作物杂志, 2019, 35(6): 182-186 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.029

种子科技

重金属胁迫下小豆种子萌发特性及幼苗期富集效应

刘建霞1, 白泽珍1, 王润梅1, 刘丽珍1, 张珍华1, 温日宇2

1山西大同大学生命科学学院,037009,山西大同

2山西省农业科学院玉米研究所,034000,山西忻州

Germination Characteristics and Accumulation Effects of Adzuki Bean under Heavy Metal Stress

Liu Jianxia1, Bai Zezhen1, Wang Runmei1, Liu Lizhen1, Zhang Zhenhua1, Wen Riyu2

1College of Life Science, Shanxi Datong University, Datong 037009, Shanxi, China

2Maize Research Institute, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Xinzhou 034000, Shanxi, China

通讯作者: 温日宇,副研究员,研究方向为作物种质资源的开发与利用

收稿日期: 2019-03-14   修回日期: 2019-09-23   网络出版日期: 2019-12-15

基金资助: 山西省重点研发计划项目(201603D221004-3)
山西省重点研发计划项目(201603D221004-5)
山西省农业科学院创新项目(YCX2017D2101)
山西省农业科学院创新项目(YCX2018D2T04)
大同市重点研发项目(2018042)

Received: 2019-03-14   Revised: 2019-09-23   Online: 2019-12-15

作者简介 About authors

刘建霞,副教授,研究方向为植物种质资源的开发与利用 。

摘要

为探究重金属(Cu 2+、Zn 2+、Cr 6+)胁迫下小豆种子萌发特性和幼苗对重金属离子的富集效应,以“晋小豆6号”为材料,设置不同浓度(5、10、50、100、200、300、400mg/L)重金属(Cu 2+、Zn 2+、Cr 6+)梯度,测定小豆种子的发芽指标变化及幼苗根、茎、叶中各种重金属的积累量。结果表明:当Cu 2+浓度为5、300、400mg/L时,小豆种子发芽势高于对照,而在相同浓度的Cr 6+、Zn 2+胁迫下小豆种子发芽势低于对照。3种重金属不同浓度对小豆发芽率整体影响趋势相近,在重金属浓度为50mg/L时小豆幼苗根长最长;当Cu 2+浓度为200~400mg/L时小豆下胚轴长明显短于对照,Zn 2+和Cr 6+浓度为5~400mg/L时,随Zn 2+、Cr 6+浓度升高小豆下胚轴生长呈先升后降的趋势,且都在浓度为100mg/L时下胚轴最长。小豆幼苗对重金属Cu 2+的累积量较高,对Zn 2+的累积量次之,对Cr 6+的累积量最低,且主要集中在根部,只有少量富集在茎和叶片中。适宜重金属浓度对小豆种子萌发具有促进作用,其根部对重金属有良好吸收,种植小豆对改善土壤环境有极大帮助。

关键词: 小豆 ; 重金属胁迫 ; 种子萌发 ; 富集

Abstract

In order to investigate the germination characteristics of adzuki bean seeds under heavy metal stress (Cu 2+, Zn 2+, Cr 6+) and the accumulation in seedlings, the germination index of adzuki bean seeds was studied under different concentrations of heavy metal stress (5, 10, 50, 100, 200, 300, 400mg/L) based the material of "Jinxiaodou No.6".And the accumulation of different heavy metals in the roots, stems and leaves of the bean seedlings was measured. The results showed that: when Cu 2+ stress concentration was 5, 300 or 400mg/L, the germination potential of adzuki bean was higher than that of the control, which was opposite to that of under the same concentration of Zn 2+ and Cr 6+ stresses. The three heavy metals had the similar effects on germination rate of adzuki bean at different concentrations. While the stress concentration was 50mg/L, the root length of adzuki bean seedlings was significantly longer than that of the control. While Cu 2+ concentration was 200-400mg/L, it was observed that the hypocotyl length was shorter than that of the control. As the concentration was 5-400mg/L of Zn 2+ and Cr 6+, the growing of hypocotyls of adzuki bean was risen first and then fallen, and the hypocotyl was the longest at the concentration of 100mg/L. The accumulation of heavy metal Cu 2+ was higher in adzuki bean seedlings, followed by Cr 6+ and Zn 2+, which mainly enriched in the roots, and partly in the stems and leaves. The suitable concentration of heavy metals can promote the germination of adzuki bean seeds, and the roots can absorb heavy metals well. Planting adzuki beans can make the soil environment better.

