9种植物种子在钴胁迫下发芽特性及富集能力研究

李 黎， 王 丹*， 贺 佳， 代 威， 曾 超， 陈 黎

(1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621000；2.西南科技大学核废物与环境安全国防重点实验室，四川绵阳 621000)



9种植物种子在钴胁迫下发芽特性及富集能力研究

李 黎1,2， 王 丹1,2*， 贺 佳1,2， 代 威1，2， 曾 超1,2， 陈 黎1,2

(1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621000；2.西南科技大学核废物与环境安全国防重点实验室，四川绵阳 621000)

[目的]研究9种植物种子在钴胁迫下发芽特性及富集能力。[方法]以甜高粱、玉米、蕹菜、豇豆、狼尾草、油菜、红豆、豌豆和萝卜为材料，研究钴胁迫对9种供试植物种子发芽及富集能力的影响。[结果]随着钴浓度的增加，各供试植物种子的相对发芽率、相对发芽势和相对发芽指数呈明显的下降趋势。植物种子钴含量正相关于钴胁迫浓度，相同浓度下不同植物种子钴含量表现出差异显著性，在钴浓度为120 mg/L时，油菜的钴含量最高，为2 399.15 mg/kg，而钴含量最低的玉米仅为72.45 mg/kg。不同植物的钴积累量受生物量和钴含量影响，油菜的生物量最小，为3.12 mg/粒，积累量为7.49 μg/粒。[结论]综合各个评价指标得出芽期耐钴性及富集能力较好的植物种子为油菜和萝卜，较差的为豌豆和豇豆。

植物种子；钴胁迫；种子发芽；富集能力

随着核工业的发展和核技术的广泛应用，以及其他工业、农业、能源、军事、交通、医疗卫生等领域内的活动，放射性核素及重金属污染已成为当今难以治理的重要环境问题之一。钴是人体、动物甚至有些高等植物的必需微量元素[1-2]。近年来钴的应用越来越广泛，其产生的污染也随之加大。高浓度的钴残留在环境中，通过食物链进入人体，直接危害人体健康[3]。少量的钴对植物生长有促进作用，但土壤中过量的钴存在就会影响植物的生长发育并使之受到毒害正常生长[4-9]。刘雪华等在小麦和玉米的耐钴性研究中发现，低浓度的钴对苗期玉米、小麦具有一定的促进作用，而高浓度的钴则明显抑制它们的生长[10-13]。

目前关于钴污染的相关研究在国内还相对较少，在钴污染土壤植物提取修复中筛选出适合的钴超富集植物是关键。植物生活史中种子萌发阶段是植物生活周期的起点和感知外界环境变化的最初生命阶段，也是评价植物耐钴性的重要阶段[14]。以种子的耐钴性和富集能力作为钴的超富集植物筛选的起点具有重要的意义和广阔的前景。该试验用钴作为处理因子，比较研究了甜高粱、玉米、蕹菜、豇豆、狼尾草、油菜、红豆、豌豆和萝卜的发芽特性及富集能力，以期探讨不同植物在不同程度的钴污染环境中对钴的抗性和富集能力，为钴超富集植物的筛选，同时也为植物修复重金属或放射性核素污染土壤提供一定的理论基础及科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料供试材料购于四川省绵阳市龙门种子市场，其名称如表1所示。

表1 供试植物种子学名及科属

1.2 试验方法选取饱满、大小一致的种子，先用75%的酒精消毒10 min，然后用去离子水反复冲洗干净。将双层滤纸铺在洗净烘干的直径为12 cm的培养皿中，再将种子置于培养皿中，每个培养皿均匀放置一定量种子(油菜、狼尾草各100粒，甜高粱、玉米、蕹菜、豇豆、红豆、豌豆和萝卜各50粒)。用分析纯的氯化钴配制成不同浓度的钴培养液浸润种子，每个培养皿加10 ml处理液，处理浓度为20、40、80、120 mg/L，以不施加钴为空白对照(0 mg/L)。每处理重复3次，置于25 ℃生长箱内黑暗培养。培养期间每天观察并记录发芽情况，加适量去离子水，保持一定的湿度。

