鉬對(duì)綠豆種子萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)的影響

單華旭， 于 波， 張佳晰， 周曼曼， 房志浩， 黨璐一， 臧淑艷

(沈陽化工大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

我國(guó)的鉬礦資源十分豐富，貯備量位居世界前列.鉬不僅具備極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且在軍事上具有重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備價(jià)值，具有廣闊的發(fā)展前景[1].然而，經(jīng)濟(jì)利益促使大量的商家利用落后的技術(shù)對(duì)鉬礦資源進(jìn)行無節(jié)制的開采和加工，導(dǎo)致了鉬礦資源的嚴(yán)重浪費(fèi).與此同時(shí)，殘留的尾礦對(duì)當(dāng)?shù)氐乃Y源造成了嚴(yán)重污染[2-4].在整個(gè)生物圈內(nèi)，隨著食物鏈的逐級(jí)提高，鉬污染物對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和人體健康也造成了嚴(yán)重影響.另一方面，鉬元素缺乏對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及人體健康成長(zhǎng)同樣具有危害，人體缺鉬會(huì)產(chǎn)生貧血、齲齒、食管癌等疾病[5].雖然鉬元素是動(dòng)植物生長(zhǎng)必需的重要微量元素之一，但鉬攝入量過多也會(huì)對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重的副作用.長(zhǎng)期生存在高鉬環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致雄性小白鼠的精子質(zhì)量降低，雌性小白鼠的分娩率下降[6].劉鵬[7]研究指出：對(duì)于飼用植物來說，當(dāng)植物中鉬的含量超過10 μg/g時(shí)，將對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生毒害，造成動(dòng)物生長(zhǎng)受阻甚至是畸形.在農(nóng)作物中，豆科植物是對(duì)鉬的需求較多一類作物，鉬脅迫對(duì)豆科植物的生理生化特性以及產(chǎn)量都產(chǎn)生顯著地影響.而鉬在植物體內(nèi)的富集會(huì)直接影響到動(dòng)物以及人類的健康.所以鉬污染對(duì)農(nóng)作物毒害效應(yīng)研究迫在眉睫.

截止目前就有許多人研究過鉬對(duì)農(nóng)作物毒害效應(yīng)的機(jī)理：W.S.FERGUSON等[8]在1943年就首次報(bào)道反芻動(dòng)物因食用高鉬草導(dǎo)致鉬中毒.劉鵬[9]等報(bào)道鉬污染會(huì)影響植物品質(zhì)，使植物產(chǎn)生褪綠和黃化的現(xiàn)象.趙婷[10]的研究表明鉬污染會(huì)抑制植物光合作用和蒸騰作用，導(dǎo)致植物膜脂過氧化嚴(yán)重.近幾年，國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者將研究方向主要集中在鉛、汞、砷等重金屬對(duì)植物以及人體的傷害等方面，關(guān)于鉬對(duì)豆科植物以及人體危害的研究較少，僅有劉鵬[11]和翟登攀等[12]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)大豆幼苗的抗逆性做了研究，但關(guān)于鉬對(duì)種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)期的生理特征(根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)等)的影響沒有進(jìn)行具體研究，缺乏鉬對(duì)豆科植物毒害敏感性的系統(tǒng)性研究.

由于微量的鉬不僅可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且對(duì)人體的健康有重要意義，而綠豆是日常生活中常吃食物之一，所以本文選擇綠豆為實(shí)驗(yàn)材料，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，通過水培實(shí)驗(yàn)方法研究暴露在鉬環(huán)境下綠豆種子萌發(fā)期的毒害特征和幼苗生長(zhǎng)期的表觀癥狀，以便找出鉬對(duì)綠豆脅迫的異同關(guān)系，為人體合理利用綠豆攝入微量元素鉬提供理論依據(jù).

