Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花种子萌发和幼苗生理特性的影响

赵永平,朱 亚,李花环,苏 丽

(商洛学院 生物医药与食品工程学院,陕西 商洛 726000)

Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花种子萌发和幼苗生理特性的影响

赵永平,朱 亚,李花环,苏 丽

(商洛学院 生物医药与食品工程学院,陕西 商洛 726000)

在室内条件下研究了Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花品种“陇菊1号”种子萌发及幼苗生理特性的影响。研究结果表明:低浓度的Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花种子萌发具有一定的促进作用,而高浓度的Cu2+、Zn2+胁迫则表现为抑制作用;在不同浓度Cu2+、Zn2+胁迫下,金盏花幼苗的保护酶SOD、POD、CAT活性均呈现先上升后下降的变化趋势;随着Cu2+、Zn2+胁迫浓度的升高，金盏花幼苗的MDA含量逐渐增加。

金盏花;铜；锌；胁迫;种子萌发;生理特性

由于受过量施用化肥农药、矿物开采以及工业化进程发展等因素的影响,不同的重金属在土壤中不断积累,致使城市周边及主要作物栽培区的土壤不同程度地受到了重金属的污染,对动、植物细胞内的酶产生毒害作用,严重危害了各种植物的生存和人类的健康[1-2]。研究表明,过量的锌、铜、汞等重金属离子会破坏细胞膜的完整性和组成,使细胞内的离子和有机物大量外渗,外界的有毒物质进入,进而导致植物体内一系列生理生化过程失调,影响植物的水分代谢、光合作用、呼吸作用、糖类代谢等,最终使得植物无法正常生长[3-6]。而重金属胁迫的最主要途径之一是造成过氧化胁迫,产生大量的活性氧自由基,比如Cu2+能催化OH-的非酶促反应[7]。因此,重金属污染的问题越来越受到人们的关注,特别是重金属对植物的危害、植物修复的可能机制及重金属胁迫下植物的损伤逐渐成为研究热点,寻找抗重金属的植物并研究其抗性机理也成为植物修复领域的一项重要课题[8]。研究发现许多植物,如遏蓝菜、蜈蚣草、龙葵、红菾菜、宝山堇菜等在其生长发育过程中对重金属都有较强的抵抗作用,且能够很好地富集土壤中的重金属,从而达到治理环境污染的目的,所以出现了植物修复技术,并逐步发展成为一种绿色、廉价并被人们广泛认可的有效治理重金属污染的措施。另外，在重金属污染土壤中,植物的生长发育状况也在一定程度上反映了土壤的污染程度,可以作为指示生态系统污染的一项重要指标[9-11]。

金盏花(CalendulaofficinalisL.)又名万寿菊、臭芙蓉等,属菊科万寿菊属一年生草本植物。该植物原产于墨西哥,抗性强,对土壤要求不严,耐移植,生长迅速,栽培容易,病虫害较少,开花时花大而艳,从其鲜花中提取的叶黄素不仅具有着色功能,还具有营养、保健功能,因此金盏花现已成为重要的特色经济作物[12-13]。同时它也是一种对重金属吸附力较强的植物,有着广泛的开发前景；目前关于重金属胁迫对金盏花影响的研究报道较少。鉴于此,本课题组研究了不同浓度Cu2+、Zn2+胁迫下金盏花种子萌发和幼苗生理特性的变化,初步探明了金盏花对Cu2+、Zn2+胁迫的耐受程度,可为重金属污染地区改善生态环境、提高生产效益提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为甘肃省农业工程技术研究院提供的金盏花新品种“陇菊1号”。

1.2 试验设计

选取完整、饱满、无霉斑的金盏花种子,用0.1%的HgCl2消毒5 min,然后用去离子水反复冲洗,最后点播在铺有2层滤纸的培养皿中,每皿点播20粒种子；在培养皿中加入适量的用1/4 Hoagland配制的含有不同浓度CuSO4和ZnSO4的营养液,Cu2+和Zn2+的浓度梯度均设置为0(CK)、30、60、90、120、150 mg/L,每个浓度处理设3次重复。点播后在25 ℃下培养7 d,第3天测发芽势,第7天测发芽率,然后将发芽的种苗移植到含有对应Cu2+、Zn2+胁迫浓度的水培钵中进行培养,培养20 d后测定其生理指标。

1.3 测定方法

1.3.1 发芽势和发芽率的测定及计算 计算公式如下：

发芽势(%)=M1/M×100%;

发芽率(%)=M2/M×100%。

上式中:M1为发芽3 d内正常发芽的种子粒数;M2为正常发芽的种子粒数;M为供试的种子粒数。

1.3.2 相关酶活性和丙二醛含量的测定 超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)法[14]测定;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法[14]测定;过氧化氢酶(CAT)活性采用分光光度法[14]测定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[14]测定。

