01水平上呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與發(fā)芽率和CAT酶活性在0.05水平上呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說明鎳對(duì)牛蒡幼苗生長(zhǎng)時(shí)期毒害作用大于種子萌發(fā)時(shí)期;鉻與發(fā)芽率和幼苗長(zhǎng)度均在0.01水平上呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，且在鉻脅迫處理下植物全部死亡，說明鉻在種子萌發(fā)時(shí)期和幼苗生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)牛蒡都有毒害作用，且毒害作用較大;鉛與幼苗長(zhǎng)度在0.01水平上呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與發(fā)芽率在0.05水平上呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說明鉛對(duì)牛蒡幼苗生長(zhǎng)時(shí)期毒害作用大于種子萌發(fā)時(shí)期;鎘發(fā)芽率在0.01水平上呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與幼苗長(zhǎng)度和CAT酶活性相關(guān)性不顯著，說明鎘對(duì)牛蒡的毒害作用主要在種子萌發(fā)階段。

3 討論

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，6種重金屬與牛蒡種子發(fā)芽率、幼苗長(zhǎng)度及CAT酶活性均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明各種重金屬對(duì)牛蒡種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)均有不同程度的毒害作用。由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)重金屬脅迫后，牛蒡種子發(fā)芽率較對(duì)照明顯下降，說明重金屬脅迫對(duì)牛蒡種子萌發(fā)有明顯的抑制作用。但不同濃度重金屬對(duì)牛蒡種子萌發(fā)的影響不同，在銅、鉛和鎘脅迫下，隨著重金屬脅迫濃度升高，種子發(fā)芽率呈下降趨勢(shì)，說明銅、鉛和鎘濃度越大，對(duì)牛蒡種子的毒害程度越大。在鎳和銅脅迫下，牛蒡種子發(fā)芽率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在低濃度（<50 mg/L）下，鎳和銅對(duì)牛蒡種子萌發(fā)的影響較小，但超過一定濃度（>50 mg/L）后，隨著重金屬濃度升高，對(duì)牛蒡種子的毒害程度加劇。在鋅脅迫下，隨著鋅濃度升高，牛蒡種子發(fā)芽率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，表現(xiàn)出低抑制高促進(jìn)的現(xiàn)象。

在銅、鉻、鎳、鉛脅迫下，幼苗芽長(zhǎng)較對(duì)照明顯減小，重金屬對(duì)幼苗生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，且隨重金屬濃度升高，抑制作用加劇。在鎘脅迫下，幼苗芽長(zhǎng)較對(duì)照明顯減小，說明不同濃度鎘脅迫對(duì)幼苗生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，但在鎘濃度大于1.0 mg/L時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，其原因需要進(jìn)一步研究。在鋅脅迫下，隨鋅濃度增加，幼苗長(zhǎng)度先增長(zhǎng)后降低，并在一定濃度下出現(xiàn)低促進(jìn)高抑制的現(xiàn)象，這一結(jié)果與李春喜等（2006）[13]研究As、Zn復(fù)合污染對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)及生理生化反應(yīng)的影響研究結(jié)果一致。CAT是一種廣泛存在于動(dòng)植物體內(nèi)的抗氧化酶[14]，在植物中，CAT主要清除線粒體電子傳遞、β-脂肪酸氧化以及光呼吸等過程中產(chǎn)生的過氧化氫，以防止活性氧自由基對(duì)植物造成的傷害，其活性與植物的抗逆性密切相關(guān)。本試驗(yàn)研究表明，經(jīng)重金屬脅迫的牛蒡幼苗體內(nèi)CAT活性隨重金屬濃度的增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在銅、鋅、鎳、鎘處理下，當(dāng)重金屬大于一定濃度時(shí)，CAT活性下降并最終小于對(duì)照組，這說明牛蒡幼苗對(duì)低濃度重金屬有一定的抗性。而在高濃度鉛脅迫下牛蒡幼苗體內(nèi)CAT含量仍舊高于對(duì)照組，說明牛蒡幼苗對(duì)鉛的脅迫抗性較強(qiáng)。

4 結(jié)論

重金屬脅迫對(duì)牛蒡種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)有明顯的抑制作用。和種子萌發(fā)期相比，牛蒡苗期對(duì)重金屬的抗性逐漸增強(qiáng)。

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