錳脅迫對(duì)青葙種子萌發(fā)和幼苗生理的影響

文 珂，劉文勝

（中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

錳脅迫對(duì)青葙種子萌發(fā)和幼苗生理的影響

文 珂，劉文勝

（中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

利用植物進(jìn)行錳（Mn）污染治理之前，首先要探明脅迫對(duì)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響。以錳超富集植物青葙（Celosia argentea）為試驗(yàn)材料，在不同錳濃度（0.005、1.000、5.000、8.000、12.000、15.000 mmol/L）下開展種子萌發(fā)試驗(yàn)，研究錳濃度與該植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著錳濃度的升高，青葙種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，青葙幼苗的根長(zhǎng)（r =-0.954，P =0.003）、芽長(zhǎng)（r =-0.957，P =0.003）降低，幼苗總生物量（r =-0.941，P =0.005）也隨之下降；幼苗總淀粉酶活性隨著錳濃度的升高而呈下降趨勢(shì)（r =-0.643，P =0.169），可溶性糖含量則呈先增加后下降的趨勢(shì)。不同錳濃度下青葙總淀粉酶活性及可溶性糖含量的變化可能是導(dǎo)致該植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)發(fā)生改變的主要原因。

錳脅迫；青葙；種子萌發(fā)；幼苗生長(zhǎng)；可溶性糖

Abstract：Revealing the effects of heavy-metal stress on seed germination and seedling growth is the first step for effective controlling manganese（Mn） population by using these plants. In the present paper，we studied the relationship between Mn concentration and seed germination / and seedling growth of Celosia argentea by conducting seed germination experiments under different Mn concentrations （0.005，1.000，5.000，8.000，12.000 and 15.000 mmol/L）. The results showed that seed germination rate，germination potential，germination index and vitality index all increased first and then decreased with Mn concentration increasing.The length of root （r =-0.954，P =0.003） and shoot （r =-0.957，P =0.003） of seedlings both decreased with Mn concentration rising when the Mn concentration ascended to a certain level. And the total biomass of seedling（r=-0.941，P =0.005） showed the same trend. Total amylase activity of seedlings （r =-0.643，P =0.169）decreased with the increase of Mn concentration. And the soluble sugar content increased firstly and then decreased with Mn concentration rising. The results illustrated that the changes of amylase activity and soluble sugar content of seedlings under different Mn concentrations might be the most important reasons that causing the changes of seed germination and seedling growth.

Key words：manganese stress；Celosia argentea；seed germination；seedling growth；soluble sugar content

礦山開采在為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供原材料的同時(shí)，也導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染［1-4］。例如，錳（Mn）在我國(guó)已有100多年的開采歷史，由于錳礦開采長(zhǎng)期利用不合理方式進(jìn)行，礦區(qū)及其周邊土壤錳含量極高［5-6］。盡管錳是植物維持正常生命活動(dòng)所必須的微量元素之一［7］，但環(huán)境中過高的錳會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害，甚至?xí)ㄟ^食物鏈損害人們的身體健康［8］。因此，盡快治理錳污染是錳礦區(qū)當(dāng)前面臨的迫切任務(wù)。

在各種重金屬污染治理方法中，利用超富集植物進(jìn)行植物修復(fù)具有高效、環(huán)保和廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的開發(fā)潛力［9］。種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)是植物對(duì)環(huán)境最敏感的時(shí)期［10］，研究該時(shí)期高重金屬濃度對(duì)植物的影響程度并采取相應(yīng)措施是開展植物修復(fù)的重要前提［11］。青葙（Celosia argentea L.）是莧科青葙屬1年生草本植物，具有生物量大、適應(yīng)性廣以及易于種植等特點(diǎn)［12］，在全國(guó)各地均有分布［13］。青葙能在錳礦廢棄地上大量生長(zhǎng)，是一種錳超富集植物［14］，且該植物還具有較高的觀賞價(jià)值，因而是一種極具開發(fā)價(jià)值的修復(fù)植物。本研究通過萌發(fā)試驗(yàn)檢測(cè)不同錳濃度下青葙種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的異同，以期為利用青葙修復(fù)錳污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

