重金属Cu2+对紫荆种子萌发和幼苗生理的影响.doc

重金属Cu2+对紫荆种子萌发和幼苗生理的影响摘要：为研究重金属对紫荆幼苗生长影响的生理机制，试验利用溶液的浓度梯度对紫荆种子进行了胁迫处理，分别测定紫荆种子的发芽率、发芽指数、活力指数等发芽指标和幼苗叶片的丙二醛、可溶性糖、脯氨酸含量及过氧化物酶活性、细胞膜透性等生理指标。结果表明，紫荆种子抗重金属胁迫的能力比较强，在致死状态下，溶液的浓度为 ；在半致死状态下，溶液的浓度为 。随着溶液浓度的增加，紫荆种子的发芽率、发芽指数、活力指数逐步下降，幼苗叶片的细胞膜透性和丙二醛、可溶性糖、脯氨酸含量均有不同程度地增加，而幼苗叶片的过氧化物酶活性则呈现出先增加后递减的变化趋势。关键词：紫荆；胁迫；种子；幼苗；生理指标： ， ； ， ， （）， ， （） （） were ， ， ， ； ， ， ； ： g； ； ； ； 随着工业经济的快速发展，土壤重金属污染日趋严重，表现为土壤被工业废水、废渣及生活垃圾等严重污染，并成为了全球性的环境污染问题。重金属污染物一旦进入土壤就很难被清除，而且植物或微生物也不能对其降解，造成在土壤中残留的时间很长，因而对重金属污染的环境毒害效应研究就具有深远意义，所以土壤中的含量对植物胁迫的影响程度倍受人们的关注。近年来，国内外学者对胁迫在植物上的影响开展了深入的研究，但大多数是以一年生的草本植物为研究对象，尤其是以农作物为主要的研究对象，而对木本植物的研究很少。紫荆（ ）为豆科（）紫荆属（ ）落叶乔木或灌木植物，喜阳光、耐暑热；树干挺直丛生，早春季节先于叶开花，花形似蝶，盛开时花朵繁多，成团簇状，紧贴枝干，满树都是花，不仅新生枝条上能着花，而且老干上也能开花，给人以繁花似锦的感觉；到了夏秋季节则绿叶婆娑，满目苍翠；冬季落叶后则枝干筋骨毕露，苍劲虬曲之感跃然眼前，是观花、观叶、观干俱佳的园林花木，适合栽种于庭院、公园、广场、草坪、街头游园、道路绿化带等环境，也可盆栽观赏或制作盆景，是我国大部分地区春季观花的优良花灌木树种之一，其应用价值较高。试验通过不同浓度溶液对紫荆种子进行胁迫处理，研究对紫荆种子的发芽指标和幼苗生理指标的影响，以期为合理利用紫荆进行植物配置、充分发挥其生态效益和经济效益以及为治理污染土壤的林业生态工程、城镇园林绿化树种的选择提供科学依据。 材料与方法 材料紫荆种子采集于河南科技学院院内东边的成林紫荆，在2009年10月从生长健壮的紫荆母树上采收成熟的优质种子，去除杂质，风干备用。试剂主要有、浓硫酸、高锰酸钾、赤霉素等，化学试剂都为化学纯；营养液由河南科技学院园艺园林学院植物生理实验室配制；仪器主要有植物生理实验室已具备的电热恒温培养箱、型电导仪、型可见光分光光度计等；栽培基质为园艺园林学院园艺植物栽培实验室已准备的珍珠岩、蛭石。 处理取饱满的紫荆种子 粒，先加入的浓硫酸中浸泡 ，再用去离子水洗净种子，然后加入的高锰酸钾溶液 进行消毒， 后用去离子水洗净，最后放入 的赤霉素溶液中浸种 ，进行催芽处理。试验设计个溶液浓度，分别为、 ，分别对紫荆种子进行梯度胁迫处理，每一处理设置次重复，以去离子水作为对照。将试验所需要的培养皿、纱布等物品进行消毒处理，在每个培养皿的底部放张定量滤纸，并随机抽取处理好的紫荆种子粒平铺在一个培养皿中，用胶头滴管加入相应浓度的溶液和对照至饱和状态，平行做个培养皿，保持有充足的湿度，然后上面盖上一层纱布，尽量使湿度一致。