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        鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)、幼苗生長和生理的影響

        2020-04-10 06:57:04鄒文桐
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:幼苗生長生理特性種子萌發(fā)

        摘要:研究鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響,以期為探索白蘿卜生長發(fā)育的耐鋅范圍提供參考。以“八斤棒春不老”白蘿卜為試驗材料,以鋅離子(Zn2+)濃度為變量,采用單因素隨機(jī)設(shè)計,設(shè)7個處理(0.00、0.09、0.17、0.35、0.70、1.04、1.39 mmol/L),每個處理3個重復(fù),通過種子萌發(fā)試驗來研究鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。當(dāng)鋅濃度為0~0.35 mmol/L時,白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、物質(zhì)消耗率、貯藏物質(zhì)消耗率、平均芽長、平均根長、平均單株鮮質(zhì)量均呈現(xiàn)遞增趨勢,均以Zn3處理(鋅濃度0.35 mmol/L)的最大,其值分別為53.00%、26.43、18.98%、75.96%、4.56 cm、11.56 cm和93.54 mg;當(dāng)鋅濃度大于0.35 mmol/L時,這些指標(biāo)均下降。當(dāng)鋅濃度為0~0.17 mmol/L 時,白蘿卜種子的發(fā)芽率、糖消耗率、蛋白質(zhì)消耗率、蛋白酶活性、α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性、α+β淀粉酶活性、平均單株干質(zhì)量呈遞增趨勢,均以Zn2處理(鋅濃度0.17 mmol/L)的最大,其值分別為65.67%、86.94%、28.67%、15.51 μg/min、2.58 mg/(g·min)、12.88 mg/(g·min)、15.47 mg/(g·min)、11.01 mg,相對電導(dǎo)率呈遞減趨勢,以Zn2處理(鋅濃度0.17 mmol/L)的最小,其值為10.23%;當(dāng)鋅濃度大于0.17 mmol/L,除電導(dǎo)率遞增外,其他指標(biāo)均下降??傊?,一定量的鋅有利于提高白蘿卜種子的萌發(fā)、幼苗的生長及酶活性,但濃度過高則起抑制作用。

        關(guān)鍵詞:鋅;白蘿卜;種子萌發(fā);幼苗生長;生理特性

        中圖分類號: S631.101;Q945.78 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號:1002-1302(2020)03-0141-05

        鋅是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一[1],同時也是一種對環(huán)境能產(chǎn)生毒害作用的重金屬元素[2]。近年來,由于鋅礦開采、冶煉、鍍鋅加工的快速發(fā)展,導(dǎo)致產(chǎn)生大量含鋅工業(yè)“三廢”,人類將含鋅工業(yè)“三廢”作為改土劑或混合肥料施入土壤中,致使土壤中的鋅超常積累,成為鋅污染土壤[3]。華南地區(qū)某礦區(qū)農(nóng)田周圍的土壤含鋅量高達(dá)690~4 000 mg/kg;華北某污灌區(qū)土壤中鋅含量超過 1 500 mg/kg;而長期施用污泥灌溉的地區(qū),土壤中鋅含量高達(dá)370~470 mg/kg。鋅污染的土壤造成農(nóng)作物污染,進(jìn)而危害人類的健康[4]。關(guān)于鋅脅迫對植物的生理毒害作用的研究,國內(nèi)已經(jīng)有不少報道,且主要集中于蓼珠芽[5]、高羊茅[6]、紅小豆[7]和油菜[8]等植物上。由于蔬菜多被人們直接食用,其體內(nèi)重金屬的超標(biāo)將對人們的健康產(chǎn)生巨大的危害。白蘿卜為十字花科蘿卜屬植物,具有很高的醫(yī)用和食療價值,其主要研究集中在汞[9]、鉛[10]、砷[11]和銅[12]等重金屬脅迫下生理毒害作用,在鋅脅迫下生理毒害作用的研究較少。因此,本研究以“八斤棒春不老”白蘿卜品種為試驗材料,采用種子萌發(fā)試驗,研究鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)、幼苗生長和生理的影響,以初步確定白蘿卜生長的耐鋅范圍,為十字花科蘿卜屬其他蔬菜鋅脅迫下的耐性研究提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料與處理

