不同质量浓度铅离子对小扁豆种子萌发的影响

2012-10-16谈建忠赵格让李三相

河南科技学院学报(自然科学版) 2012年6期

谈建忠,赵格让,李三相

（1.舟曲县江盘学区,甘肃舟曲746300；2.天水师范学院生命科学与化学学院,甘肃天水741001）

铅是一种常见的有色重金属元素,它在工业生产上用途很广泛,同时在铅的应用过程中某些含铅化合物对环境造成了严重的污染.这些含铅化合物主要来自金属的电解和电镀加工,皮革鞣制、印染等生产也会排放出大量含铅的废物.近年来,印染、电镀、化工等行业的发展,使大量含铅的废水、废渣排出,致使土壤、水体和生物遭到不同程度的污染.农作物受到铅毒害后,不但严重影响农产品的产量和品质,更为严重的是通过食物链影响人畜健康[1].

小扁豆Lens culinaris Medic.为豆科小扁豆属一年生或越年生草本,又名滨豆、鸡眼豆,分大粒和小粒两个亚种.亚洲生产最多,我国主产于山西、陕西、甘肃、河北、河南、云南等省.籽粒含蛋白质约25%,脂肪0.7%,碳水化合物60%及多种维生素和矿物质营养元素[2].小扁豆可以提供蛋白质和降低胆固醇的可溶纤维,它的含铁量是其他豆类的2倍；小扁豆中维生素B和叶酸的含量也较高,叶酸对女性非常重要,可以降低胎儿畸形率；深色小扁豆里的色素有抗氧化剂的作用,可以预防心脏病和癌症,抗衰老.本文通过研究不同浓度的铅离子对小扁豆种子萌发的影响,膜脂化和保护酶活性等的变化以及它们之间的可能联系,探讨环境中的铅对种子萌发的胁迫作用,为农业生产中早期预报重金属对作物的毒害效应,防止重金属毒害的发生和环境监测中重金属污染的评价提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

小扁豆种子由舟曲县种子研究所提供.

1.2 培养方法

挑选籽粒完整无损、大小均匀的小扁豆种子1 050粒,用蒸馏水充分冲洗3次,再用蒸馏水浸泡6 h,分别移入质量浓度为 0（对照用去离子水）、5、10、20、35、50、80 mg/L的乙酸铅溶液中,室温下浸种 24 h后放入培养皿内,每皿20粒,皿内垫潮湿滤纸以保湿.在电热恒温培养箱（25℃左右）中进行萌发试验,每个浓度做10个重复培养,并定期补充等量相应浓度的乙酸铅溶液.第3 d测发芽势,第5 d测定发芽率.取发芽后第6 d的小扁豆种子测定鲜重、干重、脯氨酸（Pro）含量、可溶性糖含量、丙二醛（MDA）含量、过氧化物酶（POD）活性等生理生化指标.

1.3 生理指标的测定

发芽期间,逐日记录发芽粒数（以芽长即胚根长度大于种子长度一半为标准）,第3 d计发芽势,第5 d测发芽率,发芽势、发芽率的计算公式[3]分别为：

发芽势/%=3 d内正常发芽的种子数/供试种子总数×100

发芽率/%=5 d内正常发芽的种子数/供试种子总数×100

萌发试验第6 d,测量幼苗（胚根和胚轴部分）含水量、MDA含量、POD活性、Pro含量、可溶性糖含量.MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定[4]；Pro含量采用茚三酮比色法测定[5]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[6]；POD活性采用愈创木酚法测定[6],以每min内OD变化值表示酶活性大小,即以U/（g·min）表示.

1.4 数据处理

试验数据利用SPASS11.0软件进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子萌发的影响

不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子发芽率与发芽势的影响见图1.