1 材料和方法

1.1 材料

供試綠豆，沈陽市寧官種子站；試劑Na2MoO4，分析純，沈陽力誠(chéng)試劑廠；過氧化氫，沈陽市新化試劑廠.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 材料的預(yù)處理

分別配制質(zhì)量濃度0.0、0.3、2.5、7.5、22.3、49.5、247.4 mg/L(以純Mo計(jì)算)的鉬溶液.選擇發(fā)育良好且顆粒完整飽滿的綠豆種子，在實(shí)驗(yàn)開始前先將選好的種子浸泡在體積分?jǐn)?shù)為3 %的過氧化氫溶液中，對(duì)種子表面進(jìn)行殺菌消毒30 min.處理結(jié)束后，取出種子用蒸餾水沖洗4次.在干燥的培養(yǎng)皿中放入2層大小適中的濾紙，每個(gè)培養(yǎng)皿中倒入15 mL處理液，同時(shí)以加入15 mL蒸餾水的培養(yǎng)皿為對(duì)照組.在每個(gè)培養(yǎng)皿中放入35粒清洗后的綠豆種子，每一個(gè)質(zhì)量濃度的處理液進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)， 將培養(yǎng)皿放入溫度為25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱(HPX-9052 MBE型數(shù)顯電熱恒溫培養(yǎng)箱)中暗處培養(yǎng).

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)開始后，每24 h補(bǔ)充一次蒸發(fā)掉的少量水分(保持質(zhì)量平衡)，觀察種子的變化，并記錄每天發(fā)芽的種子數(shù).發(fā)芽第9天，統(tǒng)計(jì)各個(gè)質(zhì)量濃度的培養(yǎng)皿中種子的發(fā)芽數(shù).并在每一質(zhì)量濃度的培養(yǎng)皿中隨機(jī)抽取15株幼苗測(cè)量其芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)及苗高.將幼苗的根與莖剪開，稱量各個(gè)部分的鮮質(zhì)量.然后分別放入培養(yǎng)皿中，將培養(yǎng)皿置于100 ℃的恒溫干燥箱(DZF-2060型真空干燥箱)中干燥，每隔12 h測(cè)量一次質(zhì)量，當(dāng)相鄰兩次質(zhì)量基本恒定時(shí)，取出樣品稱量其干質(zhì)量.并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算種子的發(fā)芽率、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、以及根冠比等.

幼苗生長(zhǎng)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定參見王婷婷等[13-14]的方法.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用WPS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(最終結(jié)果是3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值).

顯著性檢驗(yàn)結(jié)果由Excel 2007軟件中顯著性方差檢驗(yàn)法求得.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度鉬溶液對(duì)綠豆種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

通過每日觀察種子的發(fā)芽情況，在種子萌發(fā)到第3 d時(shí)，高質(zhì)量濃度的處理液(≥22.3 mg/L)的培養(yǎng)皿中，綠豆種子的子葉發(fā)青，種子易腐爛，而低質(zhì)量濃度的處理液中子葉與對(duì)照組相比沒有明顯變化.在種子發(fā)芽后期，與低質(zhì)量濃度處理液和對(duì)照組相比高質(zhì)量濃度處理液處理的綠豆種子更容易出現(xiàn)主根腐爛的情況.從表1可以看出：不同質(zhì)量濃度的鉬處理液對(duì)綠豆種子的各項(xiàng)生理指標(biāo)均呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的趨勢(shì).當(dāng)鉬的質(zhì)量濃度達(dá)到0.3 mg/L時(shí)，綠豆種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、干質(zhì)量均達(dá)到最大值，這與微量鉬可以促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育的結(jié)論相一致[7].但隨著鉬處理液質(zhì)量濃度的增加綠豆植株的各項(xiàng)指標(biāo)值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，抑制效果也越發(fā)明顯.當(dāng)鉬的質(zhì)量濃度≥7.5 mg/L時(shí)植株的生命指數(shù)均下降并低于對(duì)照組，鉬處理液對(duì)植株的抑制作用明顯，這可能是因?yàn)殂f阻礙了植株體內(nèi)Fe的代謝，導(dǎo)致種子的某些活性物質(zhì)失活或轉(zhuǎn)化，萌發(fā)過程無法正常進(jìn)行，從而影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育.當(dāng)鉬的質(zhì)量濃度達(dá)到49.5 mg/L以上時(shí)，綠豆種子在發(fā)芽初期出現(xiàn)了種皮暗紅，子葉發(fā)青的現(xiàn)象.通過對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性方差檢驗(yàn)，結(jié)果表明：不同質(zhì)量濃度處理的綠豆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及植株干質(zhì)量均不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在綠豆種子萌發(fā)過程中，主要依靠自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以鉬對(duì)綠豆種子萌發(fā)影響不大，但是在幼苗生長(zhǎng)階段鉬對(duì)綠豆的生長(zhǎng)呈現(xiàn)“低促高抑”的現(xiàn)象，高質(zhì)量濃度的鉬培養(yǎng)液會(huì)抑制綠豆種子的發(fā)芽，甚至中毒.K.WARINGTON[15]的研究也表明：當(dāng)植物所處的環(huán)境中鉬的含量過高，會(huì)使植物鉬中毒，將產(chǎn)生褪綠和黃化現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)相關(guān)現(xiàn)象的描述，與上述研究結(jié)果相一致.

