Pb胁迫条件下狭叶香蒲种子的萌发特性及其幼苗的生理响应

徐金波,徐迎春,赵 慧,陈叶清

(南京农业大学园艺学院,江苏南京210095)

Pb胁迫条件下狭叶香蒲种子的萌发特性及其幼苗的生理响应

徐金波,徐迎春①,赵 慧,陈叶清

(南京农业大学园艺学院,江苏南京210095)

对0、30、150、300、450和600μmol·L-1Pb胁迫条件下狭叶香蒲(Typha angustifolia Linn.)种子的萌发特性进行了研究,并分析了0、450、900、1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫对狭叶香蒲幼苗叶片及根系中部分生理生化指标的影响。结果表明:随Pb浓度提高,狭叶香蒲种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数以及下胚轴长度均逐渐下降且低于对照,而其下胚轴长度抑制指数则逐渐增大,但在30μmol·L-1Pb胁迫条件下各项萌发指标均与对照无显著差异。叶片叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量随Pb浓度提高呈逐渐下降趋势,但在450和900μmol·L-1Pb胁迫条件下与对照无显著差异,而在1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下显著低于对照。在Pb胁迫条件下叶片和根中SOD活性均显著高于对照但变化趋势不同;随Pb浓度提高,叶片SOD活性呈波动但整体上升的趋势,而根中SOD活性则呈逐渐降低的趋势。叶片和根中POD活性均随Pb浓度提高呈持续上升的趋势,其中,在450和900μmol·L-1Pb胁迫条件下叶片的POD活性低于对照、根的POD活性高于对照,但均与对照无显著差异;而在1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下叶片和根的POD活性均显著高于对照。在Pb胁迫条件下叶片和根中AsA和MDA含量均高于对照。随Pb浓度提高,叶片的AsA含量总体上逐渐增加但在450和900μmol·L-1Pb胁迫条件下与对照无显著差异;而根的AsA含量则呈先增加后降低的趋势且均与对照差异显著。随Pb浓度提高,叶片的MDA含量先增后降但均与对照无显著差异;而根的MDA含量呈“高—低—高”的波动趋势且仅在450μmol·L-1Pb胁迫条件下与对照差异显著。综合分析结果显示:狭叶香蒲幼苗根系对Pb胁迫的敏感性可能强于叶片;狭叶香蒲种子可在轻度Pb污染水体中萌发和生长;其幼苗对Pb胁迫具有一定的耐性,可用于中度Pb污染水体的修复。

狭叶香蒲;Pb胁迫;种子萌发特性;生理响应;污染水体修复

目前全球的水体重金属污染问题日益严重,并已对生态环境、食品安全、人体健康和农业可持续发展构成巨大威胁,其中Pb毒害尤为严重,亟待治理。运用吸附Pb能力较强的水生植物对Pb污染水体进行生态修复是修复Pb污染水体的有效途径之一。

相关研究结果表明:香蒲属(Typha Linn.)的一些植物种类对Pb具有较强的耐性及吸附能力。叶志鸿等[1-2]和阳承胜等[3]的研究结果均表明:宽叶香蒲(T.latifolia Linn.)具有较强的忍耐、吸收和积累Pb的能力,其对铅锌矿废水中Pb的去除率达到90%;李永丽等[4]的研究结果表明:东方香蒲(T.orientalis Presl)对Pb有很强的富集作用,其地上部分平均Pb富集量为619 mg·kg-1、地下部分平均Pb富集量为1 233 mg·kg-1;王凤永等[5]也认为东方香蒲对Pb重度污染土壤具有较强的耐受能力,并且其根部是Pb累积的主要器官。

