許光德 尹洪輝 周福穩(wěn) 曾小飚

摘 要 鋁毒害指生長介質(zhì)pH值低于5.5時(shí)鋁引起植物生長不良的現(xiàn)象。為了尋找緩解鋁對(duì)植物傷害的途徑，通過砂培試驗(yàn)研究不同鋁脅迫濃度對(duì)向日葵發(fā)芽及幼苗生長的影響。結(jié)果表明：1）隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子萌發(fā)率與發(fā)芽勢(shì)均呈逐漸下降的趨勢(shì);2）葉綠素含量先緩慢下降然后又升高;3）丙二醛含量呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢(shì)，但各處理組丙二醛含量均高于對(duì)照組。4）鋁脅迫明顯對(duì)向日葵產(chǎn)生了毒害作用，促使細(xì)胞膜脂過氧化加重，抑制了種子的萌發(fā)和幼苗的生長。

關(guān)鍵詞 向日葵;鋁脅迫;萌發(fā)率;葉綠素;發(fā)芽勢(shì);丙二醛

中圖分類號(hào)：S727.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.013

重金屬污染對(duì)植物生長的影響一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。向日葵（Helianthus annuus L.），屬菊科一年生草本植物，可用于觀賞、食用或榨油，是我國重要的油料作物。近些年，一些學(xué)者在重金屬脅迫向日葵的毒性反應(yīng)、向日葵修復(fù)重金屬污染等方面做了研究。楊金燕等研究表明，釩脅迫明顯抑制向日葵的發(fā)芽率和幼苗生長，向日葵對(duì)低濃度的釩具有一定的忍耐性，但隨著釩濃度的增加，苗高明顯下降和根系幾乎不生長[1]。郭艷麗等研究表明，鎘脅迫向日葵時(shí)，隨著鎘濃度的升高，葉綠素含量逐漸下降，游離脯氨酸積累量呈上升趨勢(shì)，向日葵可以吸收土壤中的鎘[2]。李雨奎研究表明，銻濃度低時(shí)向日葵葉片中光合作用色素含量增加，對(duì)植物生長發(fā)育起促進(jìn)作用，而當(dāng)濃度高時(shí)向日葵葉片中的光合作用色素含量降低，抑制植物生長[3]。殷恒霞等研究發(fā)現(xiàn)，鎘離子對(duì)向日葵生長的抑制作用最強(qiáng)，鋅離子對(duì)向日葵生長的抑制作用最弱，銅離子對(duì)向日葵生長的抑制作用介于鎘離子和鋅離子之間[4]。

鋁是植物生長發(fā)育過程中必需的微量元素之一。但當(dāng)土壤中鋁含量超標(biāo)時(shí)，也會(huì)對(duì)植物的生長發(fā)育產(chǎn)生一定的抑制作用，甚至危害植物的生命，表現(xiàn)出鋁毒害作用，它直接或者間接危害人類食品安全與身體健康。當(dāng)前世界各地土壤中金屬鋁的污染越來越嚴(yán)重。有關(guān)鋁污染對(duì)向日葵種子萌發(fā)及生長的影響還鮮見研究報(bào)道。本課題研究鋁脅迫對(duì)向日葵種子發(fā)芽及幼苗生長的影響，以期為進(jìn)一步尋找緩解其傷害的途徑提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗(yàn)材料

向日葵種子的品種為T5069，購自武威天馬高新農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司。

1.2 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，處理濃度以鋁離子（Al3+）計(jì)。Al3+溶液以氯化鋁配制。6個(gè)處理濃度分別是0、1、2、4、8、16 mmol·L-1，以鋁濃度0 mmol·L-1的處理為對(duì)照。

1.3 ?試驗(yàn)方法

1.3.1 ?種子萌發(fā)試驗(yàn)

選出飽滿、大小均勻的向日葵種子，分6組，每組100粒。先用3‰高錳酸鉀溶液消毒30 min，再用蒸餾水清洗2次，然后分別用6個(gè)處理濃度的鋁溶液浸種1.5 h。浸種完成后，把向日葵種子均勻撒在鋪有一次性紗布的托盤上，放置于溫度28 ℃、濕度85%的培養(yǎng)箱中萌發(fā)。培養(yǎng)過程中及時(shí)補(bǔ)充對(duì)應(yīng)濃度的鋁溶液以保持紗布足夠濕潤。萌發(fā)試驗(yàn)第4天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，第7天統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)率。

