Zn2+胁迫对红秋葵种子的萌发及幼苗生理特性的影响

赵淑玲, 何九军, 王一峰, 王 瀚, 孙 杰, 蹇小勇

(1.陇南师范高等专科学校，甘肃 成县 742500；2.陇南特色农业生物资源研究开发中心，甘肃 成县 742500)

锌是自然界中分布较广的重金属元素[1]。成县位于甘肃东南部，西成铅锌矿带是我国第二大铅锌矿。工业化的发展，产业的聚集，造成土壤和水体中重金属的含量增加。据测定，甘肃省土壤Zn2+含量为66.4 mg·kg-1，而成县土壤Zn2+含量为70.0～84.0 mg·kg-1[2]。

红秋葵(Hibiscuscoccineus(Medicus)Walt.)，是锦葵科(Malvaceae)木槿属(Hibiscus)植物[3]。多年生直立草本，高1～3 m，叶指状5裂，花瓣玫瑰红至洋红色，倒卵形，长7～8 cm，宽3～4 cm，蒴果近球形，花期8月，嫩果可食用，研究表明，红秋葵含有人体必需的矿质元素钙、镁，微量元素硒、铁等[4]，营养价值高，其可食部位色彩鲜艳。红秋葵栽培面积逐渐扩大，既可食用，其艳丽的叶、花、果又具有一定的观赏性。成为常见蔬菜之一。本试验以红秋葵种子为材料，用不同浓度Zn2+处理，研究Zn2+对红秋葵种子的萌发、幼苗生长情况，叶绿素含量、SOD(超氧化物歧化酶)、MDA(丙二醛)、PRO(脯氨酸)以及可溶性糖含量的变化，探讨蔬菜对重金属胁迫的响应机理。

1 试验材料与方法

1.1 材料、仪器及试剂

红秋葵种子由陇南师专智能温室提供。RQH-250人工培养箱(金坛市医疗仪器厂)，5424冷冻离心机(德国艾本德)，茚三酮、硫酸锌等试剂均为AR级(试剂由天津大茂化学试剂厂生产)。

1.2 试验处理

用0.5%的KMnO4溶液消毒红秋葵种子1 min，用纯水冲洗干净，挑选取籽粒饱满的种子，播在铺有双层滤纸的市售发芽盒(长×宽×高18.5 cm×14.5 cm×10.5 cm)中，每盒40粒，试验期间分别浇20、40、60、80 mg·L-1的Zn2+溶液(用硫酸锌配制)，每一浓度梯度做3个重复，每天根据实际情况补充相应浓度的Zn2+溶液，以纯水处理为对照。发芽盒在生化培养箱中培养，温度设置为25 ℃，12 h/12 h(白天/黑夜)每天观察并记录发芽情况，在第7天进行各项指标测定。

1.2.1种子萌发情况统计

种子放入发芽盒后第2天开始统计每天的发芽数等。

发芽率(%)=(发芽种子总粒数/试验种子总粒数)×100%[5]。

发芽势(%)=(第3天发芽种子总数/试验种子总粒数)×100%[7]；

相对发芽势(%)=(处理组种子发芽率/对照组种子发芽率)×100%[8]；

1.2.2幼苗生长情况测定

从胚根突破种皮后开始观察胚根、幼苗的生长情况并记录，在第7天每个发芽盒中随机取10株，测定胚根长度、下胚轴长度以及株高、鲜重和干重等指标。

1.2.3叶绿素、MDA、PRO以及可溶性糖含量测定

叶绿素含量测定、PRO含量测定参照王学奎[10]的方法；参考林艳等[11]的方法测定MDA及可溶性糖含量。

1.2.4试验数据统计方法

IBM SPSS Statistics 23软件进行数据统计，用Excel软件绘图。

2 结果与分析

2.1 Zn2+胁迫对红秋葵种子萌发的影响

由图1可以看出，Zn2+溶液低浓度下，对红秋葵种子的发芽率、发芽势及相对发芽势有一定的促进作用，随质量浓度的增加，胁迫的加剧，红秋葵种子的发芽率、发芽势及相对发芽势受到一定的抑制，其中Zn2+溶液浓度在20～80 mg·L-1时，发芽率均在95%以上，当Zn2+溶液在100 mg·L-1时，发芽率高达88.3%。说明在此胁迫范围内，红秋葵种子的发芽受影响。

2.2 Zn2+胁迫对红秋葵种子逐日萌发率的影响

逐日萌发率反映植物种子萌发速率。图2看出，在Zn2+溶液胁迫下，各个处理组的逐日萌发率的高峰期均出现在第4天，但逐日萌发率的高峰值随胁迫的增加有所下降，ck组从第3天开始发芽，在第4、5天以比较高的速度完成发芽。在Zn2+溶液80～100mg·L-1胁迫下，红秋葵种子的逐日萌发率出现2个波峰，分别是第4天和第6天，说明在此质量浓度Zn2+胁迫下，对红秋葵种子的萌发有抑制作用，整体推迟了种子的萌发进程。

表1 不同Zn2+胁迫下红秋葵种子发芽率、发芽势及相对发芽势的方差分析

图2 Zn2+胁迫对红秋葵种子逐日萌发率的影响

2.3 Zn2+胁迫对红秋葵幼苗胚根长度、下胚轴长度及株高的影响

试验第2天，红秋葵种子对照组与处理组都有萌动迹象，第3天，胁迫组与对照组均开始长出胚根，胚根色泽白亮，均匀，胁迫组与处理组无明显差异，但是随着时间的推移，处理组与ck组出现较为明显的差异：随处理浓度的增加，处理组的胚根长度，下胚轴长度、株高等逐渐减小，胚根长度在Zn2+溶液为20 mg·L-1时，与ck无差异，但随Zn2+溶液浓度的增加，胚根长度与ck相比，差异显著(p<0.01)。下胚轴长度、株高在Zn2+溶液为80～100 mg·L-1时，与ck差异显著(p<0.01)，表明随Zn2+浓度的增加，红秋葵幼苗根的生长发育抑制逐渐增强，红秋葵幼苗生长受到胁迫。