狭叶香蒲(T.angustifolia Linn.)又名水烛、蒲菜等,为香蒲属多年生水生植物[6],繁殖能力较强;其果穗(蒲棒)形状奇特、叶色浓绿,宜作花境、水景背景材料等,常用于点缀园林水池和构筑水景;蒲棒上的蒲黄还可入药[7]。研究结果表明:狭叶香蒲对Cd和Cu等重金属胁迫具有较强的耐性[8-11],但狭叶香蒲对Pb胁迫是否具有相似的耐性尚缺乏研究报道。另外,在净化重金属污染水体的过程中,了解植物种子在高浓度重金属污染水体中的萌发状况,对于污染环境的植物修复也具有重要意义。

鉴于以上原因,作者对不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲的种子萌发状况及幼苗部分生理生化指标的变化展开研究,以期为运用狭叶香蒲长期修复Pb污染水体提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 材料

实验用狭叶香蒲的蒲棒(种子)和当年生幼苗分别于2013年10月和4月采自江苏省南京市中山陵下马坊公园池塘。

1.2 方法

1.2.1 种子的Pb胁迫处理方法及种子萌发指标的测定 挑选健康均一的种子,去除表面附着物,用质量体积分数2%NaClO溶液浸泡5 min后用自来水冲洗数次,并用蒸馏水冲洗3次;吸干种子表面水分,分别放入铺有2层滤纸的培养皿(直径9 cm)中,用滴管分别滴加浓度为30、150、300、450和600μmol·L-1的Pb(NO3)2溶液至完全浸没种子,对照(CK)则滴加等量蒸馏水。每个培养皿50粒种子,每处理4个培养皿,每皿视为1个重复。将种子置于昼温(35± 1)℃、夜温(25±1)℃、光照时间12 h·d-1的光照培养箱中培养;每天补充适量蒸馏水以保证种子完全浸没在处理液中,每2 d更换1次Pb(NO3)2溶液。

从种子露白时开始每天记录种子的发芽数,5 d后结束实验;每处理随机选取10粒种子,用游标卡尺测量下胚轴长度。根据观察结果计算各处理种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及下胚轴长度抑制指数,计算公式分别为:发芽率=(实验结束时正常发芽的种子数/供试种子总数)×100%;发芽势=(发芽3 d时正常发芽的种子数/供试种子总数)×100%;发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt),Gt为t天的种子发芽数, Dt为种子发芽天数;活力指数(VI)=GI×S,其中S为实验结束时幼苗的芽长度;下胚轴长度抑制指数=〔(对照组下胚轴长度-处理组下胚轴长度)/对照组下胚轴长度〕×100%[12]。

1.2.2 幼苗的Pb胁迫处理方法及生理生化指标的测定 将狭叶香蒲幼苗移植于塑料周转箱内,用自来水驯化6 d(每2 d更换1次自来水)后移入温室内,用1/2 Hoagland营养液进行预培养,每2 d更换1次营养液,每个周转箱植入3株幼苗,并用电动气泵连续通气;待幼苗长出新根后,选取长势一致的植株,分别换用含有0、450、900、1 800和2 700μmol·L-1Pb(NO3)2的1/2 Hoagland营养液对幼苗进行胁迫培养,每处理3个周转箱,每箱视为1个重复。持续胁迫培养15 d后,取出各处理组幼苗并将植株分成叶和根两部分,分别用蒸馏水冲洗后置于液氮中处理并于-40℃条件下保存,用于各项生理生化指标的测定。

采用乙醇提取法[13]测定叶绿素含量,乙醇体积分数为95%;采用氮蓝四唑(NBT)法[14-15]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈创木酚法[16-17]测定过氧化物酶(POD)活性;采用二联吡啶比色法[18]测定抗坏血酸(AsA)含量;采用硫代巴比妥酸(TBA)法[19]测定丙二醛(MDA)含量。

