段代祥，劉俊華

(1.濱州學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濱州 256603；2.山東省黃河三角洲脆弱生態(tài)帶工程技術(shù)研究中心，山東 濱州 256603)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加快，土壤、空氣和水體等的污染狀況也隨之加劇，其中以鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、汞(Hg)等為代表的重金屬元素對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害[1]，土壤遭受重金屬污染后不僅會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，還會(huì)通過食物鏈危害人體健康[2-3]。重金屬鉛為“五毒元素”之一，一旦進(jìn)入土壤便會(huì)慢慢累積，待土壤中鉛含量達(dá)到一定水平時(shí)，就會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育產(chǎn)生毒害作用[1-4]。

為了闡明重金屬鉛脅迫對(duì)綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的抑制作用和濃度效應(yīng)，本試驗(yàn)以華北地區(qū)常見農(nóng)作物綠豆為研究對(duì)象，以不同濃度重金屬鉛離子溶液構(gòu)建脅迫條件，觀察測(cè)定其對(duì)受試綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，并比較分析了Pb2+濃度與綠豆種子萌發(fā)水平及幼苗生長(zhǎng)狀況間的相關(guān)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試綠豆種子冀綠9號(hào)，由河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油研究所選育，供試藥劑為硝酸鉛(Pb(NO3)2、分析純)。

1.2 研究方法

1.2.1Pb2+溶液的配制

用去離子水先將純Pb(NO3)2配制成400.0 mg·kg-1母液，然后利用母液依次稀釋得到濃度為200.0、100.0、50.0、20.0、10.0 mg·kg-1等5個(gè)濃度梯度的Pb2+溶液，置于避光處，備用。

1.2.2種子萌發(fā)試驗(yàn)

試驗(yàn)用綠豆種子先經(jīng)3%KMnO4消毒10 min，用自來水沖洗數(shù)次后再以蒸餾水反復(fù)沖洗(3～5次)，最后用濾紙將殘留水分吸干。取滅菌消毒后的培養(yǎng)皿(直徑120 mm，下層鋪雙層濾紙)若干，將配制好的不同濃度Pb2+溶液加入培養(yǎng)皿(首次每皿添加10.0 mL，以后每天分別向每個(gè)培養(yǎng)皿加入適量相應(yīng)濃度溶液或蒸餾水以保持種子培養(yǎng)環(huán)境濕潤(rùn))，每皿均勻放入20粒大小相近且健康的綠豆種子；以蒸餾水作對(duì)照(ck)。所有處理均為5個(gè)重復(fù)，置于(25±3)℃環(huán)境下培養(yǎng)。

1.3 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

每天固定時(shí)間記錄綠豆發(fā)芽種子數(shù)，并測(cè)量綠豆幼苗根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)，至第9天結(jié)束。依據(jù)以下公式分別計(jì)算發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及發(fā)芽抑制率[1]：

發(fā)芽勢(shì)(%)=(第5天正常發(fā)芽的種子粒數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(第9天正常發(fā)芽的種子粒數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽抑制率(%)=(處理組發(fā)芽率/對(duì)照組發(fā)芽率)×100%。

在第9天培養(yǎng)周期結(jié)束后，用電子天平(精確至千分之一)測(cè)定綠豆幼苗整株鮮重(mg)，以直尺測(cè)量幼苗根長(zhǎng)(cm)、芽長(zhǎng)(cm)。依據(jù)以下公式計(jì)算幼苗全長(zhǎng)抑制率(%)、幼苗鮮重抑制率(%)和綜合抑制率(%)：

幼苗全長(zhǎng)抑制率(%)=(處理組根長(zhǎng)/對(duì)照組根長(zhǎng))×100%；

幼苗鮮重抑制率(%)=(處理組鮮重/對(duì)照組鮮重)×100%；

綜合抑制率(%)= (發(fā)芽抑制率+幼苗全長(zhǎng)抑制率+幼苗鮮重抑制率)/3。

綠豆種子活力指數(shù)的計(jì)算依據(jù)以下公式：

種子活力指數(shù)=(處理組發(fā)芽率/對(duì)照組發(fā)芽率)×(處理組鮮重/對(duì)照組鮮重)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010軟件匯總整理并進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析與圖表繪制；應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)間的Pearson相關(guān)性分析，以LSD多重比較及Duncan’s檢驗(yàn)進(jìn)行組間差異顯著性檢驗(yàn)；本研究中，Pearson相關(guān)性分析及單因素方差分析(One-Way ANOVA)顯著性水平定為p<0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb2+脅迫對(duì)綠豆種子萌發(fā)的抑制作用

