全 文 ：收稿日期:2007-09-18
基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAD26B0401)·作者简介:曹成有(1969-),男 ,黑龙江佳木斯人 ,东北大学副教授·
第29卷第8期
2 00 8年 8月
东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Journal of Northeastern University(Natural Science)
Vol.29 ,No.8
Aug.2 0 0 8
铜对三种豆科植物萌发及
早期生长发育的抑制效应
曹成有 , 高菲菲 , 邵建飞 , 许　慧
(东北大学 理学院 , 辽宁 沈阳　110004)
摘　　　要:采用水培实验研究了 Cu2+对种子萌发和胚根胚芽伸长的抑制效应;采用盆栽实验研究了土壤
中不同含量 Cu 对植物地上 、地下部分长度和质量以及叶绿素含量的影响·结果表明:质量浓度≥400 mg·L-1
的 Cu2+水溶液对三种植物种子的萌发产生显著的抑制作用 ,质量浓度越高阻抑越明显 , 对紫花苜蓿的抑制效
应小于红三叶和沙打旺;对胚根伸长的抑制作用大于芽·过量 Cu2+可显著降低植物叶绿素的含量 , 并对地上
部分的生长产生明显的抑制作用;对紫花苜蓿及红三叶根系长度和质量有明显的促进作用 ,而对沙打旺则有
明显的抑制作用·总体来看 , 紫花苜蓿对 Cu 污染的耐受程度大于红三叶和沙打旺·
关　键　词:铜;豆科植物;种子萌发;植物生长;抑制率;土壤污染
中图分类号:X 5;Q 14　　　文献标识码:A　　　文章编号:1005-3026(2008)08-1183-04
Inhibition Effect of Copper on Seed Germination and Seedling
Growth of Three Leguminous Plants
CAO Cheng-you , GAO Fei-fei , SHAO J ian-fei , XU Hui
(School of Sciences , Northeastern University , Shenyang 110004 , China.Correspondent:CAO Cheng-you ,
associa te professo r , E-mail:caochengyou @ 163.com)
Abstract:The inhibition effects of Cu2+ on seed germination and radicle/germ elongation w ere
studied via hydroponical experiment , and the ef fects of dif ferent Cu2+ contents in soil on the
leng th , weight and chlorophyll content of above-ground and underg round parts of plants w ere
studied via pot culture experiment.The results revealed that the aqueous solution in w hich the
Cu
2+
mass concentration ≥400 mg·L-1 obviously inhibits the seed germinat ion of the three
plants:Medicago sat iva , Tri folium pratense and Astragalus adsurgens.The higher the Cu2+
mass concentration , the more obvious the inhibition effect , and the inhibition effect on the fi rst
one is lower than that on the o ther tw o.In addition , the inhibition effect on the elongation of
radicle is higher than that on germ .Excessive Cu2+ content w ill lower the chlo rophyll content in
plants with obvious inhibition effect on the grow th of above-ground parts of plants.However , the
Cu2+ content clearly accelerates the grow th of leng th and weight of the roo t system of M .sativa
and T .pratense , but i t inhibits that of A .adsurgens obviously .As a whole , the endurability of
M .sat iva to Cu pollution is higher than that of the other tw o plants.