将培养皿放入 的电热恒温培养箱中，每天添加对应的处理液以保持处理浓度不变。胁迫处理 后，部分紫荆种子开始萌动，此时移至营养钵中。培养基质由珍珠岩与蛭石以比例（体积比）混合，并每周定期浇灌次营养液，以保持紫荆幼苗生长时能够吸取到充足的养分。在紫荆幼苗出土后，用配制好的各浓度溶液对应处理次，使紫荆幼苗处于胁迫环境中；幼苗阶段的对照仍用去离子水。在每天的记录每个营养钵中的出苗数，移入营养钵的第天测定紫荆种子的发芽指标和幼苗的生理指标。 发芽指标的测定试验测定的紫荆种子发芽指标有发芽率、发芽指数、活力指数，各发芽指标的测定参照文献的方法进行。发芽率最终发芽的种子数供试种子数；发芽指数（），式中，为在不同时间（）的种子发芽数，为不同的发芽时间（）；活力指数（），式中，为幼苗鲜重。 生理指标的测定植物细胞膜透性（ ）的高低是植物处在逆境条件下细胞膜的完整程度与稳定性的体现，也是衡量植物抗重金属胁迫能力强弱的重要指标之一。在正常情况下，细胞膜对进出细胞的物质具有选择性透过能力；当植物受到重金属胁迫后，植物的形态结构发生了改变，细胞膜受到破坏，膜的透性增加，从而造成细胞内的电解质外渗，进而使植物细胞浸提液的相对电导率（ ，）增大；细胞膜透性增大（相对电导率增大）的水平与受重金属伤害的程度有关，所以细胞膜透性用相对电导率来表示。试验测定的紫荆幼苗叶片的生理指标有丙二醛（，）含量、相对电导率、脯氨酸（，）含量、可溶性糖（ ）含量、过氧化物酶（，）活性。相对电导率采用型电导率仪测定；含量采用硫代巴比妥酸比色法测定；可溶性糖含量采用蒽酮法测定；含量参照磺基水杨酸比色法测定；活性采用愈创木酚法测定。所有试验数据采用o 及 统计软件进行分析比较。 结果与分析 对紫荆种子发芽指标的影响 对紫荆种子发芽率的影响 试验结果表明，溶液胁迫对紫荆种子发芽具有抑制作用，具体见图。从图可见，随着溶液处理浓度的上升，紫荆种子发芽率总体上呈现下降的趋势，溶液处理浓度与紫荆种子发芽率之间呈负相关关系。在溶液浓度为 处理后，紫荆种子发芽率比 处理的稍有上扬，说明低浓度溶液处理对紫荆种子萌发的抑制相对较弱；与对照（发芽率72%）相比，在、 的溶液处理后，其发芽率分别下降了和个百分点；随着溶液处理浓度的增加，其抑制作用相对增强，当溶液处理浓度增加到 后，紫荆种子发芽率下降了个百分点；当浓度为 时，发芽率为，下降了个百分点。从图1-a还可见，20、40、60 的溶液浓度处理的紫荆种子发芽率与100、120 处理之间的发芽率相比，呈现出显著的差异水平（p0.05）。以的种子萌发的状态定义为半致死状态，以没有种子萌发的状态定义为致死状态，对紫荆种子发芽率（）和溶液的梯度浓度（）进行回归分析，得出数学模型： ， ；由模型算出，在致死状态下，溶液的浓度为 ；在半致死状态下，溶液的浓度为 。 对紫荆种子发芽指数的影响 在溶液胁迫下，紫荆种子发芽指数的变化趋势与发芽率相似，也是随着溶液浓度的递增，大体上呈现出发芽指数逐步递减的变化趋势，溶液处理浓度与紫荆种子发芽指数之间呈负相关关系。具体见图。分析可知，紫荆种子发芽指数也是在溶液浓度为 时稍有上扬。其中、 浓度处理的发芽指数分别比对照下降了、；而在高浓度的、 处理下，发芽指数分别比对照下降了、。