铅、镉胁迫对紫穗槐种子萌发及幼苗生理特性的影响

朱鸿涛

摘要：为揭示重金属铅（Pb2+）、镉（Cd2+）对紫穗槐（Amorpha fruticosa）种子萌发及幼苗生长和生理的影响，探究了不同浓度重金属Pb2+（浓度设置为400、800、1200、1600、2 000 mg·L-1）和Cd2+（20、40、60、80、100 mg·L-1）胁迫对紫穗槐种子萌发、幼苗生长、渗透调节物质、抗氧化酶活性及脂质过氧化的影响。结果表明：Pb2+胁迫对紫穗槐种子发芽率、发芽势没有显著影响，Cd2+胁迫对发芽率和发芽势具有抑制作用，胚根胚轴长度与Pb2+、Cd2+浓度负相关;游离脯氨酸和MDA含量与Pb2+、Cd2+浓度正相关，可溶性蛋白随Pb2+、Cd2+浓度增加其含量先上升后下降;在所设置的范围内，CAT、POD、SOD活性均显著上升，且随着浓度的提高，促进作用呈现先升后降的趋势，在Pb2+浓度为1600 mg·L-1、Cd2+浓度为80 mg·L-1时达到最高而后开始降低。Pb2+、Cd2+使紫穗槐幼苗脂质过氧化，并且通过对渗透调节物质和抗氧化酶活性的影响，导致幼苗生长受到抑制，有明显的毒害作用。

关键词：紫穗槐;铅;镉;种子萌发;抗氧化

分类号：Q945.78

Effects of Pb2+、Cd2+ Stress on Seed Germination and Seedling Physiological Characteristics of Amorpha fruticosa

Zhu Hongtao

（School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： The effects of heavy metal Pb2+ and Cd2+ on seed germination， seedling growth and physiology of Amorpha fruticose. The germination experiment of Amorpha fruticose seed were carried out tostudy the effects of explored different concentrations of heavy metal Pb2+ （concentrations set to 400， 800， 1200， 1600， 2000mg/L） and Cd2+ （20， 40， 60， 80， 100mg/L） on germination， seedling growth， antioxidant enzyme activity，membrane lipid peroxidation，and osmoregulation substances of Amorpha fruticose seeds.The results showed that Pb2+ stress had little effect on the germination rate and germination potential of Amorpha fruticose seeds. Cd2+ stress had an inhibitory effect on the germination rate and germination potential. The length of the radicle hypocotyl was negatively correlated with the concentration of Pb2+ and Cd2+.the content of proline and MDAare positively correlated with the concentration of Pb2+ and Cd2+， and the content of the soluble protein increases first and then decreases with the increase of the concentration of Pb2+ and Cd2+.Within the set range， the activities of CAT， POD and SOD were all increased significantly， and with the increase of concentration， the promoting effect showed a trend of increasing at first and then decreasing， reaching the highest and then decreasing at the concentration of Pb2+ 1600mg/L and Cd2+ 80mg/L.Pb2+， Cd2+ make Amorpha fruticose seedlings lipid peroxidation， and through their effects on osmotic adjustment substances and antioxidant enzyme activities， the growth of seedlings is inhibited， which has obvious toxic effects.

Keywords： Amorpha fruticosa; lead; cadmium; seed germination; antioxidation

鉛、镉是常见的重金属污染物[1]，已成为土壤富集含量最多的重金属种类[2]，进入土壤后不仅影响土壤的理化性质，还会影响植物的生长发育，通过植物吸收富集于植物体内，最终经由食物链进入人类体内富集，严重危害人体健康[3]。利用生长迅速、生物量大、根系发达的木本植物进行重金属污染修复，具有安全环保、无二次污染且成本低廉的优点，是修复重金属污染土壤的研究热点[4]。在植物生长的过程中，种子萌发时期最为脆弱，受外界影响最为明显，是评价植物抗逆性的重要时期[5]。

紫穗槐（Amorpha fruticosa）是一种原产自美国的落叶灌木，为豆科紫穗槐属，耐瘠、耐旱，具有固氮能力，又因其生长迅速，根系发达，生物量大，是优良的护坡植物，在我国多省份均有栽种[6-8]。已有研究发现，紫穗槐具有较强的對干旱、盐碱和重金属的耐受性[9-13]以及重金属富集能力[14]，能够在干旱的沙地和受重金属污染的土壤上生长[15]，修复受重金属污染的土壤[16]，但对于重金属铅、镉抗逆性的研究较少。本研究以紫穗槐种子为试验材料，研究不同浓度重金属铅、镉对种子萌发、幼苗生长及生理水平的影响，为重金属污染地区的土壤修复提供理论基础和科学依据。

1材料与方法

1.1 试验材料

供试种子于2020年9月15日采集于哈阿高速公路两侧长势良好的紫穗槐植株，种子千粒质量12.21g，置于实验室常温避光保存。

试剂配置成Pb（NO3）2和CdCl2溶液，Pb2+溶液浓度设定为400、800、1200、1600、2000 mg·L-1，Cd2+溶液浓度设定为20、40、60、80、100 mg·L-1，以蒸馏水处理作为对照。

