全 文 ：Cu、As 对作物种子萌发和幼苗生长影响的研究 3
刘登义 3 3 　王友保　(安徽师范大学生命科学学院 ,芜湖 241000)
【摘要】　通过水培实验研究了 Cu、As污染对作物种子萌发、幼苗生长及部分酶活性的影响.结果表明 ,Cu、As污
染明显抑制黄豆种子萌发、幼苗生长 ,对作物种子萌发时的呼吸强度、酶活性有显著的抑制作用 ,且随着 Cu、As
浓度的增加 ,抑制作用增强 ,呈负相关 ;而 POD活性则随污染物浓度的增加而增加 ,呈正相关.
关键词 　Cu 　As 　种子萌发 　幼苗生长 　酶活性
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 02 - 0179 - 04 　中图分类号 　X17115 　文献标识码 　A
Effects of Cu and As on germination and seedling growth of crops. L IU Dengyi and WAN G Youbao ( College
of L if e Science , A nhui Norm al U niversity , W uhu 241000) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (2) :179～182.
A solution2culture experiment was carried out to explore effects of Cu and As on the germination and seedling
growth of crops. The results showed that Cu or As pollution could reduce the activites of protease and diastase ,in2
hibit the seedling growth and the respiration rate of germinating seed of soybean. The inhibition was strengthened
with the increase in the concentrations of Cu and As. However ,the activity of POD was increased with the con2
centrations of Cu and As in the exposed solution.
Key words 　Cu , As , Seed germination , Seedling growth , Enzyme activity.
3 教育部留学回归人员基金资助项目.3 3 通讯联系人.
2001 - 04 - 19 收稿 ,2001 - 08 - 06 接受.
1 　引 　　言
随着人们对环境问题认识的不断深入 ,土壤环
境中出现的污染问题引起了人们的广泛关
注[3 ,7 ,10 ,11 ,15 ,16 ] . Cu、As 是有毒的环境污染物质 ,随
着冶金工业的迅猛发展 ,大量 Cu、As 进入环境 ,造
成污染 ,特别是对农作物的生长产生明显危害. 吴燕
玉[14 ] 、胡正义[5 ] 、汪金航[12 ]等先后研究了 Cu、Pb 等
重金属污染物在农田生态系统中的迁移动态和转化
情况 ;郑春荣[20 ] 、余国营[17 ]对 Cu、Pb、Zn 等重金属
污染物对土壤、作物系统影响情况 ,张克云等[19 ]对
水稻2土壤系统对 Cu、As 污染的缓冲作用进行了报
道 ;Abuzid 等[1 ]就 Cu 污染对植物、重金属对玉米幼
苗生长的影响情况进行了较为深入的研究 ;Lapp [6 ]
对 Cu 制品工厂附近土壤 Cu 污染模式和植物的变
化作了报道. 何孟常等[4 ]报道了受污染作物籽实中
As 的分布及结合形态情况 ,朱云集等[22 ]则报道了
As 胁迫对小麦根系生长和活性氧代谢的影响. 但
是 ,有关 Cu、As 污染对作物种子萌发和幼苗生长作
用机制的研究报道较少. 本文通过对 Cu、As 污染对
黄豆、小麦种子萌发、幼苗生长及种子萌发过程中几
种酶活性影响的研究 ,为进一步了解 Cu、As 污染对
作物的影响机制 ,为农业生产上早期检查 Cu、As 对
农作物幼苗生长的有害效应及合理规划农业生产 ,
制定保护农业生态环境对策提供一些实验依据.
2 　材料与方法
211 　实验材料与设计
21111 　供试作物 　六月暴黄豆、矮早 781 小麦种子 ,购于安
徽省肥西县种子公司.
21112 　实验设计 　实验以 Hoagland 营养液为稀释液 ,一次
性加入硫酸铜、亚砷酸钠 ,使溶液含 Cu 量 (以纯 Cu 计算) 分
别为 0、25、50、100、200、400mg·L - 1 ,含 As 量 (以纯 As 计算)
分别为 0、015、1、215、5、715、15、30mg·L - 1 ,以蒸馏水作对
照. 实验设 3 个重复.
