銅脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響

林泮+那日蘇+徐妍妍+張鳳杰

摘 ? ?要：以小麥種子為材料，采用培養(yǎng)皿濾紙發(fā)芽法，研究銅脅迫對(duì)種子發(fā)芽的影響。結(jié)果表明：低濃度銅脅迫可促進(jìn)小麥種子發(fā)芽，短時(shí)間內(nèi)高濃度銅脅迫可促進(jìn)小麥的發(fā)芽，但隨著時(shí)間的增加，小麥的發(fā)芽最終受到抑制;細(xì)胞表面存在抵抗機(jī)制，可在短期內(nèi)保護(hù)細(xì)胞膜完整性，但隨著時(shí)間與濃度的增加，自抵抗作用喪失。

關(guān)鍵詞：銅脅迫;小麥種子;發(fā)芽率;細(xì)胞膜透性

中圖分類號(hào)：S512.1 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.11.029

Effect of Copper stress on Wheat Seed Germination

LIN Pan， NA Ri-su， XU Yan-yan， ZHANG Feng-jie

（College of Environmental and Resource Sciences， Dalian Nationalities University， Dalian， Liaoning 116600，China）

Abstract： The purpose of this study was to investigate the effects of copper stress on germination of liaomai 26 wheat feed. The results showed that low concentration of copper stress could promote the germination of wheat seeds. In short time， the high concentrations of copper stress might promote the wheat germination， but with increasing time， the final germination rates were inhibited. Resistance mechanisms existed in the cell surface， it could protect the integrity of cell membrane in the short term， but with the increase of concentration and time， it couldnt protect the loss ultimately.

Key words： copper stress; wheat seed;germination rate;cell membrane permeability

銅是植物必需的微量營養(yǎng)元素，是植物體內(nèi)很多關(guān)鍵酶的輔基，但超過一定數(shù)量會(huì)嚴(yán)重影響植物的代謝機(jī)制。 因“三廢”排放引起的土壤和水體重金屬污染日益加重，農(nóng)作物中銅蓄積問題嚴(yán)重，沿著食物鏈傳遞將嚴(yán)重危害人體健康[1]。小麥?zhǔn)俏覈狈街匾募Z食作物， 研究因冶煉、礦業(yè)、能源生產(chǎn)和農(nóng)藥使用帶來的銅污染對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響尤為重要[2]。目前，關(guān)于重金屬脅迫對(duì)小麥生長發(fā)育的影響研究多數(shù)集中在鉻鹽污染和對(duì)幼苗生長階段的形態(tài)學(xué)分析方面，而關(guān)于銅鹽對(duì)小麥種子萌發(fā)階段的影響的研究報(bào)道很少。本研究以小麥為試驗(yàn)材料，采用室內(nèi)水培法研究銅脅迫對(duì)小麥種子發(fā)芽率、膜透性和幼苗生長與生理代謝的影響，探討小麥種子在銅脅迫下的反應(yīng)機(jī)制，為深入研究銅脅迫下植物的生長與代謝機(jī)制提供幫助。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

供試小麥品種選取遼春26號(hào)， 產(chǎn)自遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所。 試劑為天津科密歐試劑有限公司提供的氯化銅（CuCl2，分析純）。

1.2 試驗(yàn)方法

挑選籽粒飽滿，大小均一的遼春26號(hào)小麥種子于燒杯中，加入適量0.5%的次氯酸鈉溶液消毒10 min，再用蒸餾水沖洗數(shù)次，濾紙吸干后放入培養(yǎng)皿中開始試驗(yàn)，備用。取直徑10 cm的培養(yǎng)皿若干，每個(gè)平整放入兩張90 cm的濾紙。每個(gè)培養(yǎng)皿中均勻放入30粒種子，再分別加入0 mg·L-1（不添加銅離子的蒸餾水為對(duì)照），25，50，100 ，200 ，400，800 mg·L-1的氯化銅溶液，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。然后將所有培養(yǎng)皿置入（25±1） ℃恒溫箱中培養(yǎng)，光照8 h·d -1，每天補(bǔ)充1次水分，計(jì)算發(fā)芽個(gè)數(shù)及發(fā)芽率。以胚根長度大于3 mm時(shí)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)6天發(fā)芽數(shù)。每天發(fā)芽率（%）=6 d內(nèi)每天供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù)×100%。在第6、7、8天，用電導(dǎo)儀法測定相對(duì)電導(dǎo)率， 相對(duì)電導(dǎo)率 = （浸泡液中電導(dǎo)率值 /煮沸后電導(dǎo)率值 ） × 100%[3]。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅脅迫對(duì)小麥種子的萌發(fā)的影響

