赤霉素对铅胁迫下苦荞种子萌发及幼苗生理特性的影响

王小松，万 燕，乐梨庆，安 琪，公续霄

（成都大学农业农村部杂粮加工重点实验室，四川成都610106）

随着我国工业化不断发展，重金属铅污染不断加剧，我国西南、中南地区土壤铅超标范围较大[1]。目前我国受污染土壤中铅的点位超标率为1.5%[2]。当土壤环境中铅含量达到一定值时，会抑制作物生长，破坏正常的生理功能，而作物为维护体内生理代谢平衡，在遭受铅毒害时，会通过调节保护酶系统活性来降低铅对植物生长产生较大的毒害作用[3]。苦荞（Fagopyrum esculentum）被誉为“五谷之王”[4]，具有较高的营养价值和药用价值，是我国重要的杂粮作物。我国苦荞主要种植在云南、贵州、四川等西南地区，而我国耕地土壤面积为1.35亿hm2[5]，耕地总污染量为2 328万hm2，耕地点位超标率为19.4%，约有1.3万hm2耕地受到铅等重金属污染，包括云、贵、川、晋等苦荞主要产出地均为我国耕地土壤铅污染的重点区域[6]。铅一旦进入人体将会对人体神经系统及大脑产生不可逆的伤害，并且难以通过新陈代谢排出人体[7]。所以，对铅污染环境下苦荞耐铅性研究已成为现代社会亟待解决的问题，研究提高苦荞耐铅性将为我国苦荞种植提供更有效的理论指导。

赤霉素作为一种重要的植物生长调节激素，被广泛应用于解除种子休眠、促进萌发、促进叶芽生长[8]。目前，关于赤霉素缓解重金属胁迫对种子萌发及幼苗生长的生理试验在水稻、沙冬青等作物上已有诸多报道，但尚未有关于赤霉素缓解铅胁迫下苦荞种子萌发影响的报道。因此，深入了解赤霉素对苦荞种子萌发的重金属铅胁迫缓解机制显得尤为重要。

本试验以苦荞为材料，用不同质量浓度赤霉素对铅胁迫下苦荞种子进行浸种处理，诱导苦荞抗铅胁迫的可能性及机制，缓解铅污染造成的毒害，为农业生产过程中提高作物抗铅能力及植物修复技术提供新的途径，为重金属胁迫保护反应和农业生态环境保护提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为成都大学农业农村部杂粮加工重点实验室提供的2018年采集储存的川荞一号苦荞品种，以1%高锰酸钾溶液浸泡种子30 min消毒，再用蒸馏水充分清洗种子表面备用。

1.2 试验设计

试验设置6个处理，每个处理30粒种子，6次重复。6个处理分别为：G0.清水浸种12 h；G1.5 mg/L赤霉素浸种12 h；G2.10 mg/L赤霉素浸种12 h；G3.20 mg/L赤霉素浸种12 h；G4.40 mg/L赤霉素浸种12 h；G5.100 mg/L赤霉素浸种12 h。经赤霉素处理后均放置于800 mg/L乙酸铅水溶液培养盘中培养，乙酸铅水溶液量以培养盘表面浸润为佳。试验以清水浸种12 h，并置于清水环境中培养作为对照（CK）。随后，将处理好的培养皿放入恒温培养箱中，恒温25℃，每日观察记录种子萌发情况，以种子芽长超过种子1/2长度记为发芽，连续2 d不再发芽记为发芽结束。

1.3 测定项目及方法

培养11 d时，用游标卡尺测量幼苗根长、茎长；用根系扫描仪测量不定根数量。

可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定；可溶性糖含量采用蒽酮法测定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑和核黄素法测定；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定；游离氨基酸含量采用茚三酮比色法测定。

1.4 数据分析

试验采用Excel记录整理数据，获取数据平均值，并用SPSS 22.0软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度赤霉素处理对铅胁迫下苦荞种子形态指标的影响

2.1.1 不同质量浓度赤霉素处理对苦荞种子发芽率的影响 研究表明，当植物受到重金属胁迫后，发芽率会出现显著性降低，所以，发芽率可以作为植物受重金属胁迫程度的一项重要指标。由图1可知，与CK相比，苦荞遭受铅胁迫后发芽率明显降低，通过赤霉素提前浸种处理后，苦荞种子发芽率逐步提升，其中，G0处理的发芽率为67%，G4处理发芽率最高，达到76%，且与G5处理间差异显著（P＜0.05），所以，40 mg/L赤霉素对铅胁迫下苦荞种子萌发具有促进作用。

