不同鋁脅迫濃度對向日葵種子發(fā)芽及幼苗生長的影響

許光德 尹洪輝 周福穩(wěn) 曾小飚

摘 要 鋁毒害指生長介質(zhì)pH值低于5.5時鋁引起植物生長不良的現(xiàn)象。為了尋找緩解鋁對植物傷害的途徑，通過砂培試驗(yàn)研究不同鋁脅迫濃度對向日葵發(fā)芽及幼苗生長的影響。結(jié)果表明：1）隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子萌發(fā)率與發(fā)芽勢均呈逐漸下降的趨勢;2）葉綠素含量先緩慢下降然后又升高;3）丙二醛含量呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢，但各處理組丙二醛含量均高于對照組。4）鋁脅迫明顯對向日葵產(chǎn)生了毒害作用，促使細(xì)胞膜脂過氧化加重，抑制了種子的萌發(fā)和幼苗的生長。

關(guān)鍵詞 向日葵;鋁脅迫;萌發(fā)率;葉綠素;發(fā)芽勢;丙二醛

中圖分類號：S727.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.013

重金屬污染對植物生長的影響一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。向日葵（Helianthus annuus L.），屬菊科一年生草本植物，可用于觀賞、食用或榨油，是我國重要的油料作物。近些年，一些學(xué)者在重金屬脅迫向日葵的毒性反應(yīng)、向日葵修復(fù)重金屬污染等方面做了研究。楊金燕等研究表明，釩脅迫明顯抑制向日葵的發(fā)芽率和幼苗生長，向日葵對低濃度的釩具有一定的忍耐性，但隨著釩濃度的增加，苗高明顯下降和根系幾乎不生長[1]。郭艷麗等研究表明，鎘脅迫向日葵時，隨著鎘濃度的升高，葉綠素含量逐漸下降，游離脯氨酸積累量呈上升趨勢，向日葵可以吸收土壤中的鎘[2]。李雨奎研究表明，銻濃度低時向日葵葉片中光合作用色素含量增加，對植物生長發(fā)育起促進(jìn)作用，而當(dāng)濃度高時向日葵葉片中的光合作用色素含量降低，抑制植物生長[3]。殷恒霞等研究發(fā)現(xiàn)，鎘離子對向日葵生長的抑制作用最強(qiáng)，鋅離子對向日葵生長的抑制作用最弱，銅離子對向日葵生長的抑制作用介于鎘離子和鋅離子之間[4]。

鋁是植物生長發(fā)育過程中必需的微量元素之一。但當(dāng)土壤中鋁含量超標(biāo)時，也會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生一定的抑制作用，甚至危害植物的生命，表現(xiàn)出鋁毒害作用，它直接或者間接危害人類食品安全與身體健康。當(dāng)前世界各地土壤中金屬鋁的污染越來越嚴(yán)重。有關(guān)鋁污染對向日葵種子萌發(fā)及生長的影響還鮮見研究報(bào)道。本課題研究鋁脅迫對向日葵種子發(fā)芽及幼苗生長的影響，以期為進(jìn)一步尋找緩解其傷害的途徑提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗(yàn)材料

向日葵種子的品種為T5069，購自武威天馬高新農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司。

1.2 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6個處理，處理濃度以鋁離子（Al3+）計(jì)。Al3+溶液以氯化鋁配制。6個處理濃度分別是0、1、2、4、8、16 mmol·L-1，以鋁濃度0 mmol·L-1的處理為對照。

1.3 ?試驗(yàn)方法

1.3.1 ?種子萌發(fā)試驗(yàn)

選出飽滿、大小均勻的向日葵種子，分6組，每組100粒。先用3‰高錳酸鉀溶液消毒30 min，再用蒸餾水清洗2次，然后分別用6個處理濃度的鋁溶液浸種1.5 h。浸種完成后，把向日葵種子均勻撒在鋪有一次性紗布的托盤上，放置于溫度28 ℃、濕度85%的培養(yǎng)箱中萌發(fā)。培養(yǎng)過程中及時補(bǔ)充對應(yīng)濃度的鋁溶液以保持紗布足夠濕潤。萌發(fā)試驗(yàn)第4天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，第7天統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)率。

