重金屬脅迫對牛蒡種子萌發及幼苗生長的影響

譚洪偉 左明博 何月慶 付靖雯 高天鵬

摘 ? ?要：為了研究重金屬脅迫對植物種子萌發及幼苗生長的影響，以牛蒡為材料，研究了不同濃度的鋅、鎳、銅、鉻、鉛、鎘6種重金屬對牛蒡種子萌發及幼苗生長的影響，結果表明，重金屬脅迫后的牛蒡種子發芽率和幼苗芽長顯著低于對照組;牛蒡幼苗體內過氧化氫酶（CAT）活性隨重金屬脅迫濃度的增加出現先上升后下降的趨勢，在高濃度銅、鋅、鎳、鎘處理下，CAT活性下降并最終低于對照組，高濃度鉛脅迫下CAT活性有所下降但仍舊高于對照組，鉻脅迫下植物全部死亡。研究結果表明，重金屬脅迫對種子萌發和幼苗生長有明顯的抑制作用，且牛蒡幼苗對重金屬有一定的抗性。

關鍵詞：牛蒡;重金屬脅迫;種子發芽率;幼苗發育;CAT活性

文章編號：1005-2690（2022）02-0010-04 ? ? ? 中國圖書分類號：R282.71 ? ? ? 文獻標志碼：B

土壤是人類生存不可或缺的資源。人類從土壤中獲得休養生息的物質財富，沒有土地，人類難以生存。但人們在日常生活中對土壤資源缺乏足夠的保護意識，造成土壤污染狀況日趨嚴重。重金屬污染是土壤污染中危害最大、影響面積最廣的，極大地破壞了生態環境，損害了人們的身體健康，甚至嚴重威脅到我國的可持續發展。全國土壤污染狀況調查于2005—2013年進行，2014年4月17日公布調查結果。全國土壤中鎘的點位超標率為7%，汞為1.6%，砷為2.7%，銅為2.1%，鉛為1.5%，鉻為1.1%，鋅為0.9%，鎳為4.8%。目前，我國土壤鎘、鉻、鉛等重金屬污染嚴重[1]。據不完全統計，我國目前約有1 000萬hm2農田受到了污染，每年生產的受重金屬污染的糧食達1 200萬t，情況不容樂觀[2]。重金屬具有易積累和毒性大的特點，不僅會造成耕地質量下降、農產品質量低等危害，還會遷移到農產品中，隨著食物鏈的傳遞最后進入人體并在人體內富集，對人體造成危害[3-4]。

牛蒡（Arctium lappa L.）為多年生菊科草本藥用植物，其根、葉、果均可入藥，具有降血糖、抗菌、抗腫瘤、降血壓、輕度利尿及下瀉作用，還具有疏散風熱、宣肺透疹、利咽化痰、解毒通便的功效，主治感冒頭痛、咽喉不利、咳嗽不爽、咽喉腫痛等，作為一種具有營養與保健功能的食品受到消費者喜愛[5-7]。近年來，隨著農田重金屬污染的加劇，重金屬脅迫對種子萌發的研究越來越多，但重金屬脅迫對牛蒡種子萌發的研究較少。研究不同濃度、不同重金屬對牛蒡種子萌發及幼苗生長的影響，具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用的牛蒡種子是農業生產上所用的種子。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子萌發階段

選取直徑為9 cm的培養皿，皿內以定性濾紙為發芽床，將配好的含有不同重金屬濃度的重金屬溶液置于培養皿中至濾紙飽和，重金屬濃度見表1。挑選飽滿的種子放入皿內，每個培養皿均勻放入20顆，每處理設3組平行。以等量蒸餾水培養作對照（0組）。28 ℃下培養，種子萌發后，每天定時觀察記錄發芽情況，直至對照種子發芽基本不再變化，所有培養時間約持續7 d。試驗結束后將幼苗取出，分別測量幼苗的苗高，數據取各平行組均值。

