铅胁迫对扁豆种子萌发及幼苗生长的影响

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　　摘要    用浓度为0、20、50、100、200 mg/L的铅溶液分别处理3个扁豆品种种子（紫边眉豆、猪耳朵扁豆、红月紫扁豆），研究梯度浓度铅胁迫对扁豆种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明，20～50 mg/L铅处理对3个扁豆品种种子萌发有促进作用，铅浓度高于100 mg/L时有抑制作用;铅浓度越高，3个扁豆品种种子的根长度和芽长度越短、根鲜重和芽鲜重越低，其中对根长度抑制作用显著、对芽长度的影响很小。随铅浓度的提高，猪耳朵扁豆幼苗的可溶性蛋白质含量和丙二醛（MDA）含量缓慢增加，可溶性糖含量却先升后降;紫边眉豆幼苗的可溶性蛋白质含量和丙二醛（MDA）含量逐步增加，可溶性糖含量先升后降;红月紫扁豆幼苗的丙二醛含量逐渐增加，可溶性蛋白质和可溶性糖含量先上浮后下滑。
　　关键词    扁豆;铅胁迫;种子萌发;幼苗生长;影响
　　中图分类号    S529        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）11-0001-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Effects  of  Lead  Stress  on  Seed  Germination  and  Seedling  Growth  of  Lablab  purpureus
　　LIU Yan-ping    HAN Xiang
　　（School of Resources & Chemical Engineering，Sanming University，Sanming Fujian 365004）
　　Abstract    In this study，three varieties of Lablab purpureus（Linn.）Sweet seed（′purple side′，′porcine sear′ and ′red moon purple′）were treated with 0，20，50，100 and 200 mg/L lead solutions respectively. The effects of concentration gradient lead stress on the seed germination and the seedling growth of three varieties were determined. The results showed that 20-50 mg/L lead treatment promoted seed germination of three varieties，and >100 mg/L lead treatment had an inhibitory effect. With the increase of lead concentration，the root length，shoot length，root fresh weight and fresh weight of three varieties showed a downward trend. Lead stress significantly inhibited the root length，and had less effect on shoot length. With the increase of lead concentration，the soluble protein content and malondialdehyde（MDA）content of ′porcine sear′ increased gradually，while the soluble sugar content increased first and then decreased;the content of soluble protein and MDA of ′purple side′ increased gradually，while the soluble sugar content increased first and then decreased;the MDA content of ′red moon purple′ gradually increased，while the content of soluble protein and MDA sincreased first and then decreased.
