重金属铅胁迫对绿豆种子萌发及幼苗生长的抑制效应

段代祥，刘俊华

(1.滨州学院生物与环境工程学院，山东 滨州 256603；2.山东省黄河三角洲脆弱生态带工程技术研究中心，山东 滨州 256603)

随着我国经济的迅猛发展和工业化进程进一步加快，土壤、空气和水体等的污染状况也随之加剧，其中以镉(Cd)、铅(Pb)、锌(Zn)、汞(Hg)等为代表的重金属元素对环境造成严重的危害[1]，土壤遭受重金属污染后不仅会导致农作物减产和品质下降，还会通过食物链危害人体健康[2-3]。重金属铅为“五毒元素”之一，一旦进入土壤便会慢慢累积，待土壤中铅含量达到一定水平时，就会对植物的生长和发育产生毒害作用[1-4]。

为了阐明重金属铅胁迫对绿豆种子萌发和幼苗生长的抑制作用和浓度效应，本试验以华北地区常见农作物绿豆为研究对象，以不同浓度重金属铅离子溶液构建胁迫条件，观察测定其对受试绿豆种子萌发和幼苗生长的影响，并比较分析了Pb2+浓度与绿豆种子萌发水平及幼苗生长状况间的相关关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试绿豆种子冀绿9号，由河北省农林科学院粮油研究所选育，供试药剂为硝酸铅(Pb(NO3)2、分析纯)。

1.2 研究方法

1.2.1Pb2+溶液的配制

用去离子水先将纯Pb(NO3)2配制成400.0 mg·kg-1母液，然后利用母液依次稀释得到浓度为200.0、100.0、50.0、20.0、10.0 mg·kg-1等5个浓度梯度的Pb2+溶液，置于避光处，备用。

1.2.2种子萌发试验

试验用绿豆种子先经3%KMnO4消毒10 min，用自来水冲洗数次后再以蒸馏水反复冲洗(3～5次)，最后用滤纸将残留水分吸干。取灭菌消毒后的培养皿(直径120 mm，下层铺双层滤纸)若干，将配制好的不同浓度Pb2+溶液加入培养皿(首次每皿添加10.0 mL，以后每天分别向每个培养皿加入适量相应浓度溶液或蒸馏水以保持种子培养环境湿润)，每皿均匀放入20粒大小相近且健康的绿豆种子；以蒸馏水作对照(ck)。所有处理均为5个重复，置于(25±3)℃环境下培养。

1.3 相关指标测定

每天固定时间记录绿豆发芽种子数，并测量绿豆幼苗根长、芽长，至第9天结束。依据以下公式分别计算发芽势、发芽率及发芽抑制率[1]：

发芽势(%)=(第5天正常发芽的种子粒数/供试种子总数)×100%；

发芽率(%)=(第9天正常发芽的种子粒数/供试种子总数)×100%；

发芽抑制率(%)=(处理组发芽率/对照组发芽率)×100%。

在第9天培养周期结束后，用电子天平(精确至千分之一)测定绿豆幼苗整株鲜重(mg)，以直尺测量幼苗根长(cm)、芽长(cm)。依据以下公式计算幼苗全长抑制率(%)、幼苗鲜重抑制率(%)和综合抑制率(%)：

幼苗全长抑制率(%)=(处理组根长/对照组根长)×100%；

幼苗鲜重抑制率(%)=(处理组鲜重/对照组鲜重)×100%；

综合抑制率(%)= (发芽抑制率+幼苗全长抑制率+幼苗鲜重抑制率)/3。

绿豆种子活力指数的计算依据以下公式：

种子活力指数=(处理组发芽率/对照组发芽率)×(处理组鲜重/对照组鲜重)。

1.4 数据处理

试验所有数据均采用Excel 2010软件汇总整理并进行初步统计分析与图表绘制；应用SPSS 19.0统计软件进行相关指标间的Pearson相关性分析，以LSD多重比较及Duncan’s检验进行组间差异显著性检验；本研究中，Pearson相关性分析及单因素方差分析(One-Way ANOVA)显著性水平定为p<0.01。