1.3 测定指标及方法发芽第3天开始观察，每天记录发芽数、统计发芽率、发芽势。萌发以胚根长达到种子长度一半为标准。培养7 d后收取。各指标计算公式如下：发芽率(%)= (第7天全部发芽的种子数/供试种子数)×100%；发芽势(%)=n/N×100%，式中，n为规定3 d内的发芽种子数，N为种子总数；发芽指数(GI)=∑Gt/Dt,式中，Gt为第t天种子发芽数，Dt为对应的种子发芽的天数。

1.4 植物样品的取样、处理及测定方法将发芽7 d后的植物种子从培养皿中取出，用去离子水反复冲洗去除植物表面吸附的钴元素，沥干水分后按编号放入样品袋，置于75 ℃干燥箱烘干至恒重(约48 h)。称其干重后研磨至粉末状，每个重复称取0.2 g样品，干燥保存。

所取样品使用微波消解仪进行消解(TNAK)，消解方法如下：将样品按顺序加入消解管内，然后分别加入10 ml浓硝酸，按照预设定的条件进行消解(消解条件：罐9个；爬坡时间为13 min；压力为2 758 kPa；温度为200 ℃；保温10 min；硝酸10 ml。待消解完成温度冷却至70 ℃以下将其取出，打开排气孔放气，然后将样液分别倒入对应编号的坩埚中，并将其放在垫有石棉网的电热炉上进行赶酸。当小坩埚中液体加热蒸发至1～2 ml后，将坩埚从电热炉上取下加入少量去离子水，冷却后将液体转移至25 ml容量瓶中并加去离子水定容至刻度。最后将容量瓶中样品转移至样品管中，作好编号，所得即为待测液。将待测样品送至西南科技大学分析测试中心采用原子吸收光谱仪(AA700，美国PE公司)测定样品消解液中的钴含量[15]。

1.5 数据处理用统计分析软件DPSv 7.05对所有测定的指标进行Duncan新复极差法显著性分析，所有数据用平均值表示，并用Microsoft Office WPS 和Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同钴浓度处理对9种植物种子相对发芽率的影响从表2可知，不同钴浓度处理下甜高粱和油菜两种种子相对发芽率间不存在显著差异，说明甜高粱和油菜种子在钴胁迫下表现出较强的耐性；其余7种植物种子相对发芽率间存在显著差异(P<0.05)，随着钴浓度的增加，各植物种子相对发芽率的变化趋势呈现2种情况，一种是大多数种子在低浓度钴条件下的相对发芽率明显高于对照，而且随着钴浓度的增加，相对发芽率呈现先增加后减小的趋势，如蕹菜、豇豆、狼尾草、豌豆和萝卜，说明低浓度钴对种子萌发有一定的促进作用。另一种情况是随着钴浓度的增加，相对发芽率呈现明显的下降趋势，只有少数品种属于这种情况，如玉米和红豆。不同品种间对钴的抗性存在显著差异(P<0.05)，总体来看，萝卜、甜高粱和油菜在高钴浓度下的相对发芽率高于其他品种，表现出较强的耐钴性。

表2 不同钴浓度下9种植物种子相对发芽率 %

注: 同行数据后标不同小写字母，表示同一品种不同浓度间差异显著(P<0.05)；同列数据后标不同大写字母，表示同一浓度不同品种间差异极显著(P<0.01)。

2.2 不同钴浓度处理对9种植物种子相对发芽势的影响从表3可知，不同钴浓度处理下甜高粱和油菜两种种子相对发芽势间不存在显著差异，其余7种植物种子相对发芽势间存在显著差异(P<0.05)。在钴浓度为20 mg/L时，萝卜和狼尾草与对照相比相对发芽势达到显著差异(P<0.05)。随着钴浓度的增加，当钴浓度达到80和120 mg/L时，对供试植物种子的相对发芽势有显著的抑制作用(P<0.05)。而在120 mg/L时，萝卜的相对发芽势仍然高于对照，说明萝卜对钴具有很强的耐性。各品种间对钴的抗性存在显著的差异，其中萝卜、甜高粱、油菜在较高浓度的钴胁迫下相对发芽势高于其他品种，表现出较强的耐性。

