萬夢雪,王敏,2,周馥荔,楊蘭芳

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062;2.中國科學(xué)院應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽 110016)

0 引言

砷是廣泛分布于環(huán)境中的最毒的類金屬,對所有生命都具有很高的毒性[1].砷可以通過自然和人為過程進入環(huán)境,導(dǎo)致很多國家和地區(qū)如印度、孟加拉、泰國、尼泊爾、美國、中國等都有嚴重的砷污染問題[2].全世界飲用高砷水的國家多達70多個,有1.5億人面臨著砷的危害[3].全世界數(shù)百萬人因長期砷暴露而面臨癌癥、心臟病和糖尿病的威脅[4].環(huán)境砷污染不僅危害人類的生命健康,也影響著植物的生長,從而也會影響植物產(chǎn)量.如黑麥草和大麥的產(chǎn)量均隨土壤砷水平增加而降低[5],同不加砷相比較,加砷30 mg kg-1使水稻根、莖和籽粒分別減產(chǎn)44%、67%和81%[6],土壤加砷達到100 mg kg-1時,大豆籽粒和總生物量也分別減產(chǎn)56.1%和43.4%[7],土壤種植水稻的實驗表明砷影響水稻的光合作用,從而降低產(chǎn)量,當土壤砷含量達到60 mg kg-1及其以上時,水稻不能生長到成熟期[8].因此由于砷污染導(dǎo)致的植物減產(chǎn)現(xiàn)象也不可忽視.種子萌發(fā)是作物出苗的基礎(chǔ),好的出苗是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ),因此研究砷污染對種子萌發(fā)的影響對于認識砷毒害植物生長的機理,揭示砷與植物生長之間的關(guān)系和調(diào)節(jié)砷污染地區(qū)的植物種植都具有重要意義.本實驗利用加砷砂培實驗,研究外加砷對綠豆和黑豆種子萌發(fā)的影響,為認識砷污染與種子萌發(fā)和植物生長的關(guān)系以及植物砷毒害的機理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1實驗材料所用種子為綠豆(Vignaradiata)和黑豆(Glycinemaxvar),種子購于武漢市徐東沃爾瑪超市.所用培養(yǎng)基質(zhì)為石英砂,將建筑用石英砂過2 mm篩,自來水浸泡后沖洗干凈,再用超純水沖洗,烘干備用.

1.2培養(yǎng)實驗用12 cm玻璃培養(yǎng)皿,分別進行綠豆和黑豆的培養(yǎng)實驗.設(shè)置加砷0、1、2、5、10、15、20 mg kg-1砂共7個砷濃度水平,每個水平重復(fù)3次.每個培養(yǎng)皿放入飽滿完好的綠豆種子30顆或黑豆種子20顆,稱重并記錄其重量,于25 ℃恒溫箱中培養(yǎng).綠豆的培養(yǎng)時間為2007年3月19日至3月24日,黑豆的培養(yǎng)為2007年3月25日至3月30日.培養(yǎng)期間每天用稱重法調(diào)節(jié)水分,并注意觀察記錄發(fā)芽數(shù).實驗結(jié)束后,記錄每個培養(yǎng)皿的發(fā)芽數(shù),并把發(fā)芽與未發(fā)芽的種子取出洗凈,用吸水紙吸干水分后稱重,即為萌發(fā)質(zhì)量.

1.3數(shù)據(jù)處理用Excel2003計算平均值、標準差和作圖分析,用SPSS10.0進行方程分析.

2 結(jié)果分析

2.1 砷對綠豆萌發(fā)的影響

圖1 加砷培養(yǎng)6 d后的綠豆發(fā)芽狀況

2.1.1 砷對綠豆萌發(fā)狀況的影響 圖1可見,在25 ℃下恒溫培養(yǎng)6 d后,不同砷水平下的綠豆發(fā)芽狀況差異明顯.砷水平為1 mg kg-1砂時發(fā)芽狀況比對照要好,砷水平為2 mg kg-1砂的發(fā)芽狀況跟對照相近,砷水平超過5 mg kg-1砂時,綠豆發(fā)芽明顯受到抑制,砷水平為15和20 mg kg-1砂的處理基本上看不到明顯的豆芽長出.