2 结果与分析

2.1 Pb2+胁迫对绿豆种子萌发的抑制作用

种子萌发是绿色开花植物新一个世代的开端，植物种子萌发这一过程会受到多种内外部因素的影响。由图1可以看出，绿豆种子发芽势和发芽率均受到Pb2+胁迫的显著影响，即随着Pb2+浓度的增加,绿豆种子的发芽势、发芽率均呈单调下降趋势,但在较低浓度(10.0、20.0 mg·kg-1)下未受到明显抑制，而随Pb2+浓度的进一步升高，其种子发芽势和发芽率均出现明显降低，在100.0 mg·kg-1和200.0 mg·kg-1时均显著低于ck组(p<0.01)。

经对Pb2+浓度和绿豆种子发芽势、发芽率间进行Pearson相关分析(图2)，结果表明，Pb2+溶液浓度与种子萌发水平间具有十分显著的负相关关系(p<0.01)。

2.2 Pb2+胁迫对绿豆幼苗生长的影响

由图3可以看出，以不同浓度的Pb2+溶液培养的绿豆幼苗，在根长、芽长方面与ck组表现出较为显著的差异，具体表现为：10.0 mg·kg-1浓度下，绿豆幼苗芽长与ck差异不明显(p>0.01)，而根长已受到明显的抑制，显著低于ck组(p<0.01)，而后随着Pb2+溶液浓度的不断升高，幼苗生长受到明显的抑制，无论芽长还是根长均出现明显的减小，直至200.0 mg·kg-1时出现最低值，而又以幼苗根长所受抑制程度为甚。

从绿豆幼苗全株长度来看，ck组绿豆幼苗长势最好，株高约14.0 cm，其根长和芽长均高于所有Pb2+胁迫处理组，在最高浓度(200.0 mg·kg-1)时，绿豆幼苗植株长势最弱，其平均株长约6.8 cm，根长所受抑制最为明显。经对绿豆幼苗根冠比进行分析发现，随着Pb2+浓度的升高，比值迅速下降(图4)，且从20.0 mg·kg-1开始，绿豆幼苗根冠比即已显著低于ck组和10.0 mg·kg-1浓度处理组，至200.0 mg·kg-1浓度时比值达到最低(0.189)，可见Pb2+胁迫对绿豆幼苗根长的抑制水平明显强于对芽长的影响。

2.3 Pb2+胁迫对绿豆幼苗鲜重的影响

植株个体的生物量(包括鲜重和干重)大小常作为表征该种植物幼苗长势旺盛与否和活力水平高低的重要指标[5]。本研究中，不同Pb2+浓度处理对绿豆幼苗的鲜重有明显的影响(图5)，ck组绿豆幼苗鲜重最高(每株约260 mg)，其次为10.0 mg·kg-1处理组(每株约250 mg)，随着Pb2+浓度的进一步升高，绿豆幼苗鲜重进一步减小，在20.0 mg·kg-1浓度时已显著低于对照组(p<0.01)，直至200.0 mg·kg-1浓度时绿豆幼苗鲜重达到最低(每株约198 mg)。由此可见，本研究中Pb2+胁迫对绿豆幼苗鲜重不仅具有明显抑制作用，而且还表现出十分显著的浓度效应(p<0.01)。

2.4 不同Pb2+浓度对绿豆种子活力水平的影响

种子活力不仅影响种子萌发过程，还对播种后幼苗根系建成及出土能力有重要影响，此外还可直接或间接影响植物苗期生长速率和幼苗对抗外界不良条件的能力[1]。由图6可知，不同浓度Pb2+溶液对绿豆种子活力水平具有显著影响，且其表现出的抑制规律与对绿豆幼苗全长和鲜重的影响相一致，ck组和最低浓度Pb2+处理组(10.0 mg·kg-1)幼苗长势最好，叶色鲜绿，根长且白嫩，而随着Pb2+浓度的升高，绿豆幼苗生长受到明显抑制，根长和芽长皆急剧变短，甚至高浓度下许多种子胚根难以生长。

