重金属铬(Cr6+)胁迫对地黄幼苗生长影响的研究

张宇虹

(河南师范大学生命科学学院, 河南　新乡　453007)



重金属铬(Cr6+)胁迫对地黄幼苗生长影响的研究

张宇虹

(河南师范大学生命科学学院, 河南新乡453007)

本研究以怀地黄苗为材料，采用组织培养法，探究了不同Cr6+浓度及胁迫时间对其幼苗株高、根茎叶生长状况及生物量、死亡率的影响。结果表明：在给定胁迫时间下，低浓度的Cr6+(0.5 mmol/L)对怀地黄幼苗生长表现出一定的促进作用，鲜重、干重、根长、叶片数量呈现上升趋势，而高浓度Cr6+对幼苗生长表现出明显的抑制作用。怀地黄幼苗在1 mmol/L Cr6+浓度下仍可以较好地生长，可见地黄对重金属铬毒害的抵抗能力较强。

铬(Cr6+)胁迫；怀地黄幼苗；组织培养；生长

近年来，我国的重金属污染日趋严重，分布范围极其广泛。经济的飞速发展使得许多工矿企业迅速猛增，如金属冶炼、机械加工、化工厂、农药厂等。这些高污染工业基地排出了大量的工业污水、矿渣、粉尘等，使得重金属进入到土壤、河流和环境当中，重金属污染日益严重[1]。土壤重金属污染可影响农作物及中草药产量和质量，并可通过食物链危害人类的健康。怀地黄是河南焦作(古怀庆府)地方特产，因地下部分的块根呈现黄白色而得名，其块根为传统中药亦是著名的四大怀药之一。焦作市是河南省著名的老工业基地，矿业、制革工业、电化学工业发达，工业发展势头迅猛的同时重金属污染尤为严重。重金属铬作为工业五毒之一，在焦作市矿区内长期堆积、风化迁移，是焦作地区土壤重金属污染的重要来源之一。而制革工业是一个污染严重的产业，铬因能使皮革柔软富有弹性而被视为制革工业中不可缺少的皮革鞣剂。此外六价铬还常在电化学工业中作为铬酸使用。

铬是一种强毒性重金属，在人体内蓄积不能被降解，进入人体细胞后会对肝、肾等内脏器官和遗传物质造成伤害，使蛋白质和酶等失去活性并可能诱发基因突变，甚至致癌。目前，关于铬对水稻[2-3]、玉米[4-5]、豆类[6-7]等多种植物的出芽及根生长发育的影响及其毒害机理已有报道，但铬对中药地黄的生长发育影响至今尚无研究报道。作为药用价值主要在根部的怀地黄，铬污染对怀地黄生长影响的研究有着重要意义。

本研究中，我们以怀地黄85-5品种的无菌苗为材料在实验室进行组培，研究了不同浓度铬(Cr6+)对怀地黄幼苗生长的影响，为初步改善怀地黄的产量和品质、早期预报工业铬污染的危害、有效利用铬污染土壤以及确定其对铬的耐受能力等提供了有用的参考资料。

1　材料与方法

1.1实验材料和处理

供试材料为实验室培养的85-5地黄无菌苗，取其茎段接种于MS培养基中，在培养室中培养35天后取生长状况相对一致的幼苗茎段进行铬胁迫处理。以MS为基本培养基，蔗糖浓度为3%，琼脂浓度为0.6%，pH值为5.8～6.2，在培养基中添加不同质量的重铬酸钾进行处理，培养室温度为25±1℃，光照强度为2 000 Ix，光照时间为14 h/d，RH=70%～80%。培养基中六价铬离子浓度(铬离子浓度以纯铬计)梯度设为0、0.5、1、2、3和5 mmol/L(其中0为对照组)共6个处理，每个处理3瓶，每瓶接5株幼苗。全程观察记录其生长变化情况，并在第21天取材测量其生长指标。

1.2测定方法

株高测量是从茎基部一直测量到苗顶端，叶的测量是取每株幼苗的三个最大叶片测量后计算平均值，叶长取叶片的主脉长度，叶宽取叶片最宽处的长度，叶面积以叶长×叶宽表示。根长测量是取每株幼苗的三条最长根测量后计算平均值。根、茎、叶各组分分开分别测定鲜质量，然后于烘箱中105℃烘5小时后测干质量。由于3 mmol/L和5 mmol/L处理的幼苗胁迫21天时已经死亡，故只对其生物量进行了测量。

1.3数据分析

实验数据使用Excel 2010统计学软件进行分析。对于同组间数据的三次重复观测分别计算平均值和标准差。对于处理组，则用学生t检验方法分别计算其与对照组差异的显著性。实验结果通过origin软件作图。

