交流電場對鈾脅迫下黑麥草種子萌發(fā)的影響

楊田 黃林濤 熊堯

摘要：通過研究促進(jìn)植物種子在鈾脅迫條件萌發(fā)和生長的方法，對于開展鈾污染場地植物修復(fù)和防護(hù)具有重要意義。研究主要探討了黑麥草（Lolium perenne L.）種子經(jīng)過不同條件交流電場處理后，在鈾脅迫下的萌發(fā)及生長變化。結(jié)果表明，1 mmol/L鈾處理對黑麥草種子發(fā)芽相關(guān)指標(biāo)及幼苗生長均造成了顯著的脅迫作用（P<0.05），且施加不同條件的交流電場對黑麥草種子在鈾脅迫下的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)影響較小，對發(fā)芽勢和活力指數(shù)影響較大。此外，在高、中、低3個(gè)電場處理?xiàng)l件下（1.5、15.0、150.0 V），2 h的各電場處理會(huì)加劇鈾脅迫對黑麥草幼苗株高、根長和生物量的影響;時(shí)長較長時(shí)，除了在24 h高電場處理也是促進(jìn)脅迫外，12、24 h各強(qiáng)度電場處理卻能緩解鈾脅迫對黑麥草幼苗株高、根長和生物量的影響。表明采取適宜的電場處理強(qiáng)度和處理時(shí)間策略可能對鈾脅迫下植物種子的萌發(fā)指標(biāo)影響不大，但是能夠增強(qiáng)植物幼苗的抗逆性。

關(guān)鍵詞：黑麥草（Lolium perenne L.）;鈾脅迫;交流電場;種子萌發(fā)

中圖分類號：S543+.6? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：0439-8114（2019）07-0035-04

Abstract： It is of great significance to develop phytoremediation by studying methods for promoting seed germination and plant growth of plant under uranium stress. The effect of different treatments of alternating current （AC） electric field on ryegrass（Lolium perenne L.） seed germination and seedling growth under uranium stress was studied. Results showed that， the treatment of uranium （1 mmol/L） caused significant stress on ryegrass in the period of seed germination and seedling growth（P<0.05）， and the treatments with electric field had less influence on the germination rate and germination index， but had larger influence on germination potential and vigor index of ryegrass seed under uranium stress. Besides， at high， medium and low level of electric field （1.5 V，15.0 V，150.0 V）， the treatments with electric field in 2 h showed more serious uranium stress effects on plant height， root length and biomass of ryegrass seedling， however， except the high level of electric field in 24 h， the treatments with electric field in 12 h and 24 h could significantly relieve the effects of uranium stress. With the appropriate electric field strength and treat-time， there may have little effect on the seed germination indicators of ryegrass seed under uranium stress， but it can promote the uranium resistance of seedlings.

Key words： ryegrass（Lolium perenne L.）; uranium stress; alternating current （AC） electric field; seed germination

核電在保證全球能源安全和應(yīng)對氣候變化方面具有不可替代的作用，也是中國改善能源結(jié)構(gòu)和布局，實(shí)現(xiàn)能源工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。作為核電發(fā)展的原料，鈾的需求還將持續(xù)增長;穩(wěn)定可靠地利用鈾對保障核能發(fā)展有重要意義[1]。然而，鈾礦開采及利用過程中鈾會(huì)對周圍土壤及地表水、地下水造成一定的污染[2-4]，并通過食物鏈進(jìn)入人體[5]，同時(shí)以化學(xué)毒性和內(nèi)照射兩種形式對人類健康造成危害[6，7]。植物可以富集土壤和水體中的鈾，以降低或消除鈾污染的危害，但富集的鈾會(huì)對其生長和生理產(chǎn)生抑制作用[8-11]。通常植物是培養(yǎng)至幼苗或成體后才用于對鈾的修復(fù)。近年來，人們開始關(guān)注鈾脅迫對植物種子萌發(fā)的影響[12-15]，利用植物種子的生態(tài)毒理效應(yīng)來監(jiān)測環(huán)境污染程度;同時(shí)通過揭示鈾對種子萌發(fā)及幼苗早期生長的影響，來探討鈾影響植物生長的機(jī)理。這對評價(jià)鈾對植物危害或利用植物修復(fù)鈾污染具有重要意義。

