不同铝胁迫浓度对向日葵种子发芽及幼苗生长的影响

许光德 尹洪辉 周福稳 曾小飚

摘 要 铝毒害指生长介质pH值低于5.5时铝引起植物生长不良的现象。为了寻找缓解铝对植物伤害的途径，通过砂培试验研究不同铝胁迫浓度对向日葵发芽及幼苗生长的影响。结果表明：1）随着铝胁迫浓度的增加，向日葵种子萌发率与发芽势均呈逐渐下降的趋势;2）叶绿素含量先缓慢下降然后又升高;3）丙二醛含量呈现先上升后缓慢下降的趋势，但各处理组丙二醛含量均高于对照组。4）铝胁迫明显对向日葵产生了毒害作用，促使细胞膜脂过氧化加重，抑制了种子的萌发和幼苗的生长。

关键词 向日葵;铝胁迫;萌发率;叶绿素;发芽势;丙二醛

中图分类号：S727.4 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.013

重金属污染对植物生长的影响一直是国内外研究的热点。向日葵（Helianthus annuus L.），属菊科一年生草本植物，可用于观赏、食用或榨油，是我国重要的油料作物。近些年，一些学者在重金属胁迫向日葵的毒性反应、向日葵修复重金属污染等方面做了研究。杨金燕等研究表明，钒胁迫明显抑制向日葵的发芽率和幼苗生长，向日葵对低浓度的钒具有一定的忍耐性，但随着钒浓度的增加，苗高明显下降和根系几乎不生长[1]。郭艳丽等研究表明，镉胁迫向日葵时，随着镉浓度的升高，叶绿素含量逐渐下降，游离脯氨酸积累量呈上升趋势，向日葵可以吸收土壤中的镉[2]。李雨奎研究表明，锑浓度低时向日葵叶片中光合作用色素含量增加，对植物生长发育起促进作用，而当浓度高时向日葵叶片中的光合作用色素含量降低，抑制植物生长[3]。殷恒霞等研究发现，镉离子对向日葵生长的抑制作用最强，锌离子对向日葵生长的抑制作用最弱，铜离子对向日葵生长的抑制作用介于镉离子和锌离子之间[4]。

铝是植物生长发育过程中必需的微量元素之一。但当土壤中铝含量超标时，也会对植物的生长发育产生一定的抑制作用，甚至危害植物的生命，表现出铝毒害作用，它直接或者间接危害人类食品安全与身体健康。当前世界各地土壤中金属铝的污染越来越严重。有关铝污染对向日葵种子萌发及生长的影响还鲜见研究报道。本课题研究铝胁迫对向日葵种子发芽及幼苗生长的影响，以期为进一步寻找缓解其伤害的途径提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

向日葵种子的品种为T5069，购自武威天马高新农业科技有限责任公司。

1.2  试验设计

试验设6个处理，处理浓度以铝离子（Al3+）计。Al3+溶液以氯化铝配制。6个处理浓度分别是0、1、2、4、8、16 mmol·L-1，以铝浓度0 mmol·L-1的处理为对照。

1.3  试验方法

1.3.1  种子萌发试验

选出饱满、大小均匀的向日葵种子，分6组，每组100粒。先用3‰高锰酸钾溶液消毒30 min，再用蒸馏水清洗2次，然后分别用6个处理浓度的铝溶液浸种1.5 h。浸种完成后，把向日葵种子均匀撒在铺有一次性纱布的托盘上，放置于温度28 ℃、湿度85%的培养箱中萌发。培养过程中及时补充对应浓度的铝溶液以保持纱布足够湿润。萌发试验第4天统计发芽势，第7天统计种子萌发率。

1.3.2  向日葵幼苗的培育及铝胁迫处理

用蒸馏水浸种让向日葵种子正常萌发后，移入装有砂砾的培养杯中，浇灌霍格兰营养液培育。待幼苗长出3片真叶时，选长势相当的幼苗随机分为6组，各组分别浇灌含铝浓度为0、1、2、4、8、16 mmol·L-1的霍格兰营养液进行胁迫培养。培养期间每天换一次Al3+营养液。第8天剪取叶片进行叶绿素及丙二醛含量的测定。试验重复3次。

