交流電場對鈾脅迫下黑麥草種子萌發的影響
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摘要：通過研究促進植物種子在鈾脅迫條件萌發和生長的方法，對于開展鈾污染場地植物修復和防護具有重要意義。研究主要探討了黑麥草（Lolium perenne L.）種子經過不同條件交流電場處理后，在鈾脅迫下的萌發及生長變化。結果表明，1 mmol/L鈾處理對黑麥草種子發芽相關指標及幼苗生長均造成了顯著的脅迫作用（P<0.05），且施加不同條件的交流電場對黑麥草種子在鈾脅迫下的發芽率和發芽指數影響較小，對發芽勢和活力指數影響較大。此外，在高、中、低3個電場處理條件下（1.5、15.0、150.0 V），2 h的各電場處理會加劇鈾脅迫對黑麥草幼苗株高、根長和生物量的影響;時長較長時，除了在24 h高電場處理也是促進脅迫外，12、24 h各強度電場處理卻能緩解鈾脅迫對黑麥草幼苗株高、根長和生物量的影響。表明采取適宜的電場處理強度和處理時間策略可能對鈾脅迫下植物種子的萌發指標影響不大，但是能夠增強植物幼苗的抗逆性。
關鍵詞：黑麥草（Lolium perenne L.）;鈾脅迫;交流電場;種子萌發
中圖分類號：S543+.6 文獻標識碼：A
文章編號：0439-8114（2019）07-0035-04
Abstract： It is of great significance to develop phytoremediation by studying methods for promoting seed germination and plant growth of plant under uranium stress. The effect of different treatments of alternating current （AC） electric field on ryegrass（Lolium perenne L.） seed germination and seedling growth under uranium stress was studied. Results showed that， the treatment of uranium （1 mmol/L） caused significant stress on ryegrass in the period of seed germination and seedling growth（P<0.05）， and the treatments with electric field had less influence on the germination rate and germination index， but had larger influence on germination potential and vigor index of ryegrass seed under uranium stress. Besides， at high， medium and low level of electric field （1.5 V，15.0 V，150.0 V）， the treatments with electric field in 2 h showed more serious uranium stress effects on plant height， root length and biomass of ryegrass seedling， however， except the high level of electric field in 24 h， the treatments with electric field in 12 h and 24 h could significantly relieve the effects of uranium stress. With the appropriate electric field strength and treat-time， there may have little effect on the seed germination indicators of ryegrass seed under uranium stress， but it can promote the uranium resistance of seedlings.