2.1.2 不同浓度赤霉素处理对苦荞幼苗根长的影响 由图2可知，苦荞在没有使用重金属铅溶液胁迫的CK中长势最好，与CK相比，Pb胁迫抑制了苦荞幼苗根生长，G0处理的主根长到1 cm左右后就停止生长，且经过不同质量浓度赤霉素浸泡后的苦荞种子根长也没有明显差异，均在1 cm左右，仅G2处理稍有缓解，但效果不明显。所以，种子在800 mg/L铅溶液下根的生长严重受到抑制，使用赤霉素浸种后并无明显缓解效果。

2.1.3不同质量浓度赤霉素处理对苦荞幼苗不定根数量的影响 由图3可知，CK的不定根数量明显小于铅胁迫处理，仅为1条，结合根长变化分析可知，铅胁迫会破坏植物原来的根系，抑制植物根系生长。通过比较不同质量浓度赤霉素处理后苦荞的不定根数量可以看出，赤霉素处理G1～G5的不定根数量较G0处理有一定减少，在赤霉素100 mg/L的G5处理下不定根数量最少，为3条，与其他质量浓度赤霉素处理间差异显著（P＜0.05）。说明种子在100 mg/L赤霉素浸种后，在800 mg/L铅溶液下苦荞不定根数最接近正常。

2.1.4 不同浓度赤霉素处理对苦荞幼苗茎长的影响 从图4可以看出，与CK相比，Pb胁迫下不同处理苦荞长势缓慢，茎长普遍较低，在6 cm左右，而CK茎长可以达到12 cm以上。说明800 mg/L的铅溶液显著抑制了苦荞的茎生长，只能达到正常值的1/2。通过不同浓度赤霉素浸种，仅40 mg/L赤霉素浸种下能使苦荞茎长有所增长，且差异显著，说明赤霉素浸种对铅胁迫环境下苦荞茎长具有一定作用，但一定质量浓度的赤霉素浸种才具有显著促进作用。

2.2 不同质量浓度赤霉素处理对铅胁迫下苦荞幼苗生理指标的影响

2.2.1 不同质量浓度赤霉素处理对苦荞幼苗可溶性蛋白含量的影响 由图5可知，CK下苦荞幼苗的可溶性蛋白含量只有1 mg/g，与CK相比，Pb胁迫显著提升了苦荞幼苗可溶性蛋白含量，苦荞受到铅胁迫后可溶性蛋白含量均高于3 mg/g。通过比较不同质量浓度赤霉素处理后苦荞可溶性蛋白含量可以发现，赤霉素浸种与未浸种G0处理中可溶性蛋白含量差异显著（P＜0.05），呈先下降后上升的趋势，可溶性蛋白含量最高可达5.2 mg/g。其中，G3处理的苦荞在铅溶液下可溶性蛋白含量最低，为2.9 mg/g，差异达到显著水平（P＜0.05），这表明一定质量浓度赤霉素浸种对苦荞铅胁迫具有显著缓解作用。

2.2.2 不同质量浓度赤霉素处理对苦荞幼苗可溶性糖含量的影响 由图6可知，苦荞受到800 mg/L重金属铅溶液胁迫后G0处理，与CK相比，Pb胁迫增加了苦荞幼苗体内的可溶性糖含量，且增加了14.4 mg/g；而经赤霉素浸泡后的种子可溶性糖含量呈缓慢上升趋势，20 mg/L赤霉素浸泡后苦荞幼苗的可溶性糖含量达到峰值，为27.7 mg/g。说明当苦荞受到重金属铅胁迫后会促进体内可溶性糖的积累，并且20 mg/L赤霉素浸种处理的积累量达到最大，植物的抗逆性最高；当用5 mg/L赤霉素浸种时，苦荞幼苗的可溶性糖积累量最低，为19.9 mg/g，说明赤霉素在帮助铅胁迫下苦荞积累可溶性糖上具有促进作用。

2.2.3不同质量浓度赤霉素处理对苦荞幼苗超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响 从图7可以看出，与CK相比，Pb胁迫显著增加了苦荞幼苗体内的SOD活性，增加了965 U/（g·h），但使用外源赤霉素浸种后呈逐步下降趋势，在40 mg/L赤霉素浸种下苦荞SOD活性最低，且差异显著，只有400 U/（g·h），说明赤霉素浸种能够显著降低铅胁迫下苦荞SOD活性，从而达到增强苦荞耐铅性的作用。