1.4  生理指标的测定

1.4.1  发芽势和发芽率的测定

发芽势=前4天内发芽种子粒数/供试种子数×100%;

萌发率=7天内全部发芽种子粒数/供试种子数×100%。

1.4.2  叶绿素含量的测定

参照张志良等编写的《植物生理学实验指导》（第4版）中的方法测定叶绿素及丙二醛含量[5]。

2  结果与分析

2.1  不同铝胁迫浓度对向日葵种子萌发率的影响

发芽率作为衡量植物种子质量的一个重要标志，在农业生产中经常会用来估算用种量[6]。由图1可看出：随着铝胁迫浓度的增加，向日葵种子的萌发率呈现逐渐下降的趋势。对照组种子的萌发率高达97%;当胁迫液浓增加到1.0 mmol·L-1时，种子的萌发率为92%，与对照组相比，萌发率开始有所降低，但是萌发率降低还不是很明显;当铝胁迫浓度增加到2.0 mmol·L-1时，与对照组相比，种子萌发率降低11.34%，萌发率降低比较明显;当铝胁迫浓度增加到4.0 mmol·L-1时，与对照组相比，种子萌发率减少19.59%;当铝胁迫浓度增加到8.0 mmol·L-1时，与对照组相比，种子萌发率减少29.89%;当铝胁迫浓度增加到16.0 mmol·L-1时，种子发芽率为59%，明显低于对照组，与对照组相比减少39.17%。由此表明：铝毒对向日葵种子伤害明显，严重影响了种子的萌发。

2.2  不同铝胁迫浓度对向日葵种子发芽势的影响

发芽势是反映种子生命活力的指标，也决定着出苗的整齐度。图2显示：向日葵种子发芽势随铝胁迫浓度的增加，呈逐渐降低的趋势。对照组种子发芽势为66%;当胁迫液浓为1.0 mmol·L-1时，种子发芽势与对照组还没有出现明显的差异;当胁迫液浓度增加到2.0 mmol·L-1时，种子发芽势与对照组相比减少10.00%，开始出现比较明显的差异;当胁迫液浓度增加到4.0 mmol·L-1时，种子发芽势与对照组相比减少18.18%;当胁迫液浓度增加到8.0 mmol·L-1时，种子發芽势为与对照组相比减少33.33%;当胁迫液的浓度增加到16.0 mmol·L-1时，种子发芽势与对照组相比减少45.45%。由上可看出，高浓度的铝胁迫明显抑制向日葵种子的萌发。当铝胁迫浓度为16.0 mmol·L-1时，抑制作用最为明显，种子发芽势仅为36%。

2.3  不同铝胁迫浓度对向日葵幼苗叶片中叶绿素含量的影响

叶绿素可以吸收阳光，推动植物光合作用，把吸收的水和二氧化碳转变成有机物质，其含量的多少与植物光合作用的强弱有着重要的联系。叶绿素的含量高低也是检验植物受到逆境胁迫后生理特性变化的一个重要指标之一[7]。从图3可看出，在铝胁迫浓度在0～8 mmol·L-1范围内，叶绿素含量总体呈现下降趋势，在铝胁迫浓度为8 mmol·L-1时，叶绿素含量降低到最低点，这时的叶绿素的含量仅为对照组的70%。而当铝胁迫浓度为16 mmol·L-1时，叶绿素的含量又明显上升，与对照组相比上升11.27%。数据显示叶绿素含量呈现先缓慢下降后迅速上升的规律变化。

叶绿素含量的影响

2.4  不同浓度铝胁迫对向日葵幼苗叶片中丙二醛含量的影响

丙二醛是植物体内部发生膜脂过氧化反应后自动生成积累的最重要产物之一，它可以影响线粒体呼吸链复合物的产生及线粒体内某些起重要作用的酶的活性，它含量的增加會加剧膜脂过氧化对细胞质膜的伤害，因此，测定植物体内丙二醛含量是研究植物抗衰老和抗逆境环境的一个十分重要的测量指标。从图4可知，叶片中丙二醛的含量随铝胁迫浓度的增加呈现先增加后缓慢下降的趋势。在铝胁迫浓度为1 mmol·L-1时，丙二醛含量的增加即达到了最高峰，此时为对照组的121.64%。之后，丙二醛的含量缓慢下降，到最高胁迫浓度16 mmol·L-1时，丙二醛含量下降为12.40 mmol·g-1，与1 mmol·L-1浓度时的最高含量相比下降了9.95%，但仍高于对照组，为对照的109.54%。