从图还可见，、 的溶液浓度处理的紫荆种子发芽指数与、 处理之间的发芽指数相比，呈现出显著的差异水平（）。 对紫荆种子活力指数的影响 在溶液胁迫条件下，紫荆种子活力指数的变化规律是随着溶液浓度的增加而逐渐下降，溶液处理浓度与紫荆种子活力指数之间呈负相关关系（图）；其中、 的溶液浓度处理的紫荆种子活力指数与、 处理之间的活力指数相比，呈现出显著的差异水平（）。 对紫荆幼苗叶片生理指标的影响 对紫荆幼苗叶片丙二醛含量动态变化的影响 溶液胁迫对紫荆幼苗生理指标的影响结果见图。从图可见，随着溶液处理浓度的上升，紫荆幼苗叶片的含量逐步上升，溶液处理浓度与含量之间呈正相关关系。以在对照（ ）时的含量最低；而在 处理后，含量达到最高；其中，在 与 、 与 个相邻溶液处理浓度梯度下含量增长急剧，且差异显著（）；而其余相邻处理浓度梯度之间含量增长平缓。对紫荆种子发芽率（）和幼苗叶片的含量（）进行回归分析，得出数学模型： ， ；由模型算出，在溶液胁迫后，致死状态下的幼苗叶片含量为 、半致死状态下的幼苗叶片含量为 。 对紫荆幼苗叶片细胞膜透性（相对电导率）动态变化的影响 试验中随着溶液处理浓度的递增，紫荆幼苗叶片的相对电导率逐步上升，两者呈正相关关系（图）。在低浓度溶液胁迫下，相对电导率增加幅度比较平缓，如在 处理条件下，紫荆幼苗叶片的相对电导率比对照增加了 个百分点；在 处理条件下，相对电导率比对照增加了个百分点。但在高浓度（ ）溶液处理下，紫荆幼苗叶片的相对电导率显著增加（），如在 处理条件下，相对电导率比对照增加了个百分点；而在 处理条件下，相对电导率比对照增加了个百分点。对紫荆种子发芽率（）和幼苗叶片相对电导率（）进行回归分析，得出数学模型： ， ；由数学模型算出，在溶液胁迫后，致死状态下的幼苗叶片相对电导率为，半致死状态下的幼苗叶片相对电导率为 。 对紫荆幼苗叶片脯氨酸含量动态变化的影响 试验中随着溶液处理浓度的递增，紫荆幼苗叶片的脯氨酸含量逐步增加，两者呈正相关关系（图）。在低浓度胁迫下，紫荆幼苗叶片的脯氨酸含量增加幅度较小；而在高浓度胁迫下，脯氨酸含量增加幅度显著，且差异显著（）；其中在 处理后，脯氨酸含量达到最大值。对紫荆种子发芽率（）和幼苗叶片脯氨酸含量（）进行回归分析，得出数学模型：， ；由数学模型算出，在溶液胁迫后，致死状态下的幼苗叶片脯氨酸含量为 ，半致死状态下的幼苗叶片脯氨酸含量为 。 对紫荆幼苗叶片可溶性糖含量动态变化的影响 试验中随着溶液处理浓度的递增，紫荆幼苗叶片的可溶性糖含量逐步增加，两者呈正相关关系（图）。在溶液 以下各浓度处理后，紫荆幼苗叶片的可溶性糖含量增加比较快，变化幅度较大；而在 以上各浓度处理后，紫荆幼苗叶片的可溶性糖含量增加比较平缓，在 处理后，可溶性糖含量达到最大值。对紫荆种子发芽率（）和幼苗叶片可溶性糖含量（）进行回归分析，得出数学模型： - ， ；由数学模型算出，在溶液胁迫后，致死状态下的幼苗叶片可溶性糖含量为 ，半致死状态下的幼苗叶片可溶性糖含量为 。 对紫荆幼苗叶片活性动态变化的影响 试验中随着溶液处理浓度的递增，紫荆幼苗叶片的活性呈单峰型曲线动态变化（图）；表现为先上升后下降，在 浓度处理下出现峰值；在 浓度处理下出现谷值。