重金屬Cu2+對紫荊種子萌發(fā)和幼苗生理的影響

1、重金屬Cu2+對紫荊種子萌發(fā)和幼苗生理的影響摘要：為研究重金屬對紫荊幼苗生長影響的生理機(jī)制，試驗(yàn)利用溶液的濃度梯度對紫荊種子進(jìn)行了脅迫處理，分別測定紫荊種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等發(fā)芽指標(biāo)和幼苗葉片的丙二醛、可溶性糖、脯氨酸含量及過氧化物酶活性、細(xì)胞膜透性等生理指標(biāo)。結(jié)果表明，紫荊種子抗重金屬脅迫的能力比較強(qiáng)，在致死狀態(tài)下，溶液的濃度為 ；在半致死狀態(tài)下，溶液的濃度為 。隨著溶液濃度的增加，紫荊種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)逐步下降，幼苗葉片的細(xì)胞膜透性和丙二醛、可溶性糖、脯氨酸含量均有不同程度地增加，而幼苗葉片的過氧化物酶活性則呈現(xiàn)出先增加后遞減的變化趨勢。關(guān)鍵詞：紫荊；脅迫；種子；

2、幼苗；生理指標(biāo)： ， ； ， ， （）， ， （） （） were ， ， ， ； ， ， ； ： g； ； ； ； 隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重，表現(xiàn)為土壤被工業(yè)廢水、廢渣及生活垃圾等嚴(yán)重污染，并成為了全球性的環(huán)境污染問題。重金屬污染物一旦進(jìn)入土壤就很難被清除，而且植物或微生物也不能對其降解，造成在土壤中殘留的時(shí)間很長，因而對重金屬污染的環(huán)境毒害效應(yīng)研究就具有深遠(yuǎn)意義，所以土壤中的含量對植物脅迫的影響程度倍受人們的關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對脅迫在植物上的影響開展了深入的研究，但大多數(shù)是以一年生的草本植物為研究對象，尤其是以農(nóng)作物為主要的研究對象，而對木本植物的研究很少。紫荊

3、（ ）為豆科（）紫荊屬（ ）落葉喬木或灌木植物，喜陽光、耐暑熱；樹干挺直叢生，早春季節(jié)先于葉開花，花形似蝶，盛開時(shí)花朵繁多，成團(tuán)簇狀，緊貼枝干，滿樹都是花，不僅新生枝條上能著花，而且老干上也能開花，給人以繁花似錦的感覺；到了夏秋季節(jié)則綠葉婆娑，滿目蒼翠；冬季落葉后則枝干筋骨畢露，蒼勁虬曲之感躍然眼前，是觀花、觀葉、觀干俱佳的園林花木，適合栽種于庭院、公園、廣場、草坪、街頭游園、道路綠化帶等環(huán)境，也可盆栽觀賞或制作盆景，是我國大部分地區(qū)春季觀花的優(yōu)良花灌木樹種之一，其應(yīng)用價(jià)值較高。試驗(yàn)通過不同濃度溶液對紫荊種子進(jìn)行脅迫處理，研究對紫荊種子的發(fā)芽指標(biāo)和幼苗生理指標(biāo)的影響，以期為合理利用紫荊進(jìn)行植物

4、配置、充分發(fā)揮其生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益以及為治理污染土壤的林業(yè)生態(tài)工程、城鎮(zhèn)園林綠化樹種的選擇提供科學(xué)依據(jù)。 材料與方法 材料紫荊種子采集于河南科技學(xué)院院內(nèi)東邊的成林紫荊，在2009年10月從生長健壯的紫荊母樹上采收成熟的優(yōu)質(zhì)種子，去除雜質(zhì)，風(fēng)干備用。試劑主要有、濃硫酸、高錳酸鉀、赤霉素等，化學(xué)試劑都為化學(xué)純；營養(yǎng)液由河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院植物生理實(shí)驗(yàn)室配制；儀器主要有植物生理實(shí)驗(yàn)室已具備的電熱恒溫培養(yǎng)箱、型電導(dǎo)儀、型可見光分光光度計(jì)等；栽培基質(zhì)為園藝園林學(xué)院園藝植物栽培實(shí)驗(yàn)室已準(zhǔn)備的珍珠巖、蛭石。 處理取飽滿的紫荊種子 粒，先加入的濃硫酸中浸泡 ，再用去離子水洗凈種子，然后加入的高錳酸鉀溶液

