全 文 ：氯苯胁迫对大豆种子萌发的伤害*
刘 宛1* * 孙铁珩1 周启星1 李培军1 许华夏1 杨桂芬1 张海荣1 齐 鹏2
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程开放研究实验室, 沈阳 110015; 2 辽宁大学生物系,沈阳 110036)
摘要 在实验室人工控制条件下, 研究了不同浓度 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆种子萌发和幼苗生长的影
响. 结果表明, 50~ 200g!g- 1的 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆种子的发芽率影响甚小,但延迟大豆种子的出苗
速率; 300g!g - 1的 1, 2, 3三氯苯胁迫使种子停止发芽.在正常条件下,大豆种子播种后第 4 天其下胚轴超
氧化物歧化酶( SOD)活性达到高峰, 之后趋于稳定. 不同浓度 1, 2, 4三氯苯处理使大豆下胚轴 SOD 活性
下降,丙二醛( MDA)、蛋白质含量及下胚轴直径增加; 幼苗的生长受抑制, 干重、鲜重有一定程度的下降;
而鲜重/干重的比值变化不大.受害程度随着 1, 2, 4三氯苯浓度的增加而加重. 初生根比下胚轴对 1, 2, 4
三氯苯胁迫较为敏感.
关键词 氯苯胁迫 SOD活性 种子萌发 大豆 伤害
文章编号 1001- 9332( 2002) 02- 0141- 04 中图分类号 X173 文献标识码 A
Chlorobenzestressing injury of the germination of soybean seed. LIU Wan1 , SUN T ieheng1 , ZHOU Qixing1 ,
L I Peijun1 , XU Huaxia1 , YANG Guifen1 , ZHANG Hairong1 and Q I Peng2( 1Open L aboratory of T er res tr ial E
cological Process , I ns titute of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences , Shenyang 110016; 2Biology De
par tment of L iaoning University , Shenyang 110036) . Chin. J . A pp l . Ecol. , 2002, 13( 2) : 141~ 144.
Effects of various doses of 1, 2, 4trichlorobenze on seed germination and seedling grow th of soybean w ere stud
ied. T he results indicated that 50~ 200 g!g- 1 of 1, 2, 4t richlorobenze had no effect on the percentage of seed
germination, but delayed the rate of seedling grow th. The seed germination was stopped by 300g!g- 1 of 1, 2, 4
trichlorobenze. The most activ ity of SOD took place on the 4th day after sowing of soybean seed in the normal
condition, then tended to be in a certain level w ith a little alteration. Under the various dose stress of 1, 2, 4
trichlorobenze, the activity of SOD in soybean hypocotyl was decreased, w hile MDA and protein contents as well
as diameter of hypocot yls increased. Seedlings grow th, fresh w eight( FW) , dry weight( DW) w ere inhibited, while
the ratio o f FW/ DW didn∀ t change. Damagelevel of w heat seedlings w as incr eased w ith incr easing 1, 2, 4
trichlorobenze concentrations. Roots w ere more sensitiv e to 1, 2, 4trichlor obenzestress than hypocotyls.
Key words 1, 2, 4trichlorobenzestress, SOD activit y, Seed germination, Soybean, Injury.
* 中国科学院知识创新工程项目( KZCX2401 )和国家自然科学基
金资助项目( 29877028) .
* * 通讯联系人.
2001- 07- 19收稿, 2001- 08- 02接受.
1 引 言
氯苯、1, 2二氯苯、1, 4二氯苯和 1, 2, 4三氯苯
的环境污染是当今世界上倍受重视的一类公害. 以
未经适当处理的废水、垃圾、废气和废渣排放是向环
境释放氯苯类化合物的重要途径.它们已被列入美
国及欧共体环境保护机构所确定的优先控制污染物
黑名单[ 4] .我国该类化合物污染也相当严重, 在沈
阳等大城市及其周边地区的土壤及地下水检测浓度
均较高[ 15] .农作物受到氯苯类化合物污染后, 不仅
影响其产量和质量,更为严重的是氯苯类化合物经
食物链进入人体, 并在人体内富集, 危害人类健
康[ 14] . 因此,研究这些污染物对生态系统可能带来
的负面影响及其机理具有重要的理论和现实意义.
