重金属胁迫对牛蒡种子萌发及幼苗生长的影响

谭洪伟 左明博 何月庆 付靖雯 高天鹏

摘    要：为了研究重金属胁迫对植物种子萌发及幼苗生长的影响，以牛蒡为材料，研究了不同浓度的锌、镍、铜、铬、铅、镉6种重金属对牛蒡种子萌发及幼苗生长的影响，结果表明，重金属胁迫后的牛蒡种子发芽率和幼苗芽长显著低于对照组;牛蒡幼苗体内过氧化氢酶（CAT）活性随重金属胁迫浓度的增加出现先上升后下降的趋势，在高浓度铜、锌、镍、镉处理下，CAT活性下降并最终低于对照组，高浓度铅胁迫下CAT活性有所下降但仍旧高于对照组，铬胁迫下植物全部死亡。研究结果表明，重金属胁迫对种子萌发和幼苗生长有明显的抑制作用，且牛蒡幼苗对重金属有一定的抗性。

关键词：牛蒡;重金属胁迫;种子发芽率;幼苗发育;CAT活性

文章编号：1005-2690（2022）02-0010-04       中国图书分类号：R282.71       文献标志码：B

土壤是人类生存不可或缺的资源。人类从土壤中获得休养生息的物质财富，没有土地，人类难以生存。但人们在日常生活中对土壤资源缺乏足够的保护意识，造成土壤污染状况日趋严重。重金属污染是土壤污染中危害最大、影响面积最广的，极大地破坏了生态环境，损害了人们的身体健康，甚至严重威胁到我国的可持续发展。全国土壤污染状况调查于2005—2013年进行，2014年4月17日公布调查结果。全国土壤中镉的点位超标率为7%，汞为1.6%，砷为2.7%，铜为2.1%，铅为1.5%，铬为1.1%，锌为0.9%，镍为4.8%。目前，我国土壤镉、铬、铅等重金属污染严重[1]。据不完全统计，我国目前约有1 000万hm2农田受到了污染，每年生产的受重金属污染的粮食达1 200万t，情况不容乐观[2]。重金属具有易积累和毒性大的特点，不仅会造成耕地质量下降、农产品质量低等危害，还会迁移到农产品中，随着食物链的传递最后进入人体并在人体内富集，对人体造成危害[3-4]。

牛蒡（Arctium lappa L.）为多年生菊科草本药用植物，其根、叶、果均可入药，具有降血糖、抗菌、抗肿瘤、降血压、轻度利尿及下泻作用，还具有疏散风热、宣肺透疹、利咽化痰、解毒通便的功效，主治感冒头痛、咽喉不利、咳嗽不爽、咽喉肿痛等，作为一种具有营养与保健功能的食品受到消费者喜爱[5-7]。近年来，随着农田重金属污染的加剧，重金属胁迫对种子萌发的研究越来越多，但重金属胁迫对牛蒡种子萌发的研究较少。研究不同浓度、不同重金属对牛蒡种子萌发及幼苗生长的影响，具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用的牛蒡种子是农业生产上所用的种子。

1.2 试验方法

1.2.1 种子萌发阶段

选取直径为9 cm的培养皿，皿内以定性滤纸为发芽床，将配好的含有不同重金属浓度的重金属溶液置于培养皿中至滤纸饱和，重金属浓度见表1。挑选饱满的种子放入皿内，每个培养皿均匀放入20颗，每处理设3组平行。以等量蒸馏水培养作对照（0组）。28 ℃下培养，种子萌发后，每天定时观察记录发芽情况，直至对照种子发芽基本不再变化，所有培养时间约持续7 d。试验结束后将幼苗取出，分别测量幼苗的苗高，数据取各平行组均值。

1.2.2 土壤培育重金属胁迫幼苗阶段

根据前期重金属对水培植物种子发芽率的影响结果分析，本试验牛蒡种子进行土培，再挑选长势较好幼苗进行不同浓度梯度的铜、锌、镍、铅、铬、镉胁迫，观察幼苗的生长状况，并采集胁迫21 d后的植物叶片作为试验材料进行后续测试。

1.2.3 CAT活性测定

CAT活性通过分光光度法进行测定[8]，取植物叶片0.5 g，加入5 mL磷酸缓冲液，研磨充分后，12 000 r/min离心15min，取上清液适当稀释后用于酶活性的测定。在3 mL反应体系中，包括0.3% H2O2 1 mL、H2O 1.95 mL，最后加入0.05 mL酶液，启动反应，测定240 nm波长处的OD降低速度。将每分钟的OD减少0.01定义为1个活力单位。

1.3 统计分析

试验数据采用Microsoft Excel、Origin 2018、SPSS 13.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度重金属对牛蒡种子发芽率的影响

由图1可知，经重金属胁迫后，牛蒡种子发芽率较对照下降，说明重金属胁迫对牛蒡种子萌发有明显的抑制作用。當铜浓度大于50 mg/L、镉浓度大于0.5 mg/L时，随浓度升高，铜和镉对种子萌发的抑制作用加剧。该结果与宋红和田晓璇（2020）[9]研究铜、镉单一及复合胁迫对玉蝉花种子萌发的影响结果一致;锌胁迫下随着锌浓度升高，牛蒡种子的发芽率出现一定波动，表现出低抑制、高刺激的现象，该结果与吴羽晨等（2020）[10]对麦瓶草的研究结果一致;铅胁迫下，随着铅浓度升高，牛蒡种子发芽率下降，铅对牛蒡种子的毒害作用加剧;铬胁迫下，随着铬浓度升高，牛蒡种子发芽率下降，铬对牛蒡种子的毒害作用加剧;镍胁迫下，镍浓度为50 mg/L时出现峰值，当镍浓度大于50 mg/L时，随着镍浓度升高，牛蒡种子发芽率下降，镍对牛蒡种子的毒害作用加剧。

