朱鴻濤

摘要：為揭示重金屬鉛（Pb2+）、鎘（Cd2+）對紫穗槐（Amorpha fruticosa）種子萌發(fā)及幼苗生長和生理的影響，探究了不同濃度重金屬Pb2+（濃度設置為400、800、1200、1600、2 000 mg·L-1）和Cd2+（20、40、60、80、100 mg·L-1）脅迫對紫穗槐種子萌發(fā)、幼苗生長、滲透調節(jié)物質、抗氧化酶活性及脂質過氧化的影響。結果表明：Pb2+脅迫對紫穗槐種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢沒有顯著影響，Cd2+脅迫對發(fā)芽率和發(fā)芽勢具有抑制作用，胚根胚軸長度與Pb2+、Cd2+濃度負相關;游離脯氨酸和MDA含量與Pb2+、Cd2+濃度正相關，可溶性蛋白隨Pb2+、Cd2+濃度增加其含量先上升后下降;在所設置的范圍內，CAT、POD、SOD活性均顯著上升，且隨著濃度的提高，促進作用呈現(xiàn)先升后降的趨勢，在Pb2+濃度為1600 mg·L-1、Cd2+濃度為80 mg·L-1時達到最高而后開始降低。Pb2+、Cd2+使紫穗槐幼苗脂質過氧化，并且通過對滲透調節(jié)物質和抗氧化酶活性的影響，導致幼苗生長受到抑制，有明顯的毒害作用。

關鍵詞：紫穗槐;鉛;鎘;種子萌發(fā);抗氧化

分類號：Q945.78

Effects of Pb2+、Cd2+ Stress on Seed Germination and Seedling Physiological Characteristics of Amorpha fruticosa

Zhu Hongtao

（School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： The effects of heavy metal Pb2+ and Cd2+ on seed germination， seedling growth and physiology of Amorpha fruticose. The germination experiment of Amorpha fruticose seed were carried out tostudy the effects of explored different concentrations of heavy metal Pb2+ （concentrations set to 400， 800， 1200， 1600， 2000mg/L） and Cd2+ （20， 40， 60， 80， 100mg/L） on germination， seedling growth， antioxidant enzyme activity，membrane lipid peroxidation，and osmoregulation substances of Amorpha fruticose seeds.The results showed that Pb2+ stress had little effect on the germination rate and germination potential of Amorpha fruticose seeds. Cd2+ stress had an inhibitory effect on the germination rate and germination potential. The length of the radicle hypocotyl was negatively correlated with the concentration of Pb2+ and Cd2+.the content of proline and MDAare positively correlated with the concentration of Pb2+ and Cd2+， and the content of the soluble protein increases first and then decreases with the increase of the concentration of Pb2+ and Cd2+.Within the set range， the activities of CAT， POD and SOD were all increased significantly， and with the increase of concentration， the promoting effect showed a trend of increasing at first and then decreasing， reaching the highest and then decreasing at the concentration of Pb2+ 1600mg/L and Cd2+ 80mg/L.Pb2+， Cd2+ make Amorpha fruticose seedlings lipid peroxidation， and through their effects on osmotic adjustment substances and antioxidant enzyme activities， the growth of seedlings is inhibited， which has obvious toxic effects.

Keywords： Amorpha fruticosa; lead; cadmium; seed germination; antioxidation

鉛、鎘是常見的重金屬污染物[1]，已成為土壤富集含量最多的重金屬種類[2]，進入土壤后不僅影響土壤的理化性質，還會影響植物的生長發(fā)育，通過植物吸收富集于植物體內，最終經由食物鏈進入人類體內富集，嚴重危害人體健康[3]。利用生長迅速、生物量大、根系發(fā)達的木本植物進行重金屬污染修復，具有安全環(huán)保、無二次污染且成本低廉的優(yōu)點，是修復重金屬污染土壤的研究熱點[4]。在植物生長的過程中，種子萌發(fā)時期最為脆弱，受外界影響最為明顯，是評價植物抗逆性的重要時期[5]。