青葙種子于2015年秋季在湘潭錳礦區(qū)采集，該區(qū)是我國(guó)最早的錳礦基地，錳礦開采已有100多年的歷史。為使研究結(jié)果更具代表性，各植株之間的距離均超過2 m，采集種子的植株超過30個(gè)。種子采集后用信封裝好，帶回實(shí)驗(yàn)室后置于室溫下儲(chǔ)藏備用。

1.2 試驗(yàn)方法

選取個(gè)體大、籽粒飽滿的種子開展萌發(fā)試驗(yàn)。將采集的青葙種子用0.2%KMnO4消毒10 min，用蒸餾水沖洗，晾干，置于鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿放入50粒種子。設(shè)置0.005（CK）、1、5、8、12、15 mmol/L 6個(gè)錳濃度模擬土壤錳脅迫（錳以MnCl2·4H2O形式加入），每個(gè)錳濃度設(shè)5次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)1個(gè)培養(yǎng)皿，于25℃恒溫培養(yǎng)箱中12 h光/12 h暗進(jìn)行培養(yǎng)，每天添加去離子水以維持培養(yǎng)液原有水平。每日記載發(fā)芽粒數(shù)，第4 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，處理后12 d測(cè)定發(fā)芽率，并用鑷子將萌發(fā)的幼苗取出，用濾紙吸去表面的水分，測(cè)定其胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)，并于烘箱60℃的條件下烘干測(cè)幼苗總生物量干重。

參照《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》［15］計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等發(fā)芽能力指標(biāo)：

1.3 幼苗生理特性測(cè)定

淀粉酶活性測(cè)定采用3，5-二硝基水楊酸法［16］。

式中，A為淀粉酶水解淀粉生成的麥芽糖量（mg），A’為淀粉酶的對(duì)照管中麥芽糖量（mg），B為比色時(shí)所用樣品液毫升數(shù)。

可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法［17］。

式中，C為標(biāo)準(zhǔn)方程求得的糖量（μg），a為測(cè)定時(shí)吸取樣品液體積（mL），V為提取液總量（mL），n為稀釋倍數(shù)，W為樣品重量（g）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），并使用最小差別法（LSD法）對(duì)每個(gè)指標(biāo)不同處理間的差異顯著性進(jìn)行多重比較，用Sigma Plot12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同錳濃度對(duì)青葙種子萌發(fā)的影響

發(fā)芽率反映了種子的生命力，發(fā)芽勢(shì)反映種子出苗快慢和整齊程度，兩者均為鑒定種子質(zhì)量最直接和穩(wěn)定的指標(biāo)。圖1顯示，青葙種子的發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)均隨著錳濃度的升高呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。在錳濃度為8 mmol/L時(shí)，發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)均達(dá)到最高值，分別為63%和33%，分別比對(duì)照增加52%和25%，且均與對(duì)照差異顯著；隨著錳濃度的繼續(xù)增加，發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)則均明顯下降，當(dāng)錳濃度增加到15 mmol/L時(shí)，發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)分別為40%和25%，分別比對(duì)照低4%和6%，且均與對(duì)照差異顯著。說(shuō)明錳對(duì)青葙種子萌發(fā)具有“低促高抑”的效果。

圖1 不同錳濃度處理青葙種子的萌發(fā)情況

圖2 不同錳濃度處理青葙種子的發(fā)芽指數(shù)

圖3 不同錳濃度處理青葙種子的活力指數(shù)