由于氯苯类化合物强烈的致癌、致畸、致突变作
用[ 15] , 因此,国内外对该类化合物的研究相当活跃,
主要集中研究了它们的环境行为[ 5]、生物学特性[ 14]
及在生物,尤其是水生生物体内的富集作用及其引
起的毒性毒理机制[ 8] , 但其对高等植物的生态效应
及毒性机理研究甚少[ 16] .本文初步研究了 1, 2, 4三
氯苯对小麦种子萌发及幼苗生长的影响,以探讨 1,
2, 4三氯苯胁迫对大豆幼苗的早期影响.
2 材料与方法
2 1 试验材料
大豆( Glycine max )品种为沈农 9144. 1, 2, 4三氯苯纯
度为 99. 5% , 购自 Fluka ChemieAG 公司. 所用土壤采自中
国科学院沈阳生态试验站大豆小区( 0~ 20cm 耕层) ,其有机
质含量为 0. 93% , 全 N含量 0. 12% . 用 2ml丙酮溶解的不同
应 用 生 态 学 报 2002 年 2 月 第 13 卷 第 2 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Feb. 2002, 13( 2)#141~ 144
浓度的 1, 2, 4三氯苯加水 3ml, 摇匀后投配至 600g 土壤中,
混匀;供试大豆种子经 0. 1% 的 HgCl2 表面消毒 5min, 去离
子水冲洗干净并用滤纸擦干后, 分别播于 0、50、100、150、
200、250、300g!g- 1 (风干土壤) 1, 2, 4三氯苯的塑料杯 (=
9. 5cm, H= 10. 5cm)中发芽, 以丙酮为对照.大豆发芽及幼苗
生长试验均在 22 ∃ 下进行.于大豆种子播种后 2、4、6、8d 分
别测定植株的各项指标. 每一处理重复 3 次, 所有试验重复
2~ 3 次.
22 测定指标及方法
当对照组种子初生根长达 20mm 时, 发芽试验结束, 以
初生根达 5mm 作为发芽标准[ 3, 7, 12 ] . 测定植株干重时,材料
在 105∃ 下烘 15min(以快速杀死植物细胞) , 再在 70∃ 下烘
至恒重, 在干燥器里冷却至室温后称重. 蛋白质含量、MDA
含量测定、SOD 提取及活性测定参照文献[ 13]的方法, 利用
SOD 抑制氮蓝四唑( NBT )在荧光下的还原作用, 酶活性单
位用抑制 NBT 光化还原的 50% 为一个酶活性单位.
3 结果与讨论
31 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆幼苗生长的影响
由表 1可见,大豆发芽率对土壤不同浓度 1, 2,
4三氯苯的敏感性不同. 总的趋势是 50 ~ 200g!
g
- 1
1, 2, 4三氯苯对大豆种子的发芽率影响甚小,
当1, 2, 4三氯苯浓度增至 300g!g- 1时, 大豆种子
停止发芽. 说明 1, 2, 4三氯苯胁迫下, 大豆种子发
芽率是一个相对不敏感的指标,与李锋民等[ 11]研究
结果一致.
表 1 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆种子发芽及出苗率的影响
Table 1 Effects of 1, 2, 4 trichlorobenzestress on the germination of
seybean seed and the growing rate of soybean seedlings
指标
Indexes
1, 2, 4三氯苯浓度 1, 2, 4t richlorobenze
(g!g- 1)
0 50 100 150 200 250 300
A 95. 6 95. 8 93. 4 94. 3 94. 5 57. 5 0
B 45. 1 38. 2 0 0 0 0 0
4 94. 6 94. 5 54. 3 50. 7 32. 5 12. 8 0
5 94. 6 94. 5 92. 4 93. 1 64. 5 38. 1 0
6 94. 6 94. 5 92. 4 93. 1 90. 5 43. 9 0
A:发芽率 Germinat ion rate( % ) ; B: 播种后第 3 天出苗率 Seedling
rates on the 3rd day af ter sow ing( % ) .