紫穗槐（Amorpha fruticosa）是一種原產自美國的落葉灌木，為豆科紫穗槐屬，耐瘠、耐旱，具有固氮能力，又因其生長迅速，根系發(fā)達，生物量大，是優(yōu)良的護坡植物，在我國多省份均有栽種[6-8]。已有研究發(fā)現(xiàn)，紫穗槐具有較強的對干旱、鹽堿和重金屬的耐受性[9-13]以及重金屬富集能力[14]，能夠在干旱的沙地和受重金屬污染的土壤上生長[15]，修復受重金屬污染的土壤[16]，但對于重金屬鉛、鎘抗逆性的研究較少。本研究以紫穗槐種子為試驗材料，研究不同濃度重金屬鉛、鎘對種子萌發(fā)、幼苗生長及生理水平的影響，為重金屬污染地區(qū)的土壤修復提供理論基礎和科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1 試驗材料

供試種子于2020年9月15日采集于哈阿高速公路兩側長勢良好的紫穗槐植株，種子千粒質量12.21g，置于實驗室常溫避光保存。

試劑配置成Pb（NO3）2和CdCl2溶液，Pb2+溶液濃度設定為400、800、1200、1600、2000 mg·L-1，Cd2+溶液濃度設定為20、40、60、80、100 mg·L-1，以蒸餾水處理作為對照。

1.2 試驗方法

選取大小一致、健康飽滿的紫穗槐種子，剝去外殼后使用800目砂紙打磨種皮，使用濃度為75%的乙醇消毒3min，用蒸餾水沖洗數(shù)次，將種子在對應濃度溶液中浸泡4h[17]，使用無菌濾紙吸干水分備用。將兩張濾紙平鋪在培養(yǎng)皿（直徑9cm）底部，于高壓滅菌鍋中120℃高溫高壓滅菌20min。滅菌后的培養(yǎng)皿中加入對應濃度溶液5mL，充分潤濕濾紙且無氣泡。每對培養(yǎng)皿中放入30粒紫穗槐種子，每個處理3次重復。將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱中培養(yǎng)，設定溫度25±1℃，濕度60%，光照強度8 000 lx，光照時間14h·d-1。根據(jù)濾紙濕潤情況，每1-2 d補充對應濃度的溶液。每天觀察記錄種子發(fā)芽數(shù)，以胚根突破種皮長度達到種子長度的一半為萌發(fā)標志，種子萌發(fā)恒定后（連續(xù)3d沒有新的種子萌發(fā)），結束試驗，進行指標的測定和計算。

1.3指標測定

1.3.1紫穗槐幼苗胚根長度、胚軸長度的測定和計算

采用最小刻度為1mm的刻度尺測量萌發(fā)后幼苗的胚根長度、胚軸長度，每個處理3組重復。

1.3.2 紫穗槐種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的計算

發(fā)芽率（%）=試驗期間種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù)×100%;發(fā)芽勢=發(fā)芽高峰發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;發(fā)芽指數(shù)GI=∑Gt/Dt，式中：Gt—種子在第t日的發(fā)芽數(shù)，Dt—相應的發(fā)芽天數(shù);活力指數(shù)=幼苗長度×發(fā)芽指數(shù)

1.3.3 紫穗槐幼苗生理指標測定

過氧化物歧化酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[18];過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定[18];超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑光還原法測定[18];可溶性蛋白采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[18];游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定[18];丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定[18];

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel軟件進行統(tǒng)計，采用SPSS26.0進行單因素方差分析（ANOVA）和Duncan檢驗比較差異顯著性，采用Origin2021進行圖形繪制。

2結果與分析

2.1不同濃度Pb2+、Cd2+溶液對紫穗槐種子萌發(fā)的影響

由表1可知，隨著Cd2+濃度升高，紫穗槐種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和活力指數(shù)顯著降低，當Cd2+濃度為100 mg·L-1時，抑制作用最強，發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別為84.44%和81.11%，比對照降低了8.89和10.0個百分點，活力指數(shù)比對照顯著降低83.92%;Pb2+濃度變化對發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)影響差異不顯著，對活力指數(shù)影響顯著，比對照降低了83.92%。