1.4 数据统计

对试验数据采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05 软件进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花种子发芽势及发芽率的影响

发芽势和发芽率是鉴别种子发芽整齐度的重要指标。由表1可以看出,Cu2+胁迫和Zn2+胁迫对金盏花种子萌发均具有显著的影响,在低浓度胁迫下,发芽势和发芽率均呈现升高的趋势,但当浓度达到一定值时,随着胁迫浓度的继续升高,发芽势和发芽率均快速降低。当Cu2+胁迫浓度达到30 mg/L时,金盏花种子的发芽势和发芽率均最高,分别为90.61%和93.33%。当Zn2+胁迫浓度为90 mg/L时,金盏花种子的发芽势和发芽率均最高,较不添加Zn2+处理分别提高了3.20和5.37个百分点。综合比较而言,Zn2+胁迫对金盏花种子发芽势和发芽率的影响低于Cu2+胁迫。

表1 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花种子发芽势和发芽率的影响

2.2 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗保护酶系统的影响

2.2.1 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗SOD活性的影响 逆境胁迫会造成植物体活性氧过量积累,而植物可以通过自身的保护酶系统来消除过量积累的活性氧来维持体内的活性氧代谢平衡。植物体内的SOD是重要的抗氧化酶,有清除活性氧、防止膜脂过氧化的作用[15]。如图1所示,在不同浓度Cu2+、Zn2+胁迫下,金盏花幼苗中SOD活性随胁迫浓度的升高呈现先升高后降低的变化趋势,且不同处理间存在显著差异。当Cu2+胁迫浓度达到90 mg/L时,SOD活性最高,为287.65 U/g,较对照提高了15.31%；当Zn2+胁迫浓度达到60 mg/L时,SOD活性最高,较对照提高了33.25%。说明金盏花幼苗受到重金属胁迫时,SOD将启动它的保护机制,消除胁迫所积累的活性氧，防止膜脂过氧化,从而确保该植物能够正常生长。

2.2.2 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗POD活性的影响 POD是植物体内重要的抗氧化酶,能协同SOD有效地清除过量自由基,减轻质膜过氧化程度,因此其常作为植物组织抗性的一个诊断指标。由图2可以看出：POD的活性也随着Cu2+、Zn2+浓度的增大呈先升后降的变化趋势,分别在60 mg/L和90 mg/L时达到峰值,较对照分别提高了3.90%和17.95%；在Cu2+、Zn2+重度胁迫下,POD的活性均迅速下降。

图1 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗SOD活性的影响

图2 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗POD活性的影响

2.2.3 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗CAT活性的影响 过氧化氢酶(CAT)在植物抗逆生理中的主要作用是清除过量的H2O2,它与POD一起形成了植物清除活性氧的第二道防线。从图3可以看出：当Cu2+胁迫浓度由0 mg/L增加到60 mg/L时,各处理金盏花幼苗的CAT活性差异不显著；当Cu2+浓度增加到90 mg/L时,CAT活性最高,较对照提高了6.85%；随后随着Cu2+胁迫浓度的继续升高,金盏花幼苗的CAT活性逐渐降低。当Zn2+胁迫浓度低于90 mg/L时,各处理金盏花幼苗的CAT活性差异不显著；当Zn2+胁迫浓度超过90 mg/L,金盏花幼苗处于重度胁迫下,其CAT活性急剧下降。

2.3 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗MDA含量的影响

逆境胁迫会导致植物的膜脂过氧化作用,而MDA为质膜过氧化作用的中间产物,会严重损害植物生物膜,其含量的变化在一定程度上可以反映逆境胁迫对植物质膜透性的损伤程度[8]。如图4所示,在Cu2+、Zn2+胁迫下,MDA含量随胁迫浓度的升高均呈现逐渐上升的趋势,且Cu2+、Zn2+胁迫浓度越高,MDA的含量越大。当Cu2+、Zn2+胁迫浓度由0增加至90 mg/L时,各处理金盏花幼苗的MDA含量增加较为缓慢；当Cu2+、Zn2+胁迫浓度超过90 mg/L时,MDA含量快速升高；当Cu2+、Zn2+胁迫浓度达到150 mg/L时,MDA的含量均最高,分别较对照提高了149.53%和98.32%。

