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Effects of heavy metal on Astragalus membranaceus seeds germinationand physiological target

重金属对膜荚黄芪种子生长及抗氧化系统的影响



全 文 :!资源与鉴定!
重金属对膜荚黄芪种子生长及抗氧化系统的影响
杨光! 钱丹! 郭兰萍!! 陈敏! 黄璐琦! 韩晓丽! 周洁
中国中医科学院 中药研究所! 北京 $$%$$ #
$摘要%!目的&研究重金属对中药黄芪种子生长及抗氧化系统的影响( 方法&对 ) 种常见重金属的 个浓度对中药材黄
芪种子的发芽率$发芽势$发芽指数$幼苗的根长$苗鲜重$可溶性蛋白$抗氧化酶系统$电导率等指标进行了测定和分析( 结
果&不同种类及浓度的重金属溶液对黄芪种子的发芽率有抑制作用$部分浓度与对照出现显著差异)对黄芪种子的发芽势抑
制作用不明显$除G]

外$其余均未与数均与金属浓度相关$高浓度重金属与中低浓度及溶性蛋白浓度均有所增加)重金属处理下植物电导率均增加$高浓度处理与低浓度及对照间呈显著差异( 结论&重金属对黄
芪种子生长及抗氧化系统存在显著影响(
$关键词%!重金属)中药)黄芪)种子萌发)抗氧化系统
$稿件编号%!+$$*($$%
$基金项目%!国家自然科学基金项目!)$#%+##)国家重点基础研
究发展计划!*%)项目!+$$#!+$$#M4:$*M$)
$通信作者%!!郭兰萍$研究员$主要从事中药资源学研究$NQV#
!$$#&$*&&$H50BRV# DVA$3+#f./0
!!重金属为环境中常见污染物之一$对生态系统
的各要素有着广泛的影响( 铜!!G]为常见重金属$同时是环境中危害性较强的重
金属( 环境$带来一定的环境风险( 农药使用频繁的土壤
伴生有痕量含量增高( G] 则多由汽车尾气和粉尘污染带来(
随着化肥及农药的使用增加$中药种植过程的环境
污染风险也不断增加*+ (
重金属对植物的影响是广泛的$在种子时期$重
金属可以影响植物种子的萌发及生理代谢$相关研
究多集中于小麦%水稻及蔬菜等农作物和经济作物$
而对药用植物的研究报道较为少见( 有关重金属对
植物种子萌发及生理指标的影响报道并不一致$有
报道认为重金属对种子发芽率没有影响$对幼苗的
根尖伸长有影响$也有报道认为$重金属对种子的发
芽率存在影响( 过氧化物酶 GOI!AQC/7RUBSQ和过
氧化氢酶<4N!.B@BVBSQ为植物抗氧化系统的重要
酶$但在重金属对植物抗氧系统的作用和敏感性还
存在争议*+5*+ ( 因此研究重金属对中药种子萌发和
生理指标的影响十分必要(
膜荚黄芪 #$%&&()$*+*,%&-&.+)$!ERS?fMDQ
为中药黄芪来源之一( 为我国常用名贵中药材$具
有补气固表%利尿之功效( 在作为常用中药的同时$
黄芪还作为保健食品广泛应用$民间有冬令取黄芪
配成滋补强身之食品的习惯$因此黄芪年消耗量十
分庞大( 有报道称黄芪药材存在一定的重金属超标
现象$+$$ 年版&中国药典首次对 # 种中药材单品
种进行重金属含量限定$其中就包括黄芪**5$+ ( 因
此$本实验选取黄芪作为研究对象$就有害元素对黄
芪种子及幼苗的生理影响进行研究( 对 的 个不同浓度对膜荚黄芪的发芽率$发芽势$发芽
指数$幼苗根长$幼苗重$抗氧化系统$电导率等进行
了测定( 为重金属对中药材种子萌发期毒性提供了
评价依据$对减少中药种植过程中重金属类农药的
使用提供了理论依据(
!材料
]!种子来源!黄芪种子来源为膜荚黄芪#/*+*0
,%&-&.+)$$由本课题组成员采于山东$种子活力良
好$预实验测定种子发芽率约为 ($g(
]!培养条件!培养容器为 *$ 00玻璃培养皿$
-*$-
第 ) 卷第 * 期
+$$ 年 月
!!!!!! ! ! ! ! !!!!!! ! ! ! !
\/Vf)$ :SSWQ!*
9B6$ +$$
培养皿洗净后放入 张滤纸后$共同放入高压灭菌
锅中$+ h灭菌 +$ 0R2后取出$备用(
铜!)