　　Key words    Lablab purpureus（Linn.）Sweet;lead stress;seed germination;seedling growth;effect
　　近年來，由于农用化学品的大量使用和与日俱增的城市污水、废气和污物等的大量排放，导致土壤环境中铅等有毒重金属快速过量积累[1-3]。植物可以直接吸收土壤中的铅元素，铅元素在根、茎、叶及籽粒中被大量积累，在一定程度上对植物的生长发育会产生长期的毒害作用;同时，当铅元素超标的植物被人们食用，重金属铅会随肠胃的吸收进入人体内，在人体内无限积累后，会对人体产生危害，严重时会降低神经系统和心血管系统等的功能。由此可见，铅对植株来说是一种有积累性危害的污染物质[4]。 　　国内外众多学者通过大量的试验研究，论证了大部分农作物及蔬菜植物中重金属的含量与土壤重金属浓度呈正态分布关系[5-7]。在不同类型的蔬菜中，相同重金属的吸收和存储量存在明显种间差异。有研究发现，铅元素、镉元素主要聚集在蔬菜的根部，这在大白菜[8]、菠菜[9-10]、生菜[8，11]、辣椒[8，12]等中均有发现。马文丽等[13]学者认为，铅胁迫对种子萌发的作用效果不太明显，与种子萌发相比，铅毒性更容易在蔬菜作物幼苗的生长中体现出来，幼苗的根部对铅含量增加后的响应更加明显，尤其表现在根长的变化。当铅离子浓度超过蔬菜作物承受的一定限度时，产生的化学性毒害作用会抑制蔬菜作物的生长。谈建忠等[14]学者认为，在较低浓度下，重金属胁迫对小扁豆种子萌发及幼苗生长的影响具有促进效应，同时在高浓度下存在抑制效应。小扁豆种子对Pb2+胁迫的耐受性具有一定的界限，处理浓度过高时，植物膜代谢系统被破坏，使小扁豆种子幼苗无法健康成长。杨亚丽等[4]学者通过研究发现，重金属的积累量在植株不同部位表现出较大的差异，蔬菜植物由根部从土壤中吸收积累重金属元素，导致大量的重金属集聚在根部细胞中，部分转运到植株的茎、叶与芽中，因而土壤中重金属在植株地下部分的存储量远超过植株的地上部分。
　　扁豆（学名Lablab purpureus（Linn.）Sweet）属双子叶豆科扁豆类，是一年生缠绕型的草本植物。嫩荚制成菜肴食用，种子与花瓣晒干后可制药，有祛除湿邪、美容养颜、中和消暑、健脾止泻及抗癌抑瘤的功效。
　　探究重金属铅胁迫对3个扁豆品种（猪耳朵扁豆、紫边眉豆、红月紫扁豆）种子的早期萌发与幼苗生长的影响，可为这3个扁豆品种在重金属污染土壤生长的可行性和环境监测提供一定的理论依据。
　　1    材料与方法
　　1.1    试验材料
　　紫边眉豆种子、猪耳朵扁豆种子、红月紫扁豆种子，由寿光德尔农业科技有限公司提供。
　　1.2    试验方法
　　对于每个扁豆品种，选择形状完整、尺寸均匀和密度一致的1 000粒扁豆种子，先用无菌水充分冲洗3次洗去表面杂质，用70%酒精消毒5 min后用无菌水冲洗3次，用滤纸吸尽表面水分后移入质量浓度分别为0、20、50、100、200 mg/L的硝酸铅溶液中浸泡12 h。选择饱胀且完整的种子在室温下置于培养皿中培养，其中以0 mg/L无菌水处理作对照（CK）。每皿20粒，皿内垫双层滤纸，每天用无菌移液枪添加适量相应浓度的处理液多次，以使培养种子的环境保持湿润。
　　1.3    测定内容与方法
　　1.3.1    发芽指标的测定。在种子培养期间，每天定期观察发芽和生长情况，并记录发芽籽粒数（胚根长度大于种子长度的1/2为标准），在第4天统计发芽势，在第6天统计发芽率，并在第8天计算发芽指数。计算公式如下：
　　发芽势（%）=（3 d内正常发芽种子数/种子总数）×100;
　　发芽率（%）=（5 d内正常发芽种子数/种子总数）×100;
　　发芽指数=Σ Gt/Dt。
　　其中，Gt为终期内每日发芽数，Dt为发芽日数，∑为总和。
　　1.3.2    生理指标的测定。試验进行至第11天，测量3个品种扁豆种子胚根中的丙二醛（MDA）含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量，采用硫代巴比妥酸法[15]测定扁豆种子胚根中的MDA含量，采用蒽酮比色法[15]测定扁豆种子胚根中的可溶性糖含量;利用考马斯亮蓝G-250染料结合法[15]测定扁豆种子胚根中的可溶性蛋白含量。