图1 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子萌发的影响Fig.1 The effect ofPb2+on seed germination of Lens culinaris

由图1可知,随着Pb2+质量浓度的升高,小扁豆的发芽率和发芽势都呈降低趋势.低浓度处理组与对照组相较差异不明显,浓度越高,差异越明显.当Pb2+质量浓度达到80 mg/L时,小扁豆种子的萌发率较无Pb2+处理的种子萌发率下降了12.88%,发芽势下降了18.65%,表现出明显的抑制作用.Pb是植物生长的必需元素之一,所以当Pb2+浓度较低时对作物种子的萌发影响较低,甚至可能会提高其萌发率,但是当Pb2+浓度达到一定程度时就会抑制作物种子的萌发[7].

2.2 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子相对含水量的影响

水分是植物的重要组成部分,而相对含水量的多少直接反映了植物体内水分的多少,在干旱、重金属等胁迫下,植物体内的相对含水量也会出现相应的变化[8].不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子相对含水量的影响见图2.

图2 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子相对含水量影响Fig.2 The effect ofPb2+on the seed water content of Lens culinaris

由图2可知,随着Pb2+质量浓度的增加,小扁豆种子含水量逐渐减少,0 mg/L处理下相对含水量为84.15%,50 mg/L处理Pb2+下相对含水量为55.64%,降低了28.51%.相对含水量的大小与Pb2+处理浓度的大小呈负相关,当处理浓度为0～35 mg/L时,Pb2+对小扁豆种子含水量的影响较弱,当处理浓度为50～80 mg/L时,Pb2+对小扁豆种子含水量的影响较强.

2.3 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子POD活性的影响

POD广泛存在于植物体中,具有清除生物自由基的功能,是植物重要的保护酶之一,其活性高低与植物抗性密切相关[9].许多逆境能破坏植物体内活性氧代谢系统的平衡,使POD活性升高.因此,测定POD值可以作为一项重要的植物生理指标.不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子POD活性的影响见图3.

图3 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子POD活性的影响Fig.3 The effect ofPb2+on activity ofPOD in radicle of Lens culinaris

由图3可知,随着Pb2+质量浓度的增加,POD活性表现出先增后降的趋势,在5～10 mg/L Pb2+处理下POD活性逐渐升高,随着Pb2+质量浓度的继续增加,POD活性表现出明显的递减趋势.

2.4 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子MDA含量的影响

MDA是膜脂过氧化作用的主要产物之一,具有很强的细胞毒性,对膜和细胞中的许多生物功能分子如蛋白质、核酸和酶等均有很强的破坏作用,并参与破坏生物膜的结构与功能.MDA含量高低是反映膜脂过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标[10].不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子MDA含量的影响见图4.

图4 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子丙二醛含量的影响Fig.4 The effect ofPb2+on content ofMDA in radicle of Lens culinaris

由图4可知,随着Pb2+质量浓度的增加,MDA含量总体表现出递增趋势,在5～10 mg/L Pb2+处理下,增加趋势比较平缓,在20～80 mg/L Pb2+处理下MDA含量明显增加,说明膜脂过氧化作用更强,膜透性更高.

2.5 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子Pro含量的影响

游离Pro能促进蛋白质水合作用,防止蛋白质脱水变性,因此在植物处于胁迫时游离Pro的积累被认为是对胁迫的一种适应性反应[11].在干旱、低温以及重金属胁迫等逆境条件下,植物体内Pro的含量显著增加,植物体内Pro含量在一定程度上反映了植物的抗逆性.不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子Pro含量的影响见图5.

图5 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子脯氨酸含量的影响Fig.5 The effect ofPb2+on content ofproline in radicle of Lens culinaris

由图5可知,小扁豆的脯氨酸含量随Pb2+质量浓度的增加和时间的延长而呈现上升的趋势.处理浓度为10 mg/L时,脯氨酸含量增加显著,随后增加趋势比较平缓.

2.6 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子可溶性糖含量的影响

可溶性糖是另一类渗透调节物质,包括蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖等.可溶性糖的积累主要是由于淀粉等大分子碳水化合物的分解,光合产物形成过程中直接转向低相对分子质量的物质蔗糖等.植物为了适应干旱、低温、重金属污染等逆境条件,也会主动积累一些可溶性糖,降低渗透势和冰点,以适应外界环境条件的变化.不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子可溶性糖含量的影响见图6.