Key words:copper;leguminous plant;seed germination;plant grow th;inhibi tion rate;soil
pollution
近年来 ,随着矿产的大量开采和冶金工业的
迅速发展 ,大量重金属 ,如 Cu , Pb , Zn 等 ,进入环
境 ,对环境造成严重污染·金属在环境中很难降
解 ,并能通过食物链富集放大;因此 ,对其环境毒
性效应的研究受到高度重视·Cu污染物在生态系
统中的危害也引起了国内外有关研究人员的重
视[ 1-3]·铜对植物生长发育的影响 ,国内外都做
了不少研究 ,但多集中于铜抑制光合作用 ,降低植
物产品的产量和质量等方面 ,对影响植物萌发和
早期生长的研究报道不多·从研究对象看 ,多为水
稻 、小麦 、玉米等农作物 ,而对于豆科植物受重金
属毒害的研究甚少[ 4-6]·从重金属污染修复研究
看 ,关于生物修复方式的探讨与尝试是当今一个
热点问题·为探讨铜对豆科植物萌发及早期生长
发育的影响 ,本文以紫花苜蓿 、红三叶和沙打旺为
实验材料 ,采用溶液培养和盆栽的方法 ,分别研究
了不同质量浓度的铜溶液对 3种豆科植物萌发
率 、根系发育状况的影响和土壤中不同含量的铜
对植株早期生长发育状况等方面的影响 ,以期为
Cu污染土壤的生物修复提供一定的参考·
1　材料与方法
1.1　供试材料
供试材料:紫花苜蓿(Medicago sativa)、红三
叶(Tri folium pratense)和沙打旺(Astragalus
adsurgens), 种子均来自辽宁省农业科学院;
CuSO4·5H2O ,为分析纯·
1.2　种子萌发实验
挑选饱满 、无虫害的种子 , 用质量分数为
0.1%的 KMnO4 消毒 15 min ,取出用蒸馏水洗
净 ,晾干 ,摆放到平铺 3 层定性滤纸的培养皿中
(培养皿及滤纸提前高压蒸气灭菌),每皿 50粒 ,5
个重复·向各皿分别加入质量浓度为 0 ,400 , 800
和1 200 mg·L-1的Cu2+溶液 10 mL 左右 ,以种子
湿润为宜·在光照培养箱中培养 ,光照时段 15 h ,
28 ℃;黑暗时段 9 h ,16 ℃·一旦胚芽出现则认为
已经萌发·逐日观察记录 ,并用称重法补充蒸发的
水分 ,使各处理液质量浓度维持不变·持续记录
16 d·发芽实验结束后 ,每个处理分别随机选择 30
粒种子 ,测定种子胚根长 、芽长 ,并计算种子的发
芽率和发芽势·
发芽率(%)=供试种子的发芽数/供试种子
数×100%;发芽势(%)=4天内供试种子的发芽
数/供试种子数×100%;抑制率=(对照-处理)/
对照×100 %[ 3]·
1.3　盆栽实验
土壤为 0 ～ 20 cm无污染的表层土 ,采自沈阳
市郊区;土壤类型为潮棕壤 ,其基本理化性质为:
容重 1.41 g·cm-3 ,有机质 46.49 g·kg -1 , 全氮
0.95 g·kg -1 , 全磷 1.30 g·kg-1 ,速效钾 154.16
mg·kg -1·风干后过 2 mm 筛·基肥按每千克土尿
素 0.025 g , KH2PO4 0.1 g , KCl 0.1 g 比例施入 ,
同时将Cu2+按每千克土 0 ,400 , 800 , 1 200 mg 分
别施入·外加物质与土壤充分混匀后 ,装入长 40
cm 、宽 25 cm 、高 20 cm 的方形培养箱中 ,每箱 15
kg 土 ,浇水平衡 14 d后将紫花苜蓿 、红三叶和沙
打旺幼苗移入 ,每箱约 100株·培养 40 d后 ,收获
全植株;每个处理分别随机选择 30株 ,用游标卡
尺测定幼苗的根长 、株高;洗净附在根 、茎 、叶上的
土粒 ,然后在 105 ℃下杀青 30 min ,70 ℃烘干 ,分
别测量根重 、地上重和全株重·
叶绿素含量的测定采用 95%乙醇提取法[ 7] ·
数据用SPSS11.0软件处理 ,用 S tudent-Newman-
Keuls法进行多重比较 ,并在 5%水平下检验均值
间差异的显著性·
2　结果与讨论
2.1　Cu2+对 3种豆科植物种子萌发的抑制
高质量浓度的 Cu2+溶液(≥400 mg·L-1)对
供试植物种子萌发有阻抑作用 ,并且质量浓度越
高 ,阻抑越明显(图 1)·方差分析表明 , Cu2+各胁
迫质量浓度对紫花苜蓿 、红三叶和沙打旺种子萌
发率的影响均达到显著水平·3种植物的种子萌