　　1.4    数据处理
　　每天记录数据制表，利用Excel 2013整理数据，进行数据分析对比。
　　2    结果与分析
　　2.1    铅胁迫对扁豆种子胚根萌发的影响
　　2.1.1    对猪耳朵扁豆种子胚根萌发的影响。从表1可以看出，在一定铅浓度胁迫下，随着培养时间的增加，猪耳朵扁豆的发芽率和发芽势呈倒“U”形分布，二者的极大值均发生在50 mg/L铅溶液处理上。在50 mg/L铅溶液处理条件下，随着时间的变化猪耳朵扁豆种子的萌发趋势上升，发芽势较CK提高了9.06%，发芽率较CK提高了10.41%;而在200 mg/L铅溶液处理下，猪耳朵扁豆种子发芽受到阻遏作用，3个萌发指标均较CK明显减少。在不同铅浓度下，猪耳朵扁豆的发芽指数差异不显著。
　　2.1.2    对紫边眉豆种子胚根萌发的影响。当施加低浓度铅时，在50 mg/L铅溶液处理条件下，紫边眉豆随幼苗培养时间的增加，其萌发速度加快，幼苗生长能力较CK有明显的加强，总体趋势呈倒“U”形分布。在200 mg/L铅溶液处理下，与CK相比，紫边眉豆种子萌发趋势急剧降低，萌发能力受到抑制。从表2可以看出，在低浓度铅溶液处理（20～50 mg/L）下，铅胁迫可以促进紫边眉豆的萌发。紫边眉豆种子在萌发的过程中，如果施用50～100 mg/L铅溶液浓度时，对紫边眉豆幼苗萌发的提高作用会稍有减弱;在100～200 mg/L铅处理下，随着幼苗培养时间的增加，紫边眉豆种子发芽会受到抑制。由此表明，紫边眉豆对金属铅应激具有一定的抵抗力。
　　2.1.3    对红月紫扁豆种子胚根萌发的影响。从表3可以看出，在不同浓度铅胁迫环境下，红月紫扁豆幼苗的萌发率和萌发趋势总体表现为先升高后降低，在50 mg/L铅溶液胁迫环境下到达最大值。在200 mg/L铅溶液处理下，红月紫扁豆幼苗胚芽生长趋势对比100 mg/L铅溶液处理有所降低。这表明，采用低浓度（20～100 mg/L）铅溶液对红月紫扁豆幼苗的萌发进行胁迫处理，萌发率会增加，在50 mg/L铅溶液处理下促进作用最佳。随着幼苗培养时间的增加，在梯度浓度铅溶液处理下，红月紫扁豆幼苗发芽指数较CK均有所减少，且在200 mg/L铅溶液处理下，红月紫扁豆种子幼苗的生长发育缓慢，受到遏制作用，根部出现暗褐色氧化现象。 　　2.2    铅胁迫对扁豆幼苗生长的影响
　　从表4、表5和表6可以看出，与CK相比，在梯度浓度铅溶液处理下，3个扁豆品种幼苗的根长度和芽长度受到一定程度的抑制，而根干重和芽干重在不同浓度铅溶液处理条件下影响不甚明显。此外，在试验过程中，无菌水处理下，3个扁豆品种种子的幼苗根系呈饱满透亮的明黄色，随着培育时间的增加，幼苗的主根会生长出一些支根，支根为乳白色。试验组随着铅浓度的加大，3个扁豆品种种子幼苗根系的形态出现不同程度的黄褐色和暗黑色，程度逐渐加深，其中红月紫扁豆在200 mg/L铅溶液处理条件下甚至发现根部有发黑腐烂的现象，这表明，铅含量在根部积累达到一定程度时，会对3个扁豆品种种子幼苗的胚根产生毒害，造成扁豆植株细胞的死亡。
　　2.3    铅胁迫对扁豆幼苗生理指标的影响
　　2.3.1    对扁豆幼苗可溶性蛋白含量的影响。可溶性蛋白是被细胞用作渗透调节的营养物，可以与重金属离子产生化学反应，在一定程度上能减少重金属的化学毒性作用。其含量的增多可以使细胞质的浓度增加，并增加功能蛋白的数量，这有助于植物细胞行使正常的生物膜功能，实现有效的物质交换。随着铅处理浓度的不断增加，紫边眉豆与猪耳朵扁豆幼苗中的可溶性蛋白含量整体呈递增趋势。由图1可以看出，100 mg/L铅溶液处理下，猪耳朵扁豆幼苗细胞中可溶性蛋白含量相比CK有明显不同。由图2可以看出，在100 mg/L和200 mg/L铅溶液胁迫处理下，紫邊眉豆幼苗中的可溶性蛋白含量较CK有很大的提高。由图3可以看出，铅胁迫环境下生长的红月紫扁豆，其幼苗的可溶性蛋白含量总体趋向为先上浮后下滑;在50 mg/L铅胁迫生长环境下，红月紫扁豆幼苗的可溶性蛋白含量达到极大值，与CK明显不同。
