交流电场对铀胁迫下黑麦草种子萌发的影响

杨田 黄林涛 熊尧

摘要：通过研究促进植物种子在铀胁迫条件萌发和生长的方法，对于开展铀污染场地植物修复和防护具有重要意义。研究主要探讨了黑麦草（Lolium perenne L.）種子经过不同条件交流电场处理后，在铀胁迫下的萌发及生长变化。结果表明，1 mmol/L铀处理对黑麦草种子发芽相关指标及幼苗生长均造成了显著的胁迫作用（P<0.05），且施加不同条件的交流电场对黑麦草种子在铀胁迫下的发芽率和发芽指数影响较小，对发芽势和活力指数影响较大。此外，在高、中、低3个电场处理条件下（1.5、15.0、150.0 V），2 h的各电场处理会加剧铀胁迫对黑麦草幼苗株高、根长和生物量的影响;时长较长时，除了在24 h高电场处理也是促进胁迫外，12、24 h各强度电场处理却能缓解铀胁迫对黑麦草幼苗株高、根长和生物量的影响。表明采取适宜的电场处理强度和处理时间策略可能对铀胁迫下植物种子的萌发指标影响不大，但是能够增强植物幼苗的抗逆性。

关键词：黑麦草（Lolium perenne L.）;铀胁迫;交流电场;种子萌发

中图分类号：S543+.6         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）07-0035-04

Abstract： It is of great significance to develop phytoremediation by studying methods for promoting seed germination and plant growth of plant under uranium stress. The effect of different treatments of alternating current （AC） electric field on ryegrass（Lolium perenne L.） seed germination and seedling growth under uranium stress was studied. Results showed that， the treatment of uranium （1 mmol/L） caused significant stress on ryegrass in the period of seed germination and seedling growth（P<0.05）， and the treatments with electric field had less influence on the germination rate and germination index， but had larger influence on germination potential and vigor index of ryegrass seed under uranium stress. Besides， at high， medium and low level of electric field （1.5 V，15.0 V，150.0 V）， the treatments with electric field in 2 h showed more serious uranium stress effects on plant height， root length and biomass of ryegrass seedling， however， except the high level of electric field in 24 h， the treatments with electric field in 12 h and 24 h could significantly relieve the effects of uranium stress. With the appropriate electric field strength and treat-time， there may have little effect on the seed germination indicators of ryegrass seed under uranium stress， but it can promote the uranium resistance of seedlings.

Key words： ryegrass（Lolium perenne L.）; uranium stress; alternating current （AC） electric field; seed germination

核电在保证全球能源安全和应对气候变化方面具有不可替代的作用，也是中国改善能源结构和布局，实现能源工业可持续发展的必然选择。作为核电发展的原料，铀的需求还将持续增长;稳定可靠地利用铀对保障核能发展有重要意义[1]。然而，铀矿开采及利用过程中铀会对周围土壤及地表水、地下水造成一定的污染[2-4]，并通过食物链进入人体[5]，同时以化学毒性和内照射两种形式对人类健康造成危害[6，7]。植物可以富集土壤和水体中的铀，以降低或消除铀污染的危害，但富集的铀会对其生长和生理产生抑制作用[8-11]。通常植物是培养至幼苗或成体后才用于对铀的修复。近年来，人们开始关注铀胁迫对植物种子萌发的影响[12-15]，利用植物种子的生态毒理效应来监测环境污染程度;同时通过揭示铀对种子萌发及幼苗早期生长的影响，来探讨铀影响植物生长的机理。这对评价铀对植物危害或利用植物修复铀污染具有重要意义。

电场处理不仅可以提高种子的活力[16，17]，还能显著提高种子的抗盐性、抗旱性等[18-21]。前期的试验主要采用高压静电场处理种子，通过电离空气作用于种子[22]，处理后种子的抗性效应随时间的延长而递减[23-25]。因此本试验以黑麦草（Lolium perenne L.）种子为材料，在浸种时施加交流电场，研究不同电场处理条件下植物种子对铀胁迫的响应，以期为植物在铀胁迫和交流电场共同作用下的深入研究提供参考。