+
-)J
+
O$相对分子质量
为 +&f#)铅 G] 采用 G]!;O
)

+
$相对分子质量为
))f+))镉!)

+
-&J
+
O$相对分子
质量为 )$(f&%)试剂均为分析纯$溶液由蒸馏水配
制$空白对照!<[为蒸馏水代替重金属溶液$其余
操作相同( 参考相关研究文献$每种重金属设置
个浓度$按纯重金属浓度计算*$%$++ (
$
+
$)
$&
$
分别为 $f$$$f$$+$$#$ 0D-
F
d
)G]组G]

$G]
+
$G]
)
$G]
&
$G]

分别为 $$+$$$$$
&$$$($$ 0D-F
d
)
$+
$)
$&
$
分别
为 $$$+$$)$$ 0D-Fd( 培养条件为光照恒温
培养箱培养$光照时数 + ? =+& ?$温度恒温 + h$
培养箱湿度 )$g(
!方法
]!种子萌发指标的测定!以黄芪种芽伸长超过
种子的一半!约 +f 00作为发芽的评价标准$处
理后的第 天开始计数$由预实验可知膜荚黄芪发
芽较快$ 周内基本全部萌发$因此选择测定 % U 发
芽率$选择 ) U测定发芽势(
发芽率 e% U 内正常发芽的种子数=供试种子数 i
$$g)
发芽势 e) U 内正常发芽的种子数=供试种子数 i
$$g)
发芽指数e

123$其中1为时间内的发芽数$3为
相应的发芽天数!e$+,,%(
种子发芽后测定根尖长度$用电子游标卡尺进
行测量$以幼苗绿色与白色的分界线为根的开始点
进行测定$记录结果( 测定根长后的幼苗放在滤纸
上$用吸水纸轻轻擦去表面水分$分析天平测定幼苗
质量$记录实验数据(
]!幼苗!% U生理指标的测定!GOI的提取和
测定# D叶片加入 $ 00/V-Fd磷酸缓冲液!AJ
%f($含 +g的聚乙烯吡咯烷酮$研磨$& h ( $$$ C
-0R2
d离心 +$ 0R2$上清液定容至 0F( GOI活
性测定按bCBWS和EVQ@.?QC方法进行 ) 0F反应混合
液中含 $f+g愈创木酚 $f* 0F$$ 00/V-Fd GM8
!AJ%f$ 0F$酶液 $f$ 0F$$f)g过氧化氢
0F( 记录 0R2 内 &%$ 20下的光吸收值变化(
GOI活性!_-Dd-0R2d e
#
#
&%$
i4
5
26i4
7
i
$f$ i
*+
(
<4N的提取和测定#取新鲜植物材料$+f D加
入 AJ%f( 的磷酸缓冲液少量$研磨成匀浆$转移至
+ 0F量瓶中$用该缓冲液定容$& $$$ C-0R2d离
心 0R2$即得酶提取液( 将提取酶液 + h下预热
后$测定对 J
+
O
+
的催化效率$对照为沸煮酶液(
<4N活性!_-Dd-0R2d e
#
#
+&$
i4
5
2$f i
4$ii6
*+
(
蛋白浓度的测定#按上述酶液提取方法$AJ%f(
磷酸缓冲液提取酶$取适量样品液$根据蛋白质浓
度$磷酸缓冲液适当稀释后$用紫外分光光度法测定
+($$+#$ 20波长下读取吸光度值( 蛋白质含量 e
!f&#
+($
d$f%&#
+#$
i-=样品重i$$g*+ (
电导率的测定#采用电导率测定仪进行测定$取
黄芪幼苗 + j) 个$高纯水冲洗数次后置于 0F离
心管中$加入灭菌高纯水 $ 0F后读取读数 &