1.3.2 ?向日葵幼苗的培育及鋁脅迫處理

用蒸餾水浸種讓向日葵種子正常萌發(fā)后，移入裝有砂礫的培養(yǎng)杯中，澆灌霍格蘭營養(yǎng)液培育。待幼苗長出3片真葉時，選長勢相當(dāng)?shù)挠酌珉S機(jī)分為6組，各組分別澆灌含鋁濃度為0、1、2、4、8、16 mmol·L-1的霍格蘭營養(yǎng)液進(jìn)行脅迫培養(yǎng)。培養(yǎng)期間每天換一次Al3+營養(yǎng)液。第8天剪取葉片進(jìn)行葉綠素及丙二醛含量的測定。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 ?生理指標(biāo)的測定

1.4.1 ?發(fā)芽勢和發(fā)芽率的測定

發(fā)芽勢=前4天內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%;

萌發(fā)率=7天內(nèi)全部發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

1.4.2 ?葉綠素含量的測定

參照張志良等編寫的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》（第4版）中的方法測定葉綠素及丙二醛含量[5]。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同鋁脅迫濃度對向日葵種子萌發(fā)率的影響

發(fā)芽率作為衡量植物種子質(zhì)量的一個重要標(biāo)志，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會用來估算用種量[6]。由圖1可看出：隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子的萌發(fā)率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。對照組種子的萌發(fā)率高達(dá)97%;當(dāng)脅迫液濃增加到1.0 mmol·L-1時，種子的萌發(fā)率為92%，與對照組相比，萌發(fā)率開始有所降低，但是萌發(fā)率降低還不是很明顯;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到2.0 mmol·L-1時，與對照組相比，種子萌發(fā)率降低11.34%，萌發(fā)率降低比較明顯;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到4.0 mmol·L-1時，與對照組相比，種子萌發(fā)率減少19.59%;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到8.0 mmol·L-1時，與對照組相比，種子萌發(fā)率減少29.89%;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到16.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽率為59%，明顯低于對照組，與對照組相比減少39.17%。由此表明：鋁毒對向日葵種子傷害明顯，嚴(yán)重影響了種子的萌發(fā)。

2.2 ?不同鋁脅迫濃度對向日葵種子發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽勢是反映種子生命活力的指標(biāo)，也決定著出苗的整齊度。圖2顯示：向日葵種子發(fā)芽勢隨鋁脅迫濃度的增加，呈逐漸降低的趨勢。對照組種子發(fā)芽勢為66%;當(dāng)脅迫液濃為1.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢與對照組還沒有出現(xiàn)明顯的差異;當(dāng)脅迫液濃度增加到2.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢與對照組相比減少10.00%，開始出現(xiàn)比較明顯的差異;當(dāng)脅迫液濃度增加到4.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢與對照組相比減少18.18%;當(dāng)脅迫液濃度增加到8.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢為與對照組相比減少33.33%;當(dāng)脅迫液的濃度增加到16.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢與對照組相比減少45.45%。由上可看出，高濃度的鋁脅迫明顯抑制向日葵種子的萌發(fā)。當(dāng)鋁脅迫濃度為16.0 mmol·L-1時，抑制作用最為明顯，種子發(fā)芽勢僅為36%。

2.3 ?不同鋁脅迫濃度對向日葵幼苗葉片中葉綠素含量的影響

葉綠素可以吸收陽光，推動植物光合作用，把吸收的水和二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)物質(zhì)，其含量的多少與植物光合作用的強(qiáng)弱有著重要的聯(lián)系。葉綠素的含量高低也是檢驗(yàn)植物受到逆境脅迫后生理特性變化的一個重要指標(biāo)之一[7]。從圖3可看出，在鋁脅迫濃度在0～8 mmol·L-1范圍內(nèi)，葉綠素含量總體呈現(xiàn)下降趨勢，在鋁脅迫濃度為8 mmol·L-1時，葉綠素含量降低到最低點(diǎn)，這時的葉綠素的含量僅為對照組的70%。而當(dāng)鋁脅迫濃度為16 mmol·L-1時，葉綠素的含量又明顯上升，與對照組相比上升11.27%。數(shù)據(jù)顯示葉綠素含量呈現(xiàn)先緩慢下降后迅速上升的規(guī)律變化。

