1. 引言
铜是最常见的重金属元素之一,是植物生长发育必需的微量元素,它参与植物体多种生理代谢过程,对作物的生长发育、产量、品质都有重要影响 [1] [2] [3] 。近年来,由于工业采矿、城市污水的排放和含铜杀菌剂的长期大量使用,土壤含铜量迅速增加,远远超出了土壤环境标准含量,高浓度的铜对自然界的生物产生严重危害 [4] 。因此研究重金属污染对蔬菜的胁迫机理,对保障农产品质量安全具有重要意义。
萝卜和菠菜均为人们常食用的蔬菜。萝卜的主要食用部分是根。高浓度的铜离子通过根系吸收进入萝卜的地下块根内,可能对萝卜的产量和质量产生严重的影响,并经食物链进入人体,在人体内富集,危害人体的健康 [5] 。菠菜的主要食用部分是茎和叶,富含类胡萝卜、维生素C等营养素,有极高的养生价值。虽然前人对铜胁迫蔬菜生长有些探讨 [6] [7] [8] ,但目前有关铜胁迫对菠菜种子萌发影响的研究鲜有报道,关于蔬菜耐铜性的种间、种内的比较研究仍较少,本试验以萝卜、菠菜种子为试材,采用培养皿法研究单一重金属铜对萝卜、菠菜种子萌发的影响,旨在探究不同蔬菜和同种蔬菜的不同品种对重金属耐性的差异,为筛选适合不同程度重金属污染农田的蔬菜品种提供理论依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
供试种子为萝卜种子(白萝卜、青萝卜)、菠菜种子(小叶菠菜、大叶菠菜),购置市场常见品种。供试金属离子CuSO4·5H2O为分析纯试剂。试验于2017年11月至12月进行。
2.2. 铜溶液配置和浓度设置
根据中华人民共和国土壤环境质量标准(GB15618-2008)三级土壤环境标准质量进行设定 [9] 。CuSO4处理浓度具体如下(mg/L):0、50、150、250、350、450、550。
2.3. 试验设计
供试种子用蒸馏水浸泡过夜后,将浮在水面上的瘪种、籽粒不饱满的或是已脱皮的种子剔除。选取粒饱满的种子,用0.1%NaClO溶液消毒10 min后,用蒸馏水润洗。选取直径为9 cm的培养皿,每个培养皿中垫2层滤纸作为发芽床,将配好的处理液加入培养皿中,至滤纸饱和。每个培养皿中均放入50粒种子,将其置于白天光照12 h,温度25℃,光照为1000 lx;夜晚黑暗12 h,温度20℃的培养箱中。每个处理设置3次重复。每日记录发芽种子数量,并用称重法加水恒重,保证重金属浓度恒定。待对照种子2片子叶完全变绿后,结束试验。选取最理想的一组结果进行分析。
2.4. 测定指标及方法
发芽率(%) = 供试种子的发芽数/供试种子总数 × 100%。
2.5. 统计分析
试验数据采用Excel 2013进行分析。
3. 结果与分析
3.1. 不同浓度铜处理对萝卜种子发芽率的影响
通过对各处理组和对照组的种子发芽率进行分析,结果表明:铜对萝卜种子发芽率有明显影响,并且对不同品种的影响程度不同。从图1可以看出,在不同铜浓度处理的条件下,白萝卜的发芽率表现出“低浓度促进,高浓度抑制”现象。与对照组相比,150 mg/L铜浓度处理的发芽率增加了2%;350 mg/L铜浓度处理的发芽率减少了34%,降幅达35.42%。相比白萝卜,青萝卜发芽率较低,且随浓度增大呈降低趋势。在150 mg/L条件下,青萝卜发芽率相比其对照减少了64%,降幅达82.05%。
3.2. 不同浓度铜处理对菠菜种子发芽率的影响
由图2可知,随着铜浓度的增加,对菠菜种子发芽率总体上产生促进作用,其中大叶菠菜在450 mg/L铜浓度条件下,发芽率为对照组的1.17倍。小叶菠菜发芽率无明显变化,其中250 mg/L、550 mg/L处理组的发芽率较对照组增加了8%。在此铜浓度范围内,尚未发现对菠菜种子萌发的显著抑制作用。但菠菜不同品种的耐铜性仍有差异,小叶菠菜的耐铜性更强。
3.3. 不同浓度铜处理对种子胚根的影响
由图3、图4可见,铜对萝卜的胚根伸长影响表现为抑制作用。仅对照组出现根毛,各处理组未出现根毛。在较低浓度50 mg/L处理条件下,白萝卜的胚根较长,但根尖出现发黑症状;青萝卜的胚根开始萎缩。在较高浓度条件下,萝卜的胚根均急剧缩短,子叶逐渐发黄变小,胚乳有发黑的趋势。
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Figure 1. Effects of Cu stresses on germination rate of radish
图1. 不同浓度铜处理对萝卜发芽率的影响
