重金属Cu2+对紫荆种子萌发和幼苗生理的影响

重金属Cu2+对紫荆种子萌发和幼苗生理的影响摘要：为研究重金属ｃｕ２＋对紫荆幼苗生长影响的生理机制，试验利用ｃｕｓｏ４溶液的浓度梯度对紫荆种子进行了胁迫处理，分别测定紫荆种子的发芽率、发芽指数、活力指数等发芽指标和幼苗叶片的丙二醛、可溶性糖、脯氨酸含量及过氧化物酶活性、细胞膜透性等生理指标。

结果表明，紫荆种子抗重金属ｃｕ２＋胁迫的能力比较强，在致死状态下，ｃｕｓｏ４溶液的浓度为１８３．４０ｍｇ／ｌ；在半致死状态下，ｃｕｓｏ４溶液的浓度为１０４．２２ｍｇ／ｌ。

随着ｃｕｓｏ４溶液浓度的增加，紫荆种子的发芽率、发芽指数、活力指数逐步下降，幼苗叶片的细胞膜透性和丙二醛、可溶性糖、脯氨酸含量均有不同程度地增加，而幼苗叶片的过氧化物酶活性则呈现出先增加后递减的变化趋势。

关键词：紫荆；ｃｕ２＋胁迫；种子；幼苗；生理指标ａｂｓｔｒａｃｔ：ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｃｕ２＋ａｆｆｅｃｔｉｎｇｓｅｅｄｌｉｎｇｇｒｏｗｔｈｏｆｃｅｒｃｉｓｃｈｉｎｅｎｓｉｓｂｕｎｇｅ，ｓｅｅｄｏｆｃ．ｃｈｉｎｅｎｓｉｓｗａｓｓｔｒｅｓｓｅｄｂｙｃｕｓｏ４ｓｏｌｕｔｉｏｎ；ａｎｄｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｒａｔｅ，ｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ，ｖｉｇｏｒｉｎｄｅｘｏｆｓｅｅｄｓａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｏｆｍａｌｏｎｄｉａｌｄｅｈｙｄｅ（ｍｄａ），ｓｏｌｕｂｌｅｓｕｇａｒ，ｐｒｏｌｉｎｅ（ｐｒｏ）ａｎｄｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ（ｐｏｄ）ａｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｃｅｌｌｍｅｍｂｒａｎｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｉｎｓｅｅｄｌｉｎｇｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｃ．ｃｈｉｎｅｎｓｉｓｓｅｅｄｓｈａｄｓｔｒｏｎｇｔｏｌｅｒａｎｃｅａｇａｉｎｓｔｈｅａｖｙｍｅｔａｌｃｕ２＋ｓｔｒｅｓｓａｓｌｃ１００ａｎｄｌｃ５０were １８３．４０ａｎｄ１０４．２２ｍｇ／ｌｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｕｓｏ４ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｒａｔｅ，ｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ，ｖｉｇｏｒｉｎｄｅｘｏｆｃ．ｃｈｉｎｅｎｓｉｓｓｅｅｄｄｅｃｒｅａｓｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙ；ｃｅｌｌｍｅｍｂｒａｎｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙａｎｄｍｄａ，ｓｏｌｕｂｌｅｓｕｇａｒ，ｐｒｏｃｏｎｔｅｎｔｉｎｓｅｅｄｌｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｇｒｅｅ；ｗｈｉｌｅｐｏｄａｃｔｉｖｉｔｙｓｈｏｗｅｄａｄｅｃｒｅａｓｅｔｒｅｎｄａｆｔｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｉｒｓｔｌｙ．ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｒｃｉｓｃｈｉｎｅｎｓｉｓｂｕｎgｅ；ｃｕ２＋ｓｔｒｅｓｓ；ｓｅｅｄｓ；ｓｅｅｄｌｉｎｇｓ；ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ随着工业经济的快速发展，土壤重金属污染日趋严重，表现为土壤被工业废水、废渣及生活垃圾等严重污染，并成为了全球性的环境污染问题。

重金属ｃｕ２＋污染物一旦进入土壤就很难被清除，而且植物或微生物也不能对其降解［１］，造成在土壤中残留的时间很长，因而对重金属ｃｕ２＋污染的环境毒害效应研究就具有深远意义，所以土壤中ｃｕ２＋的含量对植物胁迫的影响程度倍受人们的关注。

近年来，国内外学者对ｃｕ２＋胁迫在植物上的影响开展了深入的研究，但大多数是以一年生的草本植物为研究对象［２，３］，尤其是以农作物［２－４］为主要的研究对象，而对木本植物的研究很少。

