不同鋁脅迫濃度對向日葵種子發(fā)芽及幼苗生長的影響

許光德 尹洪輝 周福穩(wěn) 曾小飚

摘 要 鋁毒害指生長介質(zhì)pH值低于5.5時鋁引起植物生長不良的現(xiàn)象。為了尋找緩解鋁對植物傷害的途徑，通過砂培試驗研究不同鋁脅迫濃度對向日葵發(fā)芽及幼苗生長的影響。結(jié)果表明：1）隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子萌發(fā)率與發(fā)芽勢均呈逐漸下降的趨勢;2）葉綠素含量先緩慢下降然后又升高;3）丙二醛含量呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢，但各處理組丙二醛含量均高于對照組。4）鋁脅迫明顯對向日葵產(chǎn)生了毒害作用，促使細(xì)胞膜脂過氧化加重，抑制了種子的萌發(fā)和幼苗的生長。

關(guān)鍵詞 向日葵;鋁脅迫;萌發(fā)率;葉綠素;發(fā)芽勢;丙二醛

中圖分類號：S727.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.013

重金屬污染對植物生長的影響一直是國內(nèi)外研究的熱點。向日葵（Helianthus annuus L.），屬菊科一年生草本植物，可用于觀賞、食用或榨油，是我國重要的油料作物。近些年，一些學(xué)者在重金屬脅迫向日葵的毒性反應(yīng)、向日葵修復(fù)重金屬污染等方面做了研究。楊金燕等研究表明，釩脅迫明顯抑制向日葵的發(fā)芽率和幼苗生長，向日葵對低濃度的釩具有一定的忍耐性，但隨著釩濃度的增加，苗高明顯下降和根系幾乎不生長[1]。郭艷麗等研究表明，鎘脅迫向日葵時，隨著鎘濃度的升高，葉綠素含量逐漸下降，游離脯氨酸積累量呈上升趨勢，向日葵可以吸收土壤中的鎘[2]。李雨奎研究表明，銻濃度低時向日葵葉片中光合作用色素含量增加，對植物生長發(fā)育起促進(jìn)作用，而當(dāng)濃度高時向日葵葉片中的光合作用色素含量降低，抑制植物生長[3]。殷恒霞等研究發(fā)現(xiàn)，鎘離子對向日葵生長的抑制作用最強，鋅離子對向日葵生長的抑制作用最弱，銅離子對向日葵生長的抑制作用介于鎘離子和鋅離子之間[4]。

鋁是植物生長發(fā)育過程中必需的微量元素之一。但當(dāng)土壤中鋁含量超標(biāo)時，也會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生一定的抑制作用，甚至危害植物的生命，表現(xiàn)出鋁毒害作用，它直接或者間接危害人類食品安全與身體健康。當(dāng)前世界各地土壤中金屬鋁的污染越來越嚴(yán)重。有關(guān)鋁污染對向日葵種子萌發(fā)及生長的影響還鮮見研究報道。本課題研究鋁脅迫對向日葵種子發(fā)芽及幼苗生長的影響，以期為進(jìn)一步尋找緩解其傷害的途徑提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗材料

向日葵種子的品種為T5069，購自武威天馬高新農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司。

1.2 ?試驗設(shè)計

試驗設(shè)6個處理，處理濃度以鋁離子（Al3+）計。Al3+溶液以氯化鋁配制。6個處理濃度分別是0、1、2、4、8、16 mmol·L-1，以鋁濃度0 mmol·L-1的處理為對照。

1.3 ?試驗方法

1.3.1 ?種子萌發(fā)試驗

選出飽滿、大小均勻的向日葵種子，分6組，每組100粒。先用3‰高錳酸鉀溶液消毒30 min，再用蒸餾水清洗2次，然后分別用6個處理濃度的鋁溶液浸種1.5 h。浸種完成后，把向日葵種子均勻撒在鋪有一次性紗布的托盤上，放置于溫度28 ℃、濕度85%的培養(yǎng)箱中萌發(fā)。培養(yǎng)過程中及時補充對應(yīng)濃度的鋁溶液以保持紗布足夠濕潤。萌發(fā)試驗第4天統(tǒng)計發(fā)芽勢，第7天統(tǒng)計種子萌發(fā)率。

