重金属铅胁迫对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响

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(滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室， 山东 滨州 256603)

我国经济的快速发展和工业化进程的加快，导致许多污染物质进入周围土壤、空气和水体等环境。近年来，镉、铅、锌等重金属污染对植物生长赖以生存的土壤环境，造成愈加严重的危害[1-6]。据研究测算，中国重金属污染耕地面积约占总耕地面积的六分之一[2]。铅(Pb)作为五毒元素之一，在土壤中积累到一定限度就会对植物生长发育等产生毒害[4]。

我国是蔬菜生产和消费大国，多种蔬菜在各地均广泛种植。栽培地土壤一旦受到重金属铅污染，不仅会严重影响蔬菜种子发芽、出苗、产量和品质[1,3,6]，还会进一步通过食物链进入人体，从而危害人类健康[2]。本试验以黄瓜为材料，研究了铅胁迫对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响，比较分析了铅处理浓度与黄瓜种子发芽状况和活力水平间的相关关系。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试药剂为Pb (NO3)2，为分析纯，购于山东省滨州市滨城区泰达试剂公司；

供试黄瓜种子购于滨州市滨城区种子公司，品种为“春夏秋王”杂交一代(山东省宁阳县阳光种子有限公司出品)。

1.2 方 法

1.2.1 铅溶液的配制

用去离子水将纯Pb(NO3)2配制成2 000 mg/L母液，然后利用母液依次稀释得到浓度为1 000，500，250，125，62.5，31.25 mg/L的6个浓度梯度的Pb2+溶液，用去离子水作为对照(0 mg/L)，共7个处理，每个浓度处理设3个重复。

1.2.2 发芽试验

将黄瓜种子置于3%高锰酸钾溶液内消毒10 min，将消毒后的种子先用自来水冲洗数次，再用去离子水反复冲洗3次，最后用滤纸吸干表面水分。取直径为90 mm的硬质玻璃培养皿，皿内铺2层滤纸作为发芽床，将10 mL配制好的不同浓度Pb2+溶液加入培养皿，每皿均匀放入30粒黄瓜种子；以蒸馏水作为对照。所有处理均为3个重复，置于25 ℃的环境中进行培养。每培养皿每天分别加入等量相应浓度的Pb2+溶液或去离子水。

1.3 指标测定

从第4天开始，每天记录发芽种子数，并测量黄瓜幼苗根长、苗高，至第8天结束。

发芽势(%) =第4天正常发芽的种子数/供试种子数×100%；

发芽率(%)=第8天正常发芽的种子数/供试种子数×100%；

发芽抑制率(%)=处理组发芽率/对照组发芽率×100%。

在第8天培养完成后，用电子天平(精确至0.001 g)测定黄瓜幼苗根长、苗高以及整株鲜重。鲜重测定完毕后，整株苗装入信封标记好，置于烘箱50 ℃恒温烘烤24 h后取出，称量并记录各处理黄瓜幼苗干重。

根长抑制率(%)=处理组根长/对照组根长×100%；

苗高抑制率(%)=处理组苗高/对照组苗高×100%；

鲜重抑制率(%)=处理组鲜重/对照组鲜重×100%；

干重抑制率(%)=处理组干重/对照组干重×100%。

相对活力指数Ⅰ=(处理组发芽率/对照组发芽率)×(处理组苗高/对照组苗高)；

相对活力指数Ⅱ=(处理组发芽率/对照组发芽率)×(处理组鲜重/对照组鲜重)。

1.4 数据处理与分析

在Windows 7操作系统下，以Excel 2007整理实验数据并作初步分析；应用SPSS 18.0统计软件进行相关统计分析，以LSD多重比较及Duncan’s检验进行组间差异显著性检验(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同Pb2+浓度对黄瓜种子发芽的影响

作为植物生长发育的一种胁迫因子，Pb2+对植物种子萌发具有一定的影响。由表1可以看出，随Pb2+浓度的增加，黄瓜种子的发芽势、发芽率均呈下降趋势，高浓度的Pb2+溶液严重抑制了种子的萌发。当铅浓度为125 mg/L时，对黄瓜种子发芽势、发芽率的抑制达到显著水平(抑制率为-19.22%)；当铅浓度达到1 000 mg/L时，受试黄瓜种子的发芽势为0，其发芽率也仅有46.8%，Pb2+胁迫对其发芽率的抑制水平达到40%以上。