表1 不同質(zhì)量濃度鉬處理液對(duì)綠豆種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of different concentration of Mo6+ on seed germination and seedling growth

2.2 不同質(zhì)量濃度的鉬溶液對(duì)綠豆苗高的影響

由圖1可以看出：隨著鉬質(zhì)量濃度的升高綠豆的苗高呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì).這表明低質(zhì)量濃度鉬可以促進(jìn)綠豆植株的生長(zhǎng)而高質(zhì)量濃度的鉬則抑制了植株的生長(zhǎng).當(dāng)鉬處理液質(zhì)量濃度為0.3 mg/L時(shí)，綠豆苗高達(dá)最大值(高于對(duì)照組39.43 %)，表現(xiàn)為促進(jìn)作用；隨著處理液質(zhì)量濃度的增大，苗高逐漸降低，表現(xiàn)為抑制作用.當(dāng)質(zhì)量濃度增大到247.4 mg/L時(shí)，抑制作用最為明顯(低于對(duì)照組55.53 %)這可能是因?yàn)殂f首先抑制了根系的活性，阻礙作物中水分輸送，更進(jìn)一步抑制地上部養(yǎng)分的供給，從而導(dǎo)致植株矮小，發(fā)育不良[16].通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性方差檢驗(yàn)，結(jié)果表明不同質(zhì)量濃度處理的綠豆種子的苗高不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖1 不同質(zhì)量濃度鉬處理液對(duì)苗高的影響Fig.1 Effects of different concentration of Mo6+ on the stem length

2.3 不同質(zhì)量濃度的鉬溶液對(duì)綠豆根長(zhǎng)的影響

由圖2可知：當(dāng)Mo6+的質(zhì)量濃度為0.3 mg/L時(shí)，綠豆植株的根長(zhǎng)達(dá)到最大值(高于對(duì)照組26.05 %)，表現(xiàn)為促進(jìn)作用.當(dāng)Mo6+質(zhì)量濃度大于等于7.5 mg/L時(shí)，根長(zhǎng)明顯低于對(duì)照組.其中，當(dāng)鉬處理液質(zhì)量濃度為247.4 mg/L時(shí)，根長(zhǎng)最短(低于對(duì)照組84.19 %)，這表明，高質(zhì)量濃度鉬抑制了植株根部的生長(zhǎng).此外，綠豆在Mo6+的質(zhì)量濃度≥7.5 mg/L時(shí)還表現(xiàn)為側(cè)根、須根增多，主根偏短且易腐爛，根部發(fā)褐、發(fā)黑，根長(zhǎng)較對(duì)照組顯著下降.這可能是因?yàn)檫^高質(zhì)量濃度的鉬會(huì)抑制植株根系的活性，從而使根部生長(zhǎng)受到迫害，根部生長(zhǎng)受抑是植物受鉬毒害后普遍的癥狀[16].通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性方差檢驗(yàn)，結(jié)果表明不同質(zhì)量濃度處理的綠豆種子的根長(zhǎng)不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖2 不同質(zhì)量濃度鉬處理液對(duì)根長(zhǎng)的影響Fig.2 Effects of different concentration of Mo6+ on the root length