紫荆（ｃｅｒｃｉｓｃｈｉｎｅｎｓｉｓｂｕｎｅｅ）为豆科（ｌｅｇｕｍｉｎｏｓａｅ）紫荆属（ｃｅｒｃｉｓｌ．）落叶乔木或灌木植物，喜阳光、耐暑热；树干挺直丛生，早春季节先于叶开花，花形似蝶，盛开时花朵繁多，成团簇状，紧贴枝干，满树都是花，不仅新生枝条上能着花，而且老干上也能开花，给人以繁花似锦的感觉；到了夏秋季节则绿叶婆娑，满目苍翠；冬季落叶后则枝干筋骨毕露，苍劲虬曲之感跃然眼前，是观花、观叶、观干俱佳的园林花木，适合栽种于庭院、公园、广场、草坪、街头游园、道路绿化带等环境，也可盆栽观赏或制作盆景，是我国大部分地区春季观花的优良花灌木树种之一［５］，其应用价值较高。

试验通过不同浓度ｃｕｓｏ４溶液对紫荆种子进行胁迫处理，研究ｃｕ２＋对紫荆种子的发芽指标和幼苗生理指标的影响，以期为合理利用紫荆进行植物配置、充分发挥其生态效益和经济效益以及为治理污染土壤的林业生态工程、城镇园林绿化树种的选择提供科学依据［６］。

１材料与方法１．１材料紫荆种子采集于河南科技学院院内东边的成林紫荆，在2009年10月从生长健壮的紫荆母树上采收成熟的优质种子，去除杂质，风干备用。

试剂主要有ｃｕｓｏ４、浓硫酸、高锰酸钾、赤霉素等，化学试剂都为化学纯；ｈｏａｇｌａｎｄ营养液由河南科技学院园艺园林学院植物生理实验室配制；仪器主要有植物生理实验室已具备的电热恒温培养箱、ｄｄｓ－０４型电导仪、ｓｐｅｃｔｒｕｍ－２２型可见光分光光度计等；栽培基质为园艺园林学院园艺植物栽培实验室已准备的珍珠岩、蛭石。

１．２处理取饱满的紫荆种子１２００粒，先加入９５％的浓硫酸中浸泡３０ｍｉｎ［７］，再用去离子水洗净种子，然后加入３％的高锰酸钾溶液２００ｍｌ进行消毒，３０ｍｉｎ后用去离子水洗净［７］，最后放入０．２５ｇ／ｋｇ的赤霉素溶液中浸种４８ｈ，进行催芽处理［８］。

试验设计６个ｃｕｓｏ４溶液浓度，分别为２０、４０、６０、８０、１００、１２０ｍｇ／ｌ，分别对紫荆种子进行梯度胁迫处理，每一处理设置３次重复，以去离子水作为对照。

将试验所需要的培养皿、纱布等物品进行消毒处理，在每个培养皿的底部放２张定量滤纸，并随机抽取处理好的紫荆种子５０粒平铺在一个培养皿中，用胶头滴管加入相应浓度的ｃｕｓｏ４溶液和对照至饱和状态，平行做３个培养皿，保持有充足的湿度，然后上面盖上一层纱布，尽量使湿度一致。

将培养皿放入２５℃的电热恒温培养箱中［７］，每天添加对应的处理液以保持处理浓度不变。

胁迫处理２０ｄ后，部分紫荆种子开始萌动，此时移至营养钵中。

培养基质由珍珠岩与蛭石以１∶１比例（体积比）混合，并每周定期浇灌１次ｈｏａｇｌａｎｄ营养液［９］，以保持紫荆幼苗生长时能够吸取到充足的养分。

在紫荆幼苗出土后，用配制好的各浓度ｃｕｓｏ４溶液对应处理１次，使紫荆幼苗处于胁迫环境中；幼苗阶段的对照仍用去离子水。

在每天的８∶００～８∶３０记录每个营养钵中的出苗数，移入营养钵的第４０天测定紫荆种子的发芽指标和幼苗的生理指标。

１．３发芽指标的测定试验测定的紫荆种子发芽指标有发芽率、发芽指数、活力指数，各发芽指标的测定参照文献［８］的方法进行。

发芽率＝最终发芽的种子数／供试种子数×１００％；发芽指数＝∑（ｇｔ／ｄｔ），式中，ｇｔ为在不同时间（ｄ）的种子发芽数，ｄｔ为不同的发芽时间（ｄ）；活力指数＝ｓ×（ｇｔ／ｄｔ），式中，ｓ为幼苗鲜重。

１．４生理指标的测定植物细胞膜透性（ｃｅｌｌｍｅｍｂｒａｎｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）的高低是植物处在逆境条件下细胞膜的完整程度与稳定性的体现，也是衡量植物抗重金属胁迫能力强弱的重要指标之一。

在正常情况下，细胞膜对进出细胞的物质具有选择性透过能力；当植物受到重金属ｃｕ２＋胁迫后，植物的形态结构发生了改变，细胞膜受到破坏，膜的透性增加，从而造成细胞内的电解质外渗，进而使植物细胞浸提液的相对电导率（ｒｅｌａｔｉｖｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｒｅｃ）增大；细胞膜透性增大（相对电导率增大）的水平与受重金属伤害的程度有关［１０］，所以细胞膜透性用相对电导率来表示。