Key words： ryegrass（Lolium perenne L.）; uranium stress; alternating current （AC） electric field; seed germination
核電在保證全球能源安全和應對氣候變化方面具有不可替代的作用，也是中國改善能源結構和布局，實現能源工業可持續發展的必然選擇。作為核電發展的原料，鈾的需求還將持續增長;穩定可靠地利用鈾對保障核能發展有重要意義[1]。然而，鈾礦開采及利用過程中鈾會對周圍土壤及地表水、地下水造成一定的污染[2-4]，并通過食物鏈進入人體[5]，同時以化學毒性和內照射兩種形式對人類健康造成危害[6，7]。植物可以富集土壤和水體中的鈾，以降低或消除鈾污染的危害，但富集的鈾會對其生長和生理產生抑制作用[8-11]。通常植物是培養至幼苗或成體后才用于對鈾的修復。近年來，人們開始關注鈾脅迫對植物種子萌發的影響[12-15]，利用植物種子的生態毒理效應來監測環境污染程度;同時通過揭示鈾對種子萌發及幼苗早期生長的影響，來探討鈾影響植物生長的機理。這對評價鈾對植物危害或利用植物修復鈾污染具有重要意義。
電場處理不僅可以提高種子的活力[16，17]，還能顯著提高種子的抗鹽性、抗旱性等[18-21]。前期的試驗主要采用高壓靜電場處理種子，通過電離空氣作用于種子[22]，處理后種子的抗性效應隨時間的延長而遞減[23-25]。因此本試驗以黑麥草（Lolium perenne L.）種子為材料，在浸種時施加交流電場，研究不同電場處理條件下植物種子對鈾脅迫的響應，以期為植物在鈾脅迫和交流電場共同作用下的深入研究提供參考。 1 材料與方法
1.1 試驗材料
供試材料為黑麥草種子，購于綿陽市全興種業;配制鈾溶液的試劑為分析純乙酸雙氧鈾 235UO2（CH3COO）2，準確稱取3.851 1 g溶解于1 L去離子水中，鈾濃度為1 mmol/L;浸種容器為聚丙烯方盆（長×寬×高=330 mm×230 mm×110 mm），盆蓋（兩端平行于盆寬各1個條形孔180 mm×60 mm，用于放置石墨板，條形孔間距300 mm，正中有1個圓形孔直徑45 mm，用于放置種子）;石墨板（長×寬×厚=170 mm×140 mm×50 mm）;發芽試驗容器為玻璃培養皿（直徑×高=90 mm×15 mm）。
1.2 試驗設計
選取顆粒飽滿、大小均一的黑麥草種子共33份，每份50粒用濾紙包裹。方盆中加入6 L去離子水，加蓋，在兩端條形孔中放入石墨電極板，變壓器（可變范圍0～300 V，輸入220 V/50 Hz）輸出線分別夾住石墨板，中間圓孔中按處理組放入包裹好的黑麥草種子，試驗共設11個處理（表1），每個處理重復3次。浸種24 h后，將不同處理的黑麥草種子分別置于培養皿中鈾溶液浸泡的雙層濾紙上，對照（CK）用去離子水浸泡濾紙。培養皿隨機擺放在溫室的培養架上，溫度控制在22～25 ℃，光照12 h。每天10：00、18：00補充鈾溶液，保持濾紙濕潤，CK用去離子水。每天觀察和記錄發芽種子數，7 d后測量幼苗根長、株高，在干燥培養箱中70 ℃下烘24 h后測量幼苗干重。
1.3 分析方法及數據處理
2 結果與分析
2.1 鈾脅迫下交流電場處理對黑麥草種子發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數的影響
從表2可以看出，CK-U的發芽勢、發芽率、發芽指數及活力指數均顯著低于CK，表明鈾脅迫抑制了黑麥草種子的萌發。發芽勢加電處理T1顯著高于CK-U，其余處理均顯著低于CK-U，表明交流電場處理T1（1.5 V、2 h）對鈾脅迫下黑麥草種子的發芽勢有促進效果;發芽率加電處理T5顯著高于CK-U，其余處理均與CK-U無顯著差異，表明交流電場處理T5（15.0 V、12 h）對鈾脅迫下黑麥草種子的發芽率有促進效果;發芽指數加電處理T1顯著高于CK-U，T2顯著低于CK-U，其余處理與CK-U無顯著差異，表明交流電場處理T1（1.5 V、2 h）對鈾脅迫下黑麥草種子的整體萌發有促進效果;活力指數加電處理T6顯著高于CK-U，T7、T1、T4、T9顯著低于CK-U，其余處理與CK-U無顯著差異，表明交流電場處理T6（15.0 V、24 h）能緩解鈾對黑麥草種子從萌發到幼苗生長的脅迫作用。
