重金屬Cu2+、Cd2+和Zn2+對車前草種子萌發(fā)的影響

徐運飛，趙敏，楊夢樂，陳利軍，尹健

(信陽農(nóng)林學院 農(nóng)學院，河南 信陽 464000)

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，重金屬污染成為亟待解決的全球性問題之一，給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和綠色經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了很多的問題，影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展。重金屬是指密度高于5 g/cm3的一類金屬元素，其中主要包括鎘(Cd)、鉛(Pb)、汞(Hg)、銅(Cu)、鋅(Zn)等[1]。易富集、 不可逆性、不易降解、治理困難是重金屬的特點。重金屬污染是遍及全世界的一種非生物影響因素，當重金屬超過一定的閾值時，不僅限制野生動植物的正常生長，還影響作物和藥用植物的安全使用[2]。重金屬的形態(tài)不同，其活性與毒性也存在差異。重金屬隨著各種因素進入土壤，如隨雨水滲透土壤后，將會長期存留在土壤中[3]。研究表明，在重金屬脅迫下，植物葉片的氣孔關閉，導致植物光合作用及蒸騰作用減慢，若土壤中重金屬含量超過植物的耐受程度，會影響植物根和葉的發(fā)育[4]。植物在各個生長階段對重金屬的耐受程度不同，重金屬對種子萌發(fā)的影響，也在一定程度上影響整個植株的生長[5]。此外，我國耕地面積五分之一的土地都不同程度被重金屬污染[6]，每年大約還會有5000萬噸的農(nóng)作物被重金屬污染，對人民的健康安全造成很大的威脅[7]。因此，研究重金屬對植物生長和發(fā)育的影響具有重要意義。

中藥車前草為車前科車前屬植物車前或平車前的干燥全草，又名車輪菜，具有一定的藥用價值，具有利尿、清熱等功效。在臨床上，車前草主要用于治療水腫脹滿、目赤腫痛、痰熱咳嗽等[8]。隨著中藥資源的進一步開發(fā)利用，中藥的安全利用日益受人們的關注。有關車前草化學成分和生理活性方面的研究較多，如車前草中含有甾醇類、黃酮類等多種化合物[9]，車前子具有調(diào)節(jié)血糖[10]、降血脂等生理活性[11]。車前草生長快，生物量大，有研究表明其對重金屬具有吸附和富集作用，可用于土壤污染植物的修復[12]。車前草種子在不同重金屬脅迫下的萌發(fā)特性以及其在萌發(fā)期對不同重金屬的耐性直接影響車前的生長發(fā)育和抗逆性能。本文以不同重金屬溶液對車前草種子萌發(fā)影響的試驗，研究車前草種子萌發(fā)期對不同濃度重金屬的耐受性，以期為改善土壤重金屬污染和中藥車前安全利用提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗種子：平車前，購買于千花百魅種業(yè)有限公司。

試驗儀器：電子天平、智能人工氣候箱。

試劑：1%次氯酸鈉、75%乙醇、硫酸銅(CuSO4·5H2O、天津市永大化學試劑有限公司)、硫酸鎘(3CdSO4·8H2O、天津市福晨化學試劑廠)、硫酸鋅(ZnSO4·7H2O、天津市福晨化學試劑廠)、硫酸鈉(Na2SO4、天津市永大化學試劑有限公司)、次氯酸鈉(鄭州派尼化學試劑廠)，以上試劑均為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 重金屬溶液 根據(jù)不同重金屬脅迫下種子萌發(fā)的預試驗情況，本試驗將不同種類重金屬(Cu2+、Zn2+、Cd2+)的濃度設置為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0 mmol /L。試驗所用重金屬處理液均使用無菌水配制。

1.2.2 萌發(fā)試驗 試驗采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽的方法[13]，每個處理均設置三次獨立重復試驗。選擇大小均勻一致的車前草種子，用1%的次氯酸鈉消毒10 min后，蒸餾水清洗3次，將種子接種到不同濃度重金屬溶液潤濕的濾紙床上。每個培養(yǎng)皿中使用移液槍吸取一定體積的重金屬溶液，以蒸餾水作為對照，每個培養(yǎng)皿50粒種子，置于人工培養(yǎng)箱，光/暗12 h/12 h，相對濕度為80%，恒溫24℃。所有的試驗處理完成后，4 d后觀察并計算發(fā)芽勢，7 d后計算發(fā)芽率。發(fā)芽時間為連續(xù)四天不再發(fā)芽為止。長至第14 d時測量幼苗苗長。從培養(yǎng)皿中已經(jīng)發(fā)芽的種子中隨機選取10棵車前草種子幼苗，測量長度。種子是否萌發(fā)，以胚根長2 mm作為標準(露白)判斷。