2.3 不同钴浓度处理对9种植物种子相对发芽指数的影响钴胁迫下，9个供试植物品种的相对发芽指数受到显著的影响(图 1)。相同钴浓度下不同植物品种的相对发芽指数不同，在钴浓度为20 mg/L 时，狼尾草和萝卜的相对发芽指数有上升趋势，说明低浓度下，钴对狼尾草和萝卜种子相对发芽指数有促进作用。当浓度达到40 mg/L时，钴胁迫对除萝卜外的植物种子相对发芽指数的影响呈下降趋势。当钴浓度达到80和120 mg/L时，各供试植物的相对发芽指数显著下降，与对照相比，降幅分别为2.32%～22.30%和3.55%～23.44%，其中降幅最大的是豌豆和玉米，降幅最小的是油菜和甜高粱。

表3 不同钴浓度下9种植物种子相对发芽势 %

注: 同行数据后标不同小写字母，表示同一品种不同浓度间差异显著(P<0.05)；同列数据后标不同大写字母，表示同一浓度不同品种间差异极显著(P<0.01)。

2.4 不同钴浓度作用下植物种子生物量的变化将植物烘干至恒重，称重所得值为该植物的生物量。从表4可知，随着钴处理浓度的增加，供试9种植物种子的生物量逐渐增加，其中油菜、狼尾草在120 mg/L时，增幅较大，分别是0 mg/L时的1.46和1.26倍，蕹菜和红豆在120 mg/L仅比0 mg/L时多出0.02及0.12倍。说明钴浓度对植物种子生物量影响不大。在相同钴浓度下，不同植物种子的生物量存在显著差异(P<0.05)，其中豌豆和玉米的生物量显著大于其他种子，萝卜、狼尾草和油菜的生物量最小。

2.5 不同钴浓度处理下供试植物种子的钴含量单位质量(干重)的植物中所含钴单质的量即为植物的钴含量。从表5可知，随着钴浓度的增加，各供试植物种子中钴含量显著增加(P<0.05)，在钴胁迫浓度为120 mg/L时，油菜中钴含量是空白对照的459.17倍，而最低的豌豆在120 mg/L时比空白对照高出4.78倍，说明植物种子中钴含量与环境中钴含量呈正相关。在相同处理浓度下不同供试植物种子的钴含量表现出差异显著性，在60 mg/L时，萝卜的钴含量最高，达到了375.38 mg/kg，其次为油菜，而玉米和豌豆的钴含量最低；在120 mg/L时，钴含量最高的油菜为2 399.15 mg/kg，最小的玉米仅为72.45 mg/kg，说明在相同条件的钴胁迫下，不同植物对钴的吸收能力具有很大的差异。

表4 不同浓度的钴对各植物种子生物量(干重)的影响 mg/粒

注: 同行数据后标不同小写字母，表示同一品种不同浓度间差异显著(P<0.05)；同列数据后标不同大写字母，表示同一浓度不同品种间差异极显著(P<0.01)。

2.6 不同钴浓度处理下9种植物种子对钴的积累能力由图2可知，随着钴浓度的增加，植物种子对钴的积累量呈显著性增加，在120 mg/L时，油菜的钴积累量为7.49 μg/粒，是0 mg/L时的669.24倍，豌豆的钴积累量是23.15 μg/粒，比0 mg/L时多出5.70倍。在相同浓度下不同植物的钴积累量表现出显著性差异，豌豆的钴积累量最高，在0 mg/L时，为3.46 μg/粒；在120 mg/L时，狼尾草钴积累量最低，为3.29 μg/粒，最高的豌豆比之多出19.86 μg/粒。

