文 珂，刘文胜

（中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004）

锰胁迫对青葙种子萌发和幼苗生理的影响

文 珂，刘文胜

（中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004）

利用植物进行锰（Mn）污染治理之前，首先要探明胁迫对种子萌发及幼苗生长的影响。以锰超富集植物青葙（Celosia argentea）为试验材料，在不同锰浓度（0.005、1.000、5.000、8.000、12.000、15.000 mmol/L）下开展种子萌发试验，研究锰浓度与该植物种子萌发及幼苗生长的关系。结果表明，随着锰浓度的升高，青葙种子发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数均呈现出先升高后降低的趋势，青葙幼苗的根长（r =-0.954，P =0.003）、芽长（r =-0.957，P =0.003）降低，幼苗总生物量（r =-0.941，P =0.005）也随之下降；幼苗总淀粉酶活性随着锰浓度的升高而呈下降趋势（r =-0.643，P =0.169），可溶性糖含量则呈先增加后下降的趋势。不同锰浓度下青葙总淀粉酶活性及可溶性糖含量的变化可能是导致该植物种子萌发及幼苗生长发生改变的主要原因。

锰胁迫；青葙；种子萌发；幼苗生长；可溶性糖

Abstract：Revealing the effects of heavy-metal stress on seed germination and seedling growth is the first step for effective controlling manganese（Mn） population by using these plants. In the present paper，we studied the relationship between Mn concentration and seed germination / and seedling growth of Celosia argentea by conducting seed germination experiments under different Mn concentrations （0.005，1.000，5.000，8.000，12.000 and 15.000 mmol/L）. The results showed that seed germination rate，germination potential，germination index and vitality index all increased first and then decreased with Mn concentration increasing.The length of root （r =-0.954，P =0.003） and shoot （r =-0.957，P =0.003） of seedlings both decreased with Mn concentration rising when the Mn concentration ascended to a certain level. And the total biomass of seedling（r=-0.941，P =0.005） showed the same trend. Total amylase activity of seedlings （r =-0.643，P =0.169）decreased with the increase of Mn concentration. And the soluble sugar content increased firstly and then decreased with Mn concentration rising. The results illustrated that the changes of amylase activity and soluble sugar content of seedlings under different Mn concentrations might be the most important reasons that causing the changes of seed germination and seedling growth.

Key words：manganese stress；Celosia argentea；seed germination；seedling growth；soluble sugar content

矿山开采在为国民经济发展提供原材料的同时，也导致了严重的环境污染［1-4］。例如，锰（Mn）在我国已有100多年的开采历史，由于锰矿开采长期利用不合理方式进行，矿区及其周边土壤锰含量极高［5-6］。尽管锰是植物维持正常生命活动所必须的微量元素之一［7］，但环境中过高的锰会对植物产生毒害，甚至会通过食物链损害人们的身体健康［8］。因此，尽快治理锰污染是锰矿区当前面临的迫切任务。

在各种重金属污染治理方法中，利用超富集植物进行植物修复具有高效、环保和廉价等优点，具有广泛的开发潜力［9］。种子萌发和幼苗生长是植物对环境最敏感的时期［10］，研究该时期高重金属浓度对植物的影响程度并采取相应措施是开展植物修复的重要前提［11］。青葙（Celosia argentea L.）是苋科青葙属1年生草本植物，具有生物量大、适应性广以及易于种植等特点［12］，在全国各地均有分布［13］。青葙能在锰矿废弃地上大量生长，是一种锰超富集植物［14］，且该植物还具有较高的观赏价值，因而是一种极具开发价值的修复植物。本研究通过萌发试验检测不同锰浓度下青葙种子萌发及幼苗生长的异同，以期为利用青葙修复锰污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

青葙种子于2015年秋季在湘潭锰矿区采集，该区是我国最早的锰矿基地，锰矿开采已有100多年的历史。为使研究结果更具代表性，各植株之间的距离均超过2 m，采集种子的植株超过30个。种子采集后用信封装好，带回实验室后置于室温下储藏备用。