表1 不同Pb2+浓度对黄瓜种子发芽的影响

Pb2+浓度(mg/L)发芽势(%)发芽率(%)发芽抑制率(%)ck(0)67.5±5.7a79.6±8.9a—31.2564.8±6.2a78.3±8.5a-1.6362.555.4±5.1b71.9±7.3ab-9.6712548.8±4.5b64.3±6.9b-19.2225021.4±3.3c60.2±5.7b-24.3750016.7±3.0c54.9±5.3bc-31.0310000d46.8±4.1c-41.21

注：表中数据为3个重复的平均值±标准误。同列数据后面字母不同，表示差异显著( (p<0.05) 。下同。

2.2 不同Pb2+浓度对黄瓜幼苗根长、苗高的影响

已有研究表明，相对于植物地上部分，重金属铅胁迫对植物根的生长有更为明显的影响。由表2可知，不同浓度Pb2+处理培养黄瓜种子8 d后，其胚根、芽的长度均随处理浓度的增高而降低，当Pb2+浓度为125 mg/L时，黄瓜幼苗的根生长受到强烈抑制，且与对照间差异显著(p<0.05)；当Pb2+浓度为500 mg/L时，对黄瓜苗高也产生了强烈的抑制作用。在高浓度Pb2+溶液处理条件下，受试黄瓜种子胚根生长受到的抑制作用愈加显著，尤其在1 000 mg/L浓度铅溶液处理下，黄瓜种子在培养周期内未能生根，在此浓度下，黄瓜幼苗地上部分的生长也受到显著抑制(p<0.05)。

表2 不同Pb2+浓度对黄瓜幼苗根长、苗高的影响

Pb2+浓度(mg/L)根长(mm)根长抑制率(%)苗高(mm)苗高抑制率(%)ck(0)47.3±3.51a—45.2±3.02a—31.2546.8±3.67a-1.0646.7±3.30a3.3262.545.5±2.69a-3.8143.5±2.28ab-3.7612536.3±3.10b-23.2642.3±1.25ab-6.4225025.6±3.42c-45.8842.1±2.17ab-6.8550013.9±1.31d-70.6141.0±2.18b-9.2910000.7±0.24e-98.5226.7±1.35c-40.93

注：表中“抑制率”数据为正值，表示具有促进生长作用。下同。

2.3 不同Pb2+浓度对黄瓜幼苗生物量的影响

由于重金属铅的存在和累积，在此生长环境中的植物生长发育会受到不同程度的抑制，其中也包括对植物全株生物量的影响。

表3 不同Pb2+浓度对黄瓜整株幼苗鲜重、干重的影响

Pb2+浓度(mg/L)全株鲜重(mg)鲜重抑制率(%)全株干重(mg)干重抑制率(%)ck(0)267.4±14.73a—17.5±1.13a—31.25272.2±15.61a1.8018.2±1.02a4.0062.5247.6±13.87ab-7.4016.4±0.61ab-6.29125226.3±12.67bc-15.3716.0±0.58ab-8.57250212.9±10.99c-20.3816.1±0.68ab-8.00500180.8±7.55d-32.3915.3±0.49b-12.571000108.9±5.34e-59.2711.7±0.54c-33.14

由表3可知，不同浓度Pb2+溶液处理对黄瓜幼苗全株鲜重和干重均有一定影响：幼苗鲜重随着Pb2+溶液浓度的增高而下降，在125 mg/L时即已显著低于对照组，抑制率达到15.37%，但此浓度处理下，幼苗干重低于对照组，差异不显著(p>0.05)；幼苗干重随铅溶液浓度的升高，其下降的趋势较缓，直到Pb2+浓度达到500 mg/L时，才较对照组表现出显著差异(p<0.05)。进一步分析可知，在低浓度Pb2+溶液(31.25 mg/L)处理下，黄瓜幼苗鲜重与干重均略高于对照组，随着溶液浓度的升高，Pb2+胁迫对幼苗鲜重、干重的抑制水平日趋明显，尤其对幼苗鲜重的抑制作用更为显著，在1 000 mg/L时，对黄瓜幼苗鲜重和干重的抑制率分别达到59.27%和33.14%。