1.2 试验方法

选取大小一致、健康饱满的紫穗槐种子，剥去外壳后使用800目砂纸打磨种皮，使用浓度为75%的乙醇消毒3min，用蒸馏水冲洗数次，将种子在对应浓度溶液中浸泡4h[17]，使用无菌滤纸吸干水分备用。将两张滤纸平铺在培养皿（直径9cm）底部，于高压灭菌锅中120℃高温高压灭菌20min。灭菌后的培养皿中加入对应浓度溶液5mL，充分润湿滤纸且无气泡。每对培养皿中放入30粒紫穗槐种子，每个处理3次重复。将培养皿置于人工气候箱中培养，设定温度25±1℃，湿度60%，光照强度8 000 lx，光照时间14h·d-1。根据滤纸湿润情况，每1-2 d补充对应浓度的溶液。每天观察记录种子发芽数，以胚根突破种皮长度达到种子长度的一半为萌发标志，种子萌发恒定后（连续3d没有新的种子萌发），结束试验，进行指标的测定和计算。

1.3指标测定

1.3.1紫穗槐幼苗胚根长度、胚轴长度的测定和计算

采用最小刻度为1mm的刻度尺测量萌发后幼苗的胚根长度、胚轴长度，每个处理3组重复。

1.3.2 紫穗槐种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数的计算

发芽率（%）=试验期间种子发芽数/供试种子总数×100%;发芽势=发芽高峰发芽种子数/供试种子数×100%;发芽指数GI=∑Gt/Dt，式中：Gt—种子在第t日的发芽数，Dt—相应的发芽天数;活力指数=幼苗长度×发芽指数

1.3.3 紫穗槐幼苗生理指标测定

过氧化物歧化酶（POD）活性采用愈创木酚法测定[18];过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定[18];超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑光还原法测定[18];可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[18];游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定[18];丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸（TBA）法测定[18];

1.4数据处理与统计分析

试验数据采用Microsoft Excel软件进行统计，采用SPSS26.0进行单因素方差分析（ANOVA）和Duncan检验比较差异显著性，采用Origin2021进行图形绘制。

2结果与分析

2.1不同浓度Pb2+、Cd2+溶液对紫穗槐种子萌发的影响

由表1可知，随着Cd2+浓度升高，紫穗槐种子发芽率、发芽势和活力指数显著降低，当Cd2+浓度为100 mg·L-1时，抑制作用最强，发芽率和发芽势分别为84.44%和81.11%，比对照降低了8.89和10.0个百分点，活力指数比对照显著降低83.92%;Pb2+浓度变化对发芽率、发芽势和发芽指数影响差异不显著，对活力指数影响显著，比对照降低了83.92%。

2.2不同浓度Pb2+、Cd2+溶液对紫穗槐幼苗生长的影响

由图1可知，Pb2+、Cd2+浓度与紫穗槐幼苗胚根长度和胚轴长度显著负相关，当Pb2+浓度为2000 mg·L-1和Cd2+浓度为100 mg·L-1时，抑制作用最强，胚根长度分别为0.42和0.52cm，胚根抑制率为91.52%、88.48%;胚轴长度为1.23和1.08cm，胚轴抑制率为69.33%和73.07%。

2.3不同浓度Pb2+、Cd2+溶液对紫穗槐渗透调节物质含量的影响

由表3可知，紫穗槐幼苗可溶性蛋白含量随着Pb2+、Cd2+浓度的升高而先升高后降低，各处理组均高于对照组，且差异显著，当Pb2+浓度为400 mg·L-1和Cd2+浓度为80 mg·L-1时，可溶性蛋白含量最高，比CK增大了28.27%和57.65%。脯氨酸含量与Pb2+、Cd2+浓度显著正相关，当Pb2+浓度为2000 mg·L-1和Cd2+浓度为100 mg·L-1时，脯氨酸含量最高，比CK增大了194.35%和94.05%。

2.4不同浓度Pb2+、Cd2+溶液对紫穗槐抗氧化酶的影响

由表3可知，SOD、POD、CAT活性随Pb2+、Cd2+浓度增加而先上升后下降，各处理组均高于对照组，且差异显著。当Pb2+浓度为1600 mg·L-1和Cd2+浓度为80 mg·L-1时，SOD活性最高，比CK上升了87.53%和84.99%;当Pb2+浓度为1600 mg·L-1和Cd2+浓度为80 mg·L-1时，POD活性最高，比CK上升了539.98%和306.65%;当Pb2+浓度为1600 mg·L-1和Cd2+浓度为80 mg·L-1时，CAT活性最高，比CK上升了107.11%和192.08%。

2.5不同浓度Pb2+、Cd2+溶液对紫穗槐幼苗脂质过氧化的影响

丙二醛（MDA）是脂质过氧化的代谢产物，其含量的多少可以表明脂质过氧化程度的高低[19]。由表3可知，紫穗槐幼苗MDA含量与Pb2+、Cd2+浓度显著正相关，当Pb2+浓度为2000mg/L和Cd2+浓度为100mg/L时，MDA含量最高，比CK增高了38.23%和37.41%，表明此时其脂质过氧化程度最严重。