1.2.2 土壤培育重金屬脅迫幼苗階段

根據前期重金屬對水培植物種子發芽率的影響結果分析，本試驗牛蒡種子進行土培，再挑選長勢較好幼苗進行不同濃度梯度的銅、鋅、鎳、鉛、鉻、鎘脅迫，觀察幼苗的生長狀況，并采集脅迫21 d后的植物葉片作為試驗材料進行后續測試。

1.2.3 CAT活性測定

CAT活性通過分光光度法進行測定[8]，取植物葉片0.5 g，加入5 mL磷酸緩沖液，研磨充分后，12 000 r/min離心15min，取上清液適當稀釋后用于酶活性的測定。在3 mL反應體系中，包括0.3% H2O2 1 mL、H2O 1.95 mL，最后加入0.05 mL酶液，啟動反應，測定240 nm波長處的OD降低速度。將每分鐘的OD減少0.01定義為1個活力單位。

1.3 統計分析

試驗數據采用Microsoft Excel、Origin 2018、SPSS 13.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度重金屬對牛蒡種子發芽率的影響

由圖1可知，經重金屬脅迫后，牛蒡種子發芽率較對照下降，說明重金屬脅迫對牛蒡種子萌發有明顯的抑制作用。當銅濃度大于50 mg/L、鎘濃度大于0.5 mg/L時，隨濃度升高，銅和鎘對種子萌發的抑制作用加劇。該結果與宋紅和田曉璇（2020）[9]研究銅、鎘單一及復合脅迫對玉蟬花種子萌發的影響結果一致;鋅脅迫下隨著鋅濃度升高，牛蒡種子的發芽率出現一定波動，表現出低抑制、高刺激的現象，該結果與吳羽晨等（2020）[10]對麥瓶草的研究結果一致;鉛脅迫下，隨著鉛濃度升高，牛蒡種子發芽率下降，鉛對牛蒡種子的毒害作用加劇;鉻脅迫下，隨著鉻濃度升高，牛蒡種子發芽率下降，鉻對牛蒡種子的毒害作用加劇;鎳脅迫下，鎳濃度為50 mg/L時出現峰值，當鎳濃度大于50 mg/L時，隨著鎳濃度升高，牛蒡種子發芽率下降，鎳對牛蒡種子的毒害作用加劇。

2.2 不同濃度重金屬脅迫對幼苗長度的影響

由圖2可知，幼苗芽長在鋅溶液50 mg/L時出現最大值，隨鋅濃度增加出現低促高抑現象;在鎘脅迫下幼苗芽長較對照明顯減小，說明不同濃度鎘脅迫對幼苗生長有明顯的抑制作用，但在鎘濃度大于1.0 mg/L時出現波動;在銅、鉻、鎳、鉛脅迫下，幼苗芽長較對照明顯減小，說明不同濃度重金屬對幼苗生長有明顯的抑制作用，且隨重金屬濃度的增加，抑制作用加劇。這一結果與許志敏等（2020）[11]研究銅、鋅脅迫對粉黛亂子草種子萌發及抗氧化特征影響以及王椏楠等（2020）[12]關于鉛對雞爪大黃種子的幼苗生長研究結果一致。

2.3 不同濃度重金屬對CAT活性的影響

由圖3可知，牛蒡幼苗在低濃度的重金屬脅迫下CAT的活性比空白對照組略高，隨著重金屬濃度的提升，達到某一特定值時開始出現下降趨勢。低濃度時，銅、鎳、鎘、鉛元素脅迫下，試驗樣品體內CAT活性大幅度提升，而鋅元素脅迫下試驗樣品體內CAT活性較對照組數據沒有明顯變化規律;隨著濃度提升，銅、鎘在試驗設置的最高濃度梯度時，試驗樣品體內CAT活性明顯低于對照組，而高濃度鉛脅迫下植物樣品體內CAT含量仍舊高于對照組。另外，在鉻脅迫下的植物全部死亡，說明鉻脅迫對植物幼苗的毒害程度較其他5種重金屬更大。