種子萌發(fā)是綠色開花植物新一個(gè)世代的開端，植物種子萌發(fā)這一過程會(huì)受到多種內(nèi)外部因素的影響。由圖1可以看出，綠豆種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均受到Pb2+脅迫的顯著影響，即隨著Pb2+濃度的增加,綠豆種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率均呈單調(diào)下降趨勢(shì),但在較低濃度(10.0、20.0 mg·kg-1)下未受到明顯抑制，而隨Pb2+濃度的進(jìn)一步升高，其種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均出現(xiàn)明顯降低，在100.0 mg·kg-1和200.0 mg·kg-1時(shí)均顯著低于ck組(p<0.01)。

經(jīng)對(duì)Pb2+濃度和綠豆種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率間進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(圖2)，結(jié)果表明，Pb2+溶液濃度與種子萌發(fā)水平間具有十分顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

2.2 Pb2+脅迫對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖3可以看出，以不同濃度的Pb2+溶液培養(yǎng)的綠豆幼苗，在根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)方面與ck組表現(xiàn)出較為顯著的差異，具體表現(xiàn)為：10.0 mg·kg-1濃度下，綠豆幼苗芽長(zhǎng)與ck差異不明顯(p>0.01)，而根長(zhǎng)已受到明顯的抑制，顯著低于ck組(p<0.01)，而后隨著Pb2+溶液濃度的不斷升高，幼苗生長(zhǎng)受到明顯的抑制，無(wú)論芽長(zhǎng)還是根長(zhǎng)均出現(xiàn)明顯的減小，直至200.0 mg·kg-1時(shí)出現(xiàn)最低值，而又以幼苗根長(zhǎng)所受抑制程度為甚。

從綠豆幼苗全株長(zhǎng)度來看，ck組綠豆幼苗長(zhǎng)勢(shì)最好，株高約14.0 cm，其根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)均高于所有Pb2+脅迫處理組，在最高濃度(200.0 mg·kg-1)時(shí)，綠豆幼苗植株長(zhǎng)勢(shì)最弱，其平均株長(zhǎng)約6.8 cm，根長(zhǎng)所受抑制最為明顯。經(jīng)對(duì)綠豆幼苗根冠比進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著Pb2+濃度的升高，比值迅速下降(圖4)，且從20.0 mg·kg-1開始，綠豆幼苗根冠比即已顯著低于ck組和10.0 mg·kg-1濃度處理組，至200.0 mg·kg-1濃度時(shí)比值達(dá)到最低(0.189)，可見Pb2+脅迫對(duì)綠豆幼苗根長(zhǎng)的抑制水平明顯強(qiáng)于對(duì)芽長(zhǎng)的影響。

2.3 Pb2+脅迫對(duì)綠豆幼苗鮮重的影響

植株個(gè)體的生物量(包括鮮重和干重)大小常作為表征該種植物幼苗長(zhǎng)勢(shì)旺盛與否和活力水平高低的重要指標(biāo)[5]。本研究中，不同Pb2+濃度處理對(duì)綠豆幼苗的鮮重有明顯的影響(圖5)，ck組綠豆幼苗鮮重最高(每株約260 mg)，其次為10.0 mg·kg-1處理組(每株約250 mg)，隨著Pb2+濃度的進(jìn)一步升高，綠豆幼苗鮮重進(jìn)一步減小，在20.0 mg·kg-1濃度時(shí)已顯著低于對(duì)照組(p<0.01)，直至200.0 mg·kg-1濃度時(shí)綠豆幼苗鮮重達(dá)到最低(每株約198 mg)。由此可見，本研究中Pb2+脅迫對(duì)綠豆幼苗鮮重不僅具有明顯抑制作用，而且還表現(xiàn)出十分顯著的濃度效應(yīng)(p<0.01)。

2.4 不同Pb2+濃度對(duì)綠豆種子活力水平的影響

種子活力不僅影響種子萌發(fā)過程，還對(duì)播種后幼苗根系建成及出土能力有重要影響，此外還可直接或間接影響植物苗期生長(zhǎng)速率和幼苗對(duì)抗外界不良條件的能力[1]。由圖6可知，不同濃度Pb2+溶液對(duì)綠豆種子活力水平具有顯著影響，且其表現(xiàn)出的抑制規(guī)律與對(duì)綠豆幼苗全長(zhǎng)和鮮重的影響相一致，ck組和最低濃度Pb2+處理組(10.0 mg·kg-1)幼苗長(zhǎng)勢(shì)最好，葉色鮮綠，根長(zhǎng)且白嫩，而隨著Pb2+濃度的升高，綠豆幼苗生長(zhǎng)受到明顯抑制，根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)皆急劇變短，甚至高濃度下許多種子胚根難以生長(zhǎng)。

