砷对绿豆和黑豆种子萌发的影响

万梦雪,王敏,2,周馥荔,杨兰芳

(1.湖北大学资源环境学院,湖北 武汉 430062;2.中国科学院应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016)

0 引言

砷是广泛分布于环境中的最毒的类金属,对所有生命都具有很高的毒性[1].砷可以通过自然和人为过程进入环境,导致很多国家和地区如印度、孟加拉、泰国、尼泊尔、美国、中国等都有严重的砷污染问题[2].全世界饮用高砷水的国家多达70多个,有1.5亿人面临着砷的危害[3].全世界数百万人因长期砷暴露而面临癌症、心脏病和糖尿病的威胁[4].环境砷污染不仅危害人类的生命健康,也影响着植物的生长,从而也会影响植物产量.如黑麦草和大麦的产量均随土壤砷水平增加而降低[5],同不加砷相比较,加砷30 mg kg-1使水稻根、茎和籽粒分别减产44%、67%和81%[6],土壤加砷达到100 mg kg-1时,大豆籽粒和总生物量也分别减产56.1%和43.4%[7],土壤种植水稻的实验表明砷影响水稻的光合作用,从而降低产量,当土壤砷含量达到60 mg kg-1及其以上时,水稻不能生长到成熟期[8].因此由于砷污染导致的植物减产现象也不可忽视.种子萌发是作物出苗的基础,好的出苗是作物高产的基础,因此研究砷污染对种子萌发的影响对于认识砷毒害植物生长的机理,揭示砷与植物生长之间的关系和调节砷污染地区的植物种植都具有重要意义.本实验利用加砷砂培实验,研究外加砷对绿豆和黑豆种子萌发的影响,为认识砷污染与种子萌发和植物生长的关系以及植物砷毒害的机理提供科学依据.

1 材料和方法

1.1实验材料所用种子为绿豆(Vignaradiata)和黑豆(Glycinemaxvar),种子购于武汉市徐东沃尔玛超市.所用培养基质为石英砂,将建筑用石英砂过2 mm筛,自来水浸泡后冲洗干净,再用超纯水冲洗,烘干备用.

1.2培养实验用12 cm玻璃培养皿,分别进行绿豆和黑豆的培养实验.设置加砷0、1、2、5、10、15、20 mg kg-1砂共7个砷浓度水平,每个水平重复3次.每个培养皿放入饱满完好的绿豆种子30颗或黑豆种子20颗,称重并记录其重量,于25 ℃恒温箱中培养.绿豆的培养时间为2007年3月19日至3月24日,黑豆的培养为2007年3月25日至3月30日.培养期间每天用称重法调节水分,并注意观察记录发芽数.实验结束后,记录每个培养皿的发芽数,并把发芽与未发芽的种子取出洗净,用吸水纸吸干水分后称重,即为萌发质量.

1.3数据处理用Excel2003计算平均值、标准差和作图分析,用SPSS10.0进行方程分析.

2 结果分析

2.1 砷对绿豆萌发的影响

图1 加砷培养6 d后的绿豆发芽状况

2.1.1 砷对绿豆萌发状况的影响 图1可见,在25 ℃下恒温培养6 d后,不同砷水平下的绿豆发芽状况差异明显.砷水平为1 mg kg-1砂时发芽状况比对照要好,砷水平为2 mg kg-1砂的发芽状况跟对照相近,砷水平超过5 mg kg-1砂时,绿豆发芽明显受到抑制,砷水平为15和20 mg kg-1砂的处理基本上看不到明显的豆芽长出.

2.1.2 加砷对绿豆发芽率和萌发质量的影响 由表1可知,加砷水平对绿豆发芽率的影响显著.总的来看,较低的加砷水平对绿豆发芽率影响不显著,高砷水平则显著降低绿豆的发芽率.第6天的发芽率中,对照与加砷1、2、5、10 mg kg-1砂之间均无显著差异,而加砷15和20 mg kg-1砂的发芽率显著降低,它们的发芽率只有对照的37.7%和11.8%,加砷20 mg kg-1砂的发芽率也显著低于低于加砷15 mg kg-1砂.同一砷水平下,随培养时间延长,发芽率增加,而且砷水平越高,不同培养时间之间的差异越明显.

表1也表明,砷浓度在1 mg kg-1砂时,绿豆萌发质量较对照有显著增加,但随着砷浓度的增加,绿豆萌发质量逐渐降低,且都达显著差异.但浓度在15 mg kg-1砂及其以后的萌发中,同加砷10 mg kg-1砂的相比反而有所增加,这是由于在实验过程中测定萌发质量时前几组种皮基本上已经脱落,但浓度为15 mg kg-1和20 mg kg-1的绿豆由于萌发的较少,种皮破坏较少,难以剥离,因此这两个处理的萌发质量包含了种皮,而其余处理的萌发质量不包含种皮.即使这样,砷水平为15和20 mg kg-1砂的萌发质量也显著低于对照及加砷1和2 mg kg-1砂的处理.