Keywords: Adzuki bean ; Heavy metal stress ; Seed germination ; Accumulation

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本文引用格式

刘建霞, 白泽珍, 王润梅, 刘丽珍, 张珍华, 温日宇. 重金属胁迫下小豆种子萌发特性及幼苗期富集效应[J]. 作物杂志, 2019, 35(6): 182-186 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.029

Liu Jianxia, Bai Zezhen, Wang Runmei, Liu Lizhen, Zhang Zhenhua, Wen Riyu. Germination Characteristics and Accumulation Effects of Adzuki Bean under Heavy Metal Stress[J]. Crops, 2019, 35(6): 182-186 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.029

重金属污染是目前最为严峻的土壤污染问题。第一次土壤调查显示,我国土壤污染超标率高达16.1%,污染类型以重金属污染为主,占全部超标点位的82.8%,其污染物包括Cd、Cr等植物非必需的元素,以及Cu、Zn等植物需要的微量元素,但在Cu、Zn过量时也会对植物产生危害[1,2]。重金属污染不容易被消除,只能在其存在形式转化后经植物吸收进入食物链,最终富集产生放大作用,严重危害农产品质量安全和人类健康[3]。因此,修复土壤重金属污染势在必行。

小豆(Vigna angularis)属豆科草本植物,生育期短、抗逆性强、易栽培、生长快、生物量高,具有良好的固氮功能,常被用于改良土壤。小豆根系对许多植物非必需和一些必需微量重金属元素都有很高的富集作用[4],通过自然轮作让小豆吸收土壤中的重金属,待成熟后对其根等残体进行回收,最终减少土壤内的重金属含量,利于修复土壤。国内外关于重金属对植物生长的影响有大量的报道。植物对环境胁迫敏感的时期是种子萌发和幼苗生长期,因此讨论胁迫条件下植物在种子萌发和幼苗生长期的特征可以反映其某些特性。刘拥海等[5]研究表明,重金属胁迫会抑制绿豆种子萌发和幼苗生长;王红星等[6]研究表明,Pb、Cd及二者复合胁迫抑制小麦种子萌发,降低其叶绿素含量,明显增加其游离脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)和可溶性蛋白的含量;刘爱玉等[7]研究表明,重金属对小豆的萌发具有低浓度促进高浓度抑制的效果,但是关于重金属胁迫下小豆对土壤修复的相关研究鲜有报道。本研究通过不同浓度的Cu2+、Zn2+、Cr6+处理小豆种子,分析小豆萌发特性的变化,并测定其根、茎、叶中重金属元素的含量,为重金属复合污染土壤的修复开拓更多道路,并为后续相关研究奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小豆品种为“晋小豆6号”,由山西省农业科学院高寒区作物研究所提供。

1.2 试验设计

试验于2017年12月在山西大同大学生物工程系细胞工程实验室进行。试验所用重金属试剂分别为CuCl2、K2Cr2O7、ZnSO4,浓度分别设置为5、10、50、100、200、300、400mg/L,3次重复,以清水处理为对照(CK)。

1.2.1 种子处理 选用大小均匀、饱满的小豆种子,经沸水瞬间热激后立即加入冷水,调节水温至25℃左右,浸泡24h,然后用75%的酒精处理30s,再用蒸馏水反复冲洗;最后用2%的HgCl2处理10~12min,蒸馏水冲洗2~3次后保存待用。

1.2.2 种子萌发 挑选处理后的种子30粒,置于铺有两层滤纸的培养皿中,分别加入5mL的各重金属溶液后,于25℃培养箱中萌发,定时通气40min/d。每天用称重法补充相应的重金属溶液,并记录发芽子粒数,及时清理并记录发霉的种子数量。第4天时统计发芽势;第7天时统计发芽率,每个处理随机抽取15粒已萌发的小豆种子,测量其根长和下胚轴长。