212 　测试指标与方法
21211 　种子萌发率与幼苗生长情况测定 　取籽粒饱满、均匀
的上述 2 种作物种子 ,用 015 %的 NaClO 溶液消毒 20min ,冲
洗后 ,分放在各处理液中 ,每处理 30 粒种子 ,23 ℃条件下催
芽 ,每 3d 更换处理液 1 次. 2d 后开始记数发芽率 ,连续观察记
录其发芽情况 ,直至蒸馏水对照的发芽率基本不再变化为止.
本文以胚芽长度达到种子一半为种子发芽的判断标准 [9 ,13 ] .
7d后 ,记录黄豆幼苗鲜重 ,20d 后测量小麦幼苗鲜重. 以上数
据均为各重复组的平均值.另取小麦种子于培养皿中 ,加适量
自来水于 23 ℃培养箱中催芽 48h 后 ,吸去表面的水 ,分别播入
上述处理及对照盆中培养 24h ,每处理 20 粒 ,参照朱广廉 [21 ]
的方法 ,计算有丝分裂指数和相对有丝分裂指数 (以处理组细
胞有丝分裂指数占对照组的百分数表示) .
21212 　呼吸强度测定 　采用小篮子法 [18 ] ,于种子处理、催
芽后的第 3 天 ,测定黄豆的呼吸强度.
应 用 生 态 学 报 　2002 年 2 月 　第 13 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2002 ,13 (2)∶179～182
21213 　蛋白酶活性的测定 　于种子处理后的第 3 天 ,采用
甲醛滴定法[21 ] ,测定黄豆萌发种子的蛋白酶活性 ,以每产生
1mg 氨基酸为 1 个酶活力单位 (mg AA·g - 1·h - 1) .
21214 　淀粉酶活性的测定 　采用 3 ,52二硝基水杨酸还原
法[21 ] ,于种子处理、催芽后 3d ,测定 Cu 处理及蒸馏水对照
小麦淀粉酶活性 ,以光密度变化 01001 为 1 个酶活性单位
(U·min - 1·mg - 1 FW) .
21215 　POD 活性测定 　采用分光光度法 [21 ] ,在 470nm 波
长下测定光密度. 密度的变化值以 △D470·min - 1·mg - 1 FW
表示酶活性单位.
3 　结果与讨论
311 　Cu、As 处理对作物种子发芽率的影响
各处理的发芽率有明显的不同 ,低浓度 Cu、As
对作物种子萌发影响不大 ,1 或 5mg·L - 1 As 作用在
小麦种子萌发初期甚至有促进作用 ,平均高出对照
015 %～3 % ;高浓度的 Cu、As 对种子萌发有抑制作
用 ,且随着浓度的增加 ,抑制作用明显 ,呈显著负相
关 (图 1) . 黄豆种子萌发率与 Cu、As 浓度的相关系
数分别为 - 01897 和 - 01929 ;小麦分别为 - 01917
和 - 01879. 随着天数的增加 ,各处理组种子的发芽
率均有所提高 ,但低浓度处理的发芽速度也变慢 ,这
可能是由于 Cu、As 的富集作用对种子的萌发、代谢
产生了一定的抑制作用. 综上所述 ,发芽抑制物质的
抑制作用并不绝对 ,同一物质不同浓度呈现低促高
抑效应 ,同一浓度的污染物质对不同作物种子的作
用也不同.
图 1 　Cu、As 对作物萌发率的影
Fig. 1 Effects of Cu and As on the germination rate of crop .
Ⅰ1 黄豆 Soybean , Ⅱ1 小麦 Wheat .
312 　Cu、As 处理对作物幼苗生长的影响
Cu、As 处理对作物幼苗生长影响显著 (表 1) .