2.2.4 不同质量浓度赤霉素处理对苦荞幼苗丙二醛含量的影响 从图8可以看出，与CK相比，Pb胁迫增加了苦荞幼苗体内的丙二醛含量。CK下苦荞幼苗的丙二醛含量为6.46 μmol/g，而经Pb胁迫后G0处理上升了1.55 μmol/g，说明铅胁迫会使苦荞质膜受损，导致丙二醛含量增加。通过赤霉素浸种后发现，低质量浓度赤霉素浸种对苦荞质膜受损并无缓解作用，20 mg/L赤霉素处理的苦荞幼苗丙二醛含量最低，为7.6 μmol/g，但随着赤霉素质量浓度逐步增加，缓解作用降低，苦荞丙二醛含量增加，说明经一定质量浓度赤霉素溶液浸种，可以有效提升苦荞耐铅性。

2.2.5 不同质量浓度赤霉素处理对苦荞幼苗游离氨基酸含量的影响 由图9可知，与CK相比，苦荞受到重金属铅胁迫后会显著增加苦荞体内游离氨基酸的含量。G1、G2处理经过赤霉素浸种后游离氨基酸含量较G0处理分别下降了3.41、6.66 mg/g，G2处理下降至最低值，该处理的缓解胁迫效果最佳，接近CK处理的游离氨基酸含量，随后又呈逐步上升趋势，说明一定质量浓度赤霉素浸种后，可以显著提升苦荞耐铅性。

3 结论与讨论

3.1 铅胁迫下赤霉素浸种对苦荞形态指标的影响

重金属铅胁迫会对植物的生长发育造成一定程度的伤害，经赤霉素浸种后，可以一定程度提高植物耐铅性。发芽率大小可作为苦荞种子受到铅胁迫程度的一个重要指标[9]。研究表明，种子在受到铅胁迫时，发芽率会明显降低。刘枫[10]的研究也表明，铅胁迫对水稻种子的萌发具有较大的抑制作用。本试验中，铅溶液胁迫苦荞会严重降低其发芽率，破坏根系生长，影响苦荞茎长生长，经40 mg/L赤霉素水溶液浸种后可以有效提升苦荞发芽率，但对苦荞茎长的改善没有明显作用，此结果与前人研究结果一致[11]。张春雨等[12]研究发现，赤霉素可以使白杨或者拟南芥胚轴基部不能形成生长素峰值，达到抑制不定根生长的效果。由于重金属铅会诱导苦荞不定根的生长，而赤霉素又可以抑制不定根的启动。本试验比较G0～G5处理，经过40 mg/L赤霉素浸种后苦荞种子发芽率均可以达到70%以上，表明赤霉素可以抑制不定根生长，这与张焕欣等[13]的研究结果一致。

3.2 铅胁迫下赤霉素浸种对苦荞生理指标的影响

可溶性蛋白含量是用来衡量植物是否受到重金属胁迫的重要指标。任秀娟等[14]研究表明，玉米在受到高浓度铅污染后体内的可溶性蛋白含量会明显升高。当植物遭受到重金属胁迫后，组织细胞会积累可溶性糖，保持水分正常供应，以保证植物的正常生理活动[15]。为消除大量产生的氧自由基，SOD活性也会急剧上升。同时，铅胁迫使得植物膜系统受到毒害，加重膜脂化情况，植物体内会积累大量丙二醛。本试验结果表明，铅胁迫可显著提高苦荞可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛和游离氨基酸含量，提升SOD活性，这与前人研究结果一致。

研究表明，低浓度的赤霉素可以降低铅胁迫下苦荞可溶性蛋白含量，而高浓度的赤霉素会使苦荞可溶性蛋白含量升高[16]。本试验结果表明，经赤霉素浸种后的苦荞种子在铅胁迫环境下，可溶性蛋白含量呈先下降后上升的趋势；赤霉素质量浓度在5～10 mg/L时，可溶性糖含量得到抑制，但随着赤霉素质量浓度增加，可溶性糖含量抑制效果不明显，说明苦荞在铅胁迫下赤霉素对可溶性糖积累无明显作用。SOD具有消除氧自由基的特殊生理活性，是生物体内去除氧自由基的关键物质[17]。经40 mg/L赤霉素浸种后的苦荞在铅胁迫环境下SOD活性会出现显著性降低，说明当苦荞受到铅胁迫后，赤霉素可以缓解铅对苦荞胁迫的影响，减少体内氧自由基的含量，使苦荞中SOD活性保持正常值。苦荞受到高浓度重金属铅的毒害后，苦荞细胞膜系统遭到了严重破坏，经赤霉素浸种也很难缓解这种伤害，导致本试验中赤霉素浸种后苦荞丙二醛含量仍然难以降低；苦荞经10 mg/L赤霉素溶液浸种后可以降低游离氨基酸的含量至正常值，说明赤霉素具有抑制铅胁迫的作用。在生理指标方面，本试验结果与前人研究结果一致。