錳脅迫對青葙種子萌發和幼苗生理的影響

文 珂，劉文勝

（中南林業科技大學生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004）

錳脅迫對青葙種子萌發和幼苗生理的影響

文 珂，劉文勝

（中南林業科技大學生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004）

利用植物進行錳（Mn）污染治理之前，首先要探明脅迫對種子萌發及幼苗生長的影響。以錳超富集植物青葙（Celosia argentea）為試驗材料，在不同錳濃度（0.005、1.000、5.000、8.000、12.000、15.000 mmol/L）下開展種子萌發試驗，研究錳濃度與該植物種子萌發及幼苗生長的關系。結果表明，隨著錳濃度的升高，青葙種子發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數均呈現出先升高后降低的趨勢，青葙幼苗的根長（r =-0.954，P =0.003）、芽長（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（r =-0.643，P =0.169），可溶性糖含量則呈先增加后下降的趨勢。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致該植物種子萌發及幼苗生長發生改變的主要原因。

錳脅迫；青葙；種子萌發；幼苗生長；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

礦山開采在為國民經濟發展提供原材料的同時，也導致了嚴重的環境污染［1-4］。例如，錳（Mn）在我國已有100多年的開采歷史，由于錳礦開采長期利用不合理方式進行，礦區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所必須的微量元素之一［7］，但環境中過高的錳會對植物產生毒害，甚至會通過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當前面臨的迫切任務。

在各種重金屬污染治理方法中，利用超富集植物進行植物修復具有高效、環保和廉價等優點，具有廣泛的開發潛力［9］。種子萌發和幼苗生長是植物對環境最敏感的時期［10］，研究該時期高重金屬濃度對植物的影響程度并采取相應措施是開展植物修復的重要前提［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、適應性廣以及易于種植等特點［12］，在全國各地均有分布［13］。青葙能在錳礦廢棄地上大量生長，是一種錳超富集植物［14］，且該植物還具有較高的觀賞價值，因而是一種極具開發價值的修復植物。本研究通過萌發試驗檢測不同錳濃度下青葙種子萌發及幼苗生長的異同，以期為利用青葙修復錳污染提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 試驗方法

選取個體大、籽粒飽滿的種子開展萌發試驗。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皿中，每個培養皿放入50粒種子。設置0.005（CK）、1、5、8、12、15 mmol/L 6個錳濃度模擬土壤錳脅迫（錳以MnCl2·4H2O形式加入），每個錳濃度設5次重復，每個重復1個培養皿，于25℃恒溫培養箱中12 h光/12 h暗進行培養，每天添加去離子水以維持培養液原有水平。每日記載發芽粒數，第4 d統計發芽勢，處理后12 d測定發芽率，并用鑷子將萌發的幼苗取出，用濾紙吸去表面的水分，測定其胚根長、胚芽長，并于烘箱60℃的條件下烘干測幼苗總生物量干重。

參照《國際種子檢驗規程》［15］計算發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數等發芽能力指標：

1.3 幼苗生理特性測定

淀粉酶活性測定采用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’為淀粉酶的對照管中麥芽糖量（mg），B為比色時所用樣品液毫升數。

可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法［17］。

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

試驗數據采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），并使用最小差別法（LSD法）對每個指標不同處理間的差異顯著性進行多重比較，用Sigma Plot12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 不同錳濃度對青葙種子萌發的影響

發芽率反映了種子的生命力，發芽勢反映種子出苗快慢和整齊程度，兩者均為鑒定種子質量最直接和穩定的指標。圖1顯示，青葙種子的發芽率與發芽勢均隨著錳濃度的升高呈現出先上升后下降的趨勢。在錳濃度為8 mmol/L時，發芽率和發芽勢均達到最高值，分別為63%和33%，分別比對照增加52%和25%，且均與對照差異顯著；隨著錳濃度的繼續增加，發芽率與發芽勢則均明顯下降，當錳濃度增加到15 mmol/L時，發芽率和發芽勢分別為40%和25%，分別比對照低4%和6%，且均與對照差異顯著。說明錳對青葙種子萌發具有“低促高抑”的效果。

圖1 不同錳濃度處理青葙種子的萌發情況

圖2 不同錳濃度處理青葙種子的發芽指數

圖3 不同錳濃度處理青葙種子的活力指數

發芽指數反映了整個發芽期種子活力，活力指數是對較廣范圍內種子能否迅速萌發、成苗及其生長整齊程度的綜合體現。青葙種子的發芽指數與活力指數，同樣地表現出了低濃度促進、高濃度抑制的效應。由圖2、圖3可知，青葙種子的發芽指數、活力指數隨著錳濃度的升高均表現出先升高后降低的規律，當錳濃度為8 mmol/L時，發芽指數、活力指數均達到最大值，分別比對照的增加54%和20%，差異均達顯著水平；隨著錳濃度的增加，發芽指數與活力指數均逐漸降低，在錳濃度達到15 mmol/L時，發芽指數與對照接近，差異不顯著，而活力指數降幅較大，比對照低30%，差異顯著。