表1 加砷处理下绿豆发芽率与萌发质量

同栏数字后的不同字母表示差异具有统计学意义(P<0.05),下同.

2.1.3 砷对绿豆萌发的抑制作用 用加砷处理的发芽率与相同条件下对照发芽率之差占对照发芽率的比例作为砷对种子发芽的抑制率,正值表示促进作用,负值表示抑制作用.表2表明,加砷1 mg kg-1砂在不同时间均表现出促进作用,加砷2 mg kg-1砂第3和第4天为抑制作用,第5和第6天表现为轻微的促进作用,但是第4、5、6天的抑制率与加砷1 mg kg-1的处理差异不显著.其余加砷处理均表现为抑制作用,但抑制率随培养时间延长而降低.

表2 砷处理下绿豆萌发的抑制率

2.2 砷对黑豆种子萌发的影响

图2 不同加砷处理培养6 d后黑豆的萌发状况

2.2.1 砷对黑豆种子萌发状况的影响 图2可见,不同砷处理下黑豆的萌发状况不同.加砷1 mg kg-1砂的豆芽比对照和2 mg kg-1的处理略长,而随着砷水平的进一步增加,黑豆种子萌发受到明显的抑制,出芽数减少,豆芽变短.加砷15和20 mg kg-1砂的处理在培养皿中看不出明显的发芽.

2.2.2 砷对黑豆发芽率和萌发质量的影响 表3表明,加砷处理显著影响黑豆种子的发芽率.总的来看,低水平加砷对黑豆发芽率影响不显著,而高水平加砷处理显著降低黑豆的发芽率.随着培养时间的延长,各处理的发芽率增加,不同砷水平之间的差异减小.第3天时,加砷1 mg kg-1砂就与对照有显著差异,第4和第5天从加砷10 mg kg-1砂才与对照有显著差异,而第6天只有加砷20 mg kg-1砂的发芽率才与对照有显著差异.

表3也表明,砷对黑豆萌发质量有显著影响.加砷1 mg kg-1砂的萌发质量显著高于对照和其余处理,加砷2 mg kg-1砂的萌发质量与对照无显著差异,然后随着加砷水平的提高,萌发质量均显著低于对照,加砷20 mg kg-1砂的黑豆萌发质量自由对照的56.2%.

表3 加砷处理下黑豆发芽率与萌发质量

2.2.3 砷对黑豆萌发的抑制作用 由表4可见,低砷水平对黑豆种子发芽率具有一定的促进作用,但促进作用随培养实践延长而减弱.随着砷水平的增加,砷对黑豆种子发芽的抑制作用增强.在培养第3天时,加砷1、2、5 mg kg-1砂对黑豆的发芽率有促进作用,砷水平进一步升高则表现为抑制作用.在培养第4天时,加砷1、2 mg kg-1砂对黑豆发芽有促进作用,其余处理均表现为抑制作用,而第5、6天时,几乎所有加砷处理均表现出抑制作用.在相同的砷水平下,随培养时间延长,砷对黑豆发芽率的抑制作用减弱.从黑豆种子的萌发质量来看,加砷1 mg kg-1砂对萌发质量具有促进作用,其余处理均表现为抑制作用,最高抑制率达到43.7%.

表4 不同砷处理下黑豆种子萌发的抑制率

2.3绿豆和黑豆种子的耐砷能力利用半抑制浓度表示种子对砷毒害的耐受能力,半抑制浓度就是抑制率为50%时的砷浓度,我们根据6 d发芽率的抑制率和萌发质量的抑制率与砷水平关系分别计算出发芽率的半抑制浓度和萌发质量的半抑制浓度.表5表明,砷对绿豆和黑豆第6天发芽率的抑制率与加砷水平呈极显著的二次函数关系,根据回归方程计算出的半抑制浓度是黑豆大于绿豆,而砷对黑豆和绿豆萌发质量的抑制率与加砷水平呈极显著的对数函数关系,根据对数函数计算出的半抑制浓度也是黑豆大于绿豆.

表5 砷对种子发芽率和萌发质量的半抑制浓度

**表示达到0.01的显著水平.

3 讨论

由于砷污染现象比较普遍,土壤砷污染又会导致作物减产,因此因砷污染现象造成的粮食减产也不容忽视.种子萌发是作物生长的基础,因此砷对种子萌发的影响应该是砷污染影响植物产量的一个重要原因.本实验表明,加砷1 mg kg-1对绿豆和黑豆种子萌发都具有促进作用,而加砷水平达到5 mg kg-1时,砷对绿豆和黑豆萌发均表现出抑制作用,并随砷水平增加,抑制作用增强.