1.3 数据处理和统计方法

采用EXCEL 2007和SPSS 17.0统计分析软件对实验数据进行统计及差异显著性分析。

2 结果和分析

2.1 Pb胁迫对狭叶香蒲种子萌发特性的影响

2.1.1 对种子发芽特性的影响 在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲种子的萌发状况见表1。由表1可见:随Pb胁迫浓度提高,狭叶香蒲种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均逐渐降低。在低浓度(30μmol·L-1)Pb胁迫条件下,种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均与对照无显著差异(P＞0.05);当Pb浓度达到150μmol·L-1时,各指标均显著低于对照(P＜0.05),分别较对照降低了16.9%、15.2%、16.8%和55.4%,说明在150μmol·L-1Pb胁迫条件下狭叶香蒲种子的萌发受到抑制;当Pb浓度达到600μmol·L-1时,发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数也均显著低于对照,且降低幅度更大,分别比对照降低了57.6%、56.1%、59.2%和93.1%,说明高浓度Pb胁迫对狭叶香蒲种子发芽具有明显的抑制作用。

表1 不同浓度Pb胁迫对狭叶香蒲种子萌发特性的影响(¯X±SE)1)Table 1 Effect of Pb stress w ith different concentrations on seed germ ination characteristics of Typha angustifolia Linn.(¯X±SE)1)

2.1.2 对下胚轴伸长生长的影响 在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲的下胚轴长度及其抑制指数见表2。由表2可知:随Pb胁迫浓度的提高,狭叶香蒲的下胚轴长度依次减小但其抑制指数却依次增大。在30μmol·L-1Pb胁迫条件下,下胚轴长度与对照无显著差异,下胚轴长度抑制指数仅为0.36%,说明在较低浓度Pb胁迫下狭叶香蒲下胚轴的伸长生长几乎没有受到抑制;当Pb浓度达到150μmol·L-1时,下胚轴长度显著低于对照,下胚轴长度抑制指数达到50.36%,说明在该浓度Pb胁迫下其下胚轴的伸长生长受到明显抑制;随Pb浓度的提高,下胚轴长度明显减小且其抑制指数大幅增加,当Pb浓度达到600 μmol·L-1时,下胚轴长度仅为对照的14.9%,而下胚轴长度抑制指数则最高(达到85.11%)。说明狭叶香蒲下胚轴的伸长生长对低水平Pb胁迫有一定耐性。

表2 不同浓度Pb胁迫对狭叶香蒲下胚轴长度及其抑制指数的影响(¯X±SE)1)Table2 Effect of Pb stressw ith different concentrations on hycopoty l length and its inhibition index of Typha angustifolia Linn.(¯X±SE)1)

2.2 Pb胁迫对狭叶香蒲幼苗生理特性的影响

2.2.1 对叶片叶绿素含量的影响 在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲幼苗叶片中叶绿素含量的变化见表3。由表3可知:在450～2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下,随Pb浓度的提高,叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量逐渐下降。在450和900μmol·L-1Pb胁迫条件下,叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量或略低于或略高于对照,但均与对照无显著差异,说明低浓度Pb胁迫对狭叶香蒲幼苗叶片中的叶绿素含量无明显影响。在1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下,叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均显著低于对照,说明随Pb浓度的提高,狭叶香蒲幼苗叶片中的叶绿素合成受到明显抑制,导致叶片的叶绿素含量大幅降低。

表3 不同浓度Pb胁迫对狭叶香蒲幼苗叶片中叶绿素含量的影响(¯X±SE)1)Table 3 Effect of Pb stress w ith different concentrations on chlorophyll content in leaf of Typha angustifolia Linn.seed ling (¯X±SE)1)

2.2.2 对叶片和根中SOD和POD活性的影响 在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲幼苗叶片和根中SOD和POD活性的变化见表4。由表4可知:在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲叶片和根中SOD活性均显著高于对照,但变化趋势有差异。叶片SOD活性随Pb浓度提高呈波动但整体上升的趋势,在2 700 μmol·L-1Pb胁迫条件下达到最高,为对照的2.93倍。而根中SOD活性则随Pb浓度提高逐渐降低,在450μmol·L-1Pb胁迫下最高,达到1 089.20 U·g-1,为对照的5.09倍;在2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下为660.53 U·g-1,为对照的3.09倍。