2.2不同濃度Pb2+、Cd2+溶液對紫穗槐幼苗生長的影響

由圖1可知，Pb2+、Cd2+濃度與紫穗槐幼苗胚根長度和胚軸長度顯著負相關，當Pb2+濃度為2000 mg·L-1和Cd2+濃度為100 mg·L-1時，抑制作用最強，胚根長度分別為0.42和0.52cm，胚根抑制率為91.52%、88.48%;胚軸長度為1.23和1.08cm，胚軸抑制率為69.33%和73.07%。

2.3不同濃度Pb2+、Cd2+溶液對紫穗槐滲透調節(jié)物質含量的影響

由表3可知，紫穗槐幼苗可溶性蛋白含量隨著Pb2+、Cd2+濃度的升高而先升高后降低，各處理組均高于對照組，且差異顯著，當Pb2+濃度為400 mg·L-1和Cd2+濃度為80 mg·L-1時，可溶性蛋白含量最高，比CK增大了28.27%和57.65%。脯氨酸含量與Pb2+、Cd2+濃度顯著正相關，當Pb2+濃度為2000 mg·L-1和Cd2+濃度為100 mg·L-1時，脯氨酸含量最高，比CK增大了194.35%和94.05%。

2.4不同濃度Pb2+、Cd2+溶液對紫穗槐抗氧化酶的影響

由表3可知，SOD、POD、CAT活性隨Pb2+、Cd2+濃度增加而先上升后下降，各處理組均高于對照組，且差異顯著。當Pb2+濃度為1600 mg·L-1和Cd2+濃度為80 mg·L-1時，SOD活性最高，比CK上升了87.53%和84.99%;當Pb2+濃度為1600 mg·L-1和Cd2+濃度為80 mg·L-1時，POD活性最高，比CK上升了539.98%和306.65%;當Pb2+濃度為1600 mg·L-1和Cd2+濃度為80 mg·L-1時，CAT活性最高，比CK上升了107.11%和192.08%。

2.5不同濃度Pb2+、Cd2+溶液對紫穗槐幼苗脂質過氧化的影響

丙二醛（MDA）是脂質過氧化的代謝產物，其含量的多少可以表明脂質過氧化程度的高低[19]。由表3可知，紫穗槐幼苗MDA含量與Pb2+、Cd2+濃度顯著正相關，當Pb2+濃度為2000mg/L和Cd2+濃度為100mg/L時，MDA含量最高，比CK增高了38.23%和37.41%，表明此時其脂質過氧化程度最嚴重。

3結論與討論

3.1Pb2+、Cd2+對種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

重金屬Pb2+、Cd2+是植物生長發(fā)育過程中不需要的元素，植物從種子萌發(fā)到幼苗生長階段都會受到其深遠的毒害作用，可能會出現(xiàn)植物生長變慢、生物量減小、植株矮小、根系生長受到抑制等現(xiàn)象，嚴重時植株死亡[20]。本試驗表明，重金屬Pb2+、Cd2+對紫穗槐種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢的影響不同，Cd2+顯著抑制種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢，而Pb2+對發(fā)芽率和發(fā)芽勢影響不顯著。這可能是種子通過吸漲作用完成內部儲藏物質的代謝分解，因此鉛對種子的毒害作用會被部分掩蓋[21-23];而鎘的毒性遠強于鉛，即使少量也會使種子內部的蛋白質酶和淀粉酶活性受到抑制，導致萌發(fā)所需的物質與能量匱乏，使發(fā)芽率降低[24， 25]。