不同銅離子濃度的溶液處理小麥種子發(fā)芽率隨時(shí)間的變化情況如圖1。從圖1可以看出，隨著銅離子濃度的增加，種子的總發(fā)芽率隨之降低。觀察其發(fā)芽率可以發(fā)現(xiàn)，小麥第1天的發(fā)芽率隨銅含量的增加呈先增后減的變化趨勢，當(dāng)銅含量為200 mg·L-1時(shí)，小麥的發(fā)芽率最大，之后隨銅離子濃度的進(jìn)一步增加發(fā)芽率呈下降;從第2 天開始可觀察到銅離子濃度的增加對(duì)小麥發(fā)芽的抑制作用，并逐天增大。

2.2 銅脅迫對(duì)小麥種子質(zhì)膜透性的影響

采用相對(duì)電導(dǎo)率來表示銅離子對(duì)小麥質(zhì)膜透性的破壞程度，相對(duì)電導(dǎo)率越高，則說明細(xì)胞膜透性越大，植株收到了嚴(yán)重的毒害作用。

從圖2 可以看出，在不同濃度銅離子的脅迫下，第6 天的電導(dǎo)率呈不規(guī)律變化;第7、8 天電導(dǎo)率隨銅含量的增加呈先減后增的變化趨勢，且在相同濃度下，第7 天電導(dǎo)率較第8 天低。而在圖2數(shù)據(jù)中，800 mg·L-1的電導(dǎo)率都處于一個(gè)異常高的狀態(tài)下，就第7、8 天而言，800 mg·L-1的電導(dǎo)率甚至較當(dāng)日對(duì)照組的電導(dǎo)率高出一倍多。

3 結(jié)論與討論

許多植物的種子萌發(fā)和苗期對(duì)環(huán)境因子的影響較敏感，因此在重金屬脅迫下，萌發(fā)期和苗期植物生長的變化常作為評(píng)價(jià)植物重金屬忍耐度的重要指標(biāo)[4]。

對(duì)銅離子而言，小麥?zhǔn)潜容^敏感的植物。試驗(yàn)結(jié)果表明，銅離子濃度對(duì)小麥種子萌發(fā)期的影響表現(xiàn)分為兩個(gè)方面：就總發(fā)芽率來說，隨著濃度的升高，銅脅迫對(duì)小麥萌發(fā)的抑制作用增強(qiáng)。銅的存在，抑制了小麥種子淀粉酶的活性，降低貯存物質(zhì)的分解速度，而隨著濃度的增加，銅的富集作用使種子萌發(fā)所需物質(zhì)和能量的供用受阻，從而降低了萌發(fā)率[5]。另一方面觀察其第一天發(fā)芽情況，在一定范圍內(nèi)（0～200 mg·L-1），對(duì)小麥種子的萌發(fā)反而起到促進(jìn)效應(yīng)。分析其可能原因?yàn)椋喝芤号c小麥種子接觸時(shí)間不長，導(dǎo)致內(nèi)滲的銅離子濃度不是很高，而此時(shí)的濃度剛好對(duì)于小麥的萌發(fā)起到促進(jìn)作用;初期高濃度Cu2+引起了細(xì)胞活性氧的增加，從而刺激了保護(hù)酶系統(tǒng)，使保護(hù)酶活性增加[6]，保護(hù)酶可能激活小麥種子內(nèi)萌發(fā)酶從而促進(jìn)小麥種子的萌發(fā)。