發(fā)芽指數(shù)反映了整個(gè)發(fā)芽期種子活力，活力指數(shù)是對(duì)較廣范圍內(nèi)種子能否迅速萌發(fā)、成苗及其生長(zhǎng)整齊程度的綜合體現(xiàn)。青葙種子的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)，同樣地表現(xiàn)出了低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的效應(yīng)。由圖2、圖3可知，青葙種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)隨著錳濃度的升高均表現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，當(dāng)錳濃度為8 mmol/L時(shí)，發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均達(dá)到最大值，分別比對(duì)照的增加54%和20%，差異均達(dá)顯著水平；隨著錳濃度的增加，發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)均逐漸降低，在錳濃度達(dá)到15 mmol/L時(shí)，發(fā)芽指數(shù)與對(duì)照接近，差異不顯著，而活力指數(shù)降幅較大，比對(duì)照低30%，差異顯著。

2.2 不同錳濃度對(duì)青葙幼苗生長(zhǎng)的影響

幼苗的生長(zhǎng)狀況是植物對(duì)逆境脅迫適應(yīng)的綜合體現(xiàn)。Pearson相關(guān)顯示，隨著錳濃度的升高，青葙幼苗的胚芽長(zhǎng)（r =-0.957，P =0.003）和胚根長(zhǎng)（r =-0.954，P =0.003）均隨之下降（圖 4），當(dāng)錳濃度為 1、5、8、12、15 mmol/L時(shí)，幼苗胚芽長(zhǎng)分別比對(duì)照下降12%、14%、20%、22%、27%，胚根長(zhǎng)比對(duì)照分別下降13%、18%、26%、29%、31%；圖5表明，隨著錳濃度的升高，青葙幼苗的總生物量（r =-0.941，P =0.005）呈下降的趨勢(shì)，當(dāng)錳濃度為1、5、8、12、15 mmol/L時(shí)，總生物量分別比對(duì)照下降15%、24%、27%、35%、39%，且均與對(duì)照差異顯著。

圖4 不同錳濃度處理青葙胚根、胚芽生長(zhǎng)情況

圖5 不同錳濃度處理青葙幼苗的總生物量

2.3 不同錳濃度下青葙幼苗的生理響應(yīng)

淀粉酶直接影響種子內(nèi)儲(chǔ)藏淀粉的分解，從而影響種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量，因而是種子萌發(fā)的重要指標(biāo)。圖6顯示，與對(duì)照相比，不同錳濃度下青葙種子的淀粉酶活性均顯著降低。在錳濃度為1、5、8、12 mmol/L時(shí)，青葙幼苗總淀粉酶活性分別比對(duì)照下降53%、61%、53%、47%；Pearson相關(guān)顯示，青葙種子總淀粉酶活性隨著錳濃度的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)（r =-0.643，P =0.169），說(shuō)明較高濃度的錳能抑制青葙種子的淀粉酶活性。

圖6 不同錳濃度處理青葙幼苗的淀粉酶活性

可溶性糖作為組成細(xì)胞等生命結(jié)構(gòu)的主要物質(zhì)，直接為種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)提供所需的碳架和初始能量。不同錳濃度下，青葙幼苗可溶性糖含量隨錳脅迫濃度的升高呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢(shì)（圖7），當(dāng)錳濃度達(dá)到1 mmol/L之后，青葙幼苗中可溶性糖含量急劇升高，于5 mmol/L時(shí)達(dá)最大值，比對(duì)照增加100%，差異極顯著，隨后開始下降；在錳濃度達(dá)到15 mmol/L時(shí)，錳脅迫開始抑制青葙幼苗中可溶性糖的含量，與對(duì)照相比下降10%，說(shuō)明高濃度錳脅迫對(duì)青葙幼苗可溶性糖含量表現(xiàn)出抑制效應(yīng)。