2　结果与分析

2.1Cr6+浓度和胁迫时间对怀地黄幼苗生长的总体影响

为研究Cr6+对地黄生长的影响，我们将地黄分为6组分别给予不同浓度的Cr6+进行培养，并检测不同Cr6+浓度和胁迫时间对怀地黄幼苗株高的影响。如图1所示，当Cr6+浓度低于2 mmol/L时，在胁迫的第1天到第10天对怀地黄幼苗生长无明显影响。到胁迫的第21天，0.5 mmol/L、1 mmol/L处理的幼苗株高分别为对照的96.1%、86.2%。当Cr6+浓度为2 mmol/L时，幼苗生长受到抑制，在第21天Cr6+浓度为2 mmol/L组株高为对照65.4%，极显著低于对照组(p=0.005<0.01)，叶片枯萎率为42.2%，幼苗死亡率为20%；当Cr6+浓度达到3 mmol/L时，怀地黄幼苗在整个过程中几乎无生长，幼苗死亡率为100%。

图1　Cr6+胁迫条件下怀地黄幼苗生长状况

(A)不同Cr6+浓度处理条件下，植株第6、10、21天的生长状况采样。(B)不同Cr6+浓度处理对怀地黄幼苗株高的影响(第21天)(星号表示与对照组的差异显著性。*：差异显著；**：差异极显著)。(C)不同Cr6+浓度胁迫条件下怀地黄幼苗的叶片枯萎率(第21天)。(D)不同Cr6+浓度胁迫条件下怀地黄幼苗的死亡率(第21天)。

2.2Cr6+浓度和胁迫时间对怀地黄幼苗根部的影响

地黄幼苗的根部决定地黄块根的生物量，因而我们检测了不同Cr6+浓度和胁迫时间对地黄幼苗根部的影响。当Cr6+浓度小于2 mmol/L时，第1天到第10天怀地黄幼苗根部生长无明显差别，第21天时0.5 mmol/L处理的幼苗根长跟对照组相比有显著增加(3.75%，p<0.05)，根数有显著减少(13.70%，p<0.05)。1 mmol/L处理的幼苗根长和根数则显著减少(36.07%，28.53% ，p<0.05)。当Cr6+浓度达到2 mmol/L时，第1天到第10天怀地黄幼苗根部几乎无变化，第21天时测量的根长，根数和对照组相比有极显著的减少(47.78%，62.13%，

图2　不同Cr6+浓度胁迫条件对怀地黄根部的影响(第21天)

(星号表示与对照组的差异显著性。*：差异显著；**：差异极显著)

p<0.01)。当Cr6+浓度进一步提高到3 mmol/L和5 mmol/L时，第10天时幼苗已经出现部分枯萎坏死，第21天时幼苗已经全部枯萎死亡。这表明当Cr6+浓度较低时，其对根的生长影响相对较少，当浓度达到2 mmol/L甚至更高时，Cr6+对幼根生长短时间内即表现出极显著的抑制作用。

2.3Cr6+浓度和胁迫时间对怀地黄幼苗叶片的影响

根据图1A，胁迫第6天时，3 mmol/L和5 mmol/L Cr6+胁迫的幼苗叶片普遍偏黄绿色，叶片卷曲，干皱，有枯萎迹象；2 mmol/L Cr6+的幼苗有半数叶片开始发黄，叶片背部发黑，其它浓度幼苗正常生长。胁迫第10天，0.5、1 mmol/L Cr6+处理的幼苗中部分新生叶片也开始呈现出失绿现象。胁迫第21天，当Cr6+浓度不超过1mmol/L时，前期的失绿现象已经消失，叶片颜色恢复正常，叶数和叶宽与对照组无显著差异，而叶片长度和面积均有所下降(图3)。当Cr6+浓度达到2 mmol/L时，叶数和对照组相比有显著的减少(33.3%，p<0.05)，叶长、叶宽、叶面积的减少则达到极显著水平。当Cr6+浓度达到3 mmol/L时，叶的四种指标均有(极)显著下降，表明怀地黄幼苗叶片已经无法进行光合作用储存物质供机体生长。

图3　不同浓度铬胁迫对怀地黄叶片生长的影响(第21天)(星号表示与对照组的差异显著性。*：差异显著；**：差异极显著)

2.4Cr6+胁迫对怀地黄幼苗鲜质量、干质量的影响

地黄的块根是其药用部分，因此我们检测了不同浓度Cr6+对怀地黄根茎生物量的影响。 如图4所示，在 0.5 mmol/L的Cr6+浓度条件下，怀地黄根和叶的鲜质量和干质量均有显著增长，分别是对照的125.45%和113.34%。之后随着Cr6+浓度的增加，开始表现出对怀地黄生长的抑制作用。并且Cr6+对怀地黄的鲜、干质量的抑制作用随着Cr6+浓度的增加呈加重趋势，当Cr6+浓度达到2 mmol/L时，幼苗的鲜质量和干质量均显著下降。

图4　不同浓度Cr6+胁迫对怀地黄幼苗鲜质量(A)和干质量(B)的影响(第21天)

3　讨论与结论

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一 ,也是植物生长的重要组成部分。土壤中重金属污染的日益严重，不仅影响了粮食作物的产量、质量，而且对其他经济作物的价值，如中药的药用价值等也产生了极大的影响。