当前有关砷对种子萌发的影响文献表明,砷对种子萌发的影响受种子类型、砷的剂量和形态的影响.黄豆种子萌发实验表明,砷污染抑制黄豆种子萌发,并抑制萌发时呼吸强度和蛋白酶的活性[9],砷对小麦种子萌发的培养实验结果表明,砷浓度小于7.5 mg L-1时,对发芽率和芽长的影响不大,大于该浓度时,砷浓度与发芽率、芽长呈显著负相关[10],用两种豆类作物种子进行溶液培养实验表明,在0、10、20、30、40 mg L-1的加砷处理下,种子发芽率随砷增加而减少,但是只有30和40 mg L-1的处理才有统计显著性[11].本实验结果与小油菜的盆栽实验[12]、黄豆的水培实验[13]、3种绿肥种子的萌发实验[14]、生菜种子萌发实验[15]、砷对小麦种子萌发的毒性实验[16]等结果基本一致,都是低剂量的砷促进种子萌发,超过一定剂量就会显著抑制种子萌发.本实验中,相同砷水平下,随培养时间延长,砷对绿豆和黑豆种子发芽率的抑制作用减弱,说明砷延迟了2种豆类种子的萌发,同时砷超过一定水平时,绿豆和黑豆芽长变短,萌发质量显著降低.因此,砷对绿豆和黑豆种子萌发的毒害作用可以归结为延迟萌发,抑制豆芽的生长和降低萌发质量.

有关砷毒害种子萌发的机理研究还不够深入,一些研究者认为砷对种子萌发的影响主要是影响种子萌发过程有关酶的活性和增加氧化胁迫.如大豆种子萌发过程中受到砷毒害时,其下胚轴过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性下降,过氧化物酶活性和丙二醛含量升高,认为砷对种子萌发的伤害与活性氧代谢失调有关[17];高砷也会抑制小麦种子萌发中根系活力和α-淀粉酶的活性[10];砷污染抑制种子萌发过程中的呼吸强度和蛋白酶活性,而过氧化物酶活性随污染浓度增加而增加[9];小麦种子萌发中,氧自由基含量、丙二醛含量和过氧化物酶活性随砷浓度增加而增加,抗坏血酸过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性在低砷浓度下降低,高砷浓度下增加,过氧化氢酶活性则在低砷浓度下增加,高砷浓度下降低[16];砷毒害显著降低胚乳和胚轴中α-淀粉酶、β-淀粉酶、蔗糖酶的活性,降低胚乳而增加胚轴中淀粉磷酸化酶的活性[18],说明砷影响种子萌发中的糖代谢.

不同种子对砷的耐性不同,3种绿肥种子的实验结果认为对砷的耐性是光叶紫花苕子>紫花苜蓿>木豆[14],葫芦巴(Tirgonellafoenum-graecum)的耐性大于草香豌豆(LathyrussativusL)[11].一般用半抑制浓度表示对污染物或毒性物质的耐受能力,我们根据发芽率的抑制率和萌发质量的抑制率得出半抑制浓度中,黑豆萌发质量的半抑制浓度高于发芽率的半抑制浓度,绿豆萌发质量的半抑制浓度却低于发芽率的半抑制浓度,黑豆和绿豆发芽率的半抑制浓度之差要小于萌发质量的半抑制浓度之差.这种差异主要是发芽率的抑制率与砷水平的关系跟萌发质量与砷水平的关系不同.在发芽率的抑制率与砷水平关系中,以二次函数的相关性最好,而在萌发质量的抑制率跟砷水平的关系中,以对数函数的相关性最好,说明砷对发芽率和萌发质量的影响不同.当然发芽率只考虑发芽,没有考虑芽的长短与质量,因此萌发质量应该比发芽率更能反映砷对种子萌发的影响.黑豆和绿豆萌发质量的半抑制浓度差异大的原因除了2种种子耐砷能力不同外,还与我们在计算绿豆萌发质量抑制率与砷水平关系时去掉了2个点有关.因为15和20 mg kg-1砂处理绿豆的萌发质量有种皮的影响,为了消去种皮重量的影响,在计算关系时只用了前面4个点,去掉了这2个点.但是虽然只有4个点,其相关系数依然超过了0.01的显著水平.总的来看,无论是发芽率还是萌发质量,黑豆的半抑制浓度都高于绿豆,同时,高砷水平15和20 mg kg-1下,黑豆的发芽率显著高于绿豆,砷对发芽的抑制率是黑豆小于绿豆,因此黑豆对砷毒害的耐性大于绿豆.

4 结论

1)低浓度的砷(1 mg kg-1砂)对绿豆和黑豆种子萌发有促进作用,对萌发质量的促进作用可达12%以上.

2)当砷水平超过一定程度(5 mg kg-1砂)则表现出明显的抑制作用,随砷水平增加,抑制作用增强.

3)同一砷水平下,砷对绿豆和黑豆萌发的抑制作用均随萌发时间的延长而减弱,说明砷胁迫延迟种子萌发.

4)砷对黑豆种子的半抑制浓度高于绿豆,在相同高砷水平下(15和20 mg kg-1砂),黑豆发芽率高于绿豆,砷对黑豆发芽的抑制率小于绿豆,因此黑豆耐砷能力比绿豆强.

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