重金屬與細(xì)胞壁的結(jié)合可阻止過多的金屬鹽進(jìn)入細(xì)胞原生質(zhì)，從而保證了植物細(xì)胞正常的代謝過程，但細(xì)胞壁對(duì)重金屬的容量是有限的。當(dāng)細(xì)胞壁的容量達(dá)到飽和時(shí)，重金屬鹽進(jìn)入細(xì)胞膜。細(xì)胞膜是細(xì)胞與環(huán)境的界面，是細(xì)胞進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的重要通道。正常的細(xì)胞膜具有選擇透性，如果把正常植物細(xì)胞放在蒸餾水中振蕩，細(xì)胞內(nèi)含物不易滲出細(xì)胞外。而當(dāng)細(xì)胞受傷后，破壞了細(xì)胞膜的選擇透性，細(xì)胞內(nèi)含物就易外淅，測定細(xì)胞膜外淅液電導(dǎo)度能判斷質(zhì)膜透性大小及受害程度[7]。從該試驗(yàn)結(jié)果來看，前期即第6 天細(xì)胞膜透性隨濃度呈不規(guī)律變化，第7、8 天變化較為平穩(wěn)規(guī)律。在第6 天取樣時(shí)細(xì)胞膜透性不規(guī)律的原因是此時(shí)發(fā)了芽的小麥種子仍處于Cu脅迫的前期，處于適應(yīng)階段，各種體內(nèi)的生理活動(dòng)變化比較劇烈，干擾各種物質(zhì)和離子的進(jìn)出[8]。第7、8天電導(dǎo)率隨銅含量的增加呈先減后增。隨脅迫時(shí)間延長，小麥耐性機(jī)制開始發(fā)揮作用，存在某些延遲響應(yīng)來抵御短期高銅處理所造成的傷害[9-11]，比如脯氨酸的積累可以抑制細(xì)胞膜的受損過程[12]，于是細(xì)胞膜透性先隨銅離子濃度的增加而降低。但保護(hù)功能是有限的，尤其是在高濃度下更明顯，小麥的耐性機(jī)制開始失效，細(xì)胞膜受到破壞，膜透性增加甚至可能完全通透，從而使細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，造成浸種液電導(dǎo)率升高。第8 天電導(dǎo)率較第7 天有所上升，與處理時(shí)間呈正相關(guān)，相信若將試驗(yàn)觀察時(shí)間加以延長至細(xì)胞膜保護(hù)完全失效，則會(huì)得到膜透性的大小與濃度大小及處理時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。

種子萌發(fā)是種子的胚從相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化為生理活躍狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)育成完整植株的過程。作物種子萌發(fā)后的生長狀況及最終產(chǎn)量和品質(zhì)的高低都與種子萌發(fā)狀況休戚相關(guān)[13]。因此，研究重金屬污染對(duì)種子萌發(fā)的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?田生科，李廷軒，楊肖娥，等.植物對(duì)銅的吸收運(yùn)輸及毒害機(jī)理研究進(jìn)展[J].土壤通報(bào)，2006，37（2）：387-394.

[2] ?張艷杰，李桂玲，王金水，等.Cr（ Ⅵ ） 鹽脅迫下小麥種子中淀粉酶活性的響應(yīng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（3）：73-75.

[3] ?陳志剛，張紅蕊，周曉紅，等.鋁脅迫對(duì)黑麥種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[J].水土保持研究，2011，18（4）：207-210.

[4] ?王丹，魏威，王松山，等.銅、鉻單一及復(fù)合污染對(duì)小白菜種子萌發(fā)及根長的生態(tài)毒性[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（12）：63-68.

[5] ?鄭曦，肖煒.Cu對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].徐州師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，21（3）：64-66.

[6] ?程貫召.銅離子脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗生長的毒害[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2008.

[7] ?楊玉珍.植物的pH值、等電點(diǎn)、細(xì)胞膜透性與抗氟化物的關(guān)系[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，30（4）：373-375.

[8] 何奇江，李楠，傅懋毅.氯化鈉脅迫對(duì)雷竹根系活力和細(xì)胞膜透性的影響[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（6）：944-949.

[9] ?楊淑芳.銅脅迫下小麥幼苗生長生理及幼根超微結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究[D]. 新鄉(xiāng)：河南師范大學(xué)，2014.

[10] 張黛靜，王多多，董文，等.銅脅迫下小麥幼根轉(zhuǎn)錄組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（4）：31-35.

[11] 范寶莉.銅誘導(dǎo)下小麥生理生化及葉綠體蛋白質(zhì)組分變化[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2009（5）：140-143.

[12] 蔡妙珍，劉鵬，徐根娣.蓼科、禾本科植物細(xì)胞膜對(duì)鋁脅迫反應(yīng)的比較研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2005， 19（6）：122-125.

[13] 崔斌，王凌，張國印，等.土壤重金屬污染現(xiàn)狀與危害及修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（1）：373-375，447.