2.5 Pb2+胁迫对绿豆幼苗生长的影响

从上述结果可知，本实验中Pb2+胁迫绿豆种子萌发及幼苗生长的影响是多方面的，但对不同指标的影响又有较大差异。通过对绿豆种子萌发和幼苗生长所受抑制效应综合分析(表1)，结果发现，铅胁迫对绿豆种子萌发的抑制效应最低(在200.0 mg·kg-1时抑制率为-13.83%)，其次为对幼苗鲜重(在200.0 mg·kg-1时抑制率为-23.53%)，而对幼苗全长的抑制效应最强(在200.0 mg·kg-1时抑制率达-51.78%)。基于上述3个指标的综合抑制率分析，200.0 mg·kg-1浓度处理的综合抑制率为(-29.82±19.67)%。

表1 Pb2+胁迫对绿豆幼苗生长的综合抑制效应Table 1 Comprehensive inhibition effect of Pb2+ stress on mung bean seedling growth

为进一步阐明Pb2+对绿豆幼苗生长综合抑制作用的浓度效应，经对Pb2+浓度与综合抑制水平间作Pearson相关性分析，结果显示，二者间存在较为明显的正相关关系，即Pb2+离子浓度越高对绿豆的综合抑制水平越强(图7)，但在p<0.01水平上相关性不显著(p=0.020)。

3 结论与讨论

对绿色开花植物而言，其种子萌发过程十分复杂，且容易受到多种内外部因素的影响。本试验以绿豆种子为受试材料，通过添加不同浓度Pb2+溶液进行胁迫处理，研究Pb2+胁迫对绿豆种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明，不同浓度Pb2+溶液处理下的绿豆种子，其发芽势、发芽率均受到一定程度的抑制，且随Pb2+浓度的不断升高而迅速降低，并表现出十分显著的浓度效应，即Pb2+溶液浓度越高，其对受试绿豆种子萌发过程的抑制作用就越强。经进一步对相关指标测定分析，结果表明，如幼苗根长、芽长和全株鲜重等生长指标均受到Pb2+胁迫条件的显著负影响，其中又以绿豆幼苗根生长所受影响最大。

由上述结果可知，本研究中重金属铅对受试作物绿豆种子萌发和幼苗生长的抑制作用，对根部生长的影响显著高于对芽生长的影响，对幼苗生长初期的影响又显著高于对其种子萌发阶段的影响。此外，通过分析Pb2+胁迫对绿豆幼苗生长综合抑制效应，发现所有测定指标中绿豆种子萌发率受Pb2+胁迫抑制水平最低；进一步对Pb2+浓度与其对受试绿豆幼苗生长综合抑制水平作相关性分析，结果显示，二者间具有显著的正相关关系，随着Pb2+浓度升高，绿豆幼苗所受综合抑制作用越强。

本研究中，所有处理组绿豆种子的发芽率均较高(80%以上)，表明绿豆种子在萌发生理方面具有较强的抗Pb2+胁迫能力。在Pb2+影响绿豆幼苗生长方面，低浓度效果不十分显著，但中高浓度下Pb2+对幼苗的生长表现出明显抑制效应，随着Pb2+浓度的升高，绿豆幼苗的根长和芽长均较短，尤其对根生长的抑制作用更为显著，即重金属铅胁迫对植物生长的抑制优先作用于胚根生长，这与已有类似研究结果相一致[1,6-9]。对高等植物而言，无论以孢子繁殖还是以种子繁殖，其萌发阶段和幼苗生长初期均对外部环境因子尤其对不利条件十分敏感，包括对重金属铅胁迫在内的污染因素。本研究仅就Pb2+胁迫条件下的绿豆种子萌发和幼苗前期生长状况进行了初步探讨，而有关Pb2+对其产生胁迫抑制的具体机理机制尚有待进一步研究。