1.3.2 ?向日葵幼苗的培育及鋁脅迫處理

用蒸餾水浸種讓向日葵種子正常萌發(fā)后，移入裝有砂礫的培養(yǎng)杯中，澆灌霍格蘭營養(yǎng)液培育。待幼苗長出3片真葉時，選長勢相當(dāng)?shù)挠酌珉S機(jī)分為6組，各組分別澆灌含鋁濃度為0、1、2、4、8、16 mmol·L-1的霍格蘭營養(yǎng)液進(jìn)行脅迫培養(yǎng)。培養(yǎng)期間每天換一次Al3+營養(yǎng)液。第8天剪取葉片進(jìn)行葉綠素及丙二醛含量的測定。試驗重復(fù)3次。

1.4 ?生理指標(biāo)的測定

1.4.1 ?發(fā)芽勢和發(fā)芽率的測定

發(fā)芽勢=前4天內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%;

萌發(fā)率=7天內(nèi)全部發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

1.4.2 ?葉綠素含量的測定

參照張志良等編寫的《植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)》（第4版）中的方法測定葉綠素及丙二醛含量[5]。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同鋁脅迫濃度對向日葵種子萌發(fā)率的影響

發(fā)芽率作為衡量植物種子質(zhì)量的一個重要標(biāo)志，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會用來估算用種量[6]。由圖1可看出：隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子的萌發(fā)率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。對照組種子的萌發(fā)率高達(dá)97%;當(dāng)脅迫液濃增加到1.0 mmol·L-1時，種子的萌發(fā)率為92%，與對照組相比，萌發(fā)率開始有所降低，但是萌發(fā)率降低還不是很明顯;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到2.0 mmol·L-1時，與對照組相比，種子萌發(fā)率降低11.34%，萌發(fā)率降低比較明顯;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到4.0 mmol·L-1時，與對照組相比，種子萌發(fā)率減少19.59%;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到8.0 mmol·L-1時，與對照組相比，種子萌發(fā)率減少29.89%;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到16.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽率為59%，明顯低于對照組，與對照組相比減少39.17%。由此表明：鋁毒對向日葵種子傷害明顯，嚴(yán)重影響了種子的萌發(fā)。

2.2 ?不同鋁脅迫濃度對向日葵種子發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽勢是反映種子生命活力的指標(biāo)，也決定著出苗的整齊度。圖2顯示：向日葵種子發(fā)芽勢隨鋁脅迫濃度的增加，呈逐漸降低的趨勢。對照組種子發(fā)芽勢為66%;當(dāng)脅迫液濃為1.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢與對照組還沒有出現(xiàn)明顯的差異;當(dāng)脅迫液濃度增加到2.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢與對照組相比減少10.00%，開始出現(xiàn)比較明顯的差異;當(dāng)脅迫液濃度增加到4.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢與對照組相比減少18.18%;當(dāng)脅迫液濃度增加到8.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢為與對照組相比減少33.33%;當(dāng)脅迫液的濃度增加到16.0 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢與對照組相比減少45.45%。由上可看出，高濃度的鋁脅迫明顯抑制向日葵種子的萌發(fā)。當(dāng)鋁脅迫濃度為16.0 mmol·L-1時，抑制作用最為明顯，種子發(fā)芽勢僅為36%。

2.3 ?不同鋁脅迫濃度對向日葵幼苗葉片中葉綠素含量的影響

葉綠素可以吸收陽光，推動植物光合作用，把吸收的水和二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)物質(zhì)，其含量的多少與植物光合作用的強弱有著重要的聯(lián)系。葉綠素的含量高低也是檢驗植物受到逆境脅迫后生理特性變化的一個重要指標(biāo)之一[7]。從圖3可看出，在鋁脅迫濃度在0～8 mmol·L-1范圍內(nèi)，葉綠素含量總體呈現(xiàn)下降趨勢，在鋁脅迫濃度為8 mmol·L-1時，葉綠素含量降低到最低點，這時的葉綠素的含量僅為對照組的70%。而當(dāng)鋁脅迫濃度為16 mmol·L-1時，葉綠素的含量又明顯上升，與對照組相比上升11.27%。數(shù)據(jù)顯示葉綠素含量呈現(xiàn)先緩慢下降后迅速上升的規(guī)律變化。

