重金属Cu2+、Cd2+和Zn2+对车前草种子萌发的影响

徐运飞，赵敏，杨梦乐，陈利军，尹健

(信阳农林学院 农学院，河南 信阳 464000)

随着现代社会的发展，重金属污染成为亟待解决的全球性问题之一，给现代农业和绿色经济产业的发展带来了很多的问题，影响农业的发展。重金属是指密度高于5 g/cm3的一类金属元素，其中主要包括镉(Cd)、铅(Pb)、汞(Hg)、铜(Cu)、锌(Zn)等[1]。易富集、 不可逆性、不易降解、治理困难是重金属的特点。重金属污染是遍及全世界的一种非生物影响因素，当重金属超过一定的阈值时，不仅限制野生动植物的正常生长，还影响作物和药用植物的安全使用[2]。重金属的形态不同，其活性与毒性也存在差异。重金属随着各种因素进入土壤，如随雨水渗透土壤后，将会长期存留在土壤中[3]。研究表明，在重金属胁迫下，植物叶片的气孔关闭，导致植物光合作用及蒸腾作用减慢，若土壤中重金属含量超过植物的耐受程度，会影响植物根和叶的发育[4]。植物在各个生长阶段对重金属的耐受程度不同，重金属对种子萌发的影响，也在一定程度上影响整个植株的生长[5]。此外，我国耕地面积五分之一的土地都不同程度被重金属污染[6]，每年大约还会有5000万吨的农作物被重金属污染，对人民的健康安全造成很大的威胁[7]。因此，研究重金属对植物生长和发育的影响具有重要意义。

中药车前草为车前科车前属植物车前或平车前的干燥全草，又名车轮菜，具有一定的药用价值，具有利尿、清热等功效。在临床上，车前草主要用于治疗水肿胀满、目赤肿痛、痰热咳嗽等[8]。随着中药资源的进一步开发利用，中药的安全利用日益受人们的关注。有关车前草化学成分和生理活性方面的研究较多，如车前草中含有甾醇类、黄酮类等多种化合物[9]，车前子具有调节血糖[10]、降血脂等生理活性[11]。车前草生长快，生物量大，有研究表明其对重金属具有吸附和富集作用，可用于土壤污染植物的修复[12]。车前草种子在不同重金属胁迫下的萌发特性以及其在萌发期对不同重金属的耐性直接影响车前的生长发育和抗逆性能。本文以不同重金属溶液对车前草种子萌发影响的试验，研究车前草种子萌发期对不同浓度重金属的耐受性，以期为改善土壤重金属污染和中药车前安全利用提供一定的数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验种子：平车前，购买于千花百魅种业有限公司。

试验仪器：电子天平、智能人工气候箱。

试剂：1%次氯酸钠、75%乙醇、硫酸铜(CuSO4·5H2O、天津市永大化学试剂有限公司)、硫酸镉(3CdSO4·8H2O、天津市福晨化学试剂厂)、硫酸锌(ZnSO4·7H2O、天津市福晨化学试剂厂)、硫酸钠(Na2SO4、天津市永大化学试剂有限公司)、次氯酸钠(郑州派尼化学试剂厂)，以上试剂均为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 重金属溶液 根据不同重金属胁迫下种子萌发的预试验情况，本试验将不同种类重金属(Cu2+、Zn2+、Cd2+)的浓度设置为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0 mmol /L。试验所用重金属处理液均使用无菌水配制。

1.2.2 萌发试验 试验采用培养皿纸上发芽的方法[13]，每个处理均设置三次独立重复试验。选择大小均匀一致的车前草种子，用1%的次氯酸钠消毒10 min后，蒸馏水清洗3次，将种子接种到不同浓度重金属溶液润湿的滤纸床上。每个培养皿中使用移液枪吸取一定体积的重金属溶液，以蒸馏水作为对照，每个培养皿50粒种子，置于人工培养箱，光/暗12 h/12 h，相对湿度为80%，恒温24℃。所有的试验处理完成后，4 d后观察并计算发芽势，7 d后计算发芽率。发芽时间为连续四天不再发芽为止。长至第14 d时测量幼苗苗长。从培养皿中已经发芽的种子中随机选取10棵车前草种子幼苗，测量长度。种子是否萌发，以胚根长2 mm作为标准(露白)判断。

1.2.3 指标测定 各项发芽指标如下所示：

(1)千粒重(g)：因车前草种子细小，所以将种子混合均匀后，采用“圆锥四分法”的方法挑选1000粒车前草种子，测得千粒重为0.565 g；

(4)苗长(cm)，即胚根长和胚芽长总长。

1.2.4 数据统计处理 本试验数据处理采用SPSS25.0进行分析，用多重比较的方法统计各个处理间发芽率等指标的差异是否显著(P<0.05)，采用Excel进行绘图，结果以平均值±标准误来表示。

2 结果与分析

2.1 不同浓度重金属Cu2+对车前草种子发芽和苗长的影响

不同浓度重金属Cu2+溶液处理对车前草种子发芽率和发芽势的影响情况如表1所示。与对照组相比，重金属Cu2+浓度为0.2 mmol/L时，车前草种子的发芽势、发芽率差异不显著，分别为31.33%和40.67%。随着重金属Cu2+浓度的升高，车前草种子的发芽势、发芽率显著降低，在2 mmol/L时发芽势和发芽率的值达到最低，与对照相比分别降至20.00%和27.33%。结果表明，随着Cu2+浓度的升高，车前草种子萌发受到显著抑制。