2.5 Pb2+脅迫對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)的影響

從上述結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)中Pb2+脅迫綠豆種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響是多方面的，但對(duì)不同指標(biāo)的影響又有較大差異。通過對(duì)綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)所受抑制效應(yīng)綜合分析(表1)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉛脅迫對(duì)綠豆種子萌發(fā)的抑制效應(yīng)最低(在200.0 mg·kg-1時(shí)抑制率為-13.83%)，其次為對(duì)幼苗鮮重(在200.0 mg·kg-1時(shí)抑制率為-23.53%)，而對(duì)幼苗全長(zhǎng)的抑制效應(yīng)最強(qiáng)(在200.0 mg·kg-1時(shí)抑制率達(dá)-51.78%)。基于上述3個(gè)指標(biāo)的綜合抑制率分析，200.0 mg·kg-1濃度處理的綜合抑制率為(-29.82±19.67)%。

表1 Pb2+脅迫對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)的綜合抑制效應(yīng)Table 1 Comprehensive inhibition effect of Pb2+ stress on mung bean seedling growth

為進(jìn)一步闡明Pb2+對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)綜合抑制作用的濃度效應(yīng)，經(jīng)對(duì)Pb2+濃度與綜合抑制水平間作Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，二者間存在較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，即Pb2+離子濃度越高對(duì)綠豆的綜合抑制水平越強(qiáng)(圖7)，但在p<0.01水平上相關(guān)性不顯著(p=0.020)。

3 結(jié)論與討論

對(duì)綠色開花植物而言，其種子萌發(fā)過程十分復(fù)雜，且容易受到多種內(nèi)外部因素的影響。本試驗(yàn)以綠豆種子為受試材料，通過添加不同濃度Pb2+溶液進(jìn)行脅迫處理，研究Pb2+脅迫對(duì)綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，不同濃度Pb2+溶液處理下的綠豆種子，其發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率均受到一定程度的抑制，且隨Pb2+濃度的不斷升高而迅速降低，并表現(xiàn)出十分顯著的濃度效應(yīng)，即Pb2+溶液濃度越高，其對(duì)受試綠豆種子萌發(fā)過程的抑制作用就越強(qiáng)。經(jīng)進(jìn)一步對(duì)相關(guān)指標(biāo)測(cè)定分析，結(jié)果表明，如幼苗根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)和全株鮮重等生長(zhǎng)指標(biāo)均受到Pb2+脅迫條件的顯著負(fù)影響，其中又以綠豆幼苗根生長(zhǎng)所受影響最大。

由上述結(jié)果可知，本研究中重金屬鉛對(duì)受試作物綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，對(duì)根部生長(zhǎng)的影響顯著高于對(duì)芽生長(zhǎng)的影響，對(duì)幼苗生長(zhǎng)初期的影響又顯著高于對(duì)其種子萌發(fā)階段的影響。此外，通過分析Pb2+脅迫對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)綜合抑制效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)所有測(cè)定指標(biāo)中綠豆種子萌發(fā)率受Pb2+脅迫抑制水平最低；進(jìn)一步對(duì)Pb2+濃度與其對(duì)受試綠豆幼苗生長(zhǎng)綜合抑制水平作相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，二者間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨著Pb2+濃度升高，綠豆幼苗所受綜合抑制作用越強(qiáng)。

本研究中，所有處理組綠豆種子的發(fā)芽率均較高(80%以上)，表明綠豆種子在萌發(fā)生理方面具有較強(qiáng)的抗Pb2+脅迫能力。在Pb2+影響綠豆幼苗生長(zhǎng)方面，低濃度效果不十分顯著，但中高濃度下Pb2+對(duì)幼苗的生長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯抑制效應(yīng)，隨著Pb2+濃度的升高，綠豆幼苗的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)均較短，尤其對(duì)根生長(zhǎng)的抑制作用更為顯著，即重金屬鉛脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制優(yōu)先作用于胚根生長(zhǎng)，這與已有類似研究結(jié)果相一致[1,6-9]。對(duì)高等植物而言，無(wú)論以孢子繁殖還是以種子繁殖，其萌發(fā)階段和幼苗生長(zhǎng)初期均對(duì)外部環(huán)境因子尤其對(duì)不利條件十分敏感，包括對(duì)重金屬鉛脅迫在內(nèi)的污染因素。本研究?jī)H就Pb2+脅迫條件下的綠豆種子萌發(fā)和幼苗前期生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了初步探討，而有關(guān)Pb2+對(duì)其產(chǎn)生脅迫抑制的具體機(jī)理機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究。