2.4 不同質(zhì)量濃度的鉬溶液對(duì)綠豆根冠比的影響

不同質(zhì)量濃度鉬溶液對(duì)綠豆根冠比的影響如圖3所示.從圖3可以看出：綠豆植株的根冠比隨著Mo6+質(zhì)量濃度的升高呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì).當(dāng)鉬處理液質(zhì)量濃度為0.3 mg/L時(shí)，根冠比為0.266 8 %，明顯大于對(duì)照組(0.195 8 %)這表明低質(zhì)量濃度的鉬處理液對(duì)綠豆地上部分的抑制作用大于促進(jìn)作用.隨著質(zhì)量濃度的升高根冠比逐漸降低，當(dāng)鉬處理液的質(zhì)量濃度為2.5～7.5 mg/L時(shí)，根冠比和對(duì)照組相近，說明鉬對(duì)綠豆根部的抑制作用在增強(qiáng)，對(duì)地上部分的抑制作用減弱.當(dāng)鉬處理液質(zhì)量濃度≥22.3 mg/L時(shí)，根冠比(0.103 3 %)明顯低于對(duì)照組，說明鉬對(duì)綠豆根部的抑制作用大于地上部分.結(jié)合圖1和圖2分析可知：低質(zhì)量濃度的處理液可以促進(jìn)綠豆根部的生長(zhǎng)，對(duì)莖伸長(zhǎng)有一定的抑制作用，但是對(duì)整體植株而言，生長(zhǎng)表現(xiàn)為促進(jìn)作用.高質(zhì)量濃度的處理液(≥22.3 mg/L)對(duì)綠豆根部和莖伸長(zhǎng)均表現(xiàn)在抑制作用，而且濃度越高抑制作用越明顯.這可能是因?yàn)橛酌缭谏L(zhǎng)階段的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來自于外界，當(dāng)鉬處理液的質(zhì)量濃度過高種子吸收了鉬溶液以后進(jìn)入了細(xì)胞中，影響并且降低了RNA和DNA的活性，抑制了細(xì)胞的分裂過程從而影響了植株的伸長(zhǎng)[17].通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性方差檢驗(yàn)，結(jié)果表明不同質(zhì)量濃度處理的綠豆種子的根冠比不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖3 不同質(zhì)量濃度鉬處理液對(duì)根冠比的影響Fig.3 Effects of different concentration of Mo6+ on root-shoot ratio

2.5 不同質(zhì)量濃度的鉬溶液對(duì)綠豆耐性指數(shù)的影響

植物與重金屬作用時(shí)，根是最先接觸到處理液的部位，所以通過植株根系的耐性指數(shù)來反應(yīng)植株對(duì)某類重金屬的耐性情況.由圖4可以看出：植株根系的耐性指數(shù)隨著處理液質(zhì)量濃度的增大逐漸降低.當(dāng)鉬處理液質(zhì)量濃度為0.3 mg/L時(shí)，耐性指數(shù)最大(1.23)，說明在該質(zhì)量濃度下促進(jìn)植株根系的生長(zhǎng).當(dāng)處理液質(zhì)量濃度大于0.3 mg/L時(shí)，植株根系的耐性指數(shù)逐漸降低，當(dāng)鉬處理液濃度為247.4 mg/L時(shí)，耐性指數(shù)最低(0.16)，接近對(duì)照的耐性指數(shù)(0.00)，說明當(dāng)鉬處理液濃度過大時(shí)抑制植株根系的生長(zhǎng).通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性方差檢驗(yàn)，結(jié)果表明不同質(zhì)量濃度處理的綠豆種子的耐性指數(shù)不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖4 不同質(zhì)量濃度鉬處理液對(duì)耐性指數(shù)的影響Fig.4 Effects of different concentration of Mo6+ on root tolerance index

3 結(jié) 論

(1) 實(shí)驗(yàn)通過用不同質(zhì)量濃度的鉬溶液進(jìn)行水培綠豆種子，結(jié)果表明：當(dāng)鉬質(zhì)量濃度為0.3 mg/L時(shí)，植株的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)、苗高、根長(zhǎng)、耐性指數(shù)以及根冠比均優(yōu)于對(duì)照組，表現(xiàn)為促進(jìn)作用.這說明低質(zhì)量濃度的鉬可以促進(jìn)綠豆種子的萌發(fā)以及植株幼苗的生長(zhǎng).

(2) 鉬的質(zhì)量濃度不斷增大時(shí)，植株的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)、苗高、根長(zhǎng)、耐性指數(shù)以及根冠比均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在高質(zhì)量濃度鉬的脅迫下，綠豆的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)均受到抑制作用，且質(zhì)量濃度越高抑制作用越強(qiáng).高質(zhì)量濃度的鉬對(duì)芽、根生長(zhǎng)的抑制作用較種子萌發(fā)指標(biāo)更為顯著.

實(shí)驗(yàn)僅在簡(jiǎn)單水培條件下，研究不同梯度鉬溶液對(duì)綠豆的生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，其吸收方式、作用機(jī)理等尚待進(jìn)一步研究.

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