氯苯胁迫明显抑制大豆出苗, 200g!g- 11, 2, 4
三氯苯处理比 50g!g - 11, 2, 4三氯苯推迟出苗 2d,
且出苗整齐度亦低于后者(表 1) . 当土壤 1, 2, 4三
氯苯浓度为250g!g- 1时,大豆出苗率仅为43. 9% ,
说明高浓度 1, 2, 4三氯苯抑制大豆的破土出苗.
播种后 8d,测定大豆幼苗鲜重、干重的结果表
明(表 2) ,土壤 1, 2, 4三氯苯浓度为 50g!g1时, 幼
苗鲜重、干重下降幅度甚微, 但随着 1, 2, 4三氯苯
浓度的升高, 幼苗鲜重、干重逐渐下降, 而且 50 ~
300g!g11, 2, 4三氯苯处理后,大豆幼苗的鲜重/干
重值无明显变化, 显示植物组织并无缺水伤害发生,
而植株生长受阻可能起因于 1, 2, 4三氯苯对细胞
的毒害作用,说明植物鲜重、干重变化可作为反映其
受 1, 2, 4三氯苯毒害程度的较好指标之一.
表 2 1, 2, 4三氯苯处理 8d后对大豆幼苗鲜重、干重下胚轴直径的
影响
Table 2 Effects of 1, 2, 4 trichlorobenze on fresh and dry weights as
wel l as hypocotyl diameter of young soybean seedlings after 8day treat
ment
A B C D E F G
0 1. 28 100 68. 7 100 18. 6 2. 45
50 1. 20 93. 8 62. 6 91. 1 19. 2 2. 49
100 1. 07 83. 6 57. 0 83. 0 18. 7 3. 08
150 0. 93 72. 7 49. 4 71. 9 18. 8 3. 92
200 0. 80 62. 5 43. 4 63. 2 18. 4 4. 51
300 0. 65 50. 7 35. 2 51. 2 18. 5 5. 03
A: 1, 2, 4三氯苯浓度 1, 2, 4trichlorobenze concent rat ion (g!g- 1) ;
B:鲜重Fresh w eight( mg!plant- 1) ; C: 相对值 Relat ive value; D:干重
Dry w eight ( mg! plant- 1) ; E : 相对值 Relat ive value; F: 鲜重/干重
FW/ DW ; G:下胚轴直径 Hypocotyl diameter( mm) .
1, 2, 4三氯苯对大豆种子萌发生长的伤害程度
与 1, 2, 4三氯苯的浓度有关. 50g!g- 11, 2, 4三氯
苯处理时, 大豆下胚轴与对照相似(图 1、表 2) ; 而
100~ 300g!g- 11, 2, 4三氯苯胁迫的大豆下胚轴粗
度显著增加, 下胚轴和初生根长度则随着 1, 2, 4三
氯苯浓度的增大依次减少, 说明 1, 2, 4三氯苯促进
下胚轴的加粗生长而抑制其伸长生长. 从图 1还可
以看出, 100~ 300g!g- 11, 2, 4三氯苯处理的下胚
轴长度抑制率分别为 18. 0% ~ 81. 6% ,初生根长度
抑制率为 48. 3%~ 52. 4%,亦说明大豆初生根对 1,
2, 4三氯苯的敏感性大于下胚轴.以 EC50(半数有效
浓度)也可以看出上述特性, 1, 2, 4三氯苯对下胚轴
长度抑制的 EC50为 154g!g- 1, 对初生根长抑制的
EC50为 110g!g- 1, EC50值越高说明影响越小.这是
由于种子萌动后, 对外界条件具有高度的敏感性,一
旦下胚轴吸附 1, 2, 4三氯苯后,即可渗透到达表皮
细胞内; 1, 2, 4三氯苯也可被初生根系直接吸收,并
附着于初生根细胞臂中的交换位点上,从而阻止 1,
2, 4三氯苯分子进一步向其它器官转移. 因此, 初生
根生长点细胞是植物中最重要的络合毒物分子的部
位,也是最易受毒物分子影响的部位,因而其细胞分
裂受抑制[ 11, 12] .据观察,受 300g!g- 11, 2, 4三氯苯
胁迫而停止萌发的大豆种子初生根伸长约 3mm,处
理第 7d即变为黑褐色,停止生长.可见,大豆初生根
长度可作为诊断 1, 2, 4三氯苯毒性的敏感指标.