電場處理不僅可以提高種子的活力[16，17]，還能顯著提高種子的抗鹽性、抗旱性等[18-21]。前期的試驗(yàn)主要采用高壓靜電場處理種子，通過電離空氣作用于種子[22]，處理后種子的抗性效應(yīng)隨時(shí)間的延長而遞減[23-25]。因此本試驗(yàn)以黑麥草（Lolium perenne L.）種子為材料，在浸種時(shí)施加交流電場，研究不同電場處理?xiàng)l件下植物種子對鈾脅迫的響應(yīng)，以期為植物在鈾脅迫和交流電場共同作用下的深入研究提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)材料

供試材料為黑麥草種子，購于綿陽市全興種業(yè);配制鈾溶液的試劑為分析純乙酸雙氧鈾? ?235UO2（CH3COO）2，準(zhǔn)確稱取3.851 1 g溶解于1 L去離子水中，鈾濃度為1 mmol/L;浸種容器為聚丙烯方盆（長×寬×高=330 mm×230 mm×110 mm），盆蓋（兩端平行于盆寬各1個(gè)條形孔180 mm×60 mm，用于放置石墨板，條形孔間距300 mm，正中有1個(gè)圓形孔直徑45 mm，用于放置種子）;石墨板（長×寬×厚=170 mm×140 mm×50 mm）;發(fā)芽試驗(yàn)容器為玻璃培養(yǎng)皿（直徑×高=90 mm×15 mm）。

1.2? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取顆粒飽滿、大小均一的黑麥草種子共33份，每份50粒用濾紙包裹。方盆中加入6 L去離子水，加蓋，在兩端條形孔中放入石墨電極板，變壓器（可變范圍0～300 V，輸入220 V/50 Hz）輸出線分別夾住石墨板，中間圓孔中按處理組放入包裹好的黑麥草種子，試驗(yàn)共設(shè)11個(gè)處理（表1），每個(gè)處理重復(fù)3次。浸種24 h后，將不同處理的黑麥草種子分別置于培養(yǎng)皿中鈾溶液浸泡的雙層濾紙上，對照（CK）用去離子水浸泡濾紙。培養(yǎng)皿隨機(jī)擺放在溫室的培養(yǎng)架上，溫度控制在22～25 ℃，光照12 h。每天10：00、18：00補(bǔ)充鈾溶液，保持濾紙濕潤，CK用去離子水。每天觀察和記錄發(fā)芽種子數(shù)，7 d后測量幼苗根長、株高，在干燥培養(yǎng)箱中70 ℃下烘24 h后測量幼苗干重。

1.3? 分析方法及數(shù)據(jù)處理

2? 結(jié)果與分析

2.1? 鈾脅迫下交流電場處理對黑麥草種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

從表2可以看出，CK-U的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)均顯著低于CK，表明鈾脅迫抑制了黑麥草種子的萌發(fā)。發(fā)芽勢加電處理T1顯著高于CK-U，其余處理均顯著低于CK-U，表明交流電場處理T1（1.5 V、2 h）對鈾脅迫下黑麥草種子的發(fā)芽勢有促進(jìn)效果;發(fā)芽率加電處理T5顯著高于CK-U，其余處理均與CK-U無顯著差異，表明交流電場處理T5（15.0 V、12 h）對鈾脅迫下黑麥草種子的發(fā)芽率有促進(jìn)效果;發(fā)芽指數(shù)加電處理T1顯著高于CK-U，T2顯著低于CK-U，其余處理與CK-U無顯著差異，表明交流電場處理T1（1.5 V、2 h）對鈾脅迫下黑麥草種子的整體萌發(fā)有促進(jìn)效果;活力指數(shù)加電處理T6顯著高于CK-U，T7、T1、T4、T9顯著低于CK-U，其余處理與CK-U無顯著差異，表明交流電場處理T6（15.0 V、24 h）能緩解鈾對黑麥草種子從萌發(fā)到幼苗生長的脅迫作用。

2.2? 鈾脅迫下交流電場處理對黑麥草幼苗根長、株高和干重的影響

不同交流電場處理的鈾脅迫下黑麥草幼苗的株高、根長見圖1，CK幼苗的株高、根長均顯著高于鈾脅迫處理CK-U;并且CK的株高與根長之比接近1，鈾脅迫嚴(yán)重抑制根的生長，導(dǎo)致株高與根長的比例嚴(yán)重失衡。與CK-U相比，加電處理T1的根長顯著變短，T2、T4與CK-U無顯著差異，其他處理則均顯著高于CK-U;加電處理T1的株高比CK-U顯著降低，T4、T7、T9與CK-U無顯著差異，其他處理則顯著高于CK-U。