$+
h室温静止 )$ 0R2读取读数 &
+
$将离心管置于沸水
浴煮沸 )$ 0R2 后读取 &
)
$按公式计算电导率 e
!&
+
d&

=!&
)
d&


*+
(
]&!数据统计和 8G88 分析!用 8G88 软件进行数
据分析$对不同的处理进行方差齐性检验$并且对指
标进行F8I分析(
&!结果
&]!种子萌发指标的测定结果!金属 个处理的平均发芽率均低于对照组$方差分
析显示$部分处理!
$+
$G]

$G]
+
$G]

$+
$)
$
&
$
与<[呈显著差异( 率显示出强抑制性$G]

则强烈抑制了黄芪种子的萌
发$
外其余与
<[差异显著( 重金属胁迫下膜荚黄芪种子的前 ) U
发芽势均有降低$但降低不显著$除 G]

外$其余均
与<[未形成显著差异( ) 种重金属的 个浓度均
降低了黄芪种子的发芽指数$且均呈显著差异$但不
同浓度处理间差异不显著( G]

对种子发芽指数影
响最大$与G]其他浓度差异显著( 见表 (
实验过程中发现重金属强烈抑制了黄芪根尖的
生长$抑制效果与浓度有关#低浓度重金属抑制作用
不明显$根尖有变红的趋势)中浓度的根尖伸长则受
到明显抑制$根尖为明显的红色)在高浓度胁迫下$
根尖的伸长受到强烈抑制$根尖几乎停止生长$呈深
棕色$见图 ( 通过方差分析可知$在
与<[间未形成显著差异$其余均与 <[ 组形成
显著差异( -#*$-
第 ) 卷第 * 期
+$$ 年 月
!!!!!! ! ! ! ! !!!!!! ! ! ! !
\/Vf)$ :SSWQ!*
9B6$ +$$
!!
表 !重金属对膜荚黄芪种子萌发指标分析!
$
8k$$-e&
分组 发芽率 发芽势 发芽指数 根长=.0 苗重=D
$f%) k$f$)
B
$f## k$f$(
B
)&f*% k&f+(
B
%f* k+f)+
B
$f$&$ k$f$$
B
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B
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B
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B
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]
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U
$f$) k$f$$)
B
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.
$f&$ k$f$
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.
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U
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B
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]
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B
!+
$f#& k$f$%
]
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B
+)f% k+f&
].
*f$ k$f(
]
$f$)% k$f$$)
B
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.
$f#( k$f$#
B
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.
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.
$f$) k$f$$+
]
!&
$f#& k$f$+
]
$f# k$f$%
B
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].
&f k$f(
.U
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]
!
$f( k$f$#
].
$f* k$f$
B
+&f* kf#
].
)f)( k$f
U
$f$+* k$f$$)
]
!!注#同一列不同小写字母表示差异显著$9l$f$!表 + 同(
图 !不同处理下的黄芪幼苗形态
显著( G]组各处理均与 <[ 形成显著差异$高浓度
与低浓度差异显著( 浓度组与 <[ 组均形成显著差别$且随着浓度的增
高$可见$重金属对黄芪根尖生长有强烈的抑制作用$其
显著抑制根尖的伸长( 重金属处理均降低了黄芪幼
苗的鲜重$并且浓度与苗鲜重呈负相关$高浓度显著
降低了黄芪的苗重$其中
$G]