32 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆下胚轴蛋白质含量
的影响
大豆种子在适宜的环境条件下经过吸胀、萌动、
142 应 用 生 态 学 报 13卷
图 1 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆萌发期间下胚轴和初生根生长的影响
Fig. 1 Ef fects of 1, 2, 4t richlorobenzest ress on grow th of both hypocotyl and root during soybean spout ing.
% 对照 CK, &50g!g- 1, ∋100g!g- 1, (150g!g- 1, )200g!g- 1, ∗ 300g!g- 1.下同 T he same below .
发芽.此阶段中,种子体内各类与萌芽有关的重要酶
如蛋白酶和肽酶等纷纷活化, 将贮藏于子叶中的蛋
白质水解成各种氨基酸, 被转运到胚细胞中重新合
成结构蛋白质, 成为萌生幼叶、幼根的细胞组成成
分.从图 2可见,大豆下胚轴可溶性蛋白质含量随着
生长日龄增加而逐渐下降. 50g!g- 1 1, 2, 4三氯苯
处理对大豆下胚轴可溶性蛋白质含量影响不大; 在
同一生长时期, 随着 1, 2, 4三氯苯浓度的增加, 大
豆下胚轴可溶性蛋白质含量上升;且随着生长日龄
的延长,差异愈明显, 说明 1, 2, 4三氯苯对大豆种
子萌发生长过程中下胚轴的物质转化有明显的抑制
作用, 与孔繁翔等[ 9]研究结果一致. 比较表 2和图 2
结果, 1, 2, 4三氯苯处理后,大豆干重明显下降, 而
其蛋白质含量的增加亦十分明显. 因此, 可以认为,
在 1, 2, 4三氯苯胁迫下大豆幼苗蛋白质含量的增
加是因为其干重下降, 而蛋白质合成受影响相对较
小的原因所致.
33 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆下胚轴 SOD活性和
MDA含量的影响
种子萌发期间的呼吸代谢过程中可产生具有高
毒性的中间产物 + + + 超氧阴离子自由基 ( O-!2 和
!
O2) ,后者能攻击类脂中的不饱和脂肪酸, 并导致膜
脂质过氧化作用,最终造成膜脂和膜蛋白的损伤, 而
使细胞内膜系统破坏. SOD是 O-2 的净化剂, 通过
去除 O-!2 ,以及减少 O-!2 所产生的其它活性氧浓度,
从而对细胞起保护作用. SOD作为植物体内 O-!2 专
一性的清除剂, 在维持机体活性氧代谢的平衡中起
着重要作用.由图 3可见, 在正常条件下, 大豆下胚
轴 SOD活性随着生长日龄延长而逐渐上升,第 4天
达到高峰之后变化不太明显, 基本稳定在一个水平
上.但 1, 2, 4三氯苯处理的大豆下胚轴 SOD活性比
同日龄对照组低. 这可能是由于 SOD是一类含巯基
的酶, 1, 2, 4三氯苯与巯基结合, 破坏酶的活性中
心,从而使酶失去活性. 从图 4 可知, 1, 2, 4三氯苯
对大豆下胚轴 SOD活性的抑制率与 1, 2, 4三氯苯
浓度呈 S型曲线关系, 1, 2, 4三氯苯的敏感浓度范
围是 100~ 200g!g- 1,说明 1, 2, 4三氯苯对大豆生
化毒理的影响存在着典型的剂量效应关系, 即植物
的反应随 1, 2, 4三氯苯浓度增加而增强, 但二者之
间并不是正比关系; 低浓度时,处于起始区, 反应变
化不明显;随着浓度的增加,植物的反应急剧增强;
图 2 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆下胚轴可溶性蛋白质含量的影响
Fig. 2 Effect s of 1, 2, 4trichlorobenze st ress on protein contents of soy
bean hypocotyls.