2.1.2 加砷對綠豆發(fā)芽率和萌發(fā)質(zhì)量的影響 由表1可知,加砷水平對綠豆發(fā)芽率的影響顯著.總的來看,較低的加砷水平對綠豆發(fā)芽率影響不顯著,高砷水平則顯著降低綠豆的發(fā)芽率.第6天的發(fā)芽率中,對照與加砷1、2、5、10 mg kg-1砂之間均無顯著差異,而加砷15和20 mg kg-1砂的發(fā)芽率顯著降低,它們的發(fā)芽率只有對照的37.7%和11.8%,加砷20 mg kg-1砂的發(fā)芽率也顯著低于低于加砷15 mg kg-1砂.同一砷水平下,隨培養(yǎng)時間延長,發(fā)芽率增加,而且砷水平越高,不同培養(yǎng)時間之間的差異越明顯.

表1也表明,砷濃度在1 mg kg-1砂時,綠豆萌發(fā)質(zhì)量較對照有顯著增加,但隨著砷濃度的增加,綠豆萌發(fā)質(zhì)量逐漸降低,且都達顯著差異.但濃度在15 mg kg-1砂及其以后的萌發(fā)中,同加砷10 mg kg-1砂的相比反而有所增加,這是由于在實驗過程中測定萌發(fā)質(zhì)量時前幾組種皮基本上已經(jīng)脫落,但濃度為15 mg kg-1和20 mg kg-1的綠豆由于萌發(fā)的較少,種皮破壞較少,難以剝離,因此這兩個處理的萌發(fā)質(zhì)量包含了種皮,而其余處理的萌發(fā)質(zhì)量不包含種皮.即使這樣,砷水平為15和20 mg kg-1砂的萌發(fā)質(zhì)量也顯著低于對照及加砷1和2 mg kg-1砂的處理.

表1 加砷處理下綠豆發(fā)芽率與萌發(fā)質(zhì)量

同欄數(shù)字后的不同字母表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),下同.

2.1.3 砷對綠豆萌發(fā)的抑制作用 用加砷處理的發(fā)芽率與相同條件下對照發(fā)芽率之差占對照發(fā)芽率的比例作為砷對種子發(fā)芽的抑制率,正值表示促進作用,負值表示抑制作用.表2表明,加砷1 mg kg-1砂在不同時間均表現(xiàn)出促進作用,加砷2 mg kg-1砂第3和第4天為抑制作用,第5和第6天表現(xiàn)為輕微的促進作用,但是第4、5、6天的抑制率與加砷1 mg kg-1的處理差異不顯著.其余加砷處理均表現(xiàn)為抑制作用,但抑制率隨培養(yǎng)時間延長而降低.

表2 砷處理下綠豆萌發(fā)的抑制率

2.2 砷對黑豆種子萌發(fā)的影響

圖2 不同加砷處理培養(yǎng)6 d后黑豆的萌發(fā)狀況

2.2.1 砷對黑豆種子萌發(fā)狀況的影響 圖2可見,不同砷處理下黑豆的萌發(fā)狀況不同.加砷1 mg kg-1砂的豆芽比對照和2 mg kg-1的處理略長,而隨著砷水平的進一步增加,黑豆種子萌發(fā)受到明顯的抑制,出芽數(shù)減少,豆芽變短.加砷15和20 mg kg-1砂的處理在培養(yǎng)皿中看不出明顯的發(fā)芽.

2.2.2 砷對黑豆發(fā)芽率和萌發(fā)質(zhì)量的影響 表3表明,加砷處理顯著影響黑豆種子的發(fā)芽率.總的來看,低水平加砷對黑豆發(fā)芽率影響不顯著,而高水平加砷處理顯著降低黑豆的發(fā)芽率.隨著培養(yǎng)時間的延長,各處理的發(fā)芽率增加,不同砷水平之間的差異減小.第3天時,加砷1 mg kg-1砂就與對照有顯著差異,第4和第5天從加砷10 mg kg-1砂才與對照有顯著差異,而第6天只有加砷20 mg kg-1砂的發(fā)芽率才與對照有顯著差異.

表3也表明,砷對黑豆萌發(fā)質(zhì)量有顯著影響.加砷1 mg kg-1砂的萌發(fā)質(zhì)量顯著高于對照和其余處理,加砷2 mg kg-1砂的萌發(fā)質(zhì)量與對照無顯著差異,然后隨著加砷水平的提高,萌發(fā)質(zhì)量均顯著低于對照,加砷20 mg kg-1砂的黑豆萌發(fā)質(zhì)量自由對照的56.2%.