1.2.3 沙培育苗 将沙用清水清洗3次后,用蒸馏水冲洗1次,高压灭菌后装入花盆中。第8天时,将每个培养皿中芽长势一致的16粒小豆移栽到花盆中。待每组处理叶片足够2g时进行幼苗相关指标的测定。

1.2.4 水培方法 将经过处理的小豆种子固定在体积为4m3、经高温煮沸消毒后的海绵块中,培养盘中分别加入各重金属溶液500mL,每2d更换1次溶液。培养7d后,测定幼苗根、茎、叶中重金属含量。

1.3 指标测定

1.3.1 幼苗生长指标的测定 发芽势、发芽率、下胚轴长、根长测定参考吉雯雯等[8]的测定方法。

1.3.2 重金属元素含量的测定 分别消解样品的根、茎、叶[9],用原子火焰吸收法测Cu2+、Zn2+、Cr6+含量。测定流程为:使用原子吸收分析仪建立Cu2+、Zn2+、Cr6+的标准曲线→溶解消化处理后的样品→测定样品吸光度→计算样品中Cu2+、Zn2+、Cr6+的含量。

1.4 数据处理

用SPSS 20.0进行方差分析,用Excel 2016进行绘图。

2 结果与分析

2.1 重金属胁迫对小豆发芽的影响

根据图1A可知,Cu2+胁迫下的发芽势呈现先升后降再升的趋势,在Cu2+浓度为5mg/L时达到最高,浓度为10~200mg/L时发芽势低于对照,浓度为300~400mg/L时发芽势又高于对照。小豆发芽势随Zn2+、Cr6+浓度增加呈现先降低后上升再下降的趋势。其中,50~200mg/L的Zn2+胁迫使发芽势升高,在Zn2+浓度为200mg/L时发芽势最高。Cr6+胁迫对发芽势也有一定作用,在Cr6+浓度为100mg/L时发芽势最高。

图1

图1   重金属胁迫对小豆种子萌发指标的影响

Fig.1   Effects of heavy metals stress on seed germination index of adzuki bean


在3种重金属胁迫下,发芽率均随Cu2+、Zn2+浓度增加呈现先升后降的趋势(图1B)。发芽率在Cu2+、Cr6+浓度为100mg/L时最高;在Zn2+浓度为200mg/L时发芽率最高。Cu2+浓度为400mg/L时发芽率低于对照;Zn2+浓度为5~300mg/L时发芽率均高于对照,400mg/L时发芽率与对照差异较小;Cr6+浓度为50~100mg/L时发芽率高于对照。

3种重金属胁迫下,根长随着重金属溶液浓度增加也呈现先降后升再降的趋势(图1C),且均在50mg/L时根长最长。相比对照,Cu2+和Cr6+胁迫对根长的影响程度相近,50mg/L时根长高于对照,其余浓度处理均表现低于对照。一定浓度的Zn2+胁迫对根长有促进作用,50~400mg/L处理根长均高于对照。

随着Zn2+、Cr6+浓度的增加,小豆下胚轴长均出现先降后升再下降的趋势(图1D);随着Cu2+浓度增加,小豆下胚轴长呈现先升后降趋势。与对照相比,浓度5mg/L的Cu2+有利于下胚轴的增长,10~100mg/L时与对照差异较小,200~400mg/L时则低于对照。10~400mg/L Zn2+胁迫时,下胚轴长均高于对照。Cr6+浓度为100mg/L时下胚轴最长,明显长于对照。

2.2 重金属胁迫下小豆幼苗的富集效应

2.2.1 Cu2+胁迫下小豆幼苗各器官对Cu2+的积累

图2可以看出,对照中Cu2+含量极低,分别为根25.20μg/g、茎6.75μg/g、叶6.15μg/g。随着重金属处理浓度的升高,根中Cu2+含量逐渐增大,茎和叶中Cu2+含量差异较小。结果表明小豆对Cu2+有较好的吸收作用,累积部位主要在根部,茎和叶的含量都较少。