5、進(jìn)行消毒， 后用去離子水洗凈，最后放入 的赤霉素溶液中浸種 ，進(jìn)行催芽處理。試驗(yàn)設(shè)計(jì)個(gè)溶液濃度，分別為、 ，分別對紫荊種子進(jìn)行梯度脅迫處理，每一處理設(shè)置次重復(fù)，以去離子水作為對照。將試驗(yàn)所需要的培養(yǎng)皿、紗布等物品進(jìn)行消毒處理，在每個(gè)培養(yǎng)皿的底部放張定量濾紙，并隨機(jī)抽取處理好的紫荊種子粒平鋪在一個(gè)培養(yǎng)皿中，用膠頭滴管加入相應(yīng)濃度的溶液和對照至飽和狀態(tài)，平行做個(gè)培養(yǎng)皿，保持有充足的濕度，然后上面蓋上一層紗布，盡量使?jié)穸纫恢?。將培養(yǎng)皿放入 的電熱恒溫培養(yǎng)箱中，每天添加對應(yīng)的處理液以保持處理濃度不變。脅迫處理 后，部分紫荊種子開始萌動，此時(shí)移至營養(yǎng)缽中。培養(yǎng)基質(zhì)由珍珠巖與蛭石以比例（體積比）混合，并每

6、周定期澆灌次營養(yǎng)液，以保持紫荊幼苗生長時(shí)能夠吸取到充足的養(yǎng)分。在紫荊幼苗出土后，用配制好的各濃度溶液對應(yīng)處理次，使紫荊幼苗處于脅迫環(huán)境中；幼苗階段的對照仍用去離子水。在每天的記錄每個(gè)營養(yǎng)缽中的出苗數(shù)，移入營養(yǎng)缽的第天測定紫荊種子的發(fā)芽指標(biāo)和幼苗的生理指標(biāo)。 發(fā)芽指標(biāo)的測定試驗(yàn)測定的紫荊種子發(fā)芽指標(biāo)有發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)，各發(fā)芽指標(biāo)的測定參照文獻(xiàn)的方法進(jìn)行。發(fā)芽率最終發(fā)芽的種子數(shù)供試種子數(shù)×；發(fā)芽指數(shù)（），式中，為在不同時(shí)間（）的種子發(fā)芽數(shù)，為不同的發(fā)芽時(shí)間（）；活力指數(shù)×（），式中，為幼苗鮮重。 生理指標(biāo)的測定植物細(xì)胞膜透性（ ）的高低是植物處在逆境條件下細(xì)胞膜的完整

7、程度與穩(wěn)定性的體現(xiàn)，也是衡量植物抗重金屬脅迫能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一。在正常情況下，細(xì)胞膜對進(jìn)出細(xì)胞的物質(zhì)具有選擇性透過能力；當(dāng)植物受到重金屬脅迫后，植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，細(xì)胞膜受到破壞，膜的透性增加，從而造成細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，進(jìn)而使植物細(xì)胞浸提液的相對電導(dǎo)率（ ，）增大；細(xì)胞膜透性增大（相對電導(dǎo)率增大）的水平與受重金屬傷害的程度有關(guān)，所以細(xì)胞膜透性用相對電導(dǎo)率來表示。試驗(yàn)測定的紫荊幼苗葉片的生理指標(biāo)有丙二醛（，）含量、相對電導(dǎo)率、脯氨酸（，）含量、可溶性糖（ ）含量、過氧化物酶（，）活性。相對電導(dǎo)率采用型電導(dǎo)率儀測定；含量采用硫代巴比妥酸比色法測定；可溶性糖含量采用蒽酮法測定；含量參照磺