葉綠素含量的影響

2.4 ?不同濃度鋁脅迫對向日葵幼苗葉片中丙二醛含量的影響

丙二醛是植物體內(nèi)部發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)后自動生成積累的最重要產(chǎn)物之一，它可以影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物的產(chǎn)生及線粒體內(nèi)某些起重要作用的酶的活性，它含量的增加會加劇膜脂過氧化對細(xì)胞質(zhì)膜的傷害，因此，測定植物體內(nèi)丙二醛含量是研究植物抗衰老和抗逆境環(huán)境的一個十分重要的測量指標(biāo)。從圖4可知，葉片中丙二醛的含量隨鋁脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先增加后緩慢下降的趨勢。在鋁脅迫濃度為1 mmol·L-1時，丙二醛含量的增加即達(dá)到了最高峰，此時為對照組的121.64%。之后，丙二醛的含量緩慢下降，到最高脅迫濃度16 mmol·L-1時，丙二醛含量下降為12.40 mmol·g-1，與1 mmol·L-1濃度時的最高含量相比下降了9.95%，但仍高于對照組，為對照的109.54%。

3 ?結(jié)論與討論

衡量種子質(zhì)量的好與壞取決于多方面指標(biāo)。發(fā)芽率的高低決定著未來播種出苗的數(shù)量，發(fā)芽勢決定著未來出苗的整齊度。本試驗(yàn)使用金屬鋁脅迫向日葵種子，探究不同濃度下鋁毒對種子萌發(fā)造成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子的萌發(fā)率及發(fā)芽勢均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，表明鋁毒明顯對向日葵種子的發(fā)芽產(chǎn)生了抑制作用，說明重金屬污染對植物種子萌發(fā)生理影響是巨大的。李梅等人研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的金屬離子可以促進(jìn)向日葵種子萌發(fā)的有關(guān)酶類的合成，加快種子的萌發(fā)速度[8]。另有研究表明，在低濃度的金屬離子脅迫下，可以促進(jìn)向日葵種子的萌發(fā)[9-10]。本試驗(yàn)結(jié)果與已有的研究不近相同，說明向日葵對不同重金屬產(chǎn)生的毒害作用耐受性有較明顯的差異。

葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場所，光合作用也是植物的生長發(fā)育及新陳代謝的最初源泉，綠色植物都需要光合作用為其生長提供能量，而葉綠素卻能為植物光合作用的進(jìn)行提供最重要的能源[11]。本研究中隨著鋁脅迫濃度的增加葉綠素含量先降低后上升。葉綠素含量的降低可能是植物受到鋁脅迫時，植物中毒，因而機(jī)體內(nèi)積累大量的自由基，造成體內(nèi)膜脂過氧化作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致植物的葉綠體膜受到破壞，葉綠體分解加劇，光合色素存在于葉綠體中，因此色素會減少;又或者是鋁毒阻礙了植物根系對鎂離子的吸收，從而阻礙了葉綠體的合成，葉綠素含量也就減少了。而當(dāng)鋁脅迫濃度達(dá)到16 mmol·L-1時，可能超出了向日葵的耐鋁特性，加速了植物的衰老，葉片老化，色素沉積，導(dǎo)致葉綠素含量有所升高[12]。

丙二醛能夠影響植物細(xì)胞膜脂過氧化作用，是研究植物抗逆性采用的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中，丙二醛的含量隨鋁脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢，但各處理組丙二醛含量均大于對照組。在正常情況下，植物體內(nèi)的丙二醛含量一般較低，但在逆境如重金屬脅迫情況下，向日葵幼苗會發(fā)生膜脂過氧化作用，膜脂過氧化能夠損害膜中的磷脂分子，使細(xì)胞膜的通透性遭到破壞，細(xì)胞膜的基本功能喪失，造成細(xì)胞外的營養(yǎng)物質(zhì)難以進(jìn)入胞內(nèi)，而胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物也難以清除細(xì)胞外，會緩慢地將細(xì)胞膜系統(tǒng)瓦解，對植物體造成損害，甚至導(dǎo)致機(jī)體死亡[13]。因此，低濃度的鋁脅迫逆境下，丙二醛含量增高。而當(dāng)較高濃度鋁脅迫時，向日葵幼苗葉片中丙二醛的含量出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，可能是鋁脅迫濃度的增加，刺激了植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)，使得其活性增大，提高了植物體內(nèi)清除活性氧自由基的能力，增強(qiáng)了植物修復(fù)氧傷害的能力，從而使丙二醛含量有所下降[14]。

綜上所述，鋁脅迫明顯降低了向日葵種子萌發(fā)的能力，促使植物細(xì)胞膜脂過氧化加重，并影響到幼苗葉綠素的合成，對植物生長發(fā)育造成明顯傷害。關(guān)于鋁對植物毒害的機(jī)理及向日葵如何緩解鋁的毒害作用，有待進(jìn)一步深入研究。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）