葉綠素含量的影響

2.4 ?不同濃度鋁脅迫對向日葵幼苗葉片中丙二醛含量的影響

丙二醛是植物體內(nèi)部發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)后自動生成積累的最重要產(chǎn)物之一，它可以影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物的產(chǎn)生及線粒體內(nèi)某些起重要作用的酶的活性，它含量的增加會加劇膜脂過氧化對細(xì)胞質(zhì)膜的傷害，因此，測定植物體內(nèi)丙二醛含量是研究植物抗衰老和抗逆境環(huán)境的一個十分重要的測量指標(biāo)。從圖4可知，葉片中丙二醛的含量隨鋁脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先增加后緩慢下降的趨勢。在鋁脅迫濃度為1 mmol·L-1時，丙二醛含量的增加即達(dá)到了最高峰，此時為對照組的121.64%。之后，丙二醛的含量緩慢下降，到最高脅迫濃度16 mmol·L-1時，丙二醛含量下降為12.40 mmol·g-1，與1 mmol·L-1濃度時的最高含量相比下降了9.95%，但仍高于對照組，為對照的109.54%。

3 ?結(jié)論與討論

衡量種子質(zhì)量的好與壞取決于多方面指標(biāo)。發(fā)芽率的高低決定著未來播種出苗的數(shù)量，發(fā)芽勢決定著未來出苗的整齊度。本試驗使用金屬鋁脅迫向日葵種子，探究不同濃度下鋁毒對種子萌發(fā)造成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子的萌發(fā)率及發(fā)芽勢均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，表明鋁毒明顯對向日葵種子的發(fā)芽產(chǎn)生了抑制作用，說明重金屬污染對植物種子萌發(fā)生理影響是巨大的。李梅等人研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的金屬離子可以促進(jìn)向日葵種子萌發(fā)的有關(guān)酶類的合成，加快種子的萌發(fā)速度[8]。另有研究表明，在低濃度的金屬離子脅迫下，可以促進(jìn)向日葵種子的萌發(fā)[9-10]。本試驗結(jié)果與已有的研究不近相同，說明向日葵對不同重金屬產(chǎn)生的毒害作用耐受性有較明顯的差異。

葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場所，光合作用也是植物的生長發(fā)育及新陳代謝的最初源泉，綠色植物都需要光合作用為其生長提供能量，而葉綠素卻能為植物光合作用的進(jìn)行提供最重要的能源[11]。本研究中隨著鋁脅迫濃度的增加葉綠素含量先降低后上升。葉綠素含量的降低可能是植物受到鋁脅迫時，植物中毒，因而機(jī)體內(nèi)積累大量的自由基，造成體內(nèi)膜脂過氧化作用增強，從而導(dǎo)致植物的葉綠體膜受到破壞，葉綠體分解加劇，光合色素存在于葉綠體中，因此色素會減少;又或者是鋁毒阻礙了植物根系對鎂離子的吸收，從而阻礙了葉綠體的合成，葉綠素含量也就減少了。而當(dāng)鋁脅迫濃度達(dá)到16 mmol·L-1時，可能超出了向日葵的耐鋁特性，加速了植物的衰老，葉片老化，色素沉積，導(dǎo)致葉綠素含量有所升高[12]。