　　2.3.2    铅胁迫对扁豆幼苗丙二醛（MDA）含量的影响。MDA的生成会损伤植物细胞生物膜的正常代谢功能，可以作为植物重金属耐受性检测的生理指标测定植物细胞生物膜系统破坏程度。由图4、图5和图6可以看出，随着扁豆幼苗培育时间的增加，随铅浓度升高3个扁豆品种的MDA含量呈递增趋势。其中，在50～200 mg/L铅溶液处理胁迫生长的猪耳朵扁豆，其幼苗的MDA含量与CK和20 mg/L铅溶液处理相比增加量明显。而在20～50 mg/L铅溶液处理生长环境下，紫边眉豆幼苗所测出的MDA含量增加幅度比较平缓;在50～200 mg/L铅溶液处理下MDA含量增幅明显;在200 mg/L铅溶液处理生长环境下，MDA含量达到极大值，相较CK而言，其含量增加57.6%。当红月紫扁豆处在100～200 mg/L铅溶液胁迫环境下，MDA的含量有明显的增加。从以上分析可知，植株细胞随着铅胁迫的增加，其生物膜脂过氧化的程度在增加，膜透过性增加，相应的膜损伤程度也增加。
　　2.3.3    铅胁迫对扁豆幼苗可溶性糖含量的影响。由图7可以看出，在梯度浓度铅溶液处理下，测得猪耳朵扁豆种子幼苗可溶性糖含量呈现倒“U”形分布的趋势，在20～100 mg/L铅溶液胁迫环境生长的猪耳朵扁豆，其幼苗的可溶性糖含量逐步增加，在100 mg/L铅溶液生长环境下达到极大值;而在100～200 mg/L铅溶液生长环境下，可溶性糖含量开始出现一定程度的下滑。由图8可以看出，在各铅浓度胁迫生长环境下的紫边眉豆，其幼苗的可溶性糖含量整体显示先上升后下滑的趋向，相较CK和20 mg/L铅溶液处理而言，在50 mg/L铅溶液处理下，幼苗可溶性糖含量有明显的升高，并在100 mg/L铅溶液胁迫生长环境下达到极大值。由图9可以看出，红月紫扁豆在梯度浓度铅处理下测得的可溶性糖含量先上升后下降，在100 mg/L铅溶液胁迫生长环境下达到最大值，100～200 mg/L铅溶液处理下有显著的下滑。
　　3    结论与讨论
　　重金属经过根部的吸收进入植物体内，可以取代植物细胞中某些酶蛋白的特定功能元素，降低了某些酶分子与功能蛋白的活性，甚至影响组织蛋白的合成，通过抑制植物的光合作用与呼吸作用，对植物细胞生物膜系统构成生理损伤，扰乱农作物正常的生理代谢功能，在严重情况下，可对植物正常生长和发育造成不可挽回的损害，甚至可能是致命的[16]。植物重金属耐受性反映了其承受重金属毒性胁迫的能力，具有高重金属耐受性的植物一般通过阻止对重金属的吸收（在细胞外络合重金属及将重金属离子隔离在液泡等方式）来阻止重金属对植物细胞的进一步伤害。为了抵御重金属胁迫，植物表达出了特殊的防御反应，如激活抗氧化酶的表达、阻止或修复由于氧化胁迫所造成的氧化胁迫损害等[17]。铅作为化学性毒害金属元素，也能使植物引起上述应激反应。
　　本研究表明，重金属铅对3个扁豆品种种子的发芽率和发芽势在较低浓度下具有促进作用，在高浓度下具有抑制作用。这与谈建忠等[14]的研究结果一致。在20～200 mg/L铅溶液胁迫下，3个扁豆品种种子幼苗的根芽伸展长度和根芽的鲜重量均有所下降;此外，随着处理浓度的增加，对3个扁豆品种幼苗胚根生长的遏制作用增强。另外，在铅处理梯度浓度下，可溶性蛋白的含量在一定程度上同步增加。其原因是：植物在不利条件下，运用增加可溶性蛋白的含量等方式能够调节细胞渗透压，以提高对金属胁迫的抵抗力[18-19]。在低浓度盐胁迫下，植物细胞会主动积累一些可溶性糖，以降低细胞溶液的渗透势，并调低细胞质冰点，以适应外界环境条件的变化，所以测定的植物可溶性糖含量将会增加。当细胞外的金属污染量超过植物可以承受的极限时，植物渗透调节能力下降，使得可溶性糖含量降低[20]，这一点从本试验的数据能够看出。因此，在金属铅胁迫环境对3个扁豆品种幼苗的影响中，可溶性糖和可溶性蛋白发挥着重要的渗透性调理功能。从本试验的结果可以看出，在低浓度铅溶液作用下，3个扁豆品种种子幼苗的萌发特征与发芽能力均保持较高的水平，反映了3个扁豆品种对金属Pb2+ 胁迫具有较强的耐受能力。 　　4    参考文献
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　　基金项目   福建省教育厅中青年教师教育科研项目（JA15483）;清洁生产技术福建省高校工程研究中心开放课题项目（B170008-5）。
　　作者简介   刘艳平（1981-），女，河南睢县人，博士，讲师。研究方向：植物生物技术、植物资源开发利用。
　　收稿日期   2020-03-01
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