3  结论与讨论

衡量种子质量的好与坏取决于多方面指标。发芽率的高低决定着未来播种出苗的数量，发芽势决定着未来出苗的整齐度。本试验使用金属铝胁迫向日葵种子，探究不同浓度下铝毒对种子萌发造成的影响。结果发现随着铝胁迫浓度的增加，向日葵种子的萌发率及发芽势均呈现逐渐下降的趋势，表明铝毒明显对向日葵种子的发芽产生了抑制作用，说明重金属污染对植物种子萌发生理影响是巨大的。李梅等人研究发现，低浓度的金属离子可以促进向日葵种子萌发的有关酶类的合成，加快种子的萌发速度[8]。另有研究表明，在低浓度的金属离子胁迫下，可以促进向日葵种子的萌发[9-10]。本试验结果与已有的研究不近相同，说明向日葵对不同重金属产生的毒害作用耐受性有较明显的差异。

叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所，光合作用也是植物的生长发育及新陈代谢的最初源泉，绿色植物都需要光合作用为其生长提供能量，而叶绿素却能为植物光合作用的进行提供最重要的能源[11]。本研究中随着铝胁迫浓度的增加叶绿素含量先降低后上升。叶绿素含量的降低可能是植物受到铝胁迫时，植物中毒，因而机体内积累大量的自由基，造成体内膜脂过氧化作用增强，从而导致植物的叶绿体膜受到破坏，叶绿体分解加剧，光合色素存在于叶绿体中，因此色素会减少;又或者是铝毒阻碍了植物根系对镁离子的吸收，从而阻碍了叶绿体的合成，叶绿素含量也就减少了。而当铝胁迫浓度达到16 mmol·L-1时，可能超出了向日葵的耐铝特性，加速了植物的衰老，叶片老化，色素沉积，导致叶绿素含量有所升高[12]。

丙二醛能够影响植物细胞膜脂过氧化作用，是研究植物抗逆性采用的重要指标。本试验中，丙二醛的含量随铝胁迫浓度的增加呈现先上升后缓慢下降的趋势，但各处理组丙二醛含量均大于对照组。在正常情况下，植物体内的丙二醛含量一般较低，但在逆境如重金属胁迫情况下，向日葵幼苗会发生膜脂过氧化作用，膜脂过氧化能够损害膜中的磷脂分子，使细胞膜的通透性遭到破坏，细胞膜的基本功能丧失，造成细胞外的营养物质难以进入胞内，而胞内的代谢产物也难以清除细胞外，会缓慢地将细胞膜系统瓦解，对植物体造成损害，甚至导致机体死亡[13]。因此，低浓度的铝胁迫逆境下，丙二醛含量增高。而当较高浓度铝胁迫时，向日葵幼苗叶片中丙二醛的含量出现缓慢下降的趋势，可能是铝胁迫浓度的增加，刺激了植物体内的抗氧化酶系统，使得其活性增大，提高了植物体内清除活性氧自由基的能力，增强了植物修复氧伤害的能力，从而使丙二醛含量有所下降[14]。

综上所述，铝胁迫明显降低了向日葵种子萌发的能力，促使植物细胞膜脂过氧化加重，并影响到幼苗叶绿素的合成，对植物生长发育造成明显伤害。关于铝对植物毒害的机理及向日葵如何缓解铝的毒害作用，有待进一步深入研究。

参考文献：

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[3]   李雨奎.锑胁迫对向日葵幼苗生长和生理特性的影响[J].淮北师范大学学报（自然科学版），2017，38（2）：46-48.

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[14] 赵胡，唐俊，郑文教.重金属Cu2+胁迫对红树植物秋茄幼苗生长及某些生理特性的影响[J].海洋科学，2016，40（4）：65-72.

（责任编辑：敬廷桃）