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Figure 2. Effects of Cu stresses on germination rate of spinach
图2. 不同浓度铜处理对菠菜发芽率的影响
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Figure 3. Effects of Cu stresses on radicles of white radish
图3. 铜对白萝卜胚根的影响
由图5、图6可见,铜对大叶菠菜的胚根伸长影响表现为抑制作用,而对小叶菠菜的胚根长度表现为先增后降的趋势。在较低浓度50 mg/L、150 mg/L条件下,菠菜的胚根根尖出现发黑症状。与对照相比,大叶菠菜的胚根长度显著减小;小叶菠菜在50 mg/L处理下的胚根长度、粗度均大于对照,但未出现根毛。
4. 讨论
已有研究表明,重金属对种子萌发存在低浓度刺激而高浓度呈抑制作用 [10] [11] [12] ,但具体表现又
Note: In the above pictures, from left to right, they are under 0, 50, 150, 250, 350, 450, 550 (mg/L) copper stress respectively.注:上述图片中,从左至右分别为在0、50、150、250、350、450、550 (mg/L)铜溶液处理下的形态。
Figure 4. Effects of Cu stresses on radicles of green radish
图4. 铜对青萝卜胚根的影响
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Figure 5. Effects of Cu stresses on radicles of big-leaf spinach
图5. 铜对大叶菠菜胚根的影响
因重金属、植物不同而有所变化 [13] [14] [15] 。
本试验结果表明,随着铜浓度的增加,白萝卜种子发芽率表现出先增后降的趋势,这与之前研究者的研究结果相似 [16] [17] [18] 。但在本试验中,在相同处理条件下,青萝卜种子发芽率受到抑制作用,其中在50 mg/L时,青萝卜发芽率已低于对照20%。而在350 mg/L时,白萝卜发芽率才开始低于对照,因此白萝卜的耐性较青萝卜强。
和萝卜相比,相同浓度铜处理对菠菜种子发芽率在总体上表现为促进作用,表明菠菜的耐性较萝卜强。这可能是因为菠菜作为深绿叶蔬菜,叶绿素含量更高,在种子萌发过程中需要积累更多的铜离子合成相关酶。因此在较低的铜浓度处理下,反而有促进作用。有研究表明,菠菜POD活性和CAT的活性随着硫酸铜浓度的增大呈现先增加后降低的规律;可溶性蛋白的含量随着硫酸铜的浓度的增加先减少后增加 [19] 。同时,铜胁迫对菠菜种子不同品种的发芽率有影响,且程度不同,小叶菠菜的耐性较大叶菠菜强。
Note: in the above pictures, from left to right, they are under 0, 50, 150, 250, 350, 450, 550 (mg/L) copper stress respectively.注:上述图片中,从左至右分别为在0、50、150、250、350、450、550 (mg/L)铜溶液处理下的形态。
Figure 6. Effects of Cu stresses on radicles of small-leaf spinach
图6. 铜对小叶菠菜胚根的影响
从萝卜、菠菜种子胚根长的总体情况来看,随着铜浓度增加,对胚根主要是抑制作用,具体表现在胚根长度变短、胚根根尖出现发黑症状、无根毛生长三个方面。但也有在较高浓度(50 mg/mL、100 mg/mL)处理下,萝卜种子才出现这种明显的发育不良现象 [20] ,这可能是因为品种的差异。铜胁迫对萝卜胚根的抑制程度大于菠菜,这与发芽率的变化情况相似。
综上,本文初步研究了单一重金属铜的不同浓度对萝卜、菠菜种子萌发的影响,表明菠菜的耐铜性强于萝卜,同种蔬菜的不同品种耐铜性也存在差异。但本次试验测定指标和试验品种较少,仍有很大的提升空间,后期可结合相关酶指标进一步研究。
5. 结论
在较低铜浓度(0~550 mg/L)条件下,白萝卜种子发芽率存在“低促高抑”的现象,青萝卜发芽率受到抑制作用;菠菜种子发芽率总体上受到促进作用,表明菠菜的耐铜性强于萝卜。同种蔬菜的不同品种耐铜性存在差异,其中白萝卜的耐铜性强于青萝卜,小叶菠菜的耐铜性较大叶菠菜更强。