表5 不同钴浓度胁迫下供试植物种子的钴含量 mg/kg

注: 同行数据后标不同小写字母，表示同一品种不同浓度间差异显著(P<0.05)；同列数据后标不同大写字母，表示同一浓度不同品种间差异极显著(P<0.01)。

3 结论与讨论

植物的生长情况受到种子萌发时期的生长状况的直接影响。钴是植物的重要有益元素，在植物抗病、叶绿素合成和氮代谢等方面都有十分重要的作用[16-17]，但高浓度的钴则对植物的生长有明显的抑制作用[10-11]。该试验结果表明，不同浓度的钴对甜高粱和油菜的发芽特性没有显著的影响，说明钴对甜高粱和油菜种子的发芽影响很小；另外7种植物在不同浓度的钴胁迫下发芽特性表现出明显的差异性，与对照相比(0 mg/L)，低浓度的钴(20 mg/L)对大多数品种的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数均高于对照，当钴浓度达80 mg/L 时，其毒害表现非常明显，相对发芽率、相对发芽势和相对发芽指数明显降低，当钴浓度达120 mg/L 时，种子生长受到抑制，这表明种子耐钴能力的有限性。相同钴浓度处理下不同供试植物品种的发芽特性也有显著差异，与辛宝宝等[18]关于多花黑麦草在钴胁迫下发芽特性研究得出的结论一致。在相同钴浓度处理下，豌豆和豇豆的发芽特性最差，说明钴对其的影响最大；而萝卜、甜高粱和油菜的发芽特性明显优于其他品种，表明钴对其的影响最小。

植物钴含量与钴胁迫浓度呈正相关，表明环境中的钴浓度会影响植物种子对钴的吸收。当钴浓度达120 mg/L 时，供试植物种子钴含量是对照(0 mg/L)的5.78～459.17倍。不同供试植物种子的钴含量表现出差异显著性，在120 mg/L时，钴含量最大的油菜为2 399.15 mg/kg，而最小的玉米仅72.45 mg/kg。由于植物品种的差异，不同植物的生物量具有显著性差异，豌豆的生物量最大(301.14 mg/粒)，是最小的油菜的96.46倍。积累量与生物量呈正相关，尽管豌豆的钴含量很低，在120 mg/L时仅为76.86 mg/kg，其积累量在所有植物中最高为23.15 μg/粒，只比油菜的积累量多出2.09倍，比较可知油菜对钴的富集能力更强。综合考虑钴对供试植物的发芽特性影响和供试植物钴富集能力，油菜和萝卜在钴胁迫下表现出较强的耐受性及对钴表现出较强的富集能力。

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Research of Germination Characteristics and Cobalt Accumulation Abilities of Nine Kinds of Plant Seeds under the Cobalt Stress

LI Li1,2,WANG Dan1,2*,HE Jia1,2et al

(1.Life Science and Engineering College,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan 621000; 2.State Defense Key Laboratory of the Nuclear Waste and Environmental Security,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan 621000)

[Objective] The research aimed to study the germination characteristics and cobalt accumulation abilities of nine kinds of plant seeds under cobalt stress.[Method] In this paper,we studied the germination characteristics and cobalt accumulation abilities of sweet sorghum,maize,water spinach,cowpea,Chinese pennisetum,rape,Ormosia,pea and carrot seeds under the cobalt stress.[Result] The relative germination rate,relative germination potential and relative germination index of all tested plant seeds obviously decreased with the increase of cobalt concentration.There was a positive correlation between cobalt stress concentration and cobalt content in the plant seeds,but the difference of cobalt content in different plant seeds was significant,in which cobalt content in rape seed (2 399.15 mg/kg) was the highest under the 120 mg/L of cobalt stress concentration,and that was the lowest in maize seed (72.45 mg/kg).Cobalt accumulation of different plants is closely related with its biomass and cobalt content，in which biomass(3.12 mg per grain)of rape was the lowest and its accumulation was 7.49 μg per grain.[Conclusion] Above all,cobalt resistances and cobalt accumulation abilities of rape and carrot seeds were higher,and that of pea and cowpea seeds were lower in budding time.

Plant seeds; Cobalt stress; Germination characteristics; Accumulation ability

国家863计划项目(2012AA063503)；四川省科技支撑计划项目(2012SZ0064)；西南科技大学研究生创新

(14ycxjj0078)。

李黎(1989- )，男，四川南充人，硕士研究生，研究方向：辐射生物效应及其生物修复。*通讯作者，教授，硕士，硕士生导师，从事辐射生物效应及其生物修复研究。

2015-02-11

S 181.3

A

0517-6611(2015)09-246-04