$)
$&
$

与<[差异达到显著水平(
&]!生理指标测定结果!) 种重金属 个浓度均
提高了黄芪幼苗的 GOI活性$部分与 <[ 达到显著
差异水平( 并且 ) 种重金属处理下$随着浓度增加$
GOI表现出先增高后降低的趋势$见表 +( 此结果
与本课题组在干旱胁迫下苍术幼苗生理变化的趋势
相似*)+ (
) 种重金属对<4N的影响不明显$各处理多未
与<[ 达到显著差异水平( <4N的变化不明显$可
能与处理时间有关$<4N各个处理间未出现变化的
原因可能与胁迫时间有关$由于酶的测定样品为处
理 % U后的黄芪幼苗$而<4N为一种含铁蛋白酶$特
异性催化J
+
O
+
$而J
+
O
+
分解较快$导致酶活性的下
降( <4N酶活性的无差异可能是由于长时间胁迫
!% U造成的( 重金属胁迫下黄芪幼苗的蛋白浓度
均有增加$并且其增加量与重金属浓度相关( 高浓
<[ 差异达到显著水平( ) 种重金属随着浓度的增
加$电导率成增加趋势$其中高浓度与低浓度及 <[
间差异显著( 说明在低浓度重金属胁迫对细胞膜通
透性的损伤不明显$但高浓度重金属明显损伤了植
物细胞膜的通透性(
Y!讨论
Y]!重金属对黄芪种子萌发指标影响!在 ) 种重
金属 个浓度的影响下$对种子萌发指标的影响与
发芽时间相关( 表现为重金属处理下$发芽指数均
-%*$-
第 ) 卷第 * 期
+$$ 年 月
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\/Vf)$ :SSWQ!*
9B6$ +$$
!!
表 +!重金属对膜荚黄芪种子生理指标测定!
$
8k$$-e)
分组
GOI=_-D
d
-0R2
d
<4N=_-D
d
-0R2
d 蛋白浓度=g 电导率=g
<[
+f*
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.
+$$
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B]
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k$f$%
B
与<[ 存在显著差异$发芽指数的计算过程除了考
虑发芽数目外$还考虑了发芽时间( 因此推测重金
属影响种子发芽指数与发芽时间有关( 同时$实验
结果表明$根尖的伸长仍是重金属影响幼苗的敏感
指标(
Y]!重金属对黄芪种子萌发指标影响!在重金属
处理下$GOI的活性显著增高( GOI的增高可能与
植物受到重金属胁迫引起的氧化损伤有关( 然而高
浓度重金属反而抑制了GOI活性$可能与植物生长
状态有关$在高浓度重金属胁迫下植物生长受到严
重抑制$GOI酶的产生也受到了一定的抑制( 重金
属胁迫显著提高了GOI的活性( 但 GOI的影响因
素较多$不同浓度处理间GOI活性可能受到了植物
生长状态%新陈代谢状态的影响$但整体上讲重金属
胁迫下GOI活性显著得到提高(
重金属引起的植株生理变化是复杂的$可能
涉及到多方面的机制( 在高浓度的重金属处理
下$重金属透过细胞膜进入细胞内部$在重金属
穿越细胞质膜过程中可能导致细胞损伤$进一步
引起脂质过氧化( 从而诱导 <4N$GOI等抗氧化
酶系统的启动$相应基因表达增加( 同时$植物
分泌植物络合素对根外重金属进行络合$分泌相
应转运蛋白将重金属存储于植物液泡中( 因此
在随着重金属胁迫浓度的增高$植物体内总蛋白
水平成升高趋势(
$参考文献%
* +!韩小丽$张小波$郭兰萍$等f中药材重金属污染现状的统计
分析*X+f中国中药杂志$ +$$($ ))!(# +$&f
* + +!陶玲$任琚$祝广华$等f重金属对植物种子萌发的影响研究
进展*X+f农业环境科学学报$+$$%$+#!增刊# +f
* ) +!宋玉芳$周启星$许华夏f重金属对土壤中小麦种子发芽与根
伸长抑制的生态毒性*X+f应用生态学报$+$$+$)!&#&*f
* & +!FQ?2QC4$MBRV6<$EVQ.?QVM$Q@BV-0R2B@R/2 B]RVR@6$S/VW]VQ.BC]/?6UCB@QB2U B2@R/7RUB2@Q2Y60QB.5
@RcR@RQSR2 @?QQ0]C6/UWCR2D@?QUQSR..B@R/2 A?BSQ/T0B@WCB@R/2
*X+-X* +!朱宇林$曹福亮$汪贵斌$等-影响*X+f种子$+$$#$+!)#)f
* # +!张芬琴$金自学f两种豆科作物的种子萌发对 不同响应*X+f农业环境科学学报$+$$)$++!## ##$f