1.2 试验方法

选取个体大、籽粒饱满的种子开展萌发试验。将采集的青葙种子用0.2%KMnO4消毒10 min，用蒸馏水冲洗，晾干，置于铺有两层滤纸的培养皿中，每个培养皿放入50粒种子。设置0.005（CK）、1、5、8、12、15 mmol/L 6个锰浓度模拟土壤锰胁迫（锰以MnCl2·4H2O形式加入），每个锰浓度设5次重复，每个重复1个培养皿，于25℃恒温培养箱中12 h光/12 h暗进行培养，每天添加去离子水以维持培养液原有水平。每日记载发芽粒数，第4 d统计发芽势，处理后12 d测定发芽率，并用镊子将萌发的幼苗取出，用滤纸吸去表面的水分，测定其胚根长、胚芽长，并于烘箱60℃的条件下烘干测幼苗总生物量干重。

参照《国际种子检验规程》［15］计算发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数等发芽能力指标：

1.3 幼苗生理特性测定

淀粉酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸法［16］。

式中，A为淀粉酶水解淀粉生成的麦芽糖量（mg），A’为淀粉酶的对照管中麦芽糖量（mg），B为比色时所用样品液毫升数。

可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法［17］。

式中，C为标准方程求得的糖量（μg），a为测定时吸取样品液体积（mL），V为提取液总量（mL），n为稀释倍数，W为样品重量（g）。

试验数据采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），并使用最小差别法（LSD法）对每个指标不同处理间的差异显著性进行多重比较，用Sigma Plot12.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同锰浓度对青葙种子萌发的影响

发芽率反映了种子的生命力，发芽势反映种子出苗快慢和整齐程度，两者均为鉴定种子质量最直接和稳定的指标。图1显示，青葙种子的发芽率与发芽势均随着锰浓度的升高呈现出先上升后下降的趋势。在锰浓度为8 mmol/L时，发芽率和发芽势均达到最高值，分别为63%和33%，分别比对照增加52%和25%，且均与对照差异显著；随着锰浓度的继续增加，发芽率与发芽势则均明显下降，当锰浓度增加到15 mmol/L时，发芽率和发芽势分别为40%和25%，分别比对照低4%和6%，且均与对照差异显著。说明锰对青葙种子萌发具有“低促高抑”的效果。

图1 不同锰浓度处理青葙种子的萌发情况

图2 不同锰浓度处理青葙种子的发芽指数

图3 不同锰浓度处理青葙种子的活力指数

发芽指数反映了整个发芽期种子活力，活力指数是对较广范围内种子能否迅速萌发、成苗及其生长整齐程度的综合体现。青葙种子的发芽指数与活力指数，同样地表现出了低浓度促进、高浓度抑制的效应。由图2、图3可知，青葙种子的发芽指数、活力指数随着锰浓度的升高均表现出先升高后降低的规律，当锰浓度为8 mmol/L时，发芽指数、活力指数均达到最大值，分别比对照的增加54%和20%，差异均达显著水平；随着锰浓度的增加，发芽指数与活力指数均逐渐降低，在锰浓度达到15 mmol/L时，发芽指数与对照接近，差异不显著，而活力指数降幅较大，比对照低30%，差异显著。

2.2 不同锰浓度对青葙幼苗生长的影响

幼苗的生长状况是植物对逆境胁迫适应的综合体现。Pearson相关显示，随着锰浓度的升高，青葙幼苗的胚芽长（r =-0.957，P =0.003）和胚根长（r =-0.954，P =0.003）均随之下降（图 4），当锰浓度为 1、5、8、12、15 mmol/L时，幼苗胚芽长分别比对照下降12%、14%、20%、22%、27%，胚根长比对照分别下降13%、18%、26%、29%、31%；图5表明，随着锰浓度的升高，青葙幼苗的总生物量（r =-0.941，P =0.005）呈下降的趋势，当锰浓度为1、5、8、12、15 mmol/L时，总生物量分别比对照下降15%、24%、27%、35%、39%，且均与对照差异显著。

图4 不同锰浓度处理青葙胚根、胚芽生长情况

图5 不同锰浓度处理青葙幼苗的总生物量

2.3 不同锰浓度下青葙幼苗的生理响应

淀粉酶直接影响种子内储藏淀粉的分解，从而影响种子萌发所需的物质和能量，因而是种子萌发的重要指标。图6显示，与对照相比，不同锰浓度下青葙种子的淀粉酶活性均显著降低。在锰浓度为1、5、8、12 mmol/L时，青葙幼苗总淀粉酶活性分别比对照下降53%、61%、53%、47%；Pearson相关显示，青葙种子总淀粉酶活性随着锰浓度的增加而呈现出下降的趋势（r =-0.643，P =0.169），说明较高浓度的锰能抑制青葙种子的淀粉酶活性。