2.2 不同浓度重金属胁迫对幼苗长度的影响

由图2可知，幼苗芽长在锌溶液50 mg/L时出现最大值，随锌浓度增加出现低促高抑现象;在镉胁迫下幼苗芽长较对照明显减小，说明不同浓度镉胁迫对幼苗生长有明显的抑制作用，但在镉浓度大于1.0 mg/L时出现波动;在铜、铬、镍、铅胁迫下，幼苗芽长较对照明显减小，说明不同浓度重金属对幼苗生长有明显的抑制作用，且随重金属浓度的增加，抑制作用加剧。这一结果与许志敏等（2020）[11]研究铜、锌胁迫对粉黛乱子草种子萌发及抗氧化特征影响以及王桠楠等（2020）[12]关于铅对鸡爪大黄种子的幼苗生长研究结果一致。

2.3 不同浓度重金属对CAT活性的影响

由图3可知，牛蒡幼苗在低浓度的重金属胁迫下CAT的活性比空白对照组略高，随着重金属浓度的提升，达到某一特定值时开始出现下降趋势。低浓度时，铜、镍、镉、铅元素胁迫下，试验样品体内CAT活性大幅度提升，而锌元素胁迫下试验样品体内CAT活性较对照组数据没有明显变化规律;随着浓度提升，铜、镉在试验设置的最高浓度梯度时，试验样品体内CAT活性明显低于对照组，而高浓度铅胁迫下植物样品体内CAT含量仍旧高于对照组。另外，在铬胁迫下的植物全部死亡，说明铬胁迫对植物幼苗的毒害程度较其他5种重金属更大。

2.4 重金属胁迫与种子萌发和幼苗生长的相关性分析

通过表2相关性分析可知，铜元素与幼苗长度和酶活性在0.01水平上呈现显著负相关，说明铜对牛蒡的毒害作用主要在幼苗生长阶段，对种子萌发的影响较小;锌与幼苗长度在0.01水平上呈现显著负相关，而与种子萌发和CAT酶活性相关性不显著;镍与幼苗长度在0.01水平上呈现显著负相关，与发芽率和CAT酶活性在0.05水平上呈现显著负相关，说明镍对牛蒡幼苗生长时期毒害作用大于种子萌发时期;铬与发芽率和幼苗长度均在0.01水平上呈现显著负相关，且在铬胁迫处理下植物全部死亡，说明铬在种子萌发时期和幼苗生长时期对牛蒡都有毒害作用，且毒害作用较大;铅与幼苗长度在0.01水平上呈现显著负相关，与发芽率在0.05水平上呈现显著负相关，说明铅对牛蒡幼苗生长时期毒害作用大于种子萌发时期;镉发芽率在0.01水平上呈现显著负相关，与幼苗长度和CAT酶活性相关性不显著，说明镉对牛蒡的毒害作用主要在种子萌发阶段。

3 讨论

通过相关性分析发现，6种重金属与牛蒡种子发芽率、幼苗长度及CAT酶活性均呈负相关关系，说明各种重金属对牛蒡种子萌发及幼苗生长均有不同程度的毒害作用。由试验结果可知，经重金属胁迫后，牛蒡种子发芽率较对照明显下降，说明重金属胁迫对牛蒡种子萌发有明显的抑制作用。但不同浓度重金属对牛蒡种子萌发的影响不同，在铜、铅和镉胁迫下，随着重金属胁迫浓度升高，种子发芽率呈下降趋势，说明铜、铅和镉浓度越大，对牛蒡种子的毒害程度越大。在镍和铜胁迫下，牛蒡种子发芽率呈现先上升后下降的趋势，在低浓度（<50 mg/L）下，镍和铜对牛蒡种子萌发的影响较小，但超过一定浓度（>50 mg/L）后，随着重金属浓度升高，对牛蒡种子的毒害程度加剧。在锌胁迫下，随着锌浓度升高，牛蒡种子发芽率呈现先下降后上升的趋势，表现出低抑制高促进的现象。

在铜、铬、镍、铅胁迫下，幼苗芽长较对照明显减小，重金属对幼苗生长有明显的抑制作用，且随重金属浓度升高，抑制作用加剧。在镉胁迫下，幼苗芽长较对照明显减小，说明不同浓度镉胁迫对幼苗生长有明显的抑制作用，但在镉浓度大于1.0 mg/L时出现波动，其原因需要进一步研究。在锌胁迫下，随锌浓度增加，幼苗长度先增长后降低，并在一定浓度下出现低促进高抑制的现象，这一结果与李春喜等（2006）[13]研究As、Zn复合污染对小麦幼苗生长及生理生化反应的影响研究结果一致。CAT是一种广泛存在于动植物体内的抗氧化酶[14]，在植物中，CAT主要清除线粒体电子传递、β-脂肪酸氧化以及光呼吸等过程中产生的过氧化氢，以防止活性氧自由基对植物造成的伤害，其活性与植物的抗逆性密切相关。本试验研究表明，经重金属胁迫的牛蒡幼苗体内CAT活性随重金属浓度的增加出现先上升后下降的趋势，在铜、锌、镍、镉处理下，当重金属大于一定浓度时，CAT活性下降并最终小于对照组，这说明牛蒡幼苗对低浓度重金属有一定的抗性。而在高浓度铅胁迫下牛蒡幼苗体内CAT含量仍旧高于对照组，说明牛蒡幼苗对铅的胁迫抗性较强。

4 结论

重金属胁迫对牛蒡种子萌发和幼苗生长有明显的抑制作用。和种子萌发期相比，牛蒡苗期对重金属的抗性逐渐增强。

参考文献：

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