        本試驗白蘿卜品種為“八斤棒春不老”。挑選大小均一、健康飽滿的白蘿卜種子,用0.40%高錳酸鉀進(jìn)行表面消毒6 min,用自來水沖洗數(shù)次,再用去離子水反復(fù)沖洗,最后用濾紙將水吸干后用于種子萌發(fā)試驗。本試驗設(shè)7個鋅脅迫處理(表1)。種子先用去離子水浸種,浸種時間均為3 h,浸種溫度為25 ℃,于生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行。浸種后的種子播種于鋪有2張濾紙的9 cm培養(yǎng)皿中,每皿播種50粒種子,依次添加10 mL的各處理液,每個處理3次重復(fù),將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱內(nèi)(參數(shù)設(shè)定為溫度20 ℃,光照14 h/d,6 000 lx,黑暗10 h/d,濕度≥80%)培養(yǎng),培養(yǎng)期間每天補(bǔ)充相應(yīng)的處理液以保持處理液濃度基本不變并維持一定濕度。原則是保證種子2/3浸沒在處理液中,1/3暴露在外面,以利于種子進(jìn)行有氧呼吸。24 h后,開始觀察出芽情況(當(dāng)胚根長≥種子長,胚芽長≥1/2種子長時為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn))[13],發(fā)芽期間每隔24 h記錄1次。

        1.3 指標(biāo)測定

        電導(dǎo)率測定:處理24 h后采樣,用電導(dǎo)儀法[14]測定電導(dǎo)率。

        物質(zhì)消耗率:處理48 h后采樣測定,物質(zhì)消耗率=(發(fā)芽前種子質(zhì)量-發(fā)芽后種子烘干質(zhì)量)/發(fā)芽前種子質(zhì)量×100%[15]。

        貯藏物質(zhì)消耗率:處理48 h后采樣測定,貯藏物質(zhì)消耗率=苗干質(zhì)量(芽+根)/苗各部分干質(zhì)量(芽+根+籽粒)×100%[15]。

        α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性和α+β淀粉酶活性:處理48 h后采樣,采用3,5-二硝基水楊酸法[16]測定。

        蛋白酶活性:處理48 h后采樣測定,參照李延的方法[17]測定,其中酶液提取時將0.5 g種子加入 5 mL 的50 mmol/L的磷酸緩沖液(含1% PVP,pH值7.0)在冰浴中研磨成勻漿,15 000 g離心20 min,倒出上清液即為酶提取液。然后取1 mL酶提取液加2 mL反應(yīng)液(內(nèi)含1.5 mL 50 mmol/L pH值6.0檸檬酸緩沖液,0.5 mL新配制的2%牛血清蛋白),在40 ℃下混合培養(yǎng)2 h,加入2 mL 10% TTC終止反應(yīng),4 ℃過夜。12 000 g離心10 min,吸取0.2 mL上清液加1 mL無氨蒸餾水,0.1 mL 0.1% ASA及 3 mL 水合茚三酮試劑,加塞,在沸水浴中反應(yīng) 15 min,冷水冷卻,在570 nm處測吸光度(D570 nm)。

        糖消耗率:處理48 h采樣,糖含量測定參照華東師大生物系編寫的方法[18]。糖消耗率=(發(fā)芽前種子糖含量-發(fā)芽后種子糖含量)/發(fā)芽前種子糖含量×100%。

        蛋白質(zhì)消耗率:處理48 h采樣,蛋白氮含量測定參照李合生的方法[16]。蛋白質(zhì)消耗率=(發(fā)芽前種子蛋白氮含量-發(fā)芽后種子蛋白氮含量)×6.25/(發(fā)芽前種子蛋白氮含量×6.25)×100%。

        發(fā)芽指標(biāo):3 d后統(tǒng)計發(fā)芽勢,發(fā)芽勢=前3 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%[19];7 d后統(tǒng)計發(fā)芽率,發(fā)芽率=7 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總 數(shù)×100%[19];發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt,其中,Gt為在t時間內(nèi)的發(fā)芽總數(shù),Dt為發(fā)芽時間[20];第8天測定芽長、側(cè)根長[13]。