试验测定的紫荆幼苗叶片的生理指标有丙二醛（ｍａｌｏｎｄｉａｌｄｅｈｙｄｅ，ｍｄａ）含量、相对电导率、脯氨酸（ｐｒｏｌｉｎｅ，ｐｒｏ）含量、可溶性糖（ｓｏｌｕｂｌｅｓｕｇａｒ）含量、过氧化物酶（ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ，ｐｏｄ）活性。

相对电导率采用ｄｄｓ－０４型电导率仪测定［１１］；ｍｄａ含量采用硫代巴比妥酸比色法测定［１２］；可溶性糖含量采用蒽酮法测定［１２］；ｐｒｏ含量参照磺基水杨酸比色法测定［１３］；ｐｏｄ活性采用愈创木酚法测定［１４］。

所有试验数据采用ｍｉｃｒｏｓoｆｔｏｆｆｉｃｅｅｘｃｅｌ２００３及ｓｐｓｓ１１．５统计软件进行分析比较。

２结果与分析２．１ｃｕ２＋对紫荆种子发芽指标的影响２．１．１ｃｕ２＋对紫荆种子发芽率的影响试验结果表明，ｃｕｓｏ４溶液胁迫对紫荆种子发芽具有抑制作用，具体见图１。

从图１－ａ可见，随着ｃｕｓｏ４溶液处理浓度的上升，紫荆种子发芽率总体上呈现下降的趋势，ｃｕｓｏ４溶液处理浓度与紫荆种子发芽率之间呈负相关关系。

在ｃｕｓｏ４溶液浓度为４０ｍｇ／ｌ处理后，紫荆种子发芽率比２０ｍｇ／ｌ处理的稍有上扬，说明低浓度ｃｕｓｏ４溶液处理对紫荆种子萌发的抑制相对较弱；与对照（发芽率72%）相比，在２０、４０ｍｇ／ｌ的ｃｕｓｏ４溶液处理后，其发芽率分别下降了４和２个百分点；随着ｃｕｓｏ４溶液处理浓度的增加，其抑制作用相对增强，当ｃｕｓｏ４溶液处理浓度增加到１００ｍｇ／ｌ后，紫荆种子发芽率下降了２０个百分点；当浓度为１２０ｍｇ／ｌ时，发芽率为４２％，下降了３０个百分点。

从图1-a还可见，20、40、60 ｍｇ／ｌ的ｃｕｓｏ４溶液浓度处理的紫荆种子发芽率与100、120 ｍｇ／ｌ处理之间的发芽率相比，呈现出显著的差异水平（p＜0.05）。

以５０％的种子萌发的状态定义为半致死状态，以没有种子萌发的状态定义为致死状态［１４］，对紫荆种子发芽率（ｙ）和ｃｕｓｏ４溶液的梯度浓度（ｘ）进行回归分析，得出数学模型：ｙ＝－０．００２４ｘ２＋０．０５５４ｘ＋７０．６０２０，ｒ２＝０．９３２２；由模型算出，在致死状态下，ｃｕｓｏ４溶液的浓度为１８３．４０ｍｇ／ｌ；在半致死状态下，ｃｕｓｏ４溶液的浓度为１０４．２２ｍｇ／ｌ。

２．１．２ｃｕ２＋对紫荆种子发芽指数的影响在ｃｕｓｏ４溶液胁迫下，紫荆种子发芽指数的变化趋势与发芽率相似，也是随着ｃｕｓｏ４溶液浓度的递增，大体上呈现出发芽指数逐步递减的变化趋势，ｃｕｓｏ４溶液处理浓度与紫荆种子发芽指数之间呈负相关关系。

具体见图１－ｂ。

分析可知，紫荆种子发芽指数也是在ｃｕｓｏ４溶液浓度为４０ｍｇ／ｌ时稍有上扬。

其中２０、４０ｍｇ／ｌ浓度处理的发芽指数分别比对照下降了１１．１％、８．２％；而在高浓度的１００、１２０ｍｇ／ｌ处理下，发芽指数分别比对照下降了４３．９％、５４．１％。

从图１－ｂ还可见，２０、４０ｍｇ／ｌ的ｃｕｓｏ４溶液浓度处理的紫荆种子发芽指数与８０、１００、１２０ｍｇ／ｌ处理之间的发芽指数相比，呈现出显著的差异水平（ｐ＜０．０５）。

２．１．３ｃｕ２＋对紫荆种子活力指数的影响在ｃｕｓｏ４溶液胁迫条件下，紫荆种子活力指数的变化规律是随着ｃｕｓｏ４溶液浓度的增加而逐渐下降，ｃｕｓｏ４溶液处理浓度与紫荆种子活力指数之间呈负相关关系（图１－ｃ）；其中２０、４０ｍｇ／ｌ的ｃｕｓｏ４溶液浓度处理的紫荆种子活力指数与６０、８０、１００、１２０ｍｇ／ｌ处理之间的活力指数相比，呈现出显著的差异水平（ｐ＜０．０５）。