目前关于重金属污染，尤其是铬污染对中药地黄的生长和毒害作用尚无相关研究报道。本研究首次研究了不同铬浓度和胁迫时间对地黄幼苗生长的影响。研究结果表明，当铬浓度较低时，铬离子的存在反而对怀地黄的生长有一定的促进作用，而巢丽仪等[5]、石贵玉等[8]研究也表明，低浓度铬对玉米，烟草等植物的生长有一定的促进作用。本实验中低浓度铬虽对叶片数量、鲜质量起到了促进作用，但是对叶片长度、宽度、面积均起到了抑制作用，这说明低浓度铬能够促进叶片光合作用积累有机产物，并有利于其个数的增加，却不利于单个叶片表面积的增大。另外本实验中低浓度铬胁迫的幼苗根、茎干质量均有所下降，只有叶的干质量增加，说明此浓度时铬对干物质积累的促进作用主要表现在植物的叶片上。另外，本研究发现Cr6+浓度达到1 mmol/L时对植物根部生长开始有显著的抑制作用。怀地黄幼苗在高浓度Cr6+的胁迫下，株高、根长、根数、鲜质量、干质量、叶面积等生长指标均显著低于对照植株。随着胁迫时间的增加和铬浓度的提高，植株开始逐渐出现叶枯萎，甚至死亡。

Van Assche等[9]研究发现，细胞内重金属离子能与酶和蛋白质结合，并且替换金属蛋白中的必需元素，使酶失去活性，阻碍植物的正常生长和光合作用。因此铬对怀地黄生长的毒害作用可能是由于铬抑制幼苗体内酶的活性，使植株新陈代谢发生了紊乱。王五宏等[10]研究了水培条件下铬胁迫对四个品种苗用型大白菜生长的影响，其中双耐、浙白8号在100 μmol/L胁迫下鲜质量抑制率分别为63.40%、49.04%,浙白6号和早熟5号在50 μmol/L胁迫下鲜质量抑制率达到70%。陈耕云等[11]对烟草的研究表明，当 Cr6 +浓度达到 800 μmol/L 时，烟草的生长发育完全被抑制。在本研究中Cr6 +浓度达到 3 mmol/L对怀地黄幼苗的生长有强烈的抑制作用，与上述研究结果研究一致。另外，由于烟草和怀地黄同属合瓣花亚纲管状花目，本实验中怀地黄幼苗在1mmol/L仍可以较好的生长，可见地黄相比其他植物对重金属铬毒害的抵抗能力更强。

综上所述，本研究以生长参数指标作为判断标准，探究了怀地黄经重金属铬胁迫的生长状况及致死浓度。研究结果表明，土壤重金属的污染不仅影响农作物的生长，其对中草药植物的生长也有毒害作用。本研究可为改善地黄质量和预防土壤重金属污染对地黄的生长提供有效的评估依据。另外，本研究仅以生长参数指标作为判断标准，而没有对生理指标进行测定，故今后将会对铬对怀地黄幼苗生理生化特性的影响以及其它重金属对怀地黄幼苗生长的影响进行进一步的研究。

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[5]巢丽仪, 秦华明, 陈结清,等. 重金属铬胁迫对玉米幼苗生长的影响[J]. 种子, 2008, 27(3): 28-31.

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[7]杨和连, 陈碧华, 王广印. 外源重金属铬对菜豆幼苗生长的影响[J]. 种子, 2008, 27(12): 46-47.

[8]石贵玉, 秦丽凤, 陈耕云. 铬对烟草组培苗生长和某些生理指标的影响[J]. 广西植物, 2007, 27(6): 899-902.

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[10]王五宏, 钟新民, 李必元,等. 水培条件下铬胁迫对苗用型大白菜生长及铬积累的影响[J]. 浙江农业学报, 2013, 25(3):492-497.

[11]陈耕云, 石贵玉, 徐美燕, 等. 重金属 Cr6+对烟草组织培养的影响[J]. 河池学院学报:自然科学版, 2006, 26(2): 28-30.

The effect of Chromium (Cr6+) stress on Rehmannia glutinosa seedling

Zhang Yuhong

(College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)

e studied the stress effects in Rehmannia glutinosa seedlings by tissue culture under different Cr6+concentrations and the time of Cr6+stress. The plant height, growth status of root, stem, and leaf, biomass and mortality were measured. The results indicated that, in given stress time, low concentration of Cr6+(0.5mmol/L)had a positive effect on fresh weight, dry weight, root length, and leaf number of Rehmannia glutinosa seedlings, while high concentration of Cr6+significantly reduced their biological activities. Rehmannia glutinosa seedlings could still grow well when the Cr6+concentration was up to 1.0 mmol/L, which suggested they had strong tolerance ability to Cr6+.

chromium (Cr6+) stress; Rehmannia glutinosa seedlings; tissue culture; growth

2014年度河南师范大学校级大学生创新训练计划(编号：20140138)

2016-06-05; 2016-07-18 修回

张宇虹，女，1996年生，河南三门峡人，本科，研究方向： 植物遗传学。E-mail：yuhongruoyi@163.com

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