        平均單株鮮質(zhì)量、平均單株干質(zhì)量參照魯如坤的方法[21]進(jìn)行測定。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 鋅脅迫對白蘿卜種子萌發(fā)的影響

        試驗結(jié)果表明,在不同濃度鋅脅迫下,白蘿卜種子的發(fā)芽情況有一定的差異(表2)。白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)整體上呈先升后降的趨勢,以Zn3處理的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)為最高,以Zn2處理的發(fā)芽率最高,與對照組(Zn0處理)相比,分別提高了20.45%、15.31%和12.28%。隨著鋅濃度的繼續(xù)增加,白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)逐漸降低。方差分析結(jié)果表明,Zn3處理的發(fā)芽勢與Zn2處理、Zn4處理、Zn5處理之間差異均不顯著,與Zn0處理、Zn1處理、Zn6處理的差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。Zn3處理的發(fā)芽率與Zn2處理、Zn4處理之間的差異均不顯著,與Zn0處理、Zn1處理、Zn5處理、Zn6處理之間的差異均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。Zn3處理的發(fā)芽指數(shù)與Zn2處理之間差異不顯著,而與Zn4處理之間的差異達(dá)到顯著水平,與Zn0處理、Zn1處理、Zn5處理、Zn6處理之間的差異均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。

        可見,低濃度鋅脅迫顯著提高白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù),但當(dāng)鋅濃度超出一定范圍后,則白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)開始顯著或極顯著降低。因此低濃度的鋅有利于白蘿卜種子的萌發(fā),當(dāng)濃度過高時則會出現(xiàn)抑制作用,反而不利于種子萌發(fā)。

        2.2 鋅脅迫對白蘿卜種子電導(dǎo)率和消耗率的影響

        2.2.1 鋅脅迫對白蘿卜種子相對電導(dǎo)率的影響 由圖1可得,白蘿卜種子的相對電導(dǎo)率隨鋅脅迫濃度的增加呈現(xiàn)出先降后升的趨勢。在Zn2處理時,白蘿卜種子的相對電導(dǎo)率達(dá)最低,與對照組(Zn0處理)相比,降低了17.03%,差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01),當(dāng)鋅濃度超過Zn2處理后,相對電導(dǎo)率將開始逐步上升。在Zn6處理時,白蘿卜種子的相對電導(dǎo)率達(dá)到最高,與對照組(Zn0處理)相比,極顯著上升了15.98%。

        2.2.2 鋅脅迫對白蘿卜種子物質(zhì)消耗率的影響 由圖2可知,白蘿卜種子的物質(zhì)消耗率隨鋅脅迫的加劇呈先增后減,在Zn3處理時,白蘿卜種子的物質(zhì)消耗率達(dá)到最大值,與對照組(Zn0處理)相比,極顯著提高44.74%。隨鋅脅迫的繼續(xù)加深,其物質(zhì)消耗率開始下降。

        2.2.3 鋅脅迫對白蘿卜種子貯藏物質(zhì)消耗率的影響 試驗結(jié)果(圖3)表明,隨鋅濃度的增加,白蘿卜種子的貯藏物質(zhì)消耗率呈先增后減的趨勢,在Zn3處理時達(dá)到最高值,與Zn0處理相比,提高了 22.12%。方差分析結(jié)果表明,Zn3處理的貯藏物質(zhì)消耗率與Zn2處理之間差異不顯著,但與Zn0處理、Zn1處理、Zn4處理、Zn5處理、Zn6處理之間均有極顯著差異(P<0.01)。

        2.2.4 鋅脅迫對白蘿卜種子糖消耗率的影響 從圖4可以看出,隨鋅脅迫的加劇,白蘿卜種子的糖消耗率在0~0.17 mmol/L時呈現(xiàn)上升的趨勢,在Zn2處理時達(dá)到最高值,與對照(Zn0處理)相比,極顯著提高了11.86%。當(dāng)鋅濃度大于0.17 mmol/L(Zn2處理)時,白蘿卜種子的糖消耗率逐漸下降,在Zn6處理時,糖消耗率達(dá)到最低,與對照組(Zn0)相比,下降了2.64%,但與對照組的差異不顯著。