2.4 不同Pb2+浓度对黄瓜幼苗根芽比和干鲜比的影响

由图1可知，不同浓度Pb2+溶液处理对黄瓜幼苗根芽比的影响，随着Pb2+溶液浓度的增高而降低，不同浓度Pb2+溶液处理之间对黄瓜幼苗鲜重的影响差异明显，尤其是高浓度(1 000 mg/L)Pb2+溶液处理对根芽比影响最为显著。

图1 不同浓度Pb2+胁迫对黄瓜幼苗根长/苗高比的影响

相对于对黄瓜幼苗根长/苗高比值的影响，Pb2+浓度变化对幼苗干重/鲜重比的影响更为强烈(图2)。从图2可以看出，随着铅胁迫强度的增大，黄瓜幼苗干重/鲜重比明显增高，即幼苗水分含量随Pb2+浓度增加而降低，且与Pb2+浓度间呈极显著负相关关系(p<0.01)。

图2 不同浓度Pb2+胁迫对黄瓜幼苗干重/鲜重比的影响

2.5 不同Pb2+浓度下黄瓜种子的活力指数变化

种子活力是当前衡量种子质量的指标之一，种子活力的大小不仅对种子萌发、 出土能力(出苗多少、快慢等) 有影响，也直接影响了苗期生长量和对外界不良条件的抵抗能力，直至影响到后期的产量。由表4可看出，不同浓度Pb2+对黄瓜种子活力具有较为显著的影响：相对种子活力指数Ⅰ、Ⅱ在低浓度铅胁迫处理(31.25 mg/L)下分别为1.016和1.001，而后均随重金属铅胁迫水平的增强而显著降低，且相对活力指数Ⅱ较相对活力指数Ⅰ下降幅度更为显著。经相关性分析，相对种子活力指数Ⅰ、Ⅱ之间拟合度高(R2=0.982 4，p=0.000 1)。综合来看，在高浓度Pb2+胁迫处理下受到的抑制更加明显，与对照组间差异达极显著水平(p<0.01)，且铅胁迫强度与黄瓜种子活力水平间表现出极为显著的负相关关系(图3)。

表4 Pb2+胁迫对黄瓜种子活力指数的影响

Pb2+浓度(mg/L)相对活力指数Ⅰ相对活力指数Ⅱck(0)1131.251.0161.00162.50.8690.8361250.7560.6842500.7040.6025000.6260.46610000.3470.239

图3 黄瓜相对种子活力与铅胁迫强度间相关性分析

3 结 论

种子萌发是整个植物生长过程中对外界环境变化最敏感的阶段，幼苗状况直接影响植物以后的生长和发育。本试验以黄瓜种子为研究对象，通过外源Pb2+溶液处理，探寻不同浓度铅胁迫条件对其种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明：在不同Pb2+浓度处理下，黄瓜种子的发芽势、发芽率均随Pb2+浓度的增加呈下降趋势。高浓度(1 000 mg/L)Pb2+溶液处理黄瓜种子的发芽势为0。不同浓度Pb2+处理培养黄瓜种子8 d后，胚根、芽的长度均随处理浓度的增高而降低，每个浓度处理对根长、苗长的影响都有显著差异，尤其是高浓度Pb2+溶液对黄瓜种子胚根生长的抑制作用最为显著。不同浓度Pb2+溶液处理对黄瓜幼苗全株鲜重、干重的抑制作用，也随Pb2+溶液浓度的升高而增强，且不同浓度Pb2+溶液处理之间对黄瓜幼苗鲜重的影响差异较为显著；而不同浓度Pb2+胁迫对黄瓜幼苗的干重影响不明显。通过对处理组黄瓜种子活力水平分析可知，随着Pb2+胁迫水平的升高，种子活力显著下降，在1 000 mg/L时降至对照组的30%左右。

总之，对以种子繁殖为主的植物，重金属伤害首先发生在种子萌发和幼苗生长阶段。但由于重金属铅胁迫对植物生长发育的影响是多方面的[7]，具体的机理机制还有待于进一步研究和探讨。

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