1  材料与方法

1.1  试验材料

供试材料为黑麦草种子，购于绵阳市全兴种业;配制铀溶液的试剂为分析純乙酸双氧铀   235UO2（CH3COO）2，准确称取3.851 1 g溶解于1 L去离子水中，铀浓度为1 mmol/L;浸种容器为聚丙烯方盆（长×宽×高=330 mm×230 mm×110 mm），盆盖（两端平行于盆宽各1个条形孔180 mm×60 mm，用于放置石墨板，条形孔间距300 mm，正中有1个圆形孔直径45 mm，用于放置种子）;石墨板（长×宽×厚=170 mm×140 mm×50 mm）;发芽试验容器为玻璃培养皿（直径×高=90 mm×15 mm）。

1.2  试验设计

选取颗粒饱满、大小均一的黑麦草种子共33份，每份50粒用滤纸包裹。方盆中加入6 L去离子水，加盖，在两端条形孔中放入石墨电极板，变压器（可变范围0～300 V，输入220 V/50 Hz）输出线分别夹住石墨板，中间圆孔中按处理组放入包裹好的黑麦草种子，试验共设11个处理（表1），每个处理重复3次。浸种24 h后，将不同处理的黑麦草种子分别置于培养皿中铀溶液浸泡的双层滤纸上，对照（CK）用去离子水浸泡滤纸。培养皿随机摆放在温室的培养架上，温度控制在22～25 ℃，光照12 h。每天10：00、18：00补充铀溶液，保持滤纸湿润，CK用去离子水。每天观察和记录发芽种子数，7 d后测量幼苗根长、株高，在干燥培养箱中70 ℃下烘24 h后测量幼苗干重。

1.3  分析方法及数据处理

2  结果与分析

2.1  铀胁迫下交流电场处理对黑麦草种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数的影响

从表2可以看出，CK-U的发芽势、发芽率、发芽指数及活力指数均显著低于CK，表明铀胁迫抑制了黑麦草种子的萌发。发芽势加电处理T1显著高于CK-U，其余处理均显著低于CK-U，表明交流电场处理T1（1.5 V、2 h）对铀胁迫下黑麦草种子的发芽势有促进效果;发芽率加电处理T5显著高于CK-U，其余处理均与CK-U无显著差异，表明交流电场处理T5（15.0 V、12 h）对铀胁迫下黑麦草种子的发芽率有促进效果;发芽指数加电处理T1显著高于CK-U，T2显著低于CK-U，其余处理与CK-U无显著差异，表明交流电场处理T1（1.5 V、2 h）对铀胁迫下黑麦草种子的整体萌发有促进效果;活力指数加电处理T6显著高于CK-U，T7、T1、T4、T9显著低于CK-U，其余处理与CK-U无显著差异，表明交流电场处理T6（15.0 V、24 h）能缓解铀对黑麦草种子从萌发到幼苗生长的胁迫作用。

2.2  铀胁迫下交流电场处理对黑麦草幼苗根长、株高和干重的影响

不同交流电场处理的铀胁迫下黑麦草幼苗的株高、根长见图1，CK幼苗的株高、根长均显著高于铀胁迫处理CK-U;并且CK的株高与根长之比接近1，铀胁迫严重抑制根的生长，导致株高与根长的比例严重失衡。与CK-U相比，加电处理T1的根长显著变短，T2、T4与CK-U无显著差异，其他处理则均显著高于CK-U;加电处理T1的株高比CK-U显著降低，T4、T7、T9与CK-U无显著差异，其他处理则显著高于CK-U。

不同交流电场处理的铀胁迫下黑麦草幼苗的干重见图2，CK的干重高于铀胁迫处理CK-U，并且差异显著。加电处理T1、T4、T9、T7的干重显著低于CK-U，其余处理与CK-U无显著差异。