图2

图2   小豆根、茎、叶在Cu2+胁迫下对Cu2+的富集情况

大写字母不同表示处理间差异显著(P<0.01),下同

Fig.2   Cuprum accumulation in roots, stems and leaves of adzuki bean under Cu2+ stress

Different uppercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.01), the same below


2.2.2 Zn2+胁迫下小豆幼苗各器官对Zn2+的积累

图3可见,对照小豆幼苗各器官中Zn2+含量极低,分别为根56.10μg/g、茎27.30μg/g、叶54.15μg/g。

图3

图3   小豆根、茎、叶在Zn2+胁迫下对Zn2+的富集情况

Fig.3   Zinc accumulation in roots, stems and leaves of adzuki bean under Zn2+ stress


升高重金属的浓度,根中Zn2+含量逐渐增大,根中Zn2+含量高于茎,结果表明,小豆对Zn2+有很好的吸收作用,各器官中Zn2+含量从大到小为:根>茎>叶。

2.2.3 Cr6+胁迫下小豆幼苗各器官对Cr6+的积累

图4可得,对照中Cr6+含量极低,分别为根0.15μg/g、茎0.15μg/g、叶0μg/g。Cr6+浓度为200mg/L时,根部Cr6+含量最高。Cr6+浓度为10mg/L胁迫时,茎部Cr6+含量最高;随Cr6+处理浓度升高叶部Cr6+增多。结果表明,小豆对Cr6+有较好的吸收作用,并且累积部位主要在根部,茎和叶中含量较少。

图4

图4   小豆根、茎、叶在Cr6+胁迫下对Cr6+的富集情况

Fig.4   Chromium accumulation in roots, stems and leaves of adzuki bean under Cr6+ stress


3 讨论

不同浓度的Cu2+、Zn2+、Cr6+胁迫下小豆发芽势、发芽率、根长和下胚轴长均出现不同的变化趋势,从整体来看,重金属对小豆种子萌发表现为低浓度促进,而高浓度抑制,这与刘爱玉等[7]对Cu2+和Zn2+胁迫下小豆种子萌发的研究结果一致。Cr6+是植物非必需元素,根系吸收后积累在植物体内对植株生长发育产生一定影响[10]。作为植物的必需元素,Cu2+、Zn2+在一定浓度范围内对植物生长有利,但超过这一浓度范围则会产生危害作用[11]。重金属对幼苗根的毒害很强,对芽的毒害作用明显低于对幼苗根的毒害[12]。分析小豆各器官对重金属积累的结果,根部对3种重金属的积累量明显高于茎和叶,说明植株幼苗期根对重金属的富集作用最强。这可能是因为根直接接触重金属,在根对水和养分的吸收过程中,不可避免的有重金属进入到根内[13]。杜天庆等[14]用Cd、Cr、Pb 3种重金属元素对水培小麦幼苗进行胁迫研究时也得到了相似的研究结果。芮海云等[15]研究报道,大多数植物吸收的重金属主要分布在根系,植物能把从土壤中吸收的Cd保留在根部,从而阻止过多的Cd积累于地上部和种子中。在重金属进入根部细胞后,为了避免其继续向植物叶片运输,细胞中的蛋白质等生物分子与重金属形成稳定的络合物,从而沉积在了根部[16]

4 结论

寻找高生物量、抗性强、富集重金属能力强的植物已成为重金属污染土壤修复的热点[17]。从整体来看,不同浓度重金属(Cu2+、Zn2+、Cr6+)胁迫对小豆生长指标有不同程度的影响,且不同重金属之间差异较大。小豆在3种重金属胁迫下均表现出良好的抗逆性,其对重金属的富集主要集中在根部,只有少量富集在茎和叶片中。小豆幼苗对各重金属元素具有不同的富集能力,Cu2+累积量较高,Zn2+次之,Cr6+累积量最低,但对各重金属元素均有很好的吸收能力,即说明在修复重金属污染土壤方面,小豆这一作物具有很大潜力。本研究揭示了小豆在重金属胁迫下的种子萌发特性及富集效应,对重金属污染土壤与小豆生长的毒害作用的研究有一定帮助,但对于不同重金属在小豆中富集能力的生理机制还有待进一步研究。