表3 加砷處理下黑豆發(fā)芽率與萌發(fā)質(zhì)量

2.2.3 砷對黑豆萌發(fā)的抑制作用 由表4可見,低砷水平對黑豆種子發(fā)芽率具有一定的促進作用,但促進作用隨培養(yǎng)實踐延長而減弱.隨著砷水平的增加,砷對黑豆種子發(fā)芽的抑制作用增強.在培養(yǎng)第3天時,加砷1、2、5 mg kg-1砂對黑豆的發(fā)芽率有促進作用,砷水平進一步升高則表現(xiàn)為抑制作用.在培養(yǎng)第4天時,加砷1、2 mg kg-1砂對黑豆發(fā)芽有促進作用,其余處理均表現(xiàn)為抑制作用,而第5、6天時,幾乎所有加砷處理均表現(xiàn)出抑制作用.在相同的砷水平下,隨培養(yǎng)時間延長,砷對黑豆發(fā)芽率的抑制作用減弱.從黑豆種子的萌發(fā)質(zhì)量來看,加砷1 mg kg-1砂對萌發(fā)質(zhì)量具有促進作用,其余處理均表現(xiàn)為抑制作用,最高抑制率達到43.7%.

表4 不同砷處理下黑豆種子萌發(fā)的抑制率

2.3綠豆和黑豆種子的耐砷能力利用半抑制濃度表示種子對砷毒害的耐受能力,半抑制濃度就是抑制率為50%時的砷濃度,我們根據(jù)6 d發(fā)芽率的抑制率和萌發(fā)質(zhì)量的抑制率與砷水平關(guān)系分別計算出發(fā)芽率的半抑制濃度和萌發(fā)質(zhì)量的半抑制濃度.表5表明,砷對綠豆和黑豆第6天發(fā)芽率的抑制率與加砷水平呈極顯著的二次函數(shù)關(guān)系,根據(jù)回歸方程計算出的半抑制濃度是黑豆大于綠豆,而砷對黑豆和綠豆萌發(fā)質(zhì)量的抑制率與加砷水平呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系,根據(jù)對數(shù)函數(shù)計算出的半抑制濃度也是黑豆大于綠豆.

表5 砷對種子發(fā)芽率和萌發(fā)質(zhì)量的半抑制濃度

**表示達到0.01的顯著水平.

3 討論

由于砷污染現(xiàn)象比較普遍,土壤砷污染又會導(dǎo)致作物減產(chǎn),因此因砷污染現(xiàn)象造成的糧食減產(chǎn)也不容忽視.種子萌發(fā)是作物生長的基礎(chǔ),因此砷對種子萌發(fā)的影響應(yīng)該是砷污染影響植物產(chǎn)量的一個重要原因.本實驗表明,加砷1 mg kg-1對綠豆和黑豆種子萌發(fā)都具有促進作用,而加砷水平達到5 mg kg-1時,砷對綠豆和黑豆萌發(fā)均表現(xiàn)出抑制作用,并隨砷水平增加,抑制作用增強.

當前有關(guān)砷對種子萌發(fā)的影響文獻表明,砷對種子萌發(fā)的影響受種子類型、砷的劑量和形態(tài)的影響.黃豆種子萌發(fā)實驗表明,砷污染抑制黃豆種子萌發(fā),并抑制萌發(fā)時呼吸強度和蛋白酶的活性[9],砷對小麥種子萌發(fā)的培養(yǎng)實驗結(jié)果表明,砷濃度小于7.5 mg L-1時,對發(fā)芽率和芽長的影響不大,大于該濃度時,砷濃度與發(fā)芽率、芽長呈顯著負相關(guān)[10],用兩種豆類作物種子進行溶液培養(yǎng)實驗表明,在0、10、20、30、40 mg L-1的加砷處理下,種子發(fā)芽率隨砷增加而減少,但是只有30和40 mg L-1的處理才有統(tǒng)計顯著性[11].本實驗結(jié)果與小油菜的盆栽實驗[12]、黃豆的水培實驗[13]、3種綠肥種子的萌發(fā)實驗[14]、生菜種子萌發(fā)實驗[15]、砷對小麥種子萌發(fā)的毒性實驗[16]等結(jié)果基本一致,都是低劑量的砷促進種子萌發(fā),超過一定劑量就會顯著抑制種子萌發(fā).本實驗中,相同砷水平下,隨培養(yǎng)時間延長,砷對綠豆和黑豆種子發(fā)芽率的抑制作用減弱,說明砷延遲了2種豆類種子的萌發(fā),同時砷超過一定水平時,綠豆和黑豆芽長變短,萌發(fā)質(zhì)量顯著降低.因此,砷對綠豆和黑豆種子萌發(fā)的毒害作用可以歸結(jié)為延遲萌發(fā),抑制豆芽的生長和降低萌發(fā)質(zhì)量.

