Zn2+对叶类植物生长的影响研究

刘 珍，黄碧捷，桂思琪，张 怡

(江汉大学 化学与环境工程学院， 湖北 武汉 430056)

1 引言

植物缺锌和高锌都会引起生理病害，导致植物的生长发育受到不同程度的抑制[1]。锌在叶片中大多数以自由离子、低分子化合物和金属蛋白存在，也有少部分和细胞壁结合，呈现不溶的形态。锌在植物中大约超过6成是可溶的，植物中可溶的Zn2+是引起生理作用的主要形态，通常也是反映锌丰富或缺少的较好指标[2]。研究Zn2+对植物的毒性效应具有很强的现实意义。白菜、油菜和香葱是人类日常大量摄入的叶类植物的典型代表，研究Zn2+对其生长的影响是其对植物生态风险评价研究的第一步。

2 材料与方法

准备白菜、油菜和香葱种子各1包，若干个Φ10 cm×5 cm的花盆。每组取5 kg土壤，按照N、P、K均为0.1 g/kg干土的量施配置好的NH3NO3、KH2PO4、K2SO4肥料，将肥料与土混匀；分别用浓度为50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L 200 mg/L、300 mg/L的Zn2+(以ZnCl2提供)溶液浸泡土壤24 h，风干后过2 mm筛。每个花盆内放5颗种子，6组平行，置于人工气候箱中培养5 d后，统计其种子发芽率，发芽率以百分率的平均值表示。

另取相应量的花盆中置于人工气候箱中培养18 d后，向每盆土中添加浓度分别为0 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L和500 mg/L的Zn2+(以ZnCl2提供)溶液，每次添加5 mL，每3 h一次，连续添加7 d后测量其株高、株重和最大根长。用皮尺测株高和最大根长，用分析天平称其鲜重和干重，取其平均值。由于白菜和油菜结果相似，仅报道白菜和香葱的相关数据。

3 结果与分析

3.1 Zn2+对发芽率的影响

考虑到种子本身的质量以及本底土壤中其他物质对种子发芽的影响，以相对发芽率表示其发芽，相对发芽率=染Zn毒组的发芽率平均值/对照组(不染Zn毒)的发芽率平均值×100 %。图1显示了不同Zn2+浓度对白菜、香葱和油菜的相对发芽率。

图1 不同Zn2+浓度对白菜、香葱和油菜的相对发芽率

由图1可见：Zn2+对白菜和油菜的相对发芽率影响没有对香葱的显著。香葱的发芽与Zn2+浓度有着显著性的差别。高浓度Zn2+仅使白菜和油菜损失不到一成的发芽率，而对于香葱发芽率的损失高达近40 %。相比于白菜和油菜，Zn2+对发芽期的香葱影响更大。

低浓度Zn2+存在下，白菜和油菜相对发芽率大于100 %，这可能是由于Zn2+的加入使其与土壤中本底的重金属或其他污染物发生了如拮抗等相互作用，使得本底毒性较对照组(未染Zn2+毒)降低，从而提高了种子的发芽率。整体而言：Zn2+的加入对叶类植物发芽具有一定的影响，相比于白菜和油菜，对香葱发芽的影响更大。

3.2 Zn2+对株重和根重的影响

生物量降低是污染物对植物毒性效应的最直接体现。笔者前期研究表明：相比于整个植株生物量，株重和根重的指标更为敏感。将不同Zn2+浓度染毒下白菜和香葱的株重(干重和鲜重)和根重(干重和鲜重)数据绘于图2。

由图2可见：Zn2+的存在使得白菜株重和根重都发生了显著性的改变，500 mg/L染毒条件下，株鲜重和根鲜重较空白分别下降27.3%和18.6%。而对于香葱而言，无论是株重还是根重变化趋势不明显。整体而言：Zn2+的加入对叶类植物生物量具有一定的影响，相比于白菜和油菜，对白菜的影响更大。

3.3 Zn2+对株高和最大根长的影响

株高和最大根长也能敏感的表征污染物对植株生长的伤害。图3显示了不同Zn2+浓度下，白菜和香葱株高和最大根长的变化情况。

图2 不同Zn2+浓度对白菜和香葱的株重(a：鲜重；b：干重)和根重(c：鲜重；d：干重)的影响

图3 不同Zn2+浓度对白菜和香葱的株高(a)和最大根长(b)的影响

由图3可见：Zn2+显著影响白菜和香葱根系和茎的生长，尤其是对株高的影响。空白组白菜的株高和最大根长较300 mg/L染毒条件时增长16.1 %和11.3 %。整体而言：Zn2+的加入对叶类植物根和茎的发育具有一定的影响，对白菜和香葱影响都很显著。

4 结语

锌是植物的必需元素，植物生长需要锌，然而，锌也能使根系生理代谢过程失调，植物根系生长受到抑制，从而导致根系吸收能力减弱，使植物缺乏营养。过量的锌能抑制磷在大豆作物和牧草类植物根茎中的吸收，影响磷的代谢过程，使植物表现出缺磷的症状[3]。高浓度的锌会使植物铁代谢失常，即使在铁供应充足的条件下，大豆叶片也会出现失绿和生物量减少[4]。本研究中，高浓度Zn2+存在时，白菜叶片扩展和伸长受到抑制，出现小叶且叶缘扭曲和皱折，植株变矮，Zn2+能降低白菜、香葱等叶类植物的生物量。

种子萌发期是植物对外界环境变化最敏感的阶段[5]。一般而言，Zn2+对植物种子萌发也可能具有低促高抑的现象，尤其是浓度越高抑制作用越明显[6]。当土壤中的Zn2+离子含量超过一定限度时，植物根部会受到严重的毒害作用，从而影响植物对水分和养分的吸收，造成植物生长不良，甚至导致死亡。大量研究结果表明：锌离子浓度与植物根长和株高也存在显著性的关联。如黑麦草幼苗的根长和株高在锌胁迫下受到抑制[7]，红壤中Zn浓度在250 mg/kg时，能对番茄的根伸长抑制率达到了95%[8]。本研究中也发现Zn2+的加入对叶类植物根和茎的发育具有一定的影响，对白菜和香葱影响都很显著。植物锌中毒还可以通过不同的机制抑制光合作用的各个步骤[9]。对大多数植物来说，锌被隔离在液泡中是最重要的耐锌机制，并且与液泡中大量产生的有机酸形成复合物而减少其对细胞的伤害[2]。在探讨锌对植物生长影响的同时，应关注其对植物生理生化的影响，了解其在植物体内的生物积累。