不同交流電場處理的鈾脅迫下黑麥草幼苗的干重見圖2，CK的干重高于鈾脅迫處理CK-U，并且差異顯著。加電處理T1、T4、T9、T7的干重顯著低于CK-U，其余處理與CK-U無顯著差異。

3? 小結(jié)與討論

3.1? 討論

黑麥草種子在1 mmol/L鈾脅迫處理下，發(fā)芽和生長相關(guān)指標(biāo)均顯著低于對照，表明鈾對種子及幼苗生長均造成了脅迫效應(yīng)，與之前的研究結(jié)果相符[12-15]。與CK-U相比，交流電場處理T1（1.5 V、2 h）對種子的發(fā)芽勢、整體萌發(fā)水平有促進(jìn)效果，但是嚴(yán)重抑制了幼苗的生長，其株高、根長均為所有處理組最低水平;T5（15.0 V、12 h）對種子的發(fā)芽率有促進(jìn)效果;T3（1.5 V、24 h）、T5（15.0 V、12 h）、T6（15.0 V、24 h）、T7（150.0 V、2 h）、T8（150.0 V、12 h）、T9（150.0 V、24 h）能促進(jìn)幼苗根長的生長;T2（1.5 V、12 h）、T3、T5、T6、T8能促進(jìn)幼苗株高的生長;T6能緩解鈾對種子從萌發(fā)到幼苗生長的脅迫作用，主要途徑是通過對幼苗株高和根長生長的促進(jìn)。說明不同電場強(qiáng)度和加電時(shí)間對種子的作用是有差異的，這與之前高壓靜電場對植物種子的作用結(jié)論相同，在1.0～5.5 kV/cm場強(qiáng)范圍內(nèi)的高壓靜電場處理油葵種子，部分電場處理可顯著提高種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率，電場的生物效應(yīng)表現(xiàn)為非線性[23]。進(jìn)一步分析施加電場的強(qiáng)度與時(shí)間對黑麥草幼苗生長的作用規(guī)律發(fā)現(xiàn)，除處理T9外，在電壓不變的情況下隨著加電時(shí)間的增加，或者在相同加電時(shí)間下隨著電壓的增加，鈾脅迫對黑麥草生長造成的抑制逐步緩解，表現(xiàn)為對株高和根長生長有促進(jìn)作用。處理T9不符合上述規(guī)律，可能是電場強(qiáng)度和時(shí)間的交叉作用超出了植物的適應(yīng)范圍。這與高壓靜電場對小麥抗寒性的影響一致，一定處理時(shí)間條件下，脯氨酸、丙二醛含量及過氧化物酶等活性隨著處理電場強(qiáng)度的變化呈非單調(diào)型變化[20]，在糜子的抗旱性和花葵的抗鹽性研究中均有相似結(jié)論[19，21]。部分研究人員對高壓靜電場對植物分子的作用機(jī)制進(jìn)行了研究，例如，郭維生等[26]發(fā)現(xiàn)高壓靜電場處理影響酶的活性并不是因?yàn)殡妶龈淖兞嗣傅囊患壗Y(jié)構(gòu)，而是通過改變其高級結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的;熊建平等[27]利用大于10 kV/cm的高壓靜電場處理黃瓜種子，其DNA分子部分破碎和斷裂，促進(jìn)了黃瓜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。而低壓交流電場對植物種子的作用途徑是否與高壓靜電場的作用途徑相似還需要試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2? 小結(jié)

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在浸種時(shí)施加勻強(qiáng)低壓交流電場能夠緩解鈾對黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長的脅迫作用。在高、中、低3個(gè)電場處理?xiàng)l件下（1.5、15.0、150.0 V），2 h的各電場處理及24 h高電場處理會(huì)加劇鈾脅迫對黑麥草幼苗株高、根長和生物量的影響;12、24 h其他各強(qiáng)度電場處理卻能緩解鈾脅迫對黑麥草幼苗株高、根長和生物量的影響，其中處理T6（15.0 V、24 h）通過促進(jìn)幼苗的株高和根長的生長而提高黑麥草的活力指數(shù)。說明電場處理不僅適用于對種子的抗鹽性、抗旱性的研究，還可以開展電場促進(jìn)植物種子或植株對鈾或重金屬脅迫適應(yīng)性的研究。

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