黄豆与小麦幼苗鲜重随 Cu 浓度的增加而降低 ,相
关系数 r 为 - 01996 和 - 01991 ,与 As 浓度相关系
数 r 分别为 - 01997 和 - 01907 ,均为极显著负相
关. 伴随着 Cu、As 处理液浓度的变化 ,细胞相对有
丝分裂指数也发生较大变化 (图 2) . 在低浓度 As 处
理 (1～5mg·kg - 1) 时 ,细胞相对分裂指数较对照为
高 ,但伴随处理液浓度的增大 ,又很快下降 ,表现出
对细胞分裂的抑制作用 ,其与 As 浓度的相关系数
为 - 01984. 这和受重金属元素影响的种子萌发时 ,
其幼苗根尖细胞有丝分裂数明显减少 ,分裂速度减
慢 ,以致生物量减少的报道相符合[2 ] . 此外 ,对根部
生长观察也显示 ,高浓度 Cu、As 处理的根系生长不
良 ,侧根生长异常 ,侧根数明显减少 ,有的甚至无侧
根. 究其原因 ,可能是因为在溶液中 Cu、As 毒害根
系 ,抑制根系生长 ,甚至腐烂 ,影响根系对营养元素
的吸收 ,阻碍水分运输 ,干扰酶促反应 ,影响植物的
生长 ,从而使小麦表现出生长的不良现象[8 ] .
表 1 　Cu、As 处理对作物幼苗鲜重的影响
Table 1 Effects of Cu and As on fresh weight of the tested crops( g)
Cu
(mg·L - 1)
黄 　豆
Soybean
As
(mg·L - 1)
黄 　豆
Soybean
Cu
(mg·L - 1)
小 　麦
Wheat
As
(mg·L - 1)
小 　麦
Wheat
0 210362 0 210362 0 013450 0 013450
25 118467 015 115723 50 013233 1 013455
50 118071 215 114562 100 013032 5 012429
100 115504 715 111812 200 012110 15 012373
200 111324 15 018623 400 011140 30 011531
图 2 　Cu 处理对小麦细胞相对有丝分裂指数的影响
Fig. 2 Effects of Cu treatments on relative mitosis index of wheat .
081 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
313 　Cu、As 处理对萌发黄豆种子呼吸强度的影响
Cu、As 对萌发黄豆种子的呼吸强度有明显影
响 ,随着处理液浓度的增加 ,呼吸强度降低 (表 2) ,
呈显著或极显著负相关 ,其与 Cu 浓度的相关方程
为 y = 01301 - 010012 x ,相关系数 r = - 01843 ;与
As浓度的相关方程为 y = 01229 - 01009 x ,相关系
数 r = - 01781. 呼吸底物的氧化分解可形成大量生
物能 (A TP)和新物质 ,因此呼吸作用不仅与种子中
贮存物质的分解有关 ,也与新物质的合成相联系 ,而
且对其他生理生化过程也有重要影响. 处理液对种
子呼吸作用的抑制必然会影响种子萌发过程中的一
系列生理生化变化 ,影响种子的萌发.
表 2 　Cu、As 处理对萌发黄豆种子呼吸强度的影响
Table 2 Effects of Cu and As treatments on the respiration rate of soy2
bean( mg·L - 1)
CK Cu
25 50 100 200
As
015 215 715 15
01366 01327 01227 01106 01098 01253 01183 01103 01092
314 　Cu、As处理对种子水解酶活性的影响
低浓度 Cu、As 和高浓度 Cu、As 处理对作物水
解酶活性具有相反的效应. 浓度低时 As 对蛋白酶
活性有一定促进作用 ,促进蛋白质分解 ,为种子萌发
及生长提供物质和能量 ,但当浓度增加时 ,酶活力明
显降低 ,表现出黄豆种子萌发过程中蛋白酶活性的
受抑制作用 ,且抑制作用随 As 浓度的升高而增强
(图 3) ,对其进行相关分析 ,蛋白酶活性与 As 浓度
的回归方程为 y = 01106 - 01004 x ,相关系数 r = -
01867 ;表明黄豆种子蛋白酶活性与 As 浓度呈显著
负相关. Cu 对小麦淀粉酶活性具有和上述类似的特
性 (图 4) . 水解酶活性增强 ,能促进淀粉、蛋白质等
的分解 ,为种子萌发提供物质和能量 ,增强种子内贮
存物质的分解代谢能力 ,这与上面所说的低浓度促
图 3 　As 污染对黄豆萌发种子蛋白酶活性的影响
Fig. 3 Effects of As treatments on the protease activity of soybean.