2.4 重金屬脅迫與種子萌發和幼苗生長的相關性分析

通過表2相關性分析可知，銅元素與幼苗長度和酶活性在0.01水平上呈現顯著負相關，說明銅對牛蒡的毒害作用主要在幼苗生長階段，對種子萌發的影響較小;鋅與幼苗長度在0.01水平上呈現顯著負相關，而與種子萌發和CAT酶活性相關性不顯著;鎳與幼苗長度在0.01水平上呈現顯著負相關，與發芽率和CAT酶活性在0.05水平上呈現顯著負相關，說明鎳對牛蒡幼苗生長時期毒害作用大于種子萌發時期;鉻與發芽率和幼苗長度均在0.01水平上呈現顯著負相關，且在鉻脅迫處理下植物全部死亡，說明鉻在種子萌發時期和幼苗生長時期對牛蒡都有毒害作用，且毒害作用較大;鉛與幼苗長度在0.01水平上呈現顯著負相關，與發芽率在0.05水平上呈現顯著負相關，說明鉛對牛蒡幼苗生長時期毒害作用大于種子萌發時期;鎘發芽率在0.01水平上呈現顯著負相關，與幼苗長度和CAT酶活性相關性不顯著，說明鎘對牛蒡的毒害作用主要在種子萌發階段。

3 討論

通過相關性分析發現，6種重金屬與牛蒡種子發芽率、幼苗長度及CAT酶活性均呈負相關關系，說明各種重金屬對牛蒡種子萌發及幼苗生長均有不同程度的毒害作用。由試驗結果可知，經重金屬脅迫后，牛蒡種子發芽率較對照明顯下降，說明重金屬脅迫對牛蒡種子萌發有明顯的抑制作用。但不同濃度重金屬對牛蒡種子萌發的影響不同，在銅、鉛和鎘脅迫下，隨著重金屬脅迫濃度升高，種子發芽率呈下降趨勢，說明銅、鉛和鎘濃度越大，對牛蒡種子的毒害程度越大。在鎳和銅脅迫下，牛蒡種子發芽率呈現先上升后下降的趨勢，在低濃度（<50 mg/L）下，鎳和銅對牛蒡種子萌發的影響較小，但超過一定濃度（>50 mg/L）后，隨著重金屬濃度升高，對牛蒡種子的毒害程度加劇。在鋅脅迫下，隨著鋅濃度升高，牛蒡種子發芽率呈現先下降后上升的趨勢，表現出低抑制高促進的現象。

在銅、鉻、鎳、鉛脅迫下，幼苗芽長較對照明顯減小，重金屬對幼苗生長有明顯的抑制作用，且隨重金屬濃度升高，抑制作用加劇。在鎘脅迫下，幼苗芽長較對照明顯減小，說明不同濃度鎘脅迫對幼苗生長有明顯的抑制作用，但在鎘濃度大于1.0 mg/L時出現波動，其原因需要進一步研究。在鋅脅迫下，隨鋅濃度增加，幼苗長度先增長后降低，并在一定濃度下出現低促進高抑制的現象，這一結果與李春喜等（2006）[13]研究As、Zn復合污染對小麥幼苗生長及生理生化反應的影響研究結果一致。CAT是一種廣泛存在于動植物體內的抗氧化酶[14]，在植物中，CAT主要清除線粒體電子傳遞、β-脂肪酸氧化以及光呼吸等過程中產生的過氧化氫，以防止活性氧自由基對植物造成的傷害，其活性與植物的抗逆性密切相關。本試驗研究表明，經重金屬脅迫的牛蒡幼苗體內CAT活性隨重金屬濃度的增加出現先上升后下降的趨勢，在銅、鋅、鎳、鎘處理下，當重金屬大于一定濃度時，CAT活性下降并最終小于對照組，這說明牛蒡幼苗對低濃度重金屬有一定的抗性。而在高濃度鉛脅迫下牛蒡幼苗體內CAT含量仍舊高于對照組，說明牛蒡幼苗對鉛的脅迫抗性較強。

4 結論

重金屬脅迫對牛蒡種子萌發和幼苗生長有明顯的抑制作用。和種子萌發期相比，牛蒡苗期對重金屬的抗性逐漸增強。

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