1.2.3 指標測定 各項發(fā)芽指標如下所示：

(1)千粒重(g)：因車前草種子細小，所以將種子混合均勻后，采用“圓錐四分法”的方法挑選1000粒車前草種子，測得千粒重為0.565 g；

(4)苗長(cm)，即胚根長和胚芽長總長。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理 本試驗數(shù)據(jù)處理采用SPSS25.0進行分析，用多重比較的方法統(tǒng)計各個處理間發(fā)芽率等指標的差異是否顯著(P<0.05)，采用Excel進行繪圖，結(jié)果以平均值±標準誤來表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度重金屬Cu2+對車前草種子發(fā)芽和苗長的影響

不同濃度重金屬Cu2+溶液處理對車前草種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響情況如表1所示。與對照組相比，重金屬Cu2+濃度為0.2 mmol/L時，車前草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率差異不顯著，分別為31.33%和40.67%。隨著重金屬Cu2+濃度的升高，車前草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率顯著降低，在2 mmol/L時發(fā)芽勢和發(fā)芽率的值達到最低，與對照相比分別降至20.00%和27.33%。結(jié)果表明，隨著Cu2+濃度的升高，車前草種子萌發(fā)受到顯著抑制。

表1 不同濃度Cu2+溶液處理對車前草種子萌發(fā)的影響

不同濃度Cu2+對車前草幼苗苗長的影響如圖1所示，隨著Cu2+濃度的升高，車前草幼苗苗長均呈下降趨勢。與對照相比，在Cu2+濃度為0.2 mmol/L時，車前草幼苗苗長差異顯著；隨著濃度的增加，幼苗生長受到明顯的抑制，可知Cu2+抑制車前草幼苗的生長。

2.2 不同濃度重金屬Zn2+對車前草種子發(fā)芽和苗長的影響

不同濃度的Zn2+處理對車前草的萌發(fā)具有一定的影響，如表2所示。隨著Zn2+濃度的增加，車前草種子發(fā)芽率先下降后上升，但始終低于對照組。發(fā)芽勢則呈現(xiàn)波動變化趨勢，當Zn2+濃度達到2 mmol/L，發(fā)芽勢顯著高于對照組，發(fā)芽率也是接近于對照組，表明在某種程度上，適宜濃度的Zn2+對車前草種子萌發(fā)有一定的促進作用，這可能與Zn2+是車前草萌發(fā)過程中某些酶的激活劑相關。

表2 不同濃度Zn2+溶液處理對車前草種子萌發(fā)的影響

重金屬Zn2+對車前草幼苗的生長具有抑制作用，如圖2所示，Zn2+濃度在0 ～ 0.4 mmol/L時，與對照相比差異不顯著。當Zn2+濃度超過0.6 mmol/L，隨著Zn2+濃度的增加，車前草幼苗的苗長顯著降低，由此表明，當Zn2+濃度達到一定程度后，對車前草幼苗的生長具有抑制作用，且隨著濃度增加而加強。

2.3 不同重金屬Cd2+對車前草種子發(fā)芽和苗長的影響

如圖3和圖4所示，低濃度的Cd2+對車前草種子的萌發(fā)影響相對較小，濃度在0.4～1.0 mmol/L時，其發(fā)芽勢和發(fā)芽率的差異較小，隨著濃度的升高，發(fā)芽勢和發(fā)芽率逐漸降低。與對照相比，高濃度Cd2+處理能顯著抑制車前草種子的萌發(fā)。

不同濃度Cd2+對車前草種子幼苗的苗長的影響如圖5所示，隨著Cd2+濃度的升高，車前草幼苗苗長顯著下降。Cd2+濃度為0.2mmol/L時，與對照相比差異顯著，隨著Cd2+濃度升高，車前草幼苗苗長顯著降低。表明，車前草幼苗對Cd2+處理敏感。