有關(guān)砷毒害種子萌發(fā)的機理研究還不夠深入,一些研究者認為砷對種子萌發(fā)的影響主要是影響種子萌發(fā)過程有關(guān)酶的活性和增加氧化脅迫.如大豆種子萌發(fā)過程中受到砷毒害時,其下胚軸過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性下降,過氧化物酶活性和丙二醛含量升高,認為砷對種子萌發(fā)的傷害與活性氧代謝失調(diào)有關(guān)[17];高砷也會抑制小麥種子萌發(fā)中根系活力和α-淀粉酶的活性[10];砷污染抑制種子萌發(fā)過程中的呼吸強度和蛋白酶活性,而過氧化物酶活性隨污染濃度增加而增加[9];小麥種子萌發(fā)中,氧自由基含量、丙二醛含量和過氧化物酶活性隨砷濃度增加而增加,抗壞血酸過氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性在低砷濃度下降低,高砷濃度下增加,過氧化氫酶活性則在低砷濃度下增加,高砷濃度下降低[16];砷毒害顯著降低胚乳和胚軸中α-淀粉酶、β-淀粉酶、蔗糖酶的活性,降低胚乳而增加胚軸中淀粉磷酸化酶的活性[18],說明砷影響種子萌發(fā)中的糖代謝.

不同種子對砷的耐性不同,3種綠肥種子的實驗結(jié)果認為對砷的耐性是光葉紫花苕子>紫花苜蓿>木豆[14],葫蘆巴(Tirgonellafoenum-graecum)的耐性大于草香豌豆(LathyrussativusL)[11].一般用半抑制濃度表示對污染物或毒性物質(zhì)的耐受能力,我們根據(jù)發(fā)芽率的抑制率和萌發(fā)質(zhì)量的抑制率得出半抑制濃度中,黑豆萌發(fā)質(zhì)量的半抑制濃度高于發(fā)芽率的半抑制濃度,綠豆萌發(fā)質(zhì)量的半抑制濃度卻低于發(fā)芽率的半抑制濃度,黑豆和綠豆發(fā)芽率的半抑制濃度之差要小于萌發(fā)質(zhì)量的半抑制濃度之差.這種差異主要是發(fā)芽率的抑制率與砷水平的關(guān)系跟萌發(fā)質(zhì)量與砷水平的關(guān)系不同.在發(fā)芽率的抑制率與砷水平關(guān)系中,以二次函數(shù)的相關(guān)性最好,而在萌發(fā)質(zhì)量的抑制率跟砷水平的關(guān)系中,以對數(shù)函數(shù)的相關(guān)性最好,說明砷對發(fā)芽率和萌發(fā)質(zhì)量的影響不同.當然發(fā)芽率只考慮發(fā)芽,沒有考慮芽的長短與質(zhì)量,因此萌發(fā)質(zhì)量應(yīng)該比發(fā)芽率更能反映砷對種子萌發(fā)的影響.黑豆和綠豆萌發(fā)質(zhì)量的半抑制濃度差異大的原因除了2種種子耐砷能力不同外,還與我們在計算綠豆萌發(fā)質(zhì)量抑制率與砷水平關(guān)系時去掉了2個點有關(guān).因為15和20 mg kg-1砂處理綠豆的萌發(fā)質(zhì)量有種皮的影響,為了消去種皮重量的影響,在計算關(guān)系時只用了前面4個點,去掉了這2個點.但是雖然只有4個點,其相關(guān)系數(shù)依然超過了0.01的顯著水平.總的來看,無論是發(fā)芽率還是萌發(fā)質(zhì)量,黑豆的半抑制濃度都高于綠豆,同時,高砷水平15和20 mg kg-1下,黑豆的發(fā)芽率顯著高于綠豆,砷對發(fā)芽的抑制率是黑豆小于綠豆,因此黑豆對砷毒害的耐性大于綠豆.

4 結(jié)論

1)低濃度的砷(1 mg kg-1砂)對綠豆和黑豆種子萌發(fā)有促進作用,對萌發(fā)質(zhì)量的促進作用可達12%以上.

2)當砷水平超過一定程度(5 mg kg-1砂)則表現(xiàn)出明顯的抑制作用,隨砷水平增加,抑制作用增強.

3)同一砷水平下,砷對綠豆和黑豆萌發(fā)的抑制作用均隨萌發(fā)時間的延長而減弱,說明砷脅迫延遲種子萌發(fā).

4)砷對黑豆種子的半抑制濃度高于綠豆,在相同高砷水平下(15和20 mg kg-1砂),黑豆發(fā)芽率高于綠豆,砷對黑豆發(fā)芽的抑制率小于綠豆,因此黑豆耐砷能力比綠豆強.

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