图6 不同锰浓度处理青葙幼苗的淀粉酶活性

可溶性糖作为组成细胞等生命结构的主要物质，直接为种子萌发和幼苗生长提供所需的碳架和初始能量。不同锰浓度下，青葙幼苗可溶性糖含量随锰胁迫浓度的升高呈现先增加后下降的变化趋势（图7），当锰浓度达到1 mmol/L之后，青葙幼苗中可溶性糖含量急剧升高，于5 mmol/L时达最大值，比对照增加100%，差异极显著，随后开始下降；在锰浓度达到15 mmol/L时，锰胁迫开始抑制青葙幼苗中可溶性糖的含量，与对照相比下降10%，说明高浓度锰胁迫对青葙幼苗可溶性糖含量表现出抑制效应。

图7 不同锰浓度处理青葙幼苗的可溶性糖含量

3 结论与讨论

锰是植物生长所必需的微量元素之一，但环境中过量的锰会对植物的生长发育产生毒害［18］。本研究结果表明，较低浓度的锰胁迫对青葙种子的发芽有促进作用，而高浓度的锰则产生抑制作用。这一结果与许多重金属对种子萌发影响的结论一致，说明重金属对植物种子萌发较低浓度刺激和较高浓度抑制效应是一种普遍现象［19］。梁文斌等［20］对锰胁迫下美洲商陆（Phytolacca americana）种子萌发的研究及刘宇婧等［21］对镉（cd）浓度与波斯菊（Cosmos bipinnata）关系的研究也得出了相同的结果。

本研究中，青葙幼苗根长、芽长、总生物量等指标均随着锰浓度的增加而逐渐降低，说明较高浓度的锰会对青葙幼苗生长造成抑制，这与刘宇婧等［21］对镉胁迫下波斯菊的研究结果一致。我们对不同锰浓度下苍耳（Xanthium sibircum）、野胡萝卜（Daucus carota）等的研究也均显示较高浓度的锰抑制植物生长（待发表）。这充分说明较高浓度的锰是抑制青葙幼苗生长的重要因素。

可溶性糖作为组成细胞等生命结构的主要物质，直接为种子萌发和幼苗生长提供所需的碳架和初始能量，也是增加渗透性物质的重要组成成分。本研究结果表明，随着锰浓度的升高，青葙幼苗淀粉酶活性呈降低趋势，可溶性糖含量则呈现先升高后降低的趋势。李广会等［22］对板栗（Castanea mollissima）种子萌发研究发现，随着锰浓度的增加，幼苗淀粉酶活性呈降低趋势；秦岭等［23］研究发现，板栗种子萌发过程中随着锰浓度的增加，可溶性糖减少；侯典云等［24］研究发现，随锰浓度的增加，小麦（Triticum aestivum）可溶性糖含量表现为先增大后减少再增大。这些研究与本研究结果基本一致，说明较高浓度的锰将降低淀粉酶活性，导致可溶性糖含量减少。由于种子萌发过程物质和能量的供给主要来源于淀粉的分解，淀粉酶的活性直接影响到种子萌发率［25］。本研究中，较高锰浓度下青葙种子萌发率降低，淀粉酶活性降低可能是主要原因之一。可溶性糖作为植物碳代谢的物质之一，与植物抗性具有密切的相关性［26］。植物受到重金属胁迫时，通过改变渗透调节物质来维持正常细胞代谢环境，从而降低重金属危害［27-28］。本研究结果表明，随着锰浓度的升高，青葙幼苗生长受阻，其原因可能是锰浓度较高时，可溶性糖含量减少，导致渗透调节能力减弱。

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（责任编辑 邹移光）

Effects of Mn stress on seed germination and seedling physiological characteristics of Celosia argentea L.

WEN Ke，LIU Wen-sheng
（College of Life Science and Technology，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China）

S718.57；X53

A

1004-874X（2017）06-0078-06

文珂，刘文胜.锰胁迫对青葙种子萌发和幼苗生理的影响［J］.广东农业科学，2017，44（6）：78-83.

2017-03-25

湖南省教育厅重点项目（14A156）；湖南省自然科学基金（2016JJ4120）

文珂（1993-），女，在读硕士生，E-mail：1104167317@qq.com

刘文胜（1975-），男，博士，副教授，E-mail：403493641@qq.com