2.2 不同錳濃度對青葙幼苗生長的影響

幼苗的生長狀況是植物對逆境脅迫適應的綜合體現。Pearson相關顯示，隨著錳濃度的升高，青葙幼苗的胚芽長（r =-0.957，P =0.003）和胚根長（r =-0.954，P =0.003）均隨之下降（圖 4），當錳濃度為 1、5、8、12、15 mmol/L時，幼苗胚芽長分別比對照下降12%、14%、20%、22%、27%，胚根長比對照分別下降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，當錳濃度為1、5、8、12、15 mmol/L時，總生物量分別比對照下降15%、24%、27%、35%、39%，且均與對照差異顯著。

圖4 不同錳濃度處理青葙胚根、胚芽生長情況

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

淀粉酶直接影響種子內儲藏淀粉的分解，從而影響種子萌發所需的物質和能量，因而是種子萌發的重要指標。圖6顯示，與對照相比，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，青葙幼苗總淀粉酶活性分別比對照下降53%、61%、53%、47%；Pearson相關顯示，青葙種子總淀粉酶活性隨著錳濃度的增加而呈現出下降的趨勢（r =-0.643，P =0.169），說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胞等生命結構的主要物質，直接為種子萌發和幼苗生長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先增加后下降的變化趨勢（圖7），當錳濃度達到1 mmol/L之后，青葙幼苗中可溶性糖含量急劇升高，于5 mmol/L時達最大值，比對照增加100%，差異極顯著，隨后開始下降；在錳濃度達到15 mmol/L時，錳脅迫開始抑制青葙幼苗中可溶性糖的含量，與對照相比下降10%，說明高濃度錳脅迫對青葙幼苗可溶性糖含量表現出抑制效應。

圖7 不同錳濃度處理青葙幼苗的可溶性糖含量

3 結論與討論

錳是植物生長所必需的微量元素之一，但環境中過量的錳會對植物的生長發育產生毒害［18］。本研究結果表明，較低濃度的錳脅迫對青葙種子的發芽有促進作用，而高濃度的錳則產生抑制作用。這一結果與許多重金屬對種子萌發影響的結論一致，說明重金屬對植物種子萌發較低濃度刺激和較高濃度抑制效應是一種普遍現象［19］。梁文斌等［20］對錳脅迫下美洲商陸（Phytolacca americana）種子萌發的研究及劉宇婧等［21］對鎘（cd）濃度與波斯菊（Cosmos bipinnata）關系的研究也得出了相同的結果。

本研究中，青葙幼苗根長、芽長、總生物量等指標均隨著錳濃度的增加而逐漸降低，說明較高濃度的錳會對青葙幼苗生長造成抑制，這與劉宇婧等［21］對鎘脅迫下波斯菊的研究結果一致。我們對不同錳濃度下蒼耳（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（待發表）。這充分說明較高濃度的錳是抑制青葙幼苗生長的重要因素。

可溶性糖作為組成細胞等生命結構的主要物質，直接為種子萌發和幼苗生長提供所需的碳架和初始能量，也是增加滲透性物質的重要組成成分。本研究結果表明，隨著錳濃度的升高，青葙幼苗淀粉酶活性呈降低趨勢，可溶性糖含量則呈現先升高后降低的趨勢。李廣會等［22］對板栗（Castanea mollissima）種子萌發研究發現，隨著錳濃度的增加，幼苗淀粉酶活性呈降低趨勢；秦嶺等［23］研究發現，板栗種子萌發過程中隨著錳濃度的增加，可溶性糖減少；侯典云等［24］研究發現，隨錳濃度的增加，小麥（Triticum aestivum）可溶性糖含量表現為先增大后減少再增大。這些研究與本研究結果基本一致，說明較高濃度的錳將降低淀粉酶活性，導致可溶性糖含量減少。由于種子萌發過程物質和能量的供給主要來源于淀粉的分解，淀粉酶的活性直接影響到種子萌發率［25］。本研究中，較高錳濃度下青葙種子萌發率降低，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之一，與植物抗性具有密切的相關性［26］。植物受到重金屬脅迫時，通過改變滲透調節物質來維持正常細胞代謝環境，從而降低重金屬危害［27-28］。本研究結果表明，隨著錳濃度的升高，青葙幼苗生長受阻，其原因可能是錳濃度較高時，可溶性糖含量減少，導致滲透調節能力減弱。

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（責任編輯 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.錳脅迫對青葙種子萌發和幼苗生理的影響［J］.廣東農業科學，2017，44（6）：78-83.

2017-03-25

湖南省教育廳重點項目（14A156）；湖南省自然科學基金（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