汪鳳林，馬志慧，葉義全，黃田盛，王 飛，曹光球*

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國家林業(yè)局 杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002)

鎂是植物生長和發(fā)育過程中所必需的大量營養(yǎng)元素[1]，是構(gòu)成植物體內(nèi)葉綠素的主要成分之一，能直接參與植物的光合作用[2]。同時(shí)，鎂對(duì)植物體內(nèi)的酶活性、活性氧代謝以及脂肪代謝等方面均有重要影響[3]。我國鎂資源較為豐富，但土壤中缺鎂嚴(yán)重[4]，特別在我國南方地區(qū)，伴隨著酸沉降的加重土壤中鎂不斷風(fēng)化、淋失，土壤供鎂能力下降，從而影響植物的生長和發(fā)育，限制植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。目前，國內(nèi)外對(duì)植物鎂元素的研究逐漸增多，主要側(cè)重于鎂對(duì)光合作用以及碳水化合物的合成等方面[6]，且多為大豆(Glycinemax)[7]、黃瓜(Cucumissativus)[8]、厚皮甜瓜(Cucumismelovar.cantaloupensis)[9]、龍眼(Dimocarpuslongan)[10]、柑橘(Citrusreticulata)[11]等農(nóng)作物或果木的葉片和根系研究，對(duì)于林木類的研究較少。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方重要的造林樹種[12]，其種植區(qū)域與缺鎂嚴(yán)重的區(qū)域部分重合。酶活性對(duì)逆境變化較為敏感[13]，根系活力反映植物根系主動(dòng)吸收能力[14]。本研究以1年生杉木無性系020為試驗(yàn)材料，研究了缺鎂對(duì)杉木根系活力、丙二醛含量和保護(hù)酶活性的影響，并分析其相關(guān)性。初步探索分析杉木根系對(duì)缺鎂的生理響應(yīng)機(jī)理，以期探索缺鎂對(duì)杉木生長、發(fā)育以及酶在杉木不同組織中轉(zhuǎn)換的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試杉木為福建省順昌縣洋口國有林場提供的1年生無性系020杉木幼苗。平均株高20.8 cm，地徑0.57 cm，冠幅28.9 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取長勢一致，且健康的1年生無性系020杉木幼苗植株為試驗(yàn)對(duì)象。于2017年3月初在試驗(yàn)地內(nèi)采用營養(yǎng)液基質(zhì)(基質(zhì)為蛭石與珍珠巖配比3∶1)培養(yǎng)方式進(jìn)行缺鎂試驗(yàn)。選用上端內(nèi)徑12 cm、下端內(nèi)徑8 cm、高12 cm的塑料盆作為盆栽容器，各塑料盆內(nèi)填充2/3基質(zhì)，每盆栽種1株幼苗，放置于溫室內(nèi)(溫度27 ℃，濕度65%)。在幼苗生長的1個(gè)月適應(yīng)期內(nèi)，每隔2 d對(duì)各幼苗均勻澆灌100 mL營養(yǎng)液。營養(yǎng)液配方參照Peng[15]等的配方。馴化1個(gè)月后，開始進(jìn)行缺鎂和正常供鎂(對(duì)照)的處理。鎂以MgSO4形態(tài)加入營養(yǎng)液，分別為缺鎂(0 mM)和對(duì)照(1 mM)，缺鎂處理的SO42-用Na2SO4補(bǔ)充以維持離子濃度的平衡和避免硫元素的缺乏。

每個(gè)處理20株苗，共40株，并編號(hào)標(biāo)記(缺鎂：QM，正常：ZM)。隔2 d定量每株澆灌100 mL改良的不同濃度鎂營養(yǎng)液，每隔15 d用去離子水淋洗1次，以防止基質(zhì)中鹽分積累影響試驗(yàn)結(jié)果。處理12周后進(jìn)行樣品采集。

1.3 測定方法

每個(gè)處理取12株長勢一致的苗，每4株混合為1個(gè)重復(fù)，共3個(gè)重復(fù)。取整株根系，經(jīng)純水淋洗后取白色根尖(長度6～9 mm)4℃保存，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測定。

根系活力采用(TTC，氯化三苯基四氮唑)法測定[16]，用μgTTF·g-1·h-1表示。丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法測定[17]，用μmol·g-1FW表示。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測定[17]，用gFW·h-1表示。過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定[17]，用g·min-1表示。過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[17]，用g·min-1表示。多酚氧化酶(PPO)活性采用鄰苯二酚法測定[17-18]，用g·min-1表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 18.0、Excel 2003和Origin Pro 8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖；利用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)檢驗(yàn)根系活力、丙二醛含量和保護(hù)酶活性的顯著性；利用SPSS 18.0軟件中的Pearson相關(guān)性分析對(duì)根系活力、MDA含量和保護(hù)酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 缺鎂對(duì)杉木根系活力的影響

缺鎂處理會(huì)降低杉木的根系活力。正常供鎂的杉木根系活力為72.66 μgTTF·g-1·h-1，缺鎂的根系活力為53.93 μgTTF·g-1·h-1，即根系活力表現(xiàn)為ZM>QM，與QM相比，ZM的根系活力高出34.73%，但兩者之間差異性不顯著(P>0.05)(圖1)。

圖1 缺鎂(QM)和對(duì)照(ZM)下杉木1年生苗根系活力(TTC)