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【目的】研究光合和氮素互作对大豆生长和光合作用的影响。【方法】以大豆黑农37为供试材料,采用接种根瘤菌和遮光相结合的手段,测定了接根瘤菌大豆在非遮光、遮光和复光条件下的生长及光合指标。【结果】非遮光条件下,接种根瘤菌显著提高了大豆的生物量、叶绿素含量和光合能力;遮光条件下,根瘤菌发挥不出其优越性,受气孔导度和非气孔因素的影响,接菌大豆的光合速率比不接菌的对照低;恢复光照后,接种根瘤菌大豆的光合作用恢复程度也不如不接菌对照。【结论】大豆与根瘤菌的共生固氮需要在合适光照条件下才能发挥其促进生长和促进光合作用的正效应。

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研究了不同浓度的重金属Cu2+、Cr6+、Pb2+胁迫对绿豆(Phaseolus radiatus L.)种子萌发和幼苗初期生长的影响.结果表明:低浓度抑或高浓度Cu2+、Pb2+胁迫对绿豆种子发芽率的抑制不明显,但较高浓度(100mg/L)Cr6+胁迫严重抑制种子萌发率,在400mg/L抑制高达66%(表1).低浓度抑或高浓度Cu2+、Pb2+胁迫对绿豆初期生长抑制不明显,而Cr6+胁迫的抑制效应在浓度为50mg/L极为明显,并随浓度升高而加重.在400mg/L浓度时抑制其主根长、侧根数、株高及生物量分别高达93%、96%、75%、76%(鲜重计)57%(干重计)(表2~表6).研究结果表明:3种重金属胁迫对绿豆种子萌发和幼苗初期生长影响有差异,其毒害能力顺序为Cr6+>Cu2+>Pb2+.

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Taking Phyllostachys edulis seeds as test material, the effects of Pb2+ and Cd2+ on seed germination and seedling early growth were studied. The results indicated that the germination rate increased at first and decreased subsequently with the increasing of Pb2+ and Cd2+ concentrations, and these concentrations negatively affected the germination index and vigor index. Meanwhile, there had an inhibitory action between Pb2+, Cd2+ and roots growth, stems growth and biomass accumulation, and this action was enhanced by the increasing of concentration in solution, especially for seedling roots, the inhibitory ratio could up to 96.20% and 94.00% at most, respectively. Although the increase of Pb2+ and Cd2+ concentrations in solution significantly increased both on the aboveground part and underground part, the accumulation amount underground were much higher than the former. The maximum differences between the aboveground and underground could be up to 27.21 times (for Pb2+) and 6.25 times (for Cd2+) at the same concentrations.

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Nanoparticles (NPs) have been exploited in a diverse range of products in the past decade or so. However, the biosafety/environmental impact or legislation pertaining to this newly created, highly functional composites containing NPs (otherwise called nanomaterials) is generally lagging behind their technological innovation. To advance the agenda in this area, our current primary interest is focused on using crops as model systems as they have very close relationship with us. Thus, the objective of the present study was to evaluate the biological effects of magnetic iron oxide nanoparticles towards watermelon seedlings. We have systematically studied the physiological effects of Fe2O3 nanoparticles (nano-Fe2O3) on watermelon, and present the first evidence that a significant amount of Fe2O3 nanoparticles suspended in a liquid medium can be taken up by watermelon plants and translocated throughout the plant tissues. Changes in important physiological indicators, such as root activity, activity of catalase (CAT), peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD), chlorophyll and malondialdehyde (MDA) contents, ferric reductase activity, root apoplastic iron content were clearly presented. Different concentrations of nano-Fe2O3 all increased seed germination, seedling growth, and enhanced physiological function to some degree; and the positive effects increased quickly and then slowed with an increase in the treatment concentrations. Changes in CAT, SOD and POD activities due to nano-Fe2O3 were significantly larger than that of the control. The 20 mg/L treatment had the most obvious effect on the increase of root activity. Ferric reductase activity, root apoplastic iron content, and watermelon biomass were significantly affected by exposure to nano-Fe2O3. Results of statistical analysis showed that there were significant differences in all the above indexes between the treatment at optimal concentration and the control. This proved that the proper concentration of nano-Fe2O3 could not only increase seed germination and seedling growth, but also ultimately improve physiological function and resistance to environmental stresses of watermelon.