表4 不同浓度Pb胁迫对狭叶香蒲幼苗叶片和根中SOD和POD活性的影响(¯X±SE)1)Table 4 Effect of Pb stress w ith different concentrations on SOD and POD activities in leaf and root of Typha angustifolia Linn.seed ling (¯X±SE)1)

由表4还可见:在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲叶片和根的POD活性的变化趋势基本一致,均随Pb浓度提高呈持续上升的趋势,但变化幅度略有差异。在450和900μmol·L-1Pb胁迫条件下叶片POD活性低于对照但与对照无显著差异;而在1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下则显著高于对照,分别比对照增加了59.3%和96.5%。在450和900 μmol·L-1Pb胁迫条件下根中POD活性均高于对照但与对照无显著差异;而在1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下均显著高于对照,分别较对照增加了77.1%和89.1%。

2.2.3 对叶片和根中AsA和MDA含量的影响 在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲幼苗叶片和根中AsA和MDA含量变化见表5。由表5可知:在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲叶片和根中的AsA含量均高于对照,且均呈波动的变化趋势,但差异幅度及变化范围略有不同。叶片中的AsA含量整体呈逐渐增加的趋势,但在450和900μmol·L-1Pb胁迫条件下与对照无显著差异;而在1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下与对照差异显著,分别比对照增加了70.4%和112.2%。而根中AsA含量均与对照差异显著,且随Pb浓度升高呈先增加后降低的变化趋势,在900μmol·L-1Pb胁迫条件下根中AsA含量最高,为对照的5.35倍。

表5 不同浓度Pb胁迫对狭叶香蒲幼苗叶片和根中AsA和MDA含量的影响(¯X±SE)1)Table 5 Effect of Pb stress w ith different concentrations on AsA and MDA contents in leaf and root of Typha angustifolia Linn.seed ling (¯X±SE)1)

由表5还可知:在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲幼苗叶片和根中的MDA含量均高于对照,仅差异幅度及变化趋势略有不同。叶片中的MDA含量随Pb浓度升高呈先增加后降低的变化趋势,在900 μmol·L-1Pb胁迫条件下最高,但各处理组叶片中的MDA含量与对照均无显著差异,说明Pb胁迫对狭叶香蒲幼苗叶片细胞膜没有明显的过氧化伤害。根中的MDA含量随Pb浓度升高呈现“高—低—高”的波动变化趋势,在450μmol·L-1Pb胁迫条件下最高,较对照增加了26.2%,且差异显著;而其他处理组根中的MDA含量与对照无显著差异,这可能是由于在受到较低浓度Pb胁迫时狭叶香蒲幼苗产生的应激反应导致MDA含量升高。

3 讨论和结论

实验结果表明:随Pb胁迫浓度的提高,狭叶香蒲种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均逐渐降低,这与曾祥玲等[20]对Pb胁迫条件下沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)种子萌发特性的研究结论一致。本研究中,在较低浓度(150μmol·L-1)Pb胁迫条件下,狭叶香蒲种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均显著低于对照,但其发芽率仍然达到73.50%,说明虽然较低浓度的Pb胁迫对其种子萌发的各项指标均有一定的抑制作用,但对狭叶香蒲种子萌发的综合抑制作用不明显。而在600μmol·L-1Pb胁迫条件下种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数也均显著低于对照,发芽率仅为37.50%,说明高浓度Pb胁迫对狭叶香蒲种子的萌发有较强的抑制作用。随着Pb胁迫浓度的提高,狭叶香蒲的下胚轴长度逐渐减小、抑制指数依次增大,这与王锦文等[21]对Pb胁迫下水稻(Oryza sativa Linn.)的相关研究结论一致。30μmol·L-1Pb胁迫对狭叶香蒲下胚轴伸长生长的抑制作用较小;150μmol·L-1Pb胁迫对其下胚轴伸长生长有显著抑制作用,下胚轴长度抑制指数达到50.36%;当Pb浓度达到600μmol·L-1时,其下胚轴长度抑制指数高达85.11%,说明高浓度Pb胁迫严重破坏了狭叶香蒲种子萌发过程中下胚轴的伸长生长。综上所述,狭叶香蒲种子在较低浓度(30～150 μmol·L-1)Pb胁迫条件下能萌发并且下胚轴能进行伸长生长,表现出一定的耐性;而随Pb胁迫浓度的提高,对狭叶香蒲种子萌发的毒害作用越来越明显,这与Zhang等[22]对水稻种子的相关研究结果类似。