        2.2.5 鋅脅迫對白蘿卜種子蛋白質(zhì)消耗率的影響 由圖5可知,隨鋅濃度的增加,白蘿卜種子的蛋白質(zhì)消耗率在0~0.17 mmol/L時呈現(xiàn)增加的趨勢,在Zn2處理時達(dá)到最高值,與Zn0處理相比提高了 14.40%,差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。當(dāng)鋅濃度大于0.17 mmol/L(Zn2處理)時,其蛋白質(zhì)消耗率呈逐漸減少,在Zn6處理時,蛋白質(zhì)消耗率達(dá)到最低,與對照組(Zn0處理)相比,極顯著下降了78.13%??梢?,一定濃度的鋅脅迫可促進(jìn)白蘿卜種子的萌發(fā),種子的萌發(fā)需要消耗種子里的各種物質(zhì),導(dǎo)致白蘿卜種子物質(zhì)的消耗(物質(zhì)消耗率、貯藏物質(zhì)消耗率、糖消耗、蛋白質(zhì)消耗)增加,但當(dāng)鋅濃度過高時,高濃度的鋅抑制白蘿卜種子的萌發(fā),進(jìn)而減少種子內(nèi)物質(zhì)的消耗。因此一定濃度的鋅脅迫加速種子內(nèi)物質(zhì)的消耗,但當(dāng)濃度過高時反而降低種子內(nèi)物質(zhì)的消耗。

        2.3 鋅脅迫對白蘿卜幼苗蛋白酶和淀粉酶活性的影響

        2.3.1 鋅脅迫對白蘿卜幼苗蛋白酶活性的影響 由圖6可知,白蘿卜幼苗蛋白酶的活性隨鋅濃度的增高呈現(xiàn)先升后降的趨勢,在Zn2處理時其蛋白酶活性達(dá)到最大,與對照組(Zn0處理)相比提高了159.80%,與對照的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。當(dāng)鋅濃度達(dá)到0.35 mmol/L(Zn3處理)后,其蛋白酶活性受到抑制,開始呈現(xiàn)下降的趨勢,在Zn6處理時,其活性達(dá)到最小值,與對照組(Zn0處理)相比降低了12.90%,與對照的差異不顯著。

        2.3.2 鋅脅迫對白蘿卜幼苗淀粉酶活性的影響 由圖7可以看出,隨鋅濃度的增加,白蘿卜幼苗淀粉酶活性具有一定的差異。α-淀粉酶、β-淀粉酶、α+β淀粉酶活性均隨鋅濃度的增加呈先升后降的趨勢,均在Zn2處理(鋅濃度為0.17 mmol/L)時達(dá)到最高值,與對照組比較,分別提高了159.00%、180.61%、177.24%。方差分析結(jié)果表明,Zn2處理的α-淀粉酶、β-淀粉酶和α+β淀粉酶活性與Zn0處理、Zn1處理、Zn3處理、Zn4處理、Zn5處理、Zn6處理之間都存在著極顯著差異水平(P<0.01)。

        2.4 鋅脅迫對白蘿卜幼苗生長的影響

        試驗結(jié)果(表3)表明,隨鋅濃度的增加,白蘿卜幼苗的生長具有一定的差異。白蘿卜幼苗的平均芽長、平均根長、平均單株鮮質(zhì)量和平均單株干質(zhì)量均隨鋅濃度的增加呈先增后減的趨勢,平均芽長、平均根長和平均單株鮮質(zhì)量在Zn3處理時達(dá)到最高,與Zn0處理相比,分別極顯著提高了 11.22%、23.90%和20.65%,而平均單株干質(zhì)量在Zn2處理時達(dá)到最高,與對照相比,提高了12.69%,與對照的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。因此低濃度的鋅脅迫有利于白蘿卜幼苗(平均芽長、平均根長、平均單株鮮質(zhì)量、平均單株干質(zhì)量)的生長,但當(dāng)濃度過高時則會開始出現(xiàn)抑制作用,反而不利于白蘿卜幼苗的生長。