1.3.2 ?向日葵幼苗的培育及鋁脅迫處理

用蒸餾水浸種讓向日葵種子正常萌發(fā)后，移入裝有砂礫的培養(yǎng)杯中，澆灌霍格蘭營養(yǎng)液培育。待幼苗長出3片真葉時(shí)，選長勢(shì)相當(dāng)?shù)挠酌珉S機(jī)分為6組，各組分別澆灌含鋁濃度為0、1、2、4、8、16 mmol·L-1的霍格蘭營養(yǎng)液進(jìn)行脅迫培養(yǎng)。培養(yǎng)期間每天換一次Al3+營養(yǎng)液。第8天剪取葉片進(jìn)行葉綠素及丙二醛含量的測(cè)定。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 ?生理指標(biāo)的測(cè)定

1.4.1 ?發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的測(cè)定

發(fā)芽勢(shì)=前4天內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%;

萌發(fā)率=7天內(nèi)全部發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

1.4.2 ?葉綠素含量的測(cè)定

參照張志良等編寫的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》（第4版）中的方法測(cè)定葉綠素及丙二醛含量[5]。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同鋁脅迫濃度對(duì)向日葵種子萌發(fā)率的影響

發(fā)芽率作為衡量植物種子質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)用來估算用種量[6]。由圖1可看出：隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子的萌發(fā)率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。對(duì)照組種子的萌發(fā)率高達(dá)97%;當(dāng)脅迫液濃增加到1.0 mmol·L-1時(shí)，種子的萌發(fā)率為92%，與對(duì)照組相比，萌發(fā)率開始有所降低，但是萌發(fā)率降低還不是很明顯;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到2.0 mmol·L-1時(shí)，與對(duì)照組相比，種子萌發(fā)率降低11.34%，萌發(fā)率降低比較明顯;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到4.0 mmol·L-1時(shí)，與對(duì)照組相比，種子萌發(fā)率減少19.59%;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到8.0 mmol·L-1時(shí)，與對(duì)照組相比，種子萌發(fā)率減少29.89%;當(dāng)鋁脅迫濃度增加到16.0 mmol·L-1時(shí)，種子發(fā)芽率為59%，明顯低于對(duì)照組，與對(duì)照組相比減少39.17%。由此表明：鋁毒對(duì)向日葵種子傷害明顯，嚴(yán)重影響了種子的萌發(fā)。

2.2 ?不同鋁脅迫濃度對(duì)向日葵種子發(fā)芽勢(shì)的影響

發(fā)芽勢(shì)是反映種子生命活力的指標(biāo)，也決定著出苗的整齊度。圖2顯示：向日葵種子發(fā)芽勢(shì)隨鋁脅迫濃度的增加，呈逐漸降低的趨勢(shì)。對(duì)照組種子發(fā)芽勢(shì)為66%;當(dāng)脅迫液濃為1.0 mmol·L-1時(shí)，種子發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組還沒有出現(xiàn)明顯的差異;當(dāng)脅迫液濃度增加到2.0 mmol·L-1時(shí)，種子發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組相比減少10.00%，開始出現(xiàn)比較明顯的差異;當(dāng)脅迫液濃度增加到4.0 mmol·L-1時(shí)，種子發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組相比減少18.18%;當(dāng)脅迫液濃度增加到8.0 mmol·L-1時(shí)，種子發(fā)芽勢(shì)為與對(duì)照組相比減少33.33%;當(dāng)脅迫液的濃度增加到16.0 mmol·L-1時(shí)，種子發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組相比減少45.45%。由上可看出，高濃度的鋁脅迫明顯抑制向日葵種子的萌發(fā)。當(dāng)鋁脅迫濃度為16.0 mmol·L-1時(shí)，抑制作用最為明顯，種子發(fā)芽勢(shì)僅為36%。