随Pb胁迫浓度的提高,狭叶香蒲叶片中的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均下降;在450和900μmol·L-1Pb胁迫条件下,狭叶香蒲叶片中叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量与对照均无显著差异,而在1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下均显著低于对照,说明较低浓度Pb胁迫对狭叶香蒲幼苗叶片的叶绿素合成并没有明显的影响,而较高浓度Pb胁迫则对狭叶香蒲幼苗叶片的叶绿素合成有明显的抑制作用。这与何冰等[23]的相关研究结论一致。

超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)是植物细胞内抗氧化系统的重要组成部分,具有可抑制活性氧产生、清除超氧阴离子自由基、控制脂质过氧化和减少质膜系统损伤等作用[24-25]。在不同浓度Pb胁迫条件下,狭叶香蒲幼苗叶片和根的SOD活性均显著高于对照,说明Pb胁迫可提高狭叶香蒲幼苗体内细胞清除超氧阴离子自由基的能力,并在一定程度上降低细胞受毒害的程度,提高幼苗耐Pb胁迫的能力;在450μmol·L-1Pb胁迫条件下,狭叶香蒲根和叶片的SOD活性分别比对照增加409.2%和145.4%,可见其根系对Pb胁迫的生理响应强于叶片,可能与水培实验中根系是Pb胁迫的直接受害器官有关。在1 800和2 700μmol·L-1Pb胁迫条件下,狭叶香蒲叶片和根的POD活性显著增加,且在1 800μmol·L-1Pb胁迫条件下分别较对照增加59.3%和77.1%,表明较高浓度的Pb能够刺激狭叶香蒲幼苗体内POD活性增强,并且根系对Pb胁迫的敏感性强于叶片。

抗坏血酸(AsA)是植物细胞中的重要抗氧化剂[26]。随Pb胁迫浓度提高,狭叶香蒲幼苗叶片中的AsA含量大体呈增高趋势,但仅在较高浓度(1 800和2 700μmol·L-1)Pb胁迫条件下显著高于对照;而在低浓度(450μmol·L-1)Pb胁迫条件下根中的AsA含量就显著高于对照,并且在900μmol·L-1Pb胁迫条件下达到最高,说明低浓度Pb胁迫对狭叶香蒲根系细胞有明显的伤害作用,也说明其根系对Pb胁迫的敏感性较强。

丙二醛(MDA)是逆境条件下植物体内膜脂过氧化作用的产物,其在植物组织中的积累量可反映膜脂过氧化的程度[27]。在不同浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲幼苗叶片的MDA含量与对照均无显著差异;根的MDA含量仅在低浓度(450μmol·L-1)Pb胁迫条件下显著高于对照,而在其他浓度Pb胁迫条件下均与对照无显著差异,这可能是由于低浓度Pb胁迫条件下根系的应激反应导致MDA含量显著上升,也表明狭叶香蒲根系对Pb胁迫比较敏感。