8、基水楊酸比色法測定；活性采用愈創(chuàng)木酚法測定。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用o 及 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析比較。 結(jié)果與分析 對紫荊種子發(fā)芽指標(biāo)的影響 對紫荊種子發(fā)芽率的影響 試驗(yàn)結(jié)果表明，溶液脅迫對紫荊種子發(fā)芽具有抑制作用，具體見圖。從圖可見，隨著溶液處理濃度的上升，紫荊種子發(fā)芽率總體上呈現(xiàn)下降的趨勢，溶液處理濃度與紫荊種子發(fā)芽率之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在溶液濃度為 處理后，紫荊種子發(fā)芽率比 處理的稍有上揚(yáng)，說明低濃度溶液處理對紫荊種子萌發(fā)的抑制相對較弱；與對照（發(fā)芽率72%）相比，在、 的溶液處理后，其發(fā)芽率分別下降了和個(gè)百分點(diǎn)；隨著溶液處理濃度的增加，其抑制作用相對增強(qiáng)，當(dāng)溶液處理濃度增加到 后，紫荊種子發(fā)芽率下降

9、了個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)濃度為 時(shí)，發(fā)芽率為，下降了個(gè)百分點(diǎn)。從圖1-a還可見，20、40、60 的溶液濃度處理的紫荊種子發(fā)芽率與100、120 處理之間的發(fā)芽率相比，呈現(xiàn)出顯著的差異水平（p0.05）。以的種子萌發(fā)的狀態(tài)定義為半致死狀態(tài)，以沒有種子萌發(fā)的狀態(tài)定義為致死狀態(tài)，對紫荊種子發(fā)芽率（）和溶液的梯度濃度（）進(jìn)行回歸分析，得出數(shù)學(xué)模型： ， ；由模型算出，在致死狀態(tài)下，溶液的濃度為 ；在半致死狀態(tài)下，溶液的濃度為 。 對紫荊種子發(fā)芽指數(shù)的影響 在溶液脅迫下，紫荊種子發(fā)芽指數(shù)的變化趨勢與發(fā)芽率相似，也是隨著溶液濃度的遞增，大體上呈現(xiàn)出發(fā)芽指數(shù)逐步遞減的變化趨勢，溶液處理濃度與紫荊種子發(fā)芽指數(shù)之間呈負(fù)

10、相關(guān)關(guān)系。具體見圖。分析可知，紫荊種子發(fā)芽指數(shù)也是在溶液濃度為 時(shí)稍有上揚(yáng)。其中、 濃度處理的發(fā)芽指數(shù)分別比對照下降了、；而在高濃度的、 處理下，發(fā)芽指數(shù)分別比對照下降了、。從圖還可見，、 的溶液濃度處理的紫荊種子發(fā)芽指數(shù)與、 處理之間的發(fā)芽指數(shù)相比，呈現(xiàn)出顯著的差異水平（）。 對紫荊種子活力指數(shù)的影響 在溶液脅迫條件下，紫荊種子活力指數(shù)的變化規(guī)律是隨著溶液濃度的增加而逐漸下降，溶液處理濃度與紫荊種子活力指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖）；其中、 的溶液濃度處理的紫荊種子活力指數(shù)與、 處理之間的活力指數(shù)相比，呈現(xiàn)出顯著的差異水平（）。 對紫荊幼苗葉片生理指標(biāo)的影響 對紫荊幼苗葉片丙二醛含量動態(tài)變化的影

11、響 溶液脅迫對紫荊幼苗生理指標(biāo)的影響結(jié)果見圖。從圖可見，隨著溶液處理濃度的上升，紫荊幼苗葉片的含量逐步上升，溶液處理濃度與含量之間呈正相關(guān)關(guān)系。以在對照（ ）時(shí)的含量最低；而在 處理后，含量達(dá)到最高；其中，在 與 、 與 個(gè)相鄰溶液處理濃度梯度下含量增長急劇，且差異顯著（）；而其余相鄰處理濃度梯度之間含量增長平緩。對紫荊種子發(fā)芽率（）和幼苗葉片的含量（）進(jìn)行回歸分析，得出數(shù)學(xué)模型： ， ；由模型算出，在溶液脅迫后，致死狀態(tài)下的幼苗葉片含量為 、半致死狀態(tài)下的幼苗葉片含量為 。 對紫荊幼苗葉片細(xì)胞膜透性（相對電導(dǎo)率）動態(tài)變化的影響 試驗(yàn)中隨著溶液處理濃度的遞增，紫荊幼苗葉片的相對電導(dǎo)率逐步上升，