* % +!刘文莉$金则新$柯世省f铜对夏蜡梅种子萌发代谢的影响
*X+-云南农业大学学报$ +$$%$ ++!#)+f
* ( +!李伟强$毛任钊$刘小京f胁迫时间与非毒性离子对重金属
抑制拟南芥种子发芽及幼苗生长的影响*X+f应用生态学报$
+$$$ #!$#*&)f
* * +!王允飞$李继红f原子吸收分光光度法对东北黄芪中微量元
素的全分析*X+f化学工程师$ +$$$+!# )%f
*$+!中国药典f一部*8+f+$$#)$+#%f
*+!王学奎f植物生理生化实验原理和技术*9+-+ 版-北京#高
等教育出版社$+$$##f
*++!付世景$宗良纲$张丽娜$等-镉%铅对板蓝根种子发芽及抗氧
化系统的影响*X+f种子$ +$$%$ +#!)#&f
*)+!周洁$黄璐琦$郭兰萍$等-干旱胁迫下苍术幼苗生理特性变
化研究*X+-中国中药杂志$+$$($ ))!*# +#)f
-(*$-
第 ) 卷第 * 期
+$$ 年 月
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)I>QAH?IB>,OC +>A,.?@!#$%&%()*)+$%,%-*(H>>EHR>D+-@,A-?@
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*3KHAD,QA+!5KX>QA-O>#N/S@WU6@?QQTQ.@S/T?QBc60Q@BVS/2 DQC0R2B@R/2 B2U B2@R/7RUB2@S6S@Q0S/T@?QSQQUS/T#$%&&()$
*+*,%&-&.+)$-;>AB?E# N?QSQQUS,QCQ@CQB@QU ,R@? @?CQQURTQCQ2@?QBc60Q@BVS!Q2QCD6$ DQC0R2B@R/2 R2UQ7$SQQUVR2DC//@VQ2D@?$SQQUVR2DTCQS? ,QRD?@$S/VW]VQAC/@QR2$B2@R/7RUB2@Q2Y60QS6S@Q0S$QVQ.@CR.BV./2UW.5
@RcR@6,QCQUQ@Q.@QU B2U B2BV6YQU-7>HF.A# N?QCQSWV@SR2UR.B@QU @?B@BV/T@?Q@?CQQ[R2US/T?QBc60Q@BVS?BU BSRD2RTR.B2@QTQ.@/2
@?QSQQU DQC0R2B@R/2 R2UQ7B@URTQCQ2@VQcQVS/T./2.Q2@CB@R/2SQ7.QA@DQC0R2B@R2DB]RVR@6-IRTQCQ2@[R2US/T?QBc60Q@BVS./WVU BVS/Q25
?B2.Q@?QcR@BVR@6/TGOIB2U <4N$R2.CQBSQ@?QQVQ.@CR.BV./2UW.@RcR@6B2U @?Q./2.Q2@CB@R/2 /TS/VW]VQAC/@QR2-/?@Q.FH-?@#:@.B2 ]Q
./2.VWUQU @?B@?QBc60Q@BVS?BcQBSRD2RTR.B2@QTQ.@/2 @?QDC/,@? B2U B2@R/7RUB2@S6S@Q0/T@?QSQQU-
* >^C S?DEH+!?QBc60Q@BVS) @CBUR@R/2BVE?-# (_Y[\NQXQ++(((#(
$责任编辑!吕冬梅%
全国第十次中药鉴定学术会议征文通知第一轮(
中华中医药学会中药鉴定分会定于 +$$ 年 % 月在陕西省咸阳市召开.全国第十次中药鉴定学术研讨会/$会期 ) 天( 会
议将邀请著名专家及相关人士就中药鉴定与品质评价%中药质量标准化%信息化%网络化进展情况)中药资源开发及可持续利
用%中药鉴定学和生药学教学及实验%教材与标本等问题做专题报告( 相关征文事宜通知如下#
!征文内容
#
中药鉴定学及生药学的新方法%新技术%新思路%新观点)
$
中药质量标准研究%品质评价相关内容)
%
中药品种考证及
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道地药材%中药资源开发与可持续利用研究及中药材规范化种植!L4G%采收期%加工%储藏%保管等相关内容)

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中药标
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标本馆现代化管理及网络技术平台的建设(
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