综上所述,在低浓度Pb胁迫条件下狭叶香蒲种子具有较高的发芽率并且下胚轴能进行伸长生长,说明其种子能忍受较低浓度(30μmol·L-1)的Pb胁迫,可以在轻度Pb污染水体中正常萌芽和生长;在不同浓度Pb胁迫条件下,幼苗叶片和根总体上表现出一定的耐性,可用于中度Pb污染水体的修复。本实验中,在同一浓度Pb胁迫条件下,狭叶香蒲根系的SOD和POD活性以及MDA和AsA含量变化幅度均大于叶片,一方面可能与其根系对Pb胁迫较敏感有关,另一方面也可能因为根部是水体Pb胁迫的直接受害器官、受伤害程度大于叶片。许卫锋[9]认为:狭叶香蒲主要在根部累积Cd,叶片中Cd的累积量较低。据此推测,狭叶香蒲也可能通过根部积累Pb并减少叶片中Pb的积累量,以此减轻Pb胁迫对叶片的损伤,这一作用的机制及普遍性还有待进一步研究证实。

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(责任编辑:佟金凤)

Seed germ ination characteristics and seedling physiological response of Typha angustifolia under Pb stress

XU Jinbo,XU Yingchun①,ZHAO Hui,CHEN Yeqing(College of Horticulture,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China),J.Plant Resour.&Environ.2014,23(3):74-80

Seed germination characteristics of Typha angustifolia Linn.under Pb stress with concentrations of 0,30,150,300,450 and 600μmol·L-1were studied,and effects of Pb stresswith concentrations of 0,450,900,1 800 and 2 700μmol·L-1on some physiological and biochemical indexes in leaf and rootof seedling were analyzed.The results show thatwith rising of Pb concentration, germination rate,germination energy,germination index and vigor index and hypocotyl length of T. angustifolia seed all decrease gradually and are lower than those of the control,while inhibition index of hypocotyl length increases gradually,but under 30μmol·L-1Pb stress,there is no significant difference in each germination index with the control.Contents of chl a,chl b and total chlorophyll in leaf appear the trend of decreasing gradually with rising of Pb concentration,but those under450 and 900μmol·L-1Pb stress have no significant differences comparing with those of the control,while those under 1 800 and2 700μmol·L-1Pb stress are significantly lower than those of the control.Under Pb stress,SOD activity in leaf and root is significantly higher than thatof the control but their variation trend is different.With rising of Pb concentration,SOD activity in leaf appears a fluctuant but totally increasing trend,while that in root appears a gradually decreasing trend.POD activity in leaf and root appears a continually increasing trend with rising of Pb concentration.In which,under 450 and 900μmol·L-1Pb stress, POD activity in leaf is lower and that in root is higher than that of the control but with no significant difference to the control,while POD activity in leaf and root under 1 800 and 2 700μmol·L-1Pb stress is significantly higher than thatof the control.Under Pb stress,contentsof AsA and MDA in leafand root are higher than those of the control.With rising of Pb concentration,overall,AsA content in leaf increases gradually but that under 450 and 900μmol·L-1Pb stress has no significant difference comparing with the control,while AsA content in root appears the trend of firstly increasing and then decreasing with a significant difference to the control.With rising of Pb concentration,MDA content in leaf firstly increases and then decreases but with no significant difference to the control,while MDA content in rootappears the fluctuant trend of“high-low-high”and only that under 450μmol·L-1Pb stress has a significant difference comparing with the control.The comprehensive analysis result indicates that the sensitiveness of root of T.angustifolia to Pb stress is probably stronger than that of leaf.And T. angustifolia seed can germinate and grow in light Pb polluted water and its seedling has a certain tolerance to Pb stress,so it can be used for repairingmiddle Pb polluted water.

Typha angustifolia Linn.;Pb stress;seed germination characteristics;physiological response;polluted water restoration

Q945.78;S564+.4

A

1674-7895(2014)03-0074-07

10.3969/j.issn.1674-7895.2014.03.10

2014-01-06

江苏省自然科学基金资助项目(BK2011640)

徐金波(1987—),男,内蒙古锡林郭勒人,硕士研究生,主要从事观赏植物生理生态学研究。

①通信作者E-mail:xyc@njau.edu.cn