2.3 ?不同鋁脅迫濃度對(duì)向日葵幼苗葉片中葉綠素含量的影響

葉綠素可以吸收陽光，推動(dòng)植物光合作用，把吸收的水和二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)物質(zhì)，其含量的多少與植物光合作用的強(qiáng)弱有著重要的聯(lián)系。葉綠素的含量高低也是檢驗(yàn)植物受到逆境脅迫后生理特性變化的一個(gè)重要指標(biāo)之一[7]。從圖3可看出，在鋁脅迫濃度在0～8 mmol·L-1范圍內(nèi)，葉綠素含量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在鋁脅迫濃度為8 mmol·L-1時(shí)，葉綠素含量降低到最低點(diǎn)，這時(shí)的葉綠素的含量僅為對(duì)照組的70%。而當(dāng)鋁脅迫濃度為16 mmol·L-1時(shí)，葉綠素的含量又明顯上升，與對(duì)照組相比上升11.27%。數(shù)據(jù)顯示葉綠素含量呈現(xiàn)先緩慢下降后迅速上升的規(guī)律變化。

葉綠素含量的影響

2.4 ?不同濃度鋁脅迫對(duì)向日葵幼苗葉片中丙二醛含量的影響

丙二醛是植物體內(nèi)部發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)后自動(dòng)生成積累的最重要產(chǎn)物之一，它可以影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物的產(chǎn)生及線粒體內(nèi)某些起重要作用的酶的活性，它含量的增加會(huì)加劇膜脂過氧化對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜的傷害，因此，測(cè)定植物體內(nèi)丙二醛含量是研究植物抗衰老和抗逆境環(huán)境的一個(gè)十分重要的測(cè)量指標(biāo)。從圖4可知，葉片中丙二醛的含量隨鋁脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先增加后緩慢下降的趨勢(shì)。在鋁脅迫濃度為1 mmol·L-1時(shí)，丙二醛含量的增加即達(dá)到了最高峰，此時(shí)為對(duì)照組的121.64%。之后，丙二醛的含量緩慢下降，到最高脅迫濃度16 mmol·L-1時(shí)，丙二醛含量下降為12.40 mmol·g-1，與1 mmol·L-1濃度時(shí)的最高含量相比下降了9.95%，但仍高于對(duì)照組，為對(duì)照的109.54%。

3 ?結(jié)論與討論

衡量種子質(zhì)量的好與壞取決于多方面指標(biāo)。發(fā)芽率的高低決定著未來播種出苗的數(shù)量，發(fā)芽勢(shì)決定著未來出苗的整齊度。本試驗(yàn)使用金屬鋁脅迫向日葵種子，探究不同濃度下鋁毒對(duì)種子萌發(fā)造成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著鋁脅迫濃度的增加，向日葵種子的萌發(fā)率及發(fā)芽勢(shì)均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，表明鋁毒明顯對(duì)向日葵種子的發(fā)芽產(chǎn)生了抑制作用，說明重金屬污染對(duì)植物種子萌發(fā)生理影響是巨大的。李梅等人研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的金屬離子可以促進(jìn)向日葵種子萌發(fā)的有關(guān)酶類的合成，加快種子的萌發(fā)速度[8]。另有研究表明，在低濃度的金屬離子脅迫下，可以促進(jìn)向日葵種子的萌發(fā)[9-10]。本試驗(yàn)結(jié)果與已有的研究不近相同，說明向日葵對(duì)不同重金屬產(chǎn)生的毒害作用耐受性有較明顯的差異。

葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，光合作用也是植物的生長發(fā)育及新陳代謝的最初源泉，綠色植物都需要光合作用為其生長提供能量，而葉綠素卻能為植物光合作用的進(jìn)行提供最重要的能源[11]。本研究中隨著鋁脅迫濃度的增加葉綠素含量先降低后上升。葉綠素含量的降低可能是植物受到鋁脅迫時(shí)，植物中毒，因而機(jī)體內(nèi)積累大量的自由基，造成體內(nèi)膜脂過氧化作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致植物的葉綠體膜受到破壞，葉綠體分解加劇，光合色素存在于葉綠體中，因此色素會(huì)減少;又或者是鋁毒阻礙了植物根系對(duì)鎂離子的吸收，從而阻礙了葉綠體的合成，葉綠素含量也就減少了。而當(dāng)鋁脅迫濃度達(dá)到16 mmol·L-1時(shí)，可能超出了向日葵的耐鋁特性，加速了植物的衰老，葉片老化，色素沉積，導(dǎo)致葉綠素含量有所升高[12]。