表1 不同浓度Cu2+溶液处理对车前草种子萌发的影响

不同浓度Cu2+对车前草幼苗苗长的影响如图1所示，随着Cu2+浓度的升高，车前草幼苗苗长均呈下降趋势。与对照相比，在Cu2+浓度为0.2 mmol/L时，车前草幼苗苗长差异显著；随着浓度的增加，幼苗生长受到明显的抑制，可知Cu2+抑制车前草幼苗的生长。

2.2 不同浓度重金属Zn2+对车前草种子发芽和苗长的影响

不同浓度的Zn2+处理对车前草的萌发具有一定的影响，如表2所示。随着Zn2+浓度的增加，车前草种子发芽率先下降后上升，但始终低于对照组。发芽势则呈现波动变化趋势，当Zn2+浓度达到2 mmol/L，发芽势显著高于对照组，发芽率也是接近于对照组，表明在某种程度上，适宜浓度的Zn2+对车前草种子萌发有一定的促进作用，这可能与Zn2+是车前草萌发过程中某些酶的激活剂相关。

表2 不同浓度Zn2+溶液处理对车前草种子萌发的影响

重金属Zn2+对车前草幼苗的生长具有抑制作用，如图2所示，Zn2+浓度在0 ～ 0.4 mmol/L时，与对照相比差异不显著。当Zn2+浓度超过0.6 mmol/L，随着Zn2+浓度的增加，车前草幼苗的苗长显著降低，由此表明，当Zn2+浓度达到一定程度后，对车前草幼苗的生长具有抑制作用，且随着浓度增加而加强。

2.3 不同重金属Cd2+对车前草种子发芽和苗长的影响

如图3和图4所示，低浓度的Cd2+对车前草种子的萌发影响相对较小，浓度在0.4～1.0 mmol/L时，其发芽势和发芽率的差异较小，随着浓度的升高，发芽势和发芽率逐渐降低。与对照相比，高浓度Cd2+处理能显著抑制车前草种子的萌发。

不同浓度Cd2+对车前草种子幼苗的苗长的影响如图5所示，随着Cd2+浓度的升高，车前草幼苗苗长显著下降。Cd2+浓度为0.2mmol/L时，与对照相比差异显著，随着Cd2+浓度升高，车前草幼苗苗长显著降低。表明，车前草幼苗对Cd2+处理敏感。

3 结论与讨论

种子发芽率反映了种子的生命力，发芽势反映种子出苗的快慢，两者均为鉴定种子质量最直接和稳定的指标[14]，植物对逆境胁迫的适应体现可以从幼苗的生长状况反映，环境因子对植物生长的影响作用可以反映植物体受伤程度[15]。本试验中用到的车前草种子普遍存在发芽率较低现象，而种子发芽率低的原因可能是由于种子采收过早、未成熟或采收后晾晒不彻底、湿度过大以及没有彻底解除休眠等。不同浓度的重金属溶液铜(Cu2+)、镉(Cd2+)和锌(Zn2+)处理车前草种子，对其萌发和苗长均有抑制作用，但不同重金属的影响程度有差异。

作为很多酶成分之一的Cu2+，不仅能够参与各种反应，还在很多植物的光合作用及呼吸作用等过程中起非常关键的作用，如果植物体内的Cu2+浓度过高，对植物种子的萌发以及生长发育产生较大影响[16]，本试验中，在Cu2+浓度较低处理时，与对照相比，车前草种子的萌发受影响较小，但是高浓度Cu2+处理，对车前草种子萌发具有显著的抑制作用，胡娜[4]等对盐生草的研究结果也表明高浓度的Cu2+对植物种子萌发具有抑制作用。本试验的结果还表明，高浓度的Cu2+对车前草幼苗的生长也具有抑制作用。

植物在生长发育时需要Zn2+的辅助，适宜浓度的Zn2+，可以提高植物的光合作用以及增强植物的抗逆性，使植物的生长更加健壮，但是当大量的Zn2+堆积的时候，则会对植物产生毒害作用，影响植物生长发育，使植物生长缓慢，尤其是对植物根的生长产生巨大的影响[17]，本试验也得出相似的结论。本研究中，随着Zn2+浓度的增加，Zn2+某种程度上可以促进车前草种子的萌发，但对幼苗的生长具有抑制作用。原因可能是Zn2+主要使根的生长受到抑制，进一步使幼苗生长受到抑制，致使种子虽然能够萌发但不能成苗。

大量的研究结果表明，作为五毒元素之一的Cd2+是毒性最强的，不仅会对人体产生毒害，对植物的毒性也很强大，极大的影响植物的生长发育[18]。本试验结果显示，低浓度Cd2+处理对车前草种子的萌发产生的影响相对较小，高浓度的Cd2+处理使车前草萌发受到显著抑制，在浓度超过0.8mmol/L后抑制作用更加明显。Cd2+对车前草种子幼苗的生长也具有显著的抑制作用，浓度越大，幼苗长度越短。发芽受到抑制，根部不能生长，对车前草后期的呼吸作用以及光合作用产生影响，严重时导致其死亡。

发芽率和发芽势是评价车前草萌发期受重金属影响重要依据。本研究结果表明车前草种子发芽率、发芽势及苗长对重金属Cu2+、Zn2+和Cd2+的胁迫表现出不同的响应，与车前草种子发芽相比，不同浓度Cu2+、Zn2+和Cd2+对其幼苗生长的影响更加显著，为药用植物的大田栽培提供了基础的数据参考。低浓度重金属对于车前草的发芽、幼苗生长的影响不显著，此结果对中药安全利用具有一定的提示作用。中药的安全使用离不开对重金属指标的严格检测和把控，特别是车前草等对重金属具有富集作用的中药类别，其耐重金属胁迫的具体机制有待进一步研究。