3  小结与讨论

3.1  讨论

黑麦草种子在1 mmol/L铀胁迫处理下，发芽和生长相关指标均显著低于对照，表明铀对种子及幼苗生长均造成了胁迫效应，与之前的研究结果相符[12-15]。与CK-U相比，交流电场处理T1（1.5 V、2 h）对种子的发芽势、整体萌发水平有促进效果，但是严重抑制了幼苗的生长，其株高、根长均为所有处理组最低水平;T5（15.0 V、12 h）对种子的发芽率有促进效果;T3（1.5 V、24 h）、T5（15.0 V、12 h）、T6（15.0 V、24 h）、T7（150.0 V、2 h）、T8（150.0 V、12 h）、T9（150.0 V、24 h）能促进幼苗根长的生长;T2（1.5 V、12 h）、T3、T5、T6、T8能促进幼苗株高的生长;T6能缓解铀对种子从萌发到幼苗生长的胁迫作用，主要途径是通过对幼苗株高和根长生长的促进。说明不同电场强度和加电时间对种子的作用是有差异的，这与之前高压静电场对植物种子的作用结论相同，在1.0～5.5 kV/cm场强范围内的高压静电场处理油葵种子，部分电场处理可显著提高种子的发芽势和发芽率，电场的生物效应表现为非线性[23]。进一步分析施加电场的强度与时间对黑麦草幼苗生长的作用规律发现，除处理T9外，在电压不变的情况下随着加电时间的增加，或者在相同加电时间下随着电压的增加，铀胁迫对黑麦草生长造成的抑制逐步缓解，表现为对株高和根长生长有促进作用。处理T9不符合上述规律，可能是电场强度和时间的交叉作用超出了植物的适应范围。这与高压静电场对小麦抗寒性的影响一致，一定处理时间条件下，脯氨酸、丙二醛含量及过氧化物酶等活性随着处理电场强度的变化呈非单调型变化[20]，在糜子的抗旱性和花葵的抗盐性研究中均有相似结论[19，21]。部分研究人员对高压静电场对植物分子的作用机制进行了研究，例如，郭维生等[26]发现高压静电场处理影响酶的活性并不是因为电场改变了酶的一级结构，而是通过改变其高级结构来实现的;熊建平等[27]利用大于10 kV/cm的高压静电场处理黄瓜种子，其DNA分子部分破碎和断裂，促进了黄瓜优质高产。而低压交流电场对植物种子的作用途径是否与高压静电场的作用途径相似还需要试验进行验证。

3.2  小结

本试验发现在浸种时施加匀强低压交流电场能够缓解铀对黑麦草种子萌发和幼苗生长的胁迫作用。在高、中、低3个电场处理条件下（1.5、15.0、150.0 V），2 h的各电场处理及24 h高电场处理会加剧铀胁迫对黑麦草幼苗株高、根长和生物量的影响;12、24 h其他各强度电场处理却能缓解铀胁迫对黑麦草幼苗株高、根长和生物量的影响，其中处理T6（15.0 V、24 h）通过促进幼苗的株高和根长的生长而提高黑麦草的活力指数。说明电场处理不仅适用于对种子的抗盐性、抗旱性的研究，还可以开展电场促进植物种子或植株对铀或重金属胁迫适应性的研究。

参考文献：

[1] 刘  悦，丛卫克.世界铀资源、生产及需求概况[J].世界核地质科学，2017，34（4）：200-206.

[2] 孟  华，刘涛涛.地浸采铀技术及水污染治理[J].绿色科技，2016（8）：33-35.

[3] 占凌之.南方某铀矿山尾矿库周边水环境污染与评价[D].江西抚州：东华理工大学，2015.

[4] 孔秋梅，冯志刚，马  强，等.湖南某铀尾矿库周边土壤外源铀输入机制的研究[J].地球与环境，2017，45（2）：135-144.

[5] ANKE M，SEEBER O，M?LLER R，et al. Uranium transfer in the food chain from soil to plants，animals and man[J].Chemie der erde-geochemistry，2009，69（1）：75-90.