3 結(jié)論與討論

種子發(fā)芽率反映了種子的生命力，發(fā)芽勢反映種子出苗的快慢，兩者均為鑒定種子質(zhì)量最直接和穩(wěn)定的指標[14]，植物對逆境脅迫的適應體現(xiàn)可以從幼苗的生長狀況反映，環(huán)境因子對植物生長的影響作用可以反映植物體受傷程度[15]。本試驗中用到的車前草種子普遍存在發(fā)芽率較低現(xiàn)象，而種子發(fā)芽率低的原因可能是由于種子采收過早、未成熟或采收后晾曬不徹底、濕度過大以及沒有徹底解除休眠等。不同濃度的重金屬溶液銅(Cu2+)、鎘(Cd2+)和鋅(Zn2+)處理車前草種子，對其萌發(fā)和苗長均有抑制作用，但不同重金屬的影響程度有差異。

作為很多酶成分之一的Cu2+，不僅能夠參與各種反應，還在很多植物的光合作用及呼吸作用等過程中起非常關鍵的作用，如果植物體內(nèi)的Cu2+濃度過高，對植物種子的萌發(fā)以及生長發(fā)育產(chǎn)生較大影響[16]，本試驗中，在Cu2+濃度較低處理時，與對照相比，車前草種子的萌發(fā)受影響較小，但是高濃度Cu2+處理，對車前草種子萌發(fā)具有顯著的抑制作用，胡娜[4]等對鹽生草的研究結(jié)果也表明高濃度的Cu2+對植物種子萌發(fā)具有抑制作用。本試驗的結(jié)果還表明，高濃度的Cu2+對車前草幼苗的生長也具有抑制作用。

植物在生長發(fā)育時需要Zn2+的輔助，適宜濃度的Zn2+，可以提高植物的光合作用以及增強植物的抗逆性，使植物的生長更加健壯，但是當大量的Zn2+堆積的時候，則會對植物產(chǎn)生毒害作用，影響植物生長發(fā)育，使植物生長緩慢，尤其是對植物根的生長產(chǎn)生巨大的影響[17]，本試驗也得出相似的結(jié)論。本研究中，隨著Zn2+濃度的增加，Zn2+某種程度上可以促進車前草種子的萌發(fā)，但對幼苗的生長具有抑制作用。原因可能是Zn2+主要使根的生長受到抑制，進一步使幼苗生長受到抑制，致使種子雖然能夠萌發(fā)但不能成苗。

大量的研究結(jié)果表明，作為五毒元素之一的Cd2+是毒性最強的，不僅會對人體產(chǎn)生毒害，對植物的毒性也很強大，極大的影響植物的生長發(fā)育[18]。本試驗結(jié)果顯示，低濃度Cd2+處理對車前草種子的萌發(fā)產(chǎn)生的影響相對較小，高濃度的Cd2+處理使車前草萌發(fā)受到顯著抑制，在濃度超過0.8mmol/L后抑制作用更加明顯。Cd2+對車前草種子幼苗的生長也具有顯著的抑制作用，濃度越大，幼苗長度越短。發(fā)芽受到抑制，根部不能生長，對車前草后期的呼吸作用以及光合作用產(chǎn)生影響，嚴重時導致其死亡。

發(fā)芽率和發(fā)芽勢是評價車前草萌發(fā)期受重金屬影響重要依據(jù)。本研究結(jié)果表明車前草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢及苗長對重金屬Cu2+、Zn2+和Cd2+的脅迫表現(xiàn)出不同的響應，與車前草種子發(fā)芽相比，不同濃度Cu2+、Zn2+和Cd2+對其幼苗生長的影響更加顯著，為藥用植物的大田栽培提供了基礎的數(shù)據(jù)參考。低濃度重金屬對于車前草的發(fā)芽、幼苗生長的影響不顯著，此結(jié)果對中藥安全利用具有一定的提示作用。中藥的安全使用離不開對重金屬指標的嚴格檢測和把控，特別是車前草等對重金屬具有富集作用的中藥類別，其耐重金屬脅迫的具體機制有待進一步研究。