图3 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗CAT活性的影响

图4 Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花幼苗叶片中MDA含量的影响

3 结论与讨论

重金属污染是全世界面临的严重的生态问题之一,而种子萌发是植物接受重金属胁迫的起点,也是植物感知外界环境的最初生命阶段和对外界环境变化最敏感的阶段。王彦梅等研究认为,低浓度重金属胁迫对小麦和黑麦种子萌发影响较小,高浓度时种子萌发受到一定的限制,并且Cu2+胁迫对种子萌发的抑制强度大于Zn2+胁迫[16]。本试验研究表明,低浓度Cu2+、Zn2+胁迫对金盏花种子萌发具有一定的促进作用,当Cu2+和Zn2+浓度分别为30 mg/L和90 mg/L时,金盏花种子的发芽势和发芽率均最高；而高浓度Cu2+和Zn2+则对金盏花种子萌发具有抑制作用。

在植物体中,SOD、POD、CAT等各种酶类构成了植物的保护酶系统,植物主要通过自身保护酶活性的变化抵御环境因子所带来的不利影响,保护酶活性的高低可以在一定程度上反映植物抗逆性的强弱。本试验研究结果表明,在不同浓度Cu2+、Zn2+胁迫下,金盏花幼苗的保护酶活性均呈现先上升后下降的变化趋势,由此可以看出,低浓度Cu2+、Zn2+胁迫在一定程度上可以提高金盏花幼苗保护酶的活性,调节植株对环境的适应能力,而高浓度Cu2+、Zn2+胁迫则会引起保护酶活性下降,使幼苗抗性减弱,对植株生长造成伤害。这与李淑艳等[4]的研究结果一致。

MDA是植物在逆境胁迫下细胞质膜过氧化而产生的一种物质,它可以与植物体内的大分子物质作用,形成不溶性的化合物沉积,干扰细胞的正常生命活动,它可以反映植物在逆境环境条件下的适应情况,常被用作植物膜质过氧化损伤的指标[17-19]。本试验结果表明,随着Cu2+、Zn2+胁迫浓度的升高,金盏花幼苗的MDA含量均呈现逐渐上升的趋势,当Cu2+、Zn2+胁迫浓度由0增加至90 mg/L时,各处理的MDA含量增加较为缓慢,可能是由于金盏花幼苗在受到轻度胁迫时,植株启动了自身保护酶系统的保护机制,及时清除了质膜过氧化的产物。但是当Cu2+、Zn2+胁迫浓度超过90 mg/L时,MDA含量快速升高,当Cu2+、Zn2+胁迫浓度达到150 mg/L时,MDA的含量分别较对照提高了149.53%和98.32%,这可能是由于保护酶系统受到严重抑制,对活性氧的清除能力大大减弱,已不能阻止自由基在细胞内的积累,使质膜发生过氧化,透性增加,导致其功能受损,从而可能引起细胞的衰老和死亡,对金盏花产生抑制甚至毒害效应。

综上所述,低浓度的重金属对金盏花种子萌发及幼苗的生长有一定的促进作用,当金盏花受到轻度Cu2+、Zn2+胁迫时,将启动自身的保护机制,如保护酶系统,清除金盏花因过氧化胁迫而产生的大量活性氧自由基,从而保证它的正常生长。但是高浓度的Cu2+、Zn2+胁迫则会破坏这种保护机制,无法及时清除质膜过氧化产物,从而对金盏花产生毒害作用,影响它的正常生长发育,甚至导致其死亡。同时高浓度的Cu2+、Zn2+对人体也有极大的危害,可能引发各种疾病。本试验在一定程度上得出了金盏花对Cu2+、Zn2+胁迫的抗性大小,初步为金盏花抗性机理研究提供了理论依据。

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(责任编辑:黄荣华)

Effects of Cu2+and Zn2+Stress on Seed Germination and Seedling Physiological Characteristics ofCalendulaofficinalis

ZHAO Yong-ping, ZHU Ya, LI Hua-huan, SU Li

(College of Biological Pharmacy and Food Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

This paper studied the effects of Cu2+and Zn2+stress on the seed germination and seedling physiological characteristics ofCalendulaofficinalisvariety “Longju 1” under the indoor condition. The results showed that: low concentration of Cu2+and Zn2+stress had a certain promoting effect on the seed germination ofC.officinalis, while high concentration of Cu2+and Zn2+stress revealed an inhibitory effect; when the concentration of Cu2+and Zn2+stress increased, the activities of some protective enzymes (SOD, POD and CAT) inC.officinalisseedlings increased first and then decreased, while the MDA content increased gradually.

Calendulaofficinalis; Copper; Zinc; Stress; Seed germination; Physiological characteristics

2016-12-18

国家级大学生创新创业训练项目(201511396711);商洛学院引进人才专项科研启动经费项目(14SKY027)。

赵永平(1982─),男,陕西扶风人,博士,主要从事药用植物生理与资源利用研究。

S681.7

A

1001-8581(2017)05-0035-04