2.2 鈾脅迫下交流電場處理對黑麥草幼苗根長、株高和干重的影響
不同交流電場處理的鈾脅迫下黑麥草幼苗的株高、根長見圖1，CK幼苗的株高、根長均顯著高于鈾脅迫處理CK-U;并且CK的株高與根長之比接近1，鈾脅迫嚴重抑制根的生長，導致株高與根長的比例嚴重失衡。與CK-U相比，加電處理T1的根長顯著變短，T2、T4與CK-U無顯著差異，其他處理則均顯著高于CK-U;加電處理T1的株高比CK-U顯著降低，T4、T7、T9與CK-U無顯著差異，其他處理則顯著高于CK-U。
不同交流電場處理的鈾脅迫下黑麥草幼苗的干重見圖2，CK的干重高于鈾脅迫處理CK-U，并且差異顯著。加電處理T1、T4、T9、T7的干重顯著低于CK-U，其余處理與CK-U無顯著差異。
3 小結與討論
3.1 討論
黑麥草種子在1 mmol/L鈾脅迫處理下，發芽和生長相關指標均顯著低于對照，表明鈾對種子及幼苗生長均造成了脅迫效應，與之前的研究結果相符[12-15]。與CK-U相比，交流電場處理T1（1.5 V、2 h）對種子的發芽勢、整體萌發水平有促進效果，但是嚴重抑制了幼苗的生長，其株高、根長均為所有處理組最低水平;T5（15.0 V、12 h）對種子的發芽率有促進效果;T3（1.5 V、24 h）、T5（15.0 V、12 h）、T6（15.0 V、24 h）、T7（150.0 V、2 h）、T8（150.0 V、12 h）、T9（150.0 V、24 h）能促進幼苗根長的生長;T2（1.5 V、12 h）、T3、T5、T6、T8能促進幼苗株高的生長;T6能緩解鈾對種子從萌發到幼苗生長的脅迫作用，主要途徑是通過對幼苗株高和根長生長的促進。說明不同電場強度和加電時間對種子的作用是有差異的，這與之前高壓靜電場對植物種子的作用結論相同，在1.0～5.5 kV/cm場強范圍內的高壓靜電場處理油葵種子，部分電場處理可顯著提高種子的發芽勢和發芽率，電場的生物效應表現為非線性[23]。進一步分析施加電場的強度與時間對黑麥草幼苗生長的作用規律發現，除處理T9外，在電壓不變的情況下隨著加電時間的增加，或者在相同加電時間下隨著電壓的增加，鈾脅迫對黑麥草生長造成的抑制逐步緩解，表現為對株高和根長生長有促進作用。處理T9不符合上述規律，可能是電場強度和時間的交叉作用超出了植物的適應范圍。這與高壓靜電場對小麥抗寒性的影響一致，一定處理時間條件下，脯氨酸、丙二醛含量及過氧化物酶等活性隨著處理電場強度的變化呈非單調型變化[20]，在糜子的抗旱性和花葵的抗鹽性研究中均有相似結論[19，21]。部分研究人員對高壓靜電場對植物分子的作用機制進行了研究，例如，郭維生等[26]發現高壓靜電場處理影響酶的活性并不是因為電場改變了酶的一級結構，而是通過改變其高級結構來實現的;熊建平等[27]利用大于10 kV/cm的高壓靜電場處理黃瓜種子，其DNA分子部分破碎和斷裂，促進了黃瓜優質高產。而低壓交流電場對植物種子的作用途徑是否與高壓靜電場的作用途徑相似還需要試驗進行驗證。 3.2 小結
本試驗發現在浸種時施加勻強低壓交流電場能夠緩解鈾對黑麥草種子萌發和幼苗生長的脅迫作用。在高、中、低3個電場處理條件下（1.5、15.0、150.0 V），2 h的各電場處理及24 h高電場處理會加劇鈾脅迫對黑麥草幼苗株高、根長和生物量的影響;12、24 h其他各強度電場處理卻能緩解鈾脅迫對黑麥草幼苗株高、根長和生物量的影響，其中處理T6（15.0 V、24 h）通過促進幼苗的株高和根長的生長而提高黑麥草的活力指數。說明電場處理不僅適用于對種子的抗鹽性、抗旱性的研究，還可以開展電場促進植物種子或植株對鈾或重金屬脅迫適應性的研究。
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