        3 討論

        種子萌發(fā)是植物感知外界環(huán)境的最初生命階段,同時也是對外界環(huán)境變化最敏感的階段[22],種子萌發(fā)時期的生長狀況直接影響到作物以后的生長和產(chǎn)量。本研究中,白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、物質(zhì)消耗率、貯藏物質(zhì)消耗率、平均芽長、平均根長、平均單株鮮質(zhì)量均隨鋅脅迫濃度的增加呈先增后減的趨勢,白蘿卜種子的發(fā)芽率、糖消耗率、蛋白質(zhì)消耗率、蛋白酶活性、α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性、α+β淀粉酶活性、平均單株干質(zhì)量隨鋅脅迫的加劇呈低促高抑效應(yīng),該研究結(jié)果與姜成等研究銅對蘿卜種子[12]、王瀚等研究鉛對蘿卜種子[10]、房志浩等研究砷對蘿卜種子[11]的研究有相同點但又有所不同,白蘿卜對銅、鉛和砷表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制效應(yīng),低促說明白蘿卜對低濃度的銅、鉛、砷重金屬具有一定的耐抗性,而本試驗白蘿卜部分種子萌發(fā)和生長指標(biāo)對鋅表現(xiàn)出中低濃度促進(jìn),這可能是由于鋅不同于銅、鉛和砷等重金屬元素,鋅本身也是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一,所以白蘿卜對鋅的耐抗性高于對銅、鉛和砷等其他重金屬元素的耐抗性;高濃度鋅抑制種子萌發(fā)各種指標(biāo)可能是由于種子萌發(fā)成苗的過程中,必須有物質(zhì)和能量的不斷供應(yīng),而貯存物質(zhì)分解需要酶的參與,因此,與貯存物質(zhì)分解有關(guān)的酶活性降低是導(dǎo)致種子萌發(fā)受抑的重要原因,高濃度鋅抑制白蘿卜種子的淀粉酶活性、蛋白酶活力,導(dǎo)致淀粉、蛋白質(zhì)的水解速度降低,使種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量供應(yīng)不足,同時高鋅破壞了白蘿卜種子的膜結(jié)構(gòu),造成營養(yǎng)物質(zhì)的外滲[23]。高濃度鋅抑制白蘿卜子葉的生長可能是由于大量鋅進(jìn)入體內(nèi),破壞白蘿卜體內(nèi)正常的生理代謝平衡,對白蘿卜的光合、呼吸代謝等功能產(chǎn)生不良影響,從而使白蘿卜生長不良[24]。本試驗研究與李春龍研究汞對蘿卜種子萌 影響的研究結(jié)果[9]不一致,汞對蘿卜種子萌發(fā)的所有指標(biāo)均表現(xiàn)抑制效應(yīng),可能是因為重金屬汞的毒性比其他重金屬強(qiáng),白蘿卜不屬于超富集汞的重金屬,對汞并沒有表現(xiàn)出抗性。

        4 結(jié)論

        高濃度鋅脅迫能顯著降低白蘿卜種子的萌發(fā)、子葉的生長和抑制酶活性,表現(xiàn)為白蘿卜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、物質(zhì)消耗率、貯藏物質(zhì)消耗率、糖消耗率、蛋白質(zhì)消耗率、平均芽長、平均根長、平均單株鮮質(zhì)量、平均單株干質(zhì)量的降低,相對電導(dǎo)率的上升,蛋白酶活性、α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性、α+β淀粉酶活性下降;但白蘿卜對鋅脅迫也表現(xiàn)出了一定的耐性,表現(xiàn)為在一定的脅迫程度下,其發(fā)芽指標(biāo)、生長指標(biāo)和酶指標(biāo)均有所增加,并可初步判定白蘿卜在鋅離子濃度為0.17~0.35 mmol/L 時表現(xiàn)出耐性。本研究結(jié)果為探討白蘿卜在鋅污染土壤中的耐鋅表現(xiàn)及十字花科蘿卜屬植物對重金屬鋅脅迫的耐性提供了參考。

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