图6 不同质量浓度Pb2+对小扁豆种子可溶性糖含量的影响Fig.6 The effect ofPb2+on content ofsoluble sugar in radicle of Lens culinaris

由图6可知,可溶性糖含量随Pb2+质量浓度的变化呈现出先增加后减少的趋势.用5 mg/L Pb2+处理其可溶性糖含量明显增加,相对于CK组其可溶性糖含量增加了68.01%.用80 mg/L Pb2+处理其可溶性含糖量相对于CK组又明显减少,减少了22.17%.

3 结论与讨论

研究表明,重金属对种子萌发及幼苗生长的影响存在一个较低浓度下的促进效应和高浓度下的抑制效应[12],铅作为化学性毒害元素,也具有类似的效应.植物体内Pro含量在一定程度上反映植物的抗逆性,逆境条件下植物体内Pro含量的上升可视为植物的保护性反应.前人研究表明,Pro作为重要的渗透调节物质,它的积累可能一方面是细胞结构和功能遭受伤害时机体作出的反应,另一方面也是植物在逆境下的适应表现,是一种防护效应[13].本试验结果显示,随着Pb2+处理浓度的增加,小扁豆种子的Pro积累呈上升的趋势.表明在低浓度的Pb2+处理下小扁豆种子可以通过提高体内Pro的含量以减轻逆境对它所产生的伤害,但处理浓度过高时Pro积累会保持稳定的趋势,即不再上升,可能是高浓度的Pb2+胁迫损伤了细胞内多种功能膜及酶系统,造成Pro合成代谢紊乱.因此,小扁豆种子对Pb2+胁迫的耐受性具有一定的限度,处理浓度过高时会对其产生毒害作用.

种子萌发初期膜保持一定的透性有利于种子的吸胀,电解质最初的外渗属于被动扩散,但随后的萌发过程,依赖于膜的完整性[14].因此萌发过程中膜的修补以防止过多电解质流失,是种子保持高水平活力的重要条件.高浓度重金属铅处理可能是铅与种子中的蛋白质（特别是与萌发过程有关的酶）发生了反应,引起种子内保护酶系统活性降低,导致体内活性氧积累,从而引起膜质过氧化,质膜透性增高,电解质流失,导致小扁豆种子活力降低、萌发过程受阻.植物生长在自然环境条件下,不可避免地受到多种逆境胁迫,如重金属、干旱、盐、高温、低温、高辐射、紫外线、养分缺乏和大气污染.这些非生物胁迫均会产生次级胁迫,使植物直接或间接地形成过量的活性氧自由基（ROS）,而ROS对细胞膜系统、脂类、蛋白质和核酸等大分子具有强烈的破坏作用[15-18].研究表明,耐性较强的大豆种子在逆境胁迫初期,其磷酸化作用降低,但其呼吸电子链传递仍保持相对较高的活性,这种电子传递和ATP形成能力的不平衡导致电子传递的电子漏,从而产生大量的O-2及H2O2等多种活性氧[19-20],对植物产生伤害作用.与此相应,植物体内也有一套复杂的活性氧清除系统,其中SOD、POD、CAT是植物体内酶促防御系统的3个重要保护酶,它们协同起来可以清除代谢产物,以保护植物细胞免受活性氧的损伤.本研究结果表明,随着Pb2+处理浓度的增加,小扁豆细胞MDA含量呈上升的趋势,POD活性升高.POD活性升高,表明其在逆境的胁迫下被激活的程度越大,且持续时间越长,暗示POD活性在抗铅胁迫的过程中起关键性的作用.高浓度的Pb2+处理下,膜发生膜脂过氧化,MDA积累,膜透性增加,导致膜功能受损,从而引起细胞的衰老和死亡,对植物产生抑制效应甚至毒害作用.另外,从本试验结果还可看出,高浓度Pb2+处理对小扁豆种子萌发的发芽率、发芽势及各项生理指标均表现出了极其显著的抑制效应.

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