丙二醛能夠影響植物細(xì)胞膜脂過氧化作用，是研究植物抗逆性采用的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中，丙二醛的含量隨鋁脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢(shì)，但各處理組丙二醛含量均大于對(duì)照組。在正常情況下，植物體內(nèi)的丙二醛含量一般較低，但在逆境如重金屬脅迫情況下，向日葵幼苗會(huì)發(fā)生膜脂過氧化作用，膜脂過氧化能夠損害膜中的磷脂分子，使細(xì)胞膜的通透性遭到破壞，細(xì)胞膜的基本功能喪失，造成細(xì)胞外的營養(yǎng)物質(zhì)難以進(jìn)入胞內(nèi)，而胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物也難以清除細(xì)胞外，會(huì)緩慢地將細(xì)胞膜系統(tǒng)瓦解，對(duì)植物體造成損害，甚至導(dǎo)致機(jī)體死亡[13]。因此，低濃度的鋁脅迫逆境下，丙二醛含量增高。而當(dāng)較高濃度鋁脅迫時(shí)，向日葵幼苗葉片中丙二醛的含量出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，可能是鋁脅迫濃度的增加，刺激了植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)，使得其活性增大，提高了植物體內(nèi)清除活性氧自由基的能力，增強(qiáng)了植物修復(fù)氧傷害的能力，從而使丙二醛含量有所下降[14]。

綜上所述，鋁脅迫明顯降低了向日葵種子萌發(fā)的能力，促使植物細(xì)胞膜脂過氧化加重，并影響到幼苗葉綠素的合成，對(duì)植物生長發(fā)育造成明顯傷害。關(guān)于鋁對(duì)植物毒害的機(jī)理及向日葵如何緩解鋁的毒害作用，有待進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] ? 楊金燕，楊鍇.釩對(duì)作物種子發(fā)芽及幼苗生長的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（5）：895-901.

[2] ? 郭艷麗，臺(tái)培東，韓艷萍，等.鎘脅迫對(duì)向日葵幼苗生長和生理特性的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3（12）：2291-2296.

[3] ? 李雨奎.銻脅迫對(duì)向日葵幼苗生長和生理特性的影響[J].淮北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，38（2）：46-48.

[4] ? 殷恒霞，李霞，米琴，等.鎘、鋅、銅脅迫對(duì)向日葵早期幼苗生長的影響[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2009，10（2）： 290-294.

[5] ? 張志良，瞿偉菁，李小芳.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] ? 謝松青，趙陽，王穎，等.種子發(fā)芽勢(shì)對(duì)作物田間出苗率的重要性分析[J].現(xiàn)代農(nóng)村科技，2019（4）：45.

[7] ? 黃守程，劉愛榮，葉梅榮，等.鋁脅迫下高粱BTx623幼苗的形態(tài)及生理響應(yīng)特征[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，27（12）：2129-2135.

[8] ? 李梅，孫盛.鋁脅迫對(duì)向日葵可溶性蛋白含量的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（21）：278-279.

[9] ? 劉飛，曾小飚.汞脅迫對(duì)向日葵種子萌發(fā)和幼苗可溶性蛋白含量的影響[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2017，23（21）：23-24.

[10] 馬克思.Zn2+脅迫對(duì)向日葵種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

[11] 趙會(huì)娥，賀立源，章愛群，等.鋁脅迫對(duì)植物光合作用的影響及其機(jī)理的研究進(jìn)展[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）：155-160.

[12] 陳海霞，楊麗芳.鋁脅迫對(duì)月季組培苗生理特性的影響[A].中國園藝學(xué)會(huì)，中國園藝學(xué)會(huì)觀賞園藝專業(yè)委員會(huì).第四屆全國花卉資源、育種、栽培及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)論文匯編[C].中國園藝學(xué)會(huì)，中國園藝學(xué)會(huì)觀賞園藝專業(yè)委員會(huì)，2016：25-34.

[13] 諶金吾.三葉鬼針草（Bidens pilosa L.）對(duì)重金屬Cd、Pb脅迫的響應(yīng)與修復(fù)潛能研究[D].重慶：西南大學(xué)，2013.

[14] 趙胡，唐俊，鄭文教.重金屬Cu2+脅迫對(duì)紅樹植物秋茄幼苗生長及某些生理特性的影響[J].海洋科學(xué)，2016，40（4）：65-72.

（責(zé)任編輯：敬廷桃）