Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子萌發和幼苗生理特性的影響

趙永平,朱 亞,李花環,蘇 麗

(商洛學院 生物醫藥與食品工程學院,陜西 商洛 726000)

Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子萌發和幼苗生理特性的影響

趙永平,朱 亞,李花環,蘇 麗

(商洛學院 生物醫藥與食品工程學院,陜西 商洛 726000)

在室內條件下研究了Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花品種“隴菊1號”種子萌發及幼苗生理特性的影響。研究結果表明:低濃度的Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子萌發具有一定的促進作用,而高濃度的Cu2+、Zn2+脅迫則表現為抑制作用;在不同濃度Cu2+、Zn2+脅迫下,金盞花幼苗的保護酶SOD、POD、CAT活性均呈現先上升后下降的變化趨勢;隨著Cu2+、Zn2+脅迫濃度的升高，金盞花幼苗的MDA含量逐漸增加。

金盞花;銅；鋅；脅迫;種子萌發;生理特性

由于受過量施用化肥農藥、礦物開采以及工業化進程發展等因素的影響,不同的重金屬在土壤中不斷積累,致使城市周邊及主要作物栽培區的土壤不同程度地受到了重金屬的污染,對動、植物細胞內的酶產生毒害作用,嚴重危害了各種植物的生存和人類的健康[1-2]。研究表明,過量的鋅、銅、汞等重金屬離子會破壞細胞膜的完整性和組成,使細胞內的離子和有機物大量外滲,外界的有毒物質進入,進而導致植物體內一系列生理生化過程失調,影響植物的水分代謝、光合作用、呼吸作用、糖類代謝等,最終使得植物無法正常生長[3-6]。而重金屬脅迫的最主要途徑之一是造成過氧化脅迫,產生大量的活性氧自由基,比如Cu2+能催化OH-的非酶促反應[7]。因此,重金屬污染的問題越來越受到人們的關注,特別是重金屬對植物的危害、植物修復的可能機制及重金屬脅迫下植物的損傷逐漸成為研究熱點,尋找抗重金屬的植物并研究其抗性機理也成為植物修復領域的一項重要課題[8]。研究發現許多植物,如遏藍菜、蜈蚣草、龍葵、紅菾菜、寶山堇菜等在其生長發育過程中對重金屬都有較強的抵抗作用,且能夠很好地富集土壤中的重金屬,從而達到治理環境污染的目的,所以出現了植物修復技術,并逐步發展成為一種綠色、廉價并被人們廣泛認可的有效治理重金屬污染的措施。另外，在重金屬污染土壤中,植物的生長發育狀況也在一定程度上反映了土壤的污染程度,可以作為指示生態系統污染的一項重要指標[9-11]。

金盞花(CalendulaofficinalisL.)又名萬壽菊、臭芙蓉等,屬菊科萬壽菊屬一年生草本植物。該植物原產于墨西哥,抗性強,對土壤要求不嚴,耐移植,生長迅速,栽培容易,病蟲害較少,開花時花大而艷,從其鮮花中提取的葉黃素不僅具有著色功能,還具有營養、保健功能,因此金盞花現已成為重要的特色經濟作物[12-13]。同時它也是一種對重金屬吸附力較強的植物,有著廣泛的開發前景；目前關于重金屬脅迫對金盞花影響的研究報道較少。鑒于此,本課題組研究了不同濃度Cu2+、Zn2+脅迫下金盞花種子萌發和幼苗生理特性的變化,初步探明了金盞花對Cu2+、Zn2+脅迫的耐受程度,可為重金屬污染地區改善生態環境、提高生產效益提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為甘肅省農業工程技術研究院提供的金盞花新品種“隴菊1號”。

1.2 試驗設計

選取完整、飽滿、無霉斑的金盞花種子,用0.1%的HgCl2消毒5 min,然后用去離子水反復沖洗,最后點播在鋪有2層濾紙的培養皿中,每皿點播20粒種子；在培養皿中加入適量的用1/4 Hoagland配制的含有不同濃度CuSO4和ZnSO4的營養液,Cu2+和Zn2+的濃度梯度均設置為0(CK)、30、60、90、120、150 mg/L,每個濃度處理設3次重復。點播后在25 ℃下培養7 d,第3天測發芽勢,第7天測發芽率,然后將發芽的種苗移植到含有對應Cu2+、Zn2+脅迫濃度的水培缽中進行培養,培養20 d后測定其生理指標。

1.3 測定方法

1.3.1 發芽勢和發芽率的測定及計算 計算公式如下：

發芽勢(%)=M1/M×100%;