圖7 不同錳濃度處理青葙幼苗的可溶性糖含量

3 結(jié)論與討論

錳是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素之一，但環(huán)境中過量的錳會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生毒害［18］。本研究結(jié)果表明，較低濃度的錳脅迫對(duì)青葙種子的發(fā)芽有促進(jìn)作用，而高濃度的錳則產(chǎn)生抑制作用。這一結(jié)果與許多重金屬對(duì)種子萌發(fā)影響的結(jié)論一致，說(shuō)明重金屬對(duì)植物種子萌發(fā)較低濃度刺激和較高濃度抑制效應(yīng)是一種普遍現(xiàn)象［19］。梁文斌等［20］對(duì)錳脅迫下美洲商陸（Phytolacca americana）種子萌發(fā)的研究及劉宇婧等［21］對(duì)鎘（cd）濃度與波斯菊（Cosmos bipinnata）關(guān)系的研究也得出了相同的結(jié)果。

本研究中，青葙幼苗根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、總生物量等指標(biāo)均隨著錳濃度的增加而逐漸降低，說(shuō)明較高濃度的錳會(huì)對(duì)青葙幼苗生長(zhǎng)造成抑制，這與劉宇婧等［21］對(duì)鎘脅迫下波斯菊的研究結(jié)果一致。我們對(duì)不同錳濃度下蒼耳（Xanthium sibircum）、野胡蘿卜（Daucus carota）等的研究也均顯示較高濃度的錳抑制植物生長(zhǎng)（待發(fā)表）。這充分說(shuō)明較高濃度的錳是抑制青葙幼苗生長(zhǎng)的重要因素。

可溶性糖作為組成細(xì)胞等生命結(jié)構(gòu)的主要物質(zhì)，直接為種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)提供所需的碳架和初始能量，也是增加滲透性物質(zhì)的重要組成成分。本研究結(jié)果表明，隨著錳濃度的升高，青葙幼苗淀粉酶活性呈降低趨勢(shì)，可溶性糖含量則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。李廣會(huì)等［22］對(duì)板栗（Castanea mollissima）種子萌發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，隨著錳濃度的增加，幼苗淀粉酶活性呈降低趨勢(shì)；秦嶺等［23］研究發(fā)現(xiàn)，板栗種子萌發(fā)過程中隨著錳濃度的增加，可溶性糖減少；侯典云等［24］研究發(fā)現(xiàn)，隨錳濃度的增加，小麥（Triticum aestivum）可溶性糖含量表現(xiàn)為先增大后減少再增大。這些研究與本研究結(jié)果基本一致，說(shuō)明較高濃度的錳將降低淀粉酶活性，導(dǎo)致可溶性糖含量減少。由于種子萌發(fā)過程物質(zhì)和能量的供給主要來(lái)源于淀粉的分解，淀粉酶的活性直接影響到種子萌發(fā)率［25］。本研究中，較高錳濃度下青葙種子萌發(fā)率降低，淀粉酶活性降低可能是主要原因之一。可溶性糖作為植物碳代謝的物質(zhì)之一，與植物抗性具有密切的相關(guān)性［26］。植物受到重金屬脅迫時(shí)，通過改變滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)維持正常細(xì)胞代謝環(huán)境，從而降低重金屬危害［27-28］。本研究結(jié)果表明，隨著錳濃度的升高，青葙幼苗生長(zhǎng)受阻，其原因可能是錳濃度較高時(shí)，可溶性糖含量減少，導(dǎo)致滲透調(diào)節(jié)能力減弱。

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（責(zé)任編輯 鄒移光）

Effects of Mn stress on seed germination and seedling physiological characteristics of Celosia argentea L.

WEN Ke，LIU Wen-sheng
（College of Life Science and Technology，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China）

S718.57；X53

A

1004-874X（2017）06-0078-06

文珂，劉文勝.錳脅迫對(duì)青葙種子萌發(fā)和幼苗生理的影響［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，44（6）：78-83.

2017-03-25

湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（14A156）；湖南省自然科學(xué)基金（2016JJ4120）

文珂（1993-），女，在讀碩士生，E-mail：1104167317@qq.com

劉文勝（1975-），男，博士，副教授，E-mail：403493641@qq.com