表2 培养7 d后红秋葵胚根长度、下胚轴长度及株高情况

注：1为纯水处理(ck)；2为20 mg·L-1；3为40 mg·L-1；4为60 mg·L-1；5为80 mg·L-1；6为100 mg·L-1。

2.4 Zn2+胁迫对红秋葵幼苗生物量的影响

红秋葵的幼苗用不同Zn2+溶液胁迫后，发现对其鲜重有一定的影响，在Zn2+溶液浓度为100 mg·L-1时，与ck有差异(p<0.05)，其他处理组无差异。从图4看出，Zn2+溶液浓度为60～100 mg·L-1处理组的干重与ck相比，有差异(p<0.05)。

图4 不同Zn2+浓度处理红秋葵生物量的影响

2.5 Zn2+胁迫对红秋葵幼苗叶绿素含量的影响

由表3可看出，随胁迫的增加，叶绿素a、叶绿素b整体呈下降趋势，类胡萝卜素的含量先升高再下降。叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素的含量与对照相比，在Zn2+溶液浓度为20～40 mg·L-1无差异(p>0.05)，在Zn2+溶液浓度为60～80 mg·L-1有差异(0.01>p<0.05)，在100 mg·L-1时，有显著差异(p<0.01)。表明过高的Zn2+溶液浓度(大于100 mg·L-1)会对植物的光合色素合成有明显的抑制作用，进而影响植物的正常生长。

表3 不同Zn2+浓度对红秋葵幼苗体内叶绿素及类胡萝卜素含量的影响

2.6 Zn2+胁迫对红秋葵幼苗可溶性糖和MDA含量的影响

由图5可见，可溶性糖的含量与ck相比差异不明显，在Zn2+浓度为80 mg·L-1时，可溶性糖的含量与ck有差异(p<0.05)。

图5 不同Zn2+浓度对红秋葵幼苗体内的可溶性糖、MDA含量的影响

MDA的含量出现上升趋势，其含量在Zn2+浓度为80 mg·L-1时达最高值，为1.22μmol·g-1，是ck的1.1倍。MDA的含量在Zn2+浓度为80～100 mg·L-1时，与ck相比，差异明显(p<0.01)。

表4 不同Zn2+胁迫下红秋葵幼苗叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素含量的方差分析

2.7 Zn2+胁迫对红秋葵幼苗PRO含量的影响

由图6可以看出，红秋葵叶片中PRO含量随Zn2+浓度的增加整体呈增加趋势，PRO的含量在Zn2+浓度为80 mg·L-1时达最高值，是ck的2.26倍。Zn2+浓度在60～100 mg·L-1时，PRO含量明显增加，Zn2+浓度在80 mg·L-1时，与ck相比差异明显(p<0.05)。Zn2+浓度在100 mg·L-1时，与ck相比差异显著(p<0.01)。

图6 Zn2+胁迫对红秋葵幼苗PRO含量的影响

3 讨 论

研究认为，重金属在低浓度下对植物种子的萌发有一定的促进作用，在高浓度下有抑制作用[12]。本试验用Zn2+浓度分别为20、40、60、80、100 mg·L-1的溶液作用于红秋葵种子，发现在Zn2+浓度分别为20、40、60、80 mg·L-1时对其发芽率、发芽势等指标基本无影响，发芽率均能达到95%以上，在Zn2+浓度为100 mg·L-1时发芽率降至85%。随着胁迫浓度的增加，红秋葵种子的发芽速度进程受到抑制。红秋葵种子的发芽在本试验胁迫范围内基本不受影响，但幼苗的生长受到抑制，其胚根、下胚轴的长度、株高等指标随胁迫浓度的增加而呈下降的趋势。在比较高的Zn2+浓度(100 mg·L-1)下，胚根、下胚轴的长度、株高与ck相比，差异显著(p<0.01)，与王瀚等[13]、张远兵等[14]的研究结果相同。

本试验中，随Zn2+浓度的增加，叶绿素a、叶绿素b整体呈下降趋势，类胡萝卜素的含量先升高再下降。一般情况下，植物体内叶绿素和类胡萝卜素，以及叶绿素a、叶绿素b，与特定的蛋白质结合形成色素蛋白复合体，叶绿素a蛋白复合体中主要色素是叶绿素a和类胡萝卜素，叶绿素a/b蛋白复合体主要色素是叶绿素a和叶绿素b[15]。在光合作用过程中有重要的生理作用。Zn2+胁迫下，会使类囊体膜、细胞核膜等消失，造成细胞伤害[16]。植物细胞由于Zn2+胁迫，体内氧自由基的增多，过多的氧自由基攻击膜系统，膜脂过氧化的主要产物MDA增多[17]。本试验中，随Zn2+胁迫的增强，MDA整体呈上升趋势，并在Zn2+浓度为80 mg·L-1时达到最高值，表明此浓度的Zn2+胁迫对红秋葵破坏较为严重。可溶性糖、PRO都是植物体内重要的渗透调节物质，其特点为分子量小，合成迅速，能快速降低细胞渗透势[18]，PRO的含量在Zn2+浓度为60～100 mg·L-1时急剧升高，可溶性糖含量整体升高，是植物对外界刺激的积极应对。