12、兩者呈正相關(guān)關(guān)系（圖）。在低濃度溶液脅迫下，相對電導(dǎo)率增加幅度比較平緩，如在 處理?xiàng)l件下，紫荊幼苗葉片的相對電導(dǎo)率比對照增加了 個(gè)百分點(diǎn)；在 處理?xiàng)l件下，相對電導(dǎo)率比對照增加了個(gè)百分點(diǎn)。但在高濃度（ ）溶液處理下，紫荊幼苗葉片的相對電導(dǎo)率顯著增加（），如在 處理?xiàng)l件下，相對電導(dǎo)率比對照增加了個(gè)百分點(diǎn)；而在 處理?xiàng)l件下，相對電導(dǎo)率比對照增加了個(gè)百分點(diǎn)。對紫荊種子發(fā)芽率（）和幼苗葉片相對電導(dǎo)率（）進(jìn)行回歸分析，得出數(shù)學(xué)模型： ， ；由數(shù)學(xué)模型算出，在溶液脅迫后，致死狀態(tài)下的幼苗葉片相對電導(dǎo)率為，半致死狀態(tài)下的幼苗葉片相對電導(dǎo)率為 。 對紫荊幼苗葉片脯氨酸含量動態(tài)變化的影響 試驗(yàn)中隨著溶液處理濃度的

13、遞增，紫荊幼苗葉片的脯氨酸含量逐步增加，兩者呈正相關(guān)關(guān)系（圖）。在低濃度脅迫下，紫荊幼苗葉片的脯氨酸含量增加幅度較??；而在高濃度脅迫下，脯氨酸含量增加幅度顯著，且差異顯著（）；其中在 處理后，脯氨酸含量達(dá)到最大值。對紫荊種子發(fā)芽率（）和幼苗葉片脯氨酸含量（）進(jìn)行回歸分析，得出數(shù)學(xué)模型：， ；由數(shù)學(xué)模型算出，在溶液脅迫后，致死狀態(tài)下的幼苗葉片脯氨酸含量為 ，半致死狀態(tài)下的幼苗葉片脯氨酸含量為 。 對紫荊幼苗葉片可溶性糖含量動態(tài)變化的影響 試驗(yàn)中隨著溶液處理濃度的遞增，紫荊幼苗葉片的可溶性糖含量逐步增加，兩者呈正相關(guān)關(guān)系（圖）。在溶液 以下各濃度處理后，紫荊幼苗葉片的可溶性糖含量增加比較快，變化幅

14、度較大；而在 以上各濃度處理后，紫荊幼苗葉片的可溶性糖含量增加比較平緩，在 處理后，可溶性糖含量達(dá)到最大值。對紫荊種子發(fā)芽率（）和幼苗葉片可溶性糖含量（）進(jìn)行回歸分析，得出數(shù)學(xué)模型： - ， ；由數(shù)學(xué)模型算出，在溶液脅迫后，致死狀態(tài)下的幼苗葉片可溶性糖含量為 ，半致死狀態(tài)下的幼苗葉片可溶性糖含量為 。 對紫荊幼苗葉片活性動態(tài)變化的影響 試驗(yàn)中隨著溶液處理濃度的遞增，紫荊幼苗葉片的活性呈單峰型曲線動態(tài)變化（圖）；表現(xiàn)為先上升后下降，在 濃度處理下出現(xiàn)峰值；在 濃度處理下出現(xiàn)谷值。各處理濃度梯度間的活性變化幅度比較大，各相鄰溶液濃度處理間的活性大多差異顯著（）。 小結(jié)與討論試驗(yàn)結(jié)果表明，在溶液處理

15、后，紫荊種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)變化與溶液處理濃度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。紫荊種子具有雙重休眠特性15，種皮透性差，又有內(nèi)休眠，其發(fā)芽率相對較低16。當(dāng)溶液濃度在 時(shí)，紫荊種子發(fā)芽率能保持在比較高的水平（）；而隨著溶液濃度的增加（ ），紫荊種子的發(fā)芽率明顯下降；而且發(fā)芽及出苗與對照相比均延遲出現(xiàn)，說明重金屬脅迫影響了紫荊種子發(fā)芽能力，這與前人對杉木 （）種子試驗(yàn)7和黃瓜（ ）種子試驗(yàn)8的結(jié)果是相似的。根據(jù)回歸分析結(jié)果，影響紫荊種子發(fā)芽率的溶液致死濃度為 ，半致死濃度為 ，說明紫荊種子耐重金屬脅迫的能力比較強(qiáng)，可以作為北方重金屬污染地區(qū)的春季觀花園林植物配置樹種而栽培推廣。在試驗(yàn)中，我們利用紫