本實驗中，胚根長度、胚軸長度等在Pb2+、Cd2+低濃度時即有抑制效果，濃度越高抑制效果越強;Pb2+、Cd2+對紫穗槐幼苗胚根長度的抑制作用比胚軸更強，說明Pb2+、Cd2+對幼苗胚根的毒害作用比胚軸更顯著，這可能是因為Pb2+、Cd2+被根系細胞壁的脂質和蛋白質大量固定，影響了Ca2+跨膜運輸，導致Ca-ATP酶與鈣調素CAM無法激活，抑制了根部細胞的有絲分裂，抑制植物根系對外界物質的吸收，最終抑制胚軸的生長發(fā)育[26]。

3.2 Pb2+、Cd2+對生理指標的影響

逆境因子會引發(fā)滲透脅迫，植物為了適應外界條件抵抗脅迫壓力從而進行滲透調節(jié)，滲透調節(jié)是植物抵抗逆境脅迫的有效方式[27]。在重金屬脅迫下，為了維持植物細胞和組織的滲透平衡，大量的滲透調節(jié)物質，如可溶性蛋白和游離脯氨酸，在植物體內合成和積累[28]，其含量是評價植物抗重金屬脅迫能力的生理指標。本試驗中，當Pb<400 mg·L-1，Cd<80 mg·L-1時紫穗槐幼苗的可溶性蛋白含量隨濃度升高而高，當Pb>400 mg·L-1，Cd>80 mg·L-1時可溶性蛋白濃度開始降低;游離脯氨酸含量隨著Pb2+、Cd2+濃度升高而顯著增加;這表明Pb2+、Cd2+脅迫能夠誘導紫穗槐產生更多的可溶性蛋白來維持細胞滲透壓，從而提高對Pb2+、Cd2+脅迫的抗逆性。

Pb2+、Cd2+脅迫會刺激植物產生大量的活性氧自由基，而植物體內的抗氧酶防衛(wèi)系統(tǒng)能清除自由基，保護植物細胞免受氧化損傷[29]。植物的抗氧化酶系統(tǒng)主要由過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）組成[30]。SOD將超氧陰離子自由基（-O2-）通過歧化反應歧化為養(yǎng)活性較弱的H2O2和羥基自由基（-OH），再由POD、CAT將H2O2分解成H2O，從而減少自由基的損傷，在低濃度重金屬脅迫下，會促使植物抗逆基因表達，激活植物抗氧化系統(tǒng)，隨著植物體內-O2-和H2O2過量積累，植物體內活性氧自由基的動態(tài)平衡被打破，酶系統(tǒng)開始被破壞，酶活性降低[31-33]。當Pb2+<1600 mg·L-1、Cd2+<80 mg·L-1時紫穗槐幼苗的抗逆基因表達CAT、POD、SOD三種酶活性均隨濃度升高而增大，當Pb2+>1 600 mg·L-1、Cd2+>80mg/L時抗氧化酶系統(tǒng)被破壞，CAT、SOD、POD酶活性開始顯著下降。

丙二醛（MDA）是植物中活性氧自由基和脂質相互作用進而導致脂質過氧化的產物，逆境脅迫會引起丙二醛的累積，造成蛋白質、核酸等大分子的交聯(lián)聚合，降低植物細胞中蛋白質代謝效果，也會對細胞膜系統(tǒng)、光合作用等產生較大的危害，丙二醛含量間接反映了細胞水平由于自由基導致的氧化損傷程度[19， 34]。紫穗槐幼苗的丙二醛含量隨著Pb2+、Cd2+濃度的增加而顯著上升，說明Pb2+、Cd2+脅迫使紫穗槐細胞膜受到破壞。

綜上所述，Pb2+、Cd2+紫穗槐幼苗的發(fā)育雖然受到了抑制，但通過抗氧化酶和滲透調節(jié)系統(tǒng)的作用，使紫穗槐種子仍能夠保持較高的萌發(fā)率，說明紫穗槐對Pb2+、Cd2+單一脅迫具有較好的抗逆性。在自然環(huán)境中，重金屬脅迫往往是以復合脅迫的方式存在，因此，研究重金屬之間的復合脅迫及野外試驗，對進一步了解紫穗槐對重金屬的抗逆性具有更重要的意義。

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