3结论与讨论

3.1Pb2+、Cd2+对种子萌发及幼苗生长的影响

重金属Pb2+、Cd2+是植物生长发育过程中不需要的元素，植物从种子萌发到幼苗生长阶段都会受到其深远的毒害作用，可能会出现植物生长变慢、生物量减小、植株矮小、根系生长受到抑制等现象，严重时植株死亡[20]。本试验表明，重金属Pb2+、Cd2+对紫穗槐种子发芽率、发芽势的影响不同，Cd2+显著抑制种子发芽率和发芽势，而Pb2+对发芽率和发芽势影响不显著。这可能是种子通过吸涨作用完成内部储藏物质的代谢分解，因此铅对种子的毒害作用会被部分掩盖[21-23];而镉的毒性远强于铅，即使少量也会使种子内部的蛋白质酶和淀粉酶活性受到抑制，导致萌发所需的物质与能量匮乏，使发芽率降低[24， 25]。

本实验中，胚根长度、胚轴长度等在Pb2+、Cd2+低浓度时即有抑制效果，浓度越高抑制效果越强;Pb2+、Cd2+对紫穗槐幼苗胚根长度的抑制作用比胚轴更强，说明Pb2+、Cd2+对幼苗胚根的毒害作用比胚轴更显著，这可能是因为Pb2+、Cd2+被根系细胞壁的脂质和蛋白质大量固定，影响了Ca2+跨膜运输，导致Ca-ATP酶与钙调素CAM无法激活，抑制了根部细胞的有丝分裂，抑制植物根系对外界物质的吸收，最终抑制胚轴的生长发育[26]。

3.2 Pb2+、Cd2+对生理指标的影响

逆境因子会引发渗透胁迫，植物为了适应外界条件抵抗胁迫压力从而进行渗透调节，渗透调节是植物抵抗逆境胁迫的有效方式[27]。在重金属胁迫下，为了维持植物细胞和组织的渗透平衡，大量的渗透调节物质，如可溶性蛋白和游离脯氨酸，在植物体内合成和积累[28]，其含量是评价植物抗重金属胁迫能力的生理指标。本试验中，当Pb<400 mg·L-1，Cd<80 mg·L-1时紫穗槐幼苗的可溶性蛋白含量随浓度升高而高，当Pb>400 mg·L-1，Cd>80 mg·L-1时可溶性蛋白浓度开始降低;游离脯氨酸含量随着Pb2+、Cd2+浓度升高而显著增加;这表明Pb2+、Cd2+脅迫能够诱导紫穗槐产生更多的可溶性蛋白来维持细胞渗透压，从而提高对Pb2+、Cd2+胁迫的抗逆性。

Pb2+、Cd2+胁迫会刺激植物产生大量的活性氧自由基，而植物体内的抗氧酶防卫系统能清除自由基，保护植物细胞免受氧化损伤[29]。植物的抗氧化酶系统主要由过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）组成[30]。SOD将超氧阴离子自由基（-O2-）通过歧化反应歧化为养活性较弱的H2O2和羟基自由基（-OH），再由POD、CAT将H2O2分解成H2O，从而减少自由基的损伤，在低浓度重金属胁迫下，会促使植物抗逆基因表达，激活植物抗氧化系统，随着植物体内-O2-和H2O2过量积累，植物体内活性氧自由基的动态平衡被打破，酶系统开始被破坏，酶活性降低[31-33]。当Pb2+<1600 mg·L-1、Cd2+<80 mg·L-1时紫穗槐幼苗的抗逆基因表达CAT、POD、SOD三种酶活性均随浓度升高而增大，当Pb2+>1 600 mg·L-1、Cd2+>80mg/L时抗氧化酶系统被破坏，CAT、SOD、POD酶活性开始显著下降。

丙二醛（MDA）是植物中活性氧自由基和脂质相互作用进而导致脂质过氧化的产物，逆境胁迫会引起丙二醛的累积，造成蛋白质、核酸等大分子的交联聚合，降低植物细胞中蛋白质代谢效果，也会对细胞膜系统、光合作用等产生较大的危害，丙二醛含量间接反映了细胞水平由于自由基导致的氧化损伤程度[19， 34]。紫穗槐幼苗的丙二醛含量随着Pb2+、Cd2+浓度的增加而显著上升，说明Pb2+、Cd2+胁迫使紫穗槐细胞膜受到破坏。

综上所述，Pb2+、Cd2+紫穗槐幼苗的发育虽然受到了抑制，但通过抗氧化酶和渗透调节系统的作用，使紫穗槐种子仍能够保持较高的萌发率，说明紫穗槐对Pb2+、Cd2+单一胁迫具有较好的抗逆性。在自然环境中，重金属胁迫往往是以复合胁迫的方式存在，因此，研究重金属之间的复合胁迫及野外试验，对进一步了解紫穗槐对重金属的抗逆性具有更重要的意义。

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