进萌发是一致的. 但当浓度增加时 ,酶活力明显降
低 ,这样就抑制了种子贮存物质的分解速度 ,同时也
影响了新物质的合成 ,对植物细胞产生毒害 ,致使呼
吸作用减弱 ,导致种子萌发过程中能量产生和利用
率降低 ,故高浓度下种子的萌发率低 ,幼苗瘦小.
图 4 　Cu 毒害对小麦淀粉酶活性的影响
Fig. 4 Effects of Cu on diastase activity of wheat .
315 　Cu 、As 处理对种子 POD 活性的影响
随 Cu 、As 浓度的增加 ,黄豆和小麦 POD 活性
急剧上升 (图 5) ,进行相关分析得黄豆 POD 活性与
As 浓度的相关系数 r = 01974 ;小麦 POD 活性与 Cu
浓度相关系数 r = 01979 ,均为极显著正相关. POD
是植物体内常见的氧化还原酶[16 ] ,它可催化有毒物
质氧化分解 ,它又是一种对环境因子十分敏感的酶.
当环境被污染时 ,其活性和同工酶都会发生急剧变
化. POD 活性的增加是由于 Cu、As 进入植物体内后
通过一系列生理生化反应产生了对自身有害的过氧
化物 ,随着这种物质的增加 ,过氧化物酶利用 H2O2
来催化这些对自身有害的过氧化物的氧化分解. 因
此 ,随植物体内这些过氧化物酶的底物浓度的增加 ,
致使 POD 活性逐渐增加 ,通过测定过氧化物酶活性
可以检测 Cu、As 的污染.
图 5 　As 对黄豆萌发种子 POD 活性的影响
Fig. 5 Effects of As on the POD activity of soybean.
1812 期 　　　　　　　　　　　　刘登义等 :Cu、As 对作物种子萌发和幼苗生长影响的研究 　　　　　　　　
图 6 　Cu 对小麦种子 POD 活性的影响
Fig. 6 Effects of Cu on the POD activity of wheat .
4 　结 　　语
种子萌发过程需要大量能量和物质 ,这些能量
和物质完全来源于贮存物质的氧化分解、释放能量 ,
而贮存物质的分解需要大量酶的参与[8 ] . 黄豆和小
麦分属蛋白型与淀粉型种子 ,种子中的贮存物质分
别含有较多的蛋白质和淀粉 ,蛋白酶、淀粉酶便成了
它们萌发的重要酶. 蛋白质和淀粉分解能提供作物
幼胚发育所需的能源、C 源和制造新组织的主要原
料. 环境中的 Cu、As 通过抑制作物种子萌发过程蛋
白酶、淀粉酶活性和呼吸强度 ,降低贮存物质分解速
度 ,使种子萌发所需物质和能量供应受阻 ,从而使萌
发率降低. 幼苗生长过程中 ,Cu、As 毒害根系 ,抑制
根尖细胞有丝分裂 ,抑制根系正常发育 ,干扰酶促反
应 ,对作物幼苗生长产生不良影响.
细胞有丝分裂指数代表细胞群体中每一个细胞
进行有丝分裂所需时间占细胞周期持续时间的平均
数 ,其值越高 ,细胞分裂速度越快 ,植物生长越旺盛 ,
反之 ,则生长不良. 通过测定细胞有丝分裂指数 ,有
助于了解植物的生长状况和环境胁迫对植物生长的
影响.
POD 活性可作为农作物受污染程度监测的生
理指标.
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作者简介 　刘登义 ,男 ,1958 年 9 月生 ,博士 ,教授 ,博导. 主
要从事植物种群生态学、生物多样性及其保护和污染生态学
研究 ,已发表论文 40 余篇 ,出版专著两部. E2mail :ldy @mail.
ahnu. edu. cn
281 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