各处理浓度梯度间的活性变化幅度比较大，各相邻溶液浓度处理间的活性大多差异显著（）。 小结与讨论试验结果表明，在溶液处理后，紫荆种子的发芽率、发芽指数、活力指数变化与溶液处理浓度之间呈负相关关系。紫荆种子具有双重休眠特性15，种皮透性差，又有内休眠，其发芽率相对较低16。当溶液浓度在 时，紫荆种子发芽率能保持在比较高的水平（）；而随着溶液浓度的增加（ ），紫荆种子的发芽率明显下降；而且发芽及出苗与对照相比均延迟出现，说明重金属胁迫影响了紫荆种子发芽能力，这与前人对杉木 （）种子试验7和黄瓜（ ）种子试验8的结果是相似的。根据回归分析结果，影响紫荆种子发芽率的溶液致死浓度为 ，半致死浓度为 ，说明紫荆种子耐重金属胁迫的能力比较强，可以作为北方重金属污染地区的春季观花园林植物配置树种而栽培推广。在试验中，我们利用紫荆种子发芽率与幼苗叶片的各项生理指标进行回归分析，确定了致死状态和半致死状态下各项生理指标的相关数值。若将此项定量指标应用于生产实践，可根据测定的某项生理指标准确判定幼苗的健康状态，进而采取相应的处理措施应对。试验发现，随着溶液浓度的增加，紫荆幼苗叶片中的含量和细胞膜透性（相对电导率）均逐步上升，这表明胁迫促进了生物自由基的发生，从而诱发的膜脂过氧化作用较强，使细胞受到的损伤较大19，20。叶片的脯氨酸和可溶性糖含量也随着溶液浓度的增加呈现出递增趋势，表明两者的保护效应在逐步增强；不过可溶性糖含量在各浓度梯度处理间变化比较平缓，而脯氨酸含量在高浓度梯度处理间变化较大，且差异显著（）；说明可溶性糖含量对胁迫效应的响应能力弱，而脯氨酸含量的响应能力要强。试验中紫荆幼苗体内的活性随着溶液浓度的升高表现出先升后降的变化趋势。这是因为在低浓度处理时，紫荆幼苗体内的保护酶系统受激发后，通过升高酶活性把体内产生的自由基清除了一部分；而当重金属浓度继续增加后，由于对细胞膜的伤害程度超过了保护酶系统的承受能力，导致膜脂过氧化作用加强，细胞膜功能遭到破坏，活性就下降，进而影响幼苗的存活与生长。本试验根据脯氨酸、可溶性糖含量和活性项生理指标在胁迫试验中的变化规律，推测出在低浓度溶液胁迫下，脯氨酸、可溶性糖和都是重要的保护因子；但是在高浓度胁迫下可溶性糖和的保护作用逐步减弱，而脯氨酸成为重要的保护因子，这可能与脯氨酸的抗逆性机理有关21-23。脯氨酸为细胞内的渗透调节剂、羟基自由基清除剂，具有调节氧化还原电势等功能24，特别是在高浓度重金属处理胁迫下，保护性酶的活性降低、自由基清除能力下降25；而脯氨酸除渗透调节外，清除自由基的功能可能还得到了加强，对重金属离子胁迫的响应能力在逐步上升。不过具体的影响机制有待下一步研究证实。参考文献： 魏海英，方炎明，尹增芳，等大羽藓对重金属污染的指示与积累作用研究植物研究，（）： 张义贤重金属对大麦毒性的研究环境科学学报，（）： 杜应琼，何江华，陈俊坚重金属在叶类蔬菜中的积累以及对生长的影响园艺学报，（）： 余国营，吴燕玉，王 新重金属复合污染对大豆生长的影响及综合评价研究应用生态学报，（）： 陈有民园林树木学北京：中国林业出版社， 何 平，彭重华园林植物配置及其造景北京：中国林业出版社， 苏金乐园林苗圃学北京：中国林业出版社， 毕辛华，戴心维种子学北京：农业出版社， 王介元，王昌全土壤肥料学北京：中国农业科学技术出版社， 曹建康，姜微波，赵玉梅果蔬采后