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Zinc (Zn) is an essential plant element, but it is toxic to plants in excess. Plants have complicated Zn transport and regulation systems to maintain a proper intracellular concentration of zinc. Some genes have been indentified in plants encoding proteins with putative roles in Zn transport, such as ZIP (Zinc-regulated transporters, Iron-regulated transporter-like Protein), Nramp (Natural resistance-associated macrophage proteins), PIB-type heavy metal associated domain containing ATPases, cation diffusion facilitator (CDF), and Mg2+/H+ exchanger (MHX). The quantitative trail loci (QTL) analysis is being used to find the loci controlling Zn accumulation in heavy metal hyperaccumulator Thlaspi caerulescens or Arabidopsis halleri. Some QTLs associated with plant mortality and leaf bronzing are detected in Zn deficient rice plants.

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以小麦为供试材料,分别采用发芽试验、溶液培养、土柱栽培等毒理试验方法,研究了小麦萌芽期、幼苗期及成株期受重金属污染毒害的指标体系。结果表明, ① 小麦根伸长抑制率可作为萌芽期重金属污染评价的一项生物指标;Cd、Cr、Pb对小麦根生长的7d半效应浓度(EC50)值分别为1.39、0.20mmol?L-1和2.75mmol?L-1,据此得到3种重金属对小麦同一性状的毒性次序为Cr>Cd>Pb;此外各性状抑制率与胁迫浓度的关系可用双曲线模型y=x/(a+x/100)或指数曲线模型y= a(1-exp(-bx))较好模拟。 ②Cd、Cr、Pb单一污染胁迫对小麦幼苗性状的毒性次序均以影响叶面积和冠部干重为主,表明叶面积和冠部干重为幼苗期污染监测的敏感指标;重金属对除根干重外所有性状的毒性次序:Cr>Cd>Pb,该毒性次序是根据引起50%抑制的临界浓度即EC50值确定的;各性状抑制率与胁迫浓度的关系可用直线模型、或双曲线模型、或指数曲线模型较好模拟。 ③ 重金属单一污染胁迫造成小麦籽粒产量下降幅度是Cd>Cr>Pb;二元互作对产量影响的重要性次序为CdCr>CdPb>CrPb;在Cd、Cr、Pb复合污染胁迫条件下,穗数可以作为成株期重金属污染监测的首选指标。以上指标可为农田小麦重金属污染的监测和综合治理提供一些理论依据。

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以毛竹种子为供试材料,研究4种重金属(Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+)胁迫对毛竹种子萌发的影响,并考察重金属在毛竹幼苗各组织部分的富集情况.结果表明:(1)Pb2+和Cd2+对毛竹种子的发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数有抑制作用,低浓度下Cu2+和Zn2+对毛竹种子的发芽势、发芽率、发芽指数等指标有促进作用,高浓度则显著抑制;当浓度达到1600μmol/L时Cd2+对种子萌发的抑制效果明显强于其他3种元素;(2)选取根尖数、根表面积、根体积、根系总长4个根系形态指标发现,低浓度处理下Pb2+、Zn2+对根系生长有促进作用,而Cu2+和Cd2+起到明显的抑制作用;(3)处理10d后,种子萌发幼苗地上部对Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+的含量最高可达6810.51、1387.77、951.77、429.33 mg/kg,转移系数Zn2+ > Cd2+ > Pb2+ > Cu2+.综上,系统揭示了毛竹种子在重金属胁迫下的萌发和富集情况,为今后的土培、大田试验提供了有益的参考,也为将毛竹作为植物修复材料加以研究开启了新的研究视角,具有重要的研究价值.

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