2.2 缺鎂對(duì)杉木根系MDA含量和保護(hù)酶系統(tǒng)的影響

缺鎂處理對(duì)杉木根系MDA含量和保護(hù)酶活性具有不同程度的影響(圖2)。由圖2a和圖2b可知，QM的MDA含量和SOD活性均低于ZM。QM的MDA含量比ZM低了1.32%，差異性不顯著(P>0.05)；QM的SOD活性比ZM低了13.63%，且兩者表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。而QM的CAT活性、POD活性和PPO活性均高于ZM，分別提高了53.02%、0.35%和22.88%，且差異性均不顯著(P>0.05，圖2c、圖2d和圖2e)。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P=0.05)。

圖2缺鎂對(duì)杉木丙二醛(MDA)和保護(hù)酶的影響

Fig.2 Effects of magnesium deficiency on malondialdehyde (MDA) and protective enzymes ofC.lanceolata

在正常供鎂處理下，杉木根系活力(TTC)與根系MDA含量、SOD活性和CAT活性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與CAT活性呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與POD活性和PPO活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系；根系MDA含量與SOD活性、POD活性和PPO活性均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，除SOD活性外，其他相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，而MDA含量與其CAT活性表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；根系SOD活性與POD活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與CAT活性呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；根系CAT活性與POD活性和PPO活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；根系POD活性與PPO活性則表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表1)。

注：**在P<0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。表2同。

在缺鎂處理下，除與SOD活性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系外，杉木根系活力(TTC)與MDA含量、CAT活性、POD活性和PPO活性均呈正相關(guān)系，且均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；根系MDA含量與CAT活性、POD活性和PPO活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與SOD活性呈負(fù)相關(guān)且不顯著；根系SOD活性與CAT活性、POD活性和PPO活性均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系且均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；根系CAT活性與POD活性和PPO活性呈極顯著正相關(guān)水平(P<0.01)；根系POD活性與PPO活性呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)也達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)(表2)。

3 結(jié)論與討論

逆境脅迫下，植物的葉片和根系等都會(huì)產(chǎn)生具有不同破壞作用的物質(zhì)。本研究表明，缺鎂對(duì)杉木根系活力、MDA含量、保護(hù)酶活性和多酚氧化酶具有不同程度的影響。

根系活力是植物生長的重要指標(biāo)之一[16]，能夠反映根系新陳代謝的強(qiáng)弱程度，根系活力越高表明其吸收養(yǎng)分的能力越強(qiáng)。本研究表明，缺鎂處理會(huì)抑制杉木的根系活力，從而進(jìn)一步影響根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，這一結(jié)果與王芳[7]等的研究結(jié)論一致。

表2 缺鎂處理下杉木根系活力與根系MDA含量和保護(hù)酶的關(guān)系

MDA含量是細(xì)胞膜脂過氧化作用的一種產(chǎn)物[16]，能夠衡量植物對(duì)外部逆境的抵御能力[19]。本研究結(jié)果顯示，與正常供鎂相比，缺鎂條件下的杉木根系所產(chǎn)生的MDA含量相對(duì)較低，即在缺鎂環(huán)境下，杉木根系表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗氧化能力，與R.K.Tewari[20]等對(duì)桑樹葉片在缺鎂條件下的研究結(jié)果一致。植物在逆境脅迫環(huán)境下，細(xì)胞內(nèi)的自由基代謝平衡被破壞，活性氧積累，由此對(duì)植物產(chǎn)生毒害[21]。SOD、CAT和POD等酶活性是植物細(xì)胞膜中酶促防御系統(tǒng)的重要保護(hù)酶，其活性常作為植物衰老的生理生化指標(biāo)。本研究表明，與正常供鎂相比，缺鎂處理下的SOD活性較高，且達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，而CAT和POD活性均較低，但差異性不顯著(P>0.05)，這一研究結(jié)果與王芳[22]等對(duì)大豆葉片CAT活性和POD活性在缺鎂處理下的結(jié)果一致，均低于正常供鎂的CAT和POD活性，而與之結(jié)果不同的是本研究中正常供鎂的SOD活性高于缺鎂處理。植物體中多酚氧化酶(PPO)是重要的保護(hù)酶。逆境脅迫下，植物體內(nèi)的PPO活性會(huì)有所上升[23]。與正常供鎂的杉木根系相比，缺鎂處理的杉木根系PPO活性提高了22.88%，與上述研究結(jié)果一致[23]。

逆境脅迫下，為保持植物體內(nèi)自由基的動(dòng)態(tài)平衡，一般通過維持最高的SOD水平和保持幾種抗氧化酶之間的協(xié)調(diào)和平衡兩種途徑來提高抗活性氧的能力[24]。本研究表明，缺鎂下的杉木根系SOD活性未達(dá)到正常供鎂SOD活性的同一水平，而CAT、POD和PPO活性均表現(xiàn)出較高的活性。由此可知，缺鎂使得根系內(nèi)自由基的平衡被破壞，杉木根系活力降低，進(jìn)而影響根系對(duì)養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)換，最終影響植物正常生長發(fā)育。

本文對(duì)杉木根系對(duì)缺鎂的生理機(jī)理進(jìn)行了初步探索，而缺鎂對(duì)杉木植株內(nèi)鎂元素的遷移，葉片光合作用以及酶活在不同組織中的活性等影響還需后期進(jìn)一步探索研究。

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