發芽率(%)=M2/M×100%。

上式中:M1為發芽3 d內正常發芽的種子粒數;M2為正常發芽的種子粒數;M為供試的種子粒數。

1.3.2 相關酶活性和丙二醛含量的測定 超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)法[14]測定;過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法[14]測定;過氧化氫酶(CAT)活性采用分光光度法[14]測定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[14]測定。

1.4 數據統計

對試驗數據采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05 軟件進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子發芽勢及發芽率的影響

發芽勢和發芽率是鑒別種子發芽整齊度的重要指標。由表1可以看出,Cu2+脅迫和Zn2+脅迫對金盞花種子萌發均具有顯著的影響,在低濃度脅迫下,發芽勢和發芽率均呈現升高的趨勢,但當濃度達到一定值時,隨著脅迫濃度的繼續升高,發芽勢和發芽率均快速降低。當Cu2+脅迫濃度達到30 mg/L時,金盞花種子的發芽勢和發芽率均最高,分別為90.61%和93.33%。當Zn2+脅迫濃度為90 mg/L時,金盞花種子的發芽勢和發芽率均最高,較不添加Zn2+處理分別提高了3.20和5.37個百分點。綜合比較而言,Zn2+脅迫對金盞花種子發芽勢和發芽率的影響低于Cu2+脅迫。

表1 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子發芽勢和發芽率的影響

2.2 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗保護酶系統的影響

2.2.1 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗SOD活性的影響 逆境脅迫會造成植物體活性氧過量積累,而植物可以通過自身的保護酶系統來消除過量積累的活性氧來維持體內的活性氧代謝平衡。植物體內的SOD是重要的抗氧化酶,有清除活性氧、防止膜脂過氧化的作用[15]。如圖1所示,在不同濃度Cu2+、Zn2+脅迫下,金盞花幼苗中SOD活性隨脅迫濃度的升高呈現先升高后降低的變化趨勢,且不同處理間存在顯著差異。當Cu2+脅迫濃度達到90 mg/L時,SOD活性最高,為287.65 U/g,較對照提高了15.31%；當Zn2+脅迫濃度達到60 mg/L時,SOD活性最高,較對照提高了33.25%。說明金盞花幼苗受到重金屬脅迫時,SOD將啟動它的保護機制,消除脅迫所積累的活性氧，防止膜脂過氧化,從而確保該植物能夠正常生長。

2.2.2 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗POD活性的影響 POD是植物體內重要的抗氧化酶,能協同SOD有效地清除過量自由基,減輕質膜過氧化程度,因此其常作為植物組織抗性的一個診斷指標。由圖2可以看出：POD的活性也隨著Cu2+、Zn2+濃度的增大呈先升后降的變化趨勢,分別在60 mg/L和90 mg/L時達到峰值,較對照分別提高了3.90%和17.95%；在Cu2+、Zn2+重度脅迫下,POD的活性均迅速下降。

圖1 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗SOD活性的影響

圖2 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗POD活性的影響

2.2.3 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗CAT活性的影響 過氧化氫酶(CAT)在植物抗逆生理中的主要作用是清除過量的H2O2,它與POD一起形成了植物清除活性氧的第二道防線。從圖3可以看出：當Cu2+脅迫濃度由0 mg/L增加到60 mg/L時,各處理金盞花幼苗的CAT活性差異不顯著；當Cu2+濃度增加到90 mg/L時,CAT活性最高,較對照提高了6.85%；隨后隨著Cu2+脅迫濃度的繼續升高,金盞花幼苗的CAT活性逐漸降低。當Zn2+脅迫濃度低于90 mg/L時,各處理金盞花幼苗的CAT活性差異不顯著；當Zn2+脅迫濃度超過90 mg/L,金盞花幼苗處于重度脅迫下,其CAT活性急劇下降。

2.3 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗MDA含量的影響

逆境脅迫會導致植物的膜脂過氧化作用,而MDA為質膜過氧化作用的中間產物,會嚴重損害植物生物膜,其含量的變化在一定程度上可以反映逆境脅迫對植物質膜透性的損傷程度[8]。如圖4所示,在Cu2+、Zn2+脅迫下,MDA含量隨脅迫濃度的升高均呈現逐漸上升的趨勢,且Cu2+、Zn2+脅迫濃度越高,MDA的含量越大。當Cu2+、Zn2+脅迫濃度由0增加至90 mg/L時,各處理金盞花幼苗的MDA含量增加較為緩慢；當Cu2+、Zn2+脅迫濃度超過90 mg/L時,MDA含量快速升高；當Cu2+、Zn2+脅迫濃度達到150 mg/L時,MDA的含量均最高,分別較對照提高了149.53%和98.32%。