丙二醛能夠影響植物細(xì)胞膜脂過氧化作用，是研究植物抗逆性采用的重要指標(biāo)。本試驗中，丙二醛的含量隨鋁脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢，但各處理組丙二醛含量均大于對照組。在正常情況下，植物體內(nèi)的丙二醛含量一般較低，但在逆境如重金屬脅迫情況下，向日葵幼苗會發(fā)生膜脂過氧化作用，膜脂過氧化能夠損害膜中的磷脂分子，使細(xì)胞膜的通透性遭到破壞，細(xì)胞膜的基本功能喪失，造成細(xì)胞外的營養(yǎng)物質(zhì)難以進(jìn)入胞內(nèi)，而胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物也難以清除細(xì)胞外，會緩慢地將細(xì)胞膜系統(tǒng)瓦解，對植物體造成損害，甚至導(dǎo)致機(jī)體死亡[13]。因此，低濃度的鋁脅迫逆境下，丙二醛含量增高。而當(dāng)較高濃度鋁脅迫時，向日葵幼苗葉片中丙二醛的含量出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，可能是鋁脅迫濃度的增加，刺激了植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)，使得其活性增大，提高了植物體內(nèi)清除活性氧自由基的能力，增強了植物修復(fù)氧傷害的能力，從而使丙二醛含量有所下降[14]。

綜上所述，鋁脅迫明顯降低了向日葵種子萌發(fā)的能力，促使植物細(xì)胞膜脂過氧化加重，并影響到幼苗葉綠素的合成，對植物生長發(fā)育造成明顯傷害。關(guān)于鋁對植物毒害的機(jī)理及向日葵如何緩解鋁的毒害作用，有待進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] ? 楊金燕，楊鍇.釩對作物種子發(fā)芽及幼苗生長的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2013，32（5）：895-901.

[2] ? 郭艷麗，臺培東，韓艷萍，等.鎘脅迫對向日葵幼苗生長和生理特性的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報，2009，3（12）：2291-2296.

[3] ? 李雨奎.銻脅迫對向日葵幼苗生長和生理特性的影響[J].淮北師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，38（2）：46-48.

[4] ? 殷恒霞，李霞，米琴，等.鎘、鋅、銅脅迫對向日葵早期幼苗生長的影響[J].植物遺傳資源學(xué)報，2009，10（2）： 290-294.

[5] ? 張志良，瞿偉菁，李小芳.植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] ? 謝松青，趙陽，王穎，等.種子發(fā)芽勢對作物田間出苗率的重要性分析[J].現(xiàn)代農(nóng)村科技，2019（4）：45.

[7] ? 黃守程，劉愛榮，葉梅榮，等.鋁脅迫下高粱BTx623幼苗的形態(tài)及生理響應(yīng)特征[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015，27（12）：2129-2135.

[8] ? 李梅，孫盛.鋁脅迫對向日葵可溶性蛋白含量的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（21）：278-279.

[9] ? 劉飛，曾小飚.汞脅迫對向日葵種子萌發(fā)和幼苗可溶性蛋白含量的影響[J].安徽農(nóng)學(xué)通報，2017，23（21）：23-24.

[10] 馬克思.Zn2+脅迫對向日葵種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

[11] 趙會娥，賀立源，章愛群，等.鋁脅迫對植物光合作用的影響及其機(jī)理的研究進(jìn)展[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008（1）：155-160.

[12] 陳海霞，楊麗芳.鋁脅迫對月季組培苗生理特性的影響[A].中國園藝學(xué)會，中國園藝學(xué)會觀賞園藝專業(yè)委員會.第四屆全國花卉資源、育種、栽培及應(yīng)用技術(shù)交流會論文匯編[C].中國園藝學(xué)會，中國園藝學(xué)會觀賞園藝專業(yè)委員會，2016：25-34.

[13] 諶金吾.三葉鬼針草（Bidens pilosa L.）對重金屬Cd、Pb脅迫的響應(yīng)與修復(fù)潛能研究[D].重慶：西南大學(xué)，2013.

[14] 趙胡，唐俊，鄭文教.重金屬Cu2+脅迫對紅樹植物秋茄幼苗生長及某些生理特性的影響[J].海洋科學(xué)，2016，40（4）：65-72.

（責(zé)任編輯：敬廷桃）