图 3 1, 2, 4三氯苯胁迫对大豆下胚轴 SOD 活性的影响
Fig. 3 Ef fect of 1, 2, 4t richlorobenzest ress on SOD act ivit ies of soybean
hypocotyls.
1432 期 刘 宛等:氯苯胁迫对大豆种子萌发的伤害
而浓度继续增大时, 反应的变化又不太明显. 与陈愚
等[ 2]、胡家恕等[ 6]和 Kenichro 等[ 10]报道受污染胁
迫的 SOD活性下降的结果相似.
与 SOD活性变化相反, 1, 2, 4三氯苯处理的大豆
下胚轴 MDA含量均高于同日龄对照组,而且随着 1, 2,
4三氯苯的浓度升高而增加(图 5) .研究表明, MDA是
膜脂质过氧化的产物,能与细胞内的核酸和蛋白质等
生物大分子发生反应,生成 Schiff碱,因而引起酶和膜
的严重损伤,膜结构和生理完整性受到破坏, 功能丧
失,进而使萌动种子的生长受到抑制.
图 4 1, 2, 4三氯苯处理 6d对大豆下胚轴 SOD活性的抑制作用
Fig. 4 In hibitory effect of 1, 2, 4t richlorobenze on SOD act ivit ies of soy
bean hypocotyl after 6day t reatment .
图 5 1, 2, 4三氯苯处理对大豆下胚轴丙二醛含量的影响
Fig. 5 Efects of 1, 2, 4t richlorobenzest ress on MDA contents of soybean
hypocotyls.
4 结 论
41 1, 2, 4三氯苯影响大豆种子萌发及生长发育.
大豆种子对不同浓度 1, 2, 4三氯苯的敏感性不同,
50g!g- 11, 2, 4三氯苯对大豆种子萌发及生长影响
不大; 当 1, 2, 4三氯苯浓度为 100~ 200g!g- 1时,
大豆种子的发芽率为 92% ~ 95% ,但是延缓其出苗
速率,抑制幼苗干重、鲜重及下胚轴、初生根长度, 促
进下胚轴的加粗生长. 初生根比下胚轴对 1, 2, 4三
氯苯更为敏感, 更能体现有机污染物毒性的大小.
42 植物在正常生长条件下,其体内 SOD活性维持
较高水平; 1, 2, 4三氯苯胁迫抑制大豆下胚轴 SOD活
性,使 MDA含量升高. 1, 2, 4三氯苯对大豆的毒害作
用存在典型的剂量/反应关系. SOD活性和 MDA含量
变化可作为植物受氯苯胁迫的生态毒理学指标.
43 随着 1, 2, 4三氯苯浓度增加, 大豆下胚轴蛋
白质含量明显升高, 说明 1, 2, 4三氯苯胁迫抑制了
大豆种子萌发过程中的物质转化. 这可能是因为大
豆的生长速率受到抑制,干物质下降,而蛋白质合成
受影响相对较小的原因所致.
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作者简介 刘 宛, 女, 1963 年生,博士,主要从事污染生态
学研究. Email: liuwan63@ hotmail. com
144 应 用 生 态 学 报 13卷