16、荊種子發(fā)芽率與幼苗葉片的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，確定了致死狀態(tài)和半致死狀態(tài)下各項(xiàng)生理指標(biāo)的相關(guān)數(shù)值。若將此項(xiàng)定量指標(biāo)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，可根據(jù)測定的某項(xiàng)生理指標(biāo)準(zhǔn)確判定幼苗的健康狀態(tài)，進(jìn)而采取相應(yīng)的處理措施應(yīng)對。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著溶液濃度的增加，紫荊幼苗葉片中的含量和細(xì)胞膜透性（相對電導(dǎo)率）均逐步上升，這表明脅迫促進(jìn)了生物自由基的發(fā)生，從而誘發(fā)的膜脂過氧化作用較強(qiáng)，使細(xì)胞受到的損傷較大19，20。葉片的脯氨酸和可溶性糖含量也隨著溶液濃度的增加呈現(xiàn)出遞增趨勢，表明兩者的保護(hù)效應(yīng)在逐步增強(qiáng)；不過可溶性糖含量在各濃度梯度處理間變化比較平緩，而脯氨酸含量在高濃度梯度處理間變化較大，且差異顯著（）；說明可溶性

17、糖含量對脅迫效應(yīng)的響應(yīng)能力弱，而脯氨酸含量的響應(yīng)能力要強(qiáng)。試驗(yàn)中紫荊幼苗體內(nèi)的活性隨著溶液濃度的升高表現(xiàn)出先升后降的變化趨勢。這是因?yàn)樵诘蜐舛忍幚頃r(shí)，紫荊幼苗體內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)受激發(fā)后，通過升高酶活性把體內(nèi)產(chǎn)生的自由基清除了一部分；而當(dāng)重金屬濃度繼續(xù)增加后，由于對細(xì)胞膜的傷害程度超過了保護(hù)酶系統(tǒng)的承受能力，導(dǎo)致膜脂過氧化作用加強(qiáng)，細(xì)胞膜功能遭到破壞，活性就下降，進(jìn)而影響幼苗的存活與生長。本試驗(yàn)根據(jù)脯氨酸、可溶性糖含量和活性項(xiàng)生理指標(biāo)在脅迫試驗(yàn)中的變化規(guī)律，推測出在低濃度溶液脅迫下，脯氨酸、可溶性糖和都是重要的保護(hù)因子；但是在高濃度脅迫下可溶性糖和的保護(hù)作用逐步減弱，而脯氨酸成為重要的保護(hù)因子，這

18、可能與脯氨酸的抗逆性機(jī)理有關(guān)21-23。脯氨酸為細(xì)胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)劑、羥基自由基清除劑，具有調(diào)節(jié)氧化還原電勢等功能24，特別是在高濃度重金屬處理脅迫下，保護(hù)性酶的活性降低、自由基清除能力下降25；而脯氨酸除滲透調(diào)節(jié)外，清除自由基的功能可能還得到了加強(qiáng)，對重金屬離子脅迫的響應(yīng)能力在逐步上升。不過具體的影響機(jī)制有待下一步研究證實(shí)。參考文獻(xiàn)： 魏海英，方炎明，尹增芳，等大羽蘚對重金屬污染的指示與積累作用研究植物研究，（）： 張義賢重金屬對大麥毒性的研究環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，（）： 杜應(yīng)瓊，何江華，陳俊堅(jiān)重金屬在葉類蔬菜中的積累以及對生長的影響園藝學(xué)報(bào)，（）： 余國營，吳燕玉，王 新重金屬復(fù)合污染對大豆生長的影響及綜合評價(jià)研究應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，（）： 陳有民園林樹木學(xué)北京：中國林業(yè)出版社， 何 平，彭重華園林植物配置及其造景北京：中國林業(yè)出版社， 蘇金樂園林苗圃學(xué)北京：中國林業(yè)出版社， 畢辛華，戴心維種子學(xué)北京：農(nóng)業(yè)出版社， 王介元，王昌全土壤肥料學(xué)北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社， 曹建康，姜微波，趙玉梅果蔬采后生理生化