圖3 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗CAT活性的影響

圖4 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗葉片中MDA含量的影響

3 結論與討論

重金屬污染是全世界面臨的嚴重的生態問題之一,而種子萌發是植物接受重金屬脅迫的起點,也是植物感知外界環境的最初生命階段和對外界環境變化最敏感的階段。王彥梅等研究認為,低濃度重金屬脅迫對小麥和黑麥種子萌發影響較小,高濃度時種子萌發受到一定的限制,并且Cu2+脅迫對種子萌發的抑制強度大于Zn2+脅迫[16]。本試驗研究表明,低濃度Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子萌發具有一定的促進作用,當Cu2+和Zn2+濃度分別為30 mg/L和90 mg/L時,金盞花種子的發芽勢和發芽率均最高；而高濃度Cu2+和Zn2+則對金盞花種子萌發具有抑制作用。

在植物體中,SOD、POD、CAT等各種酶類構成了植物的保護酶系統,植物主要通過自身保護酶活性的變化抵御環境因子所帶來的不利影響,保護酶活性的高低可以在一定程度上反映植物抗逆性的強弱。本試驗研究結果表明,在不同濃度Cu2+、Zn2+脅迫下,金盞花幼苗的保護酶活性均呈現先上升后下降的變化趨勢,由此可以看出,低濃度Cu2+、Zn2+脅迫在一定程度上可以提高金盞花幼苗保護酶的活性,調節植株對環境的適應能力,而高濃度Cu2+、Zn2+脅迫則會引起保護酶活性下降,使幼苗抗性減弱,對植株生長造成傷害。這與李淑艷等[4]的研究結果一致。

MDA是植物在逆境脅迫下細胞質膜過氧化而產生的一種物質,它可以與植物體內的大分子物質作用,形成不溶性的化合物沉積,干擾細胞的正常生命活動,它可以反映植物在逆境環境條件下的適應情況,常被用作植物膜質過氧化損傷的指標[17-19]。本試驗結果表明,隨著Cu2+、Zn2+脅迫濃度的升高,金盞花幼苗的MDA含量均呈現逐漸上升的趨勢,當Cu2+、Zn2+脅迫濃度由0增加至90 mg/L時,各處理的MDA含量增加較為緩慢,可能是由于金盞花幼苗在受到輕度脅迫時,植株啟動了自身保護酶系統的保護機制,及時清除了質膜過氧化的產物。但是當Cu2+、Zn2+脅迫濃度超過90 mg/L時,MDA含量快速升高,當Cu2+、Zn2+脅迫濃度達到150 mg/L時,MDA的含量分別較對照提高了149.53%和98.32%,這可能是由于保護酶系統受到嚴重抑制,對活性氧的清除能力大大減弱,已不能阻止自由基在細胞內的積累,使質膜發生過氧化,透性增加,導致其功能受損,從而可能引起細胞的衰老和死亡,對金盞花產生抑制甚至毒害效應。

綜上所述,低濃度的重金屬對金盞花種子萌發及幼苗的生長有一定的促進作用,當金盞花受到輕度Cu2+、Zn2+脅迫時,將啟動自身的保護機制,如保護酶系統,清除金盞花因過氧化脅迫而產生的大量活性氧自由基,從而保證它的正常生長。但是高濃度的Cu2+、Zn2+脅迫則會破壞這種保護機制,無法及時清除質膜過氧化產物,從而對金盞花產生毒害作用,影響它的正常生長發育,甚至導致其死亡。同時高濃度的Cu2+、Zn2+對人體也有極大的危害,可能引發各種疾病。本試驗在一定程度上得出了金盞花對Cu2+、Zn2+脅迫的抗性大小,初步為金盞花抗性機理研究提供了理論依據。

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(責任編輯:黃榮華)

Effects of Cu2+and Zn2+Stress on Seed Germination and Seedling Physiological Characteristics ofCalendulaofficinalis

ZHAO Yong-ping, ZHU Ya, LI Hua-huan, SU Li

(College of Biological Pharmacy and Food Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

This paper studied the effects of Cu2+and Zn2+stress on the seed germination and seedling physiological characteristics ofCalendulaofficinalisvariety “Longju 1” under the indoor condition. The results showed that: low concentration of Cu2+and Zn2+stress had a certain promoting effect on the seed germination ofC.officinalis, while high concentration of Cu2+and Zn2+stress revealed an inhibitory effect; when the concentration of Cu2+and Zn2+stress increased, the activities of some protective enzymes (SOD, POD and CAT) inC.officinalisseedlings increased first and then decreased, while the MDA content increased gradually.

Calendulaofficinalis; Copper; Zinc; Stress; Seed germination; Physiological characteristics

2016-12-18

國家級大學生創新創業訓練項目(201511396711);商洛學院引進人才專項科研啟動經費項目(14SKY027)。

趙永平(1982─),男,陜西扶風人,博士,主要從事藥用植物生理與資源利用研究。

S681.7

A

1001-8581(2017)05-0035-04