发率均随着 Cu2+质量浓度的增加而下降·多重比
较表明:Cu2+胁迫下紫花苜蓿种子萌发率在 3个
处理间及与对照间的差异均达到极显著水平;红
图 1　不同质量浓度 Cu2+溶液处理下种子累积萌发率和萌发进程
Fig.1　Accumulative percentage germination and germinating process with
seeds treated by Cu2+ solution of different mass concentrations
(a)—紫花苜蓿;(b)—沙打旺;(c)—红三叶·
1184 东北大学学报(自然科学版)　　　　　　 　　　　　第 29卷
三叶和沙打旺仅在 400 mg·L-1处理间与对照间
的差异达到极显著水平 , 而在 400 , 800 , 1 200
mg·L-1处理间的差异不显著·不同质量浓度的
Cu
2+溶液对种子萌发进程也有较大影响 ,发芽势
的变化规律与发芽率基本相同·由表 1可见 ,溶液
中Cu2+质量浓度达到400mg·L-1时 ,3种植物的
萌发率和发芽势均受到明显抑制 ,随着质量浓度
的增加 ,抑制率增加·可能的原因是 Cu 与种子中
的蛋白质特别是与萌发有关的酶发生了反应 ,产
生刺激物质或毒性而影响了萌发[ 8-10] ·但 Cu2+
对不同植物的抑制程度不同 ,其中对紫花苜蓿的
抑制率明显小于红三叶和沙打旺·种子发芽过程
除了受外界环境影响外 ,主要受胚内物质尤其是
酶活性的影响 ,这些活性物质的种类和数量不同 ,
造成了不同植物对外源 Cu2+的敏感程度不同·
Cu2+对 3种植物萌发过程中胚根和芽的伸
长均有明显抑制 ,而且对胚根伸长的抑制效应大
于芽 ,对胚根伸长的抑制率均在 90%以上 ,对芽
长的抑制率在 68%～ 85%(表 1)·
表 1　不同质量浓度 Cu2+溶液对种子发芽率 、发芽势 、胚根和芽伸长的抑制率
Table 1　Inhibition rates for germination rate/ vigor and the elongation of radicle and germ with seeds treated by
Cu2+ solutions of different mass concentrations %
ρ(Cu2+)
mg·L-1
紫　花　苜　蓿
发芽率 发芽势 胚根长 芽长
红　三　叶
发芽率 发芽势 胚根长 芽长
沙　打　旺
发芽率 发芽势 胚根长 芽长
400 9.22 17.52 92.63 71.99 88.36 88.96 100 89.74 75.37 81.30 100 68.82
800 43.97 54.01 97.96 82.70 93.84 94.49 100 92.31 83.58 85.37 100 73.26
1 200 75.88 83.21 100 85.27 96.58 96.56 100 94.23 87.69 89.02 100 72.46
2.2　Cu2+对 3种豆科植物幼苗生长的影响
盆栽 40 d后 ,测定了不同处理下 3种植物的
株高 、根长 、地上重和根重·结果表明 ,土壤中不同
含量的 Cu2+对植物的生长均造成了较明显的影
响 ,这种影响在不同植物间和地上 、地下部分表现
不同·从对根长的影响来看 , 紫花苜蓿在 400
mg·kg-1处理及红三叶在 400 和 800 mg·kg-1处
理下 , 根系长度生长受到明显刺激 , 在 800
mg·kg-1处理下红三叶根长可提高 51.35%,其
他处理则表现为抑制作用·从根部质量来看 ,不同
含量 Cu2+处理均对紫花苜蓿及红三叶根重的增
加有明显的促进作用 ,其中在 800 mg·kg-1处理
下红三叶根重比对照提高 1.24 倍·Cu2+对沙打
旺根系的伸长和质量的增加均产生明显的抑制作
用 ,土壤 Cu2+含量越高 ,抑制作用越强·与对根部
生长的影响不同 ,Cu2+对 3种植物地上部分的生
长均产生明显的抑制作用·对株高和地上重的抑
制率随 Cu2+含量的增加而增加(表 2)·重金属对
植物生长的生态毒性效应除受土壤的某些理化性
质影响外 ,也与土壤中物质间的相互作用 ,如无机
物之间 、微量元素与重金属之间 、大量元素与重金
属之间的相互作用等有一定的关系[ 8] ,但不同的
植物对土壤中过量重金属离子的吸附 、吸收以及
耐受能力的差异 ,主要是由每个物种自身的生物