[6] 池翠萍，王仲文.贫铀武器对人体健康的影响[J].中华放射医学与防护杂志，2002（2）：68-70.

[7] 陆敏兴.铀矿水系沉积物中铀和典型重金属的存在形态特征分析[D].广州：广州大学，2016.

[8] EAPEN S，SUSEELAN K N，TIVAREKAR S，et al. Potential for rhizofiltration of uranium using hairy root cultures of Brassica juncea，and Chenopodium amaranticolor[J].Environmental research，2003，91（2）：127-133.

[9] TOM? F V，RODR?GUEZ P B，LOZANO J C. Elimination of natural uranium and （226） Ra from contaminated waters by rhizofiltration using Helianthus annuus L.[J].Science of the total environment，2008，393（2-3）：351-357.

[10] ROONGTANAKIAT N，SUDSAWAD P，NGERNVIJIT N. Uranium absorption ability of sunflower，vetiver and purple guinea grass.[J].Kasetsart journal-natural science，2010，44（2）：182-190.

[11] SRIVASTAVA S，BHAINSA K C， D'SOUZA S F. Investigation of uranium accumulation potential and biochemical responses of an aquatic weed Hydrilla verticillata （L.f.） Royle[J].Bioresour Technol，2010，101（8）：2573-2579.

[12] 楊瑞丽，谢水波，荣丽杉，等.铀胁迫对5种牧草种子萌发的影响[J].安全与环境学报，2016，16（4）：373-378.

[13] MIRJANA D，STOJANOVI [C]，DRAGI R，et al. Phytotoxic effect of the uranium on the growing up and development the plant of corn[J].Water air & soil pollution，2010，209（1-4）：401-410.

[14] 唐永金，罗学刚，江世杰，等.三种核素对植物烂种烂芽的影响[J].核农学报，2013，27（4）：495-500.

[15] 聂小琴，李广悦，吴彦琼，等.铀胁迫对大豆和玉米种子萌发和幼苗生长及SOD与POD活性的影响[J].农业环境科学学报，2010，29（6）：1057-1064.

[16] 郭龙芳，薛福东，郭九峰，等.部分物理因子在植物上的生物效应研究进展[J].中国农学通报，2014，30（27）：246-251.

[17] 王淑妍，郭九峰，刘晓婷，等.静电场的植物生物效应研究概述[J].中国农学通报，2015，31（35）：73-78.

[18] BAO S，MA Z. Research on the aging property of electric field influence on corn seeds[J].Advances in computer science，intelligent system and environment，2011，106：91-96.

[19] 李  伟，杨体强，赵清春，等.不同电场处理条件对糜子种子萌发抗旱性的影响[J].种子，2017，36（6）：1-3.

[20] 黄洪云，杜  宁，韩  哲.高压静电场处理种子对小麦幼苗抗寒性的影响[J].种子，2016，35（8）：24-26，31.

[21] 杨体强，袁德正，孟立志，等.盐胁迫下电场处理对花葵种子发芽率的影响[J].中国油料作物学报，2007，29（1）：93-95.

[22] 卢小泉，王雪梅，郭惠霞，等.生物电化学[M].北京：化学工业出版社，2016.

[23] 杨体强，朱海英，袁德正，等.电场对油葵种子萌发影响的有效时间[J].核农学报，2013，27（6）：879-883.

[24] 包斯琴高娃，马占新，丁昌江.电场对种子影响的时效性分析方法及应用[J].电子科技大学学报，2016，45（5）：865-872.

[25] 李  伟.电场处理糜子种子对其萌发期和苗期抗旱性的影响及时效性[D].呼和浩特：内蒙古大学，2017.

[26] 郭维生，杨性愉，杨体强，等.高压静电场对α-淀粉酶构象的影响[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2001，32（3）：349-351.

[27] 熊建平，朱久运，马坚扬，等.黄瓜高压静电育种机理的研究[J].现代生物医学进展，2004，4（4）：13-16.