学特性决定的·
表 2　土壤中不同含量外源 Cu2+对植物生长的抑制率
Table 2　Inhibition rates for plant growth with different Cu2+ contents added in soil %
w(Cu2+)
mg·kg -1
紫　花　苜　蓿
根长 株高 根重 地上重
红　三　叶
根长 株高 根重 地上重
沙　打　旺
根长 株高 根重 地上重
400 -13.28 15.78 -45.63 9.09 -0.36 17.40 -8.02 22.71 13.19 23.95 13.33 35.45
800 2.67 31.63 -72.19 37.17 -51.35 21.97 -124.4 27.13 16.90 30.51 40.00 39.55
1 200 23.88 59.83 -27.81 79.57 13.68 47.42 -59.07 70.22 19.80 44.58 53.33 63.18
2.3　Cu2+对 3种豆科植物幼苗叶绿素含量的影
响
由表 3可以看出 ,紫花苜蓿 、红三叶和沙打旺
体内的叶绿素 a 的含量均随着 Cu2+含量的增加
而减少 ,并均与对照间的差异显著·这可能是植物
通过根系吸收了过量的 Cu2+ ,抑制了叶绿素生物
合成途径中几种酶的活性 ,从而阻碍了叶绿素 a
的合成 ,导致叶绿素 a含量的下降·叶绿素 b 的含
量对土壤中 Cu2+含量不敏感 ,随 Cu2+含量的增
加 ,叶绿素 b的含量也有所降低 ,但均未达到显著
水平·Cu处理中叶绿素 a与叶绿素 b的质量分数
之比与对照间的差异达到显著水平 ,主要原因是
叶绿素 a降低的幅度大于叶绿素 b·总体来看 ,土
壤中 w(Cu2+)≥400 mg·kg-1时可显著降低植物
1185第 8期　　　　曹成有等:铜对三种豆科植物萌发及早期生长发育的抑制效应
叶片内叶绿素的含量 ,这也是造成 3 种植物株高 和地上生物量显著降低的直接原因·
表 3　土壤中不同含量外源 Cu2+对植物叶片叶绿素含量的影响
Table 3　Effects of different Cu2+contents added in soil on chlorophyll contents of leaves mg·g -1
w(Cu2+)
mg·kg-1
紫　花　苜　蓿
叶绿素 a 叶绿素 b w(a)/ w(b)
红　三　叶
叶绿素 a 叶绿素 b w(a)/ w(b)
沙　打　旺
叶绿素 a 叶绿素 b w(a)/ w(b)
0 2.310c 0.757a 3.052b 2.024c 0.604a 3.351b 1.900c 0.610a 3.115c
400 1.900b 0.700a 2.714a 1.856b 0.641a 2.895a 1.750b 0.591a 2.961b
800 1.773a 0.680a 2.607a 1.686b 0.585a 2.882a 1.600b 0.550a 2.909b
1 200 1.660a 0.650a 2.554a 1.459a 0.524a 2.784a 1.196a 0.474a 2.523a
　　注:表中每列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)·
3　结　　论
1)ρ(Cu2+)≥400 mg·L -1的 Cu2+水溶液对
紫花苜蓿 、红三叶和沙打旺种子萌发率和发芽势
均产生显著的抑制作用 ,质量浓度越高阻抑越明
显;对紫花苜蓿的抑制效应小于红三叶和沙打旺;
对 3种植物胚根伸长的抑制作用大于对芽的伸长
抑制·
2)土壤中 w(Cu2+)=400 ～ 1 200 mg·kg-1
时 ,3 种植物均能存活生长 ,但 Cu2+对不同植物
及对植物地上 、地下部分生长产生的影响不同:
Cu
2+对紫花苜蓿及红三叶根系长度和质量有明
显的促进作用 ,对沙打旺则有明显的抑制作用;对
3种植物地上部分的生长均产生明显抑制作用 ,
Cu
2+含量越高 ,抑制作用越强;过量 Cu2+可显著
降低植物叶片内叶绿素的含量 ,其中对叶绿素 a
含量的影响大于对叶绿素 b·
3)总体来看 , 3 种豆科植物中 , 紫花苜蓿对
Cu污染的耐受程度大于红三叶和沙打旺·
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