龔束芳，劉 陽，速馨逸，姜童童，王金剛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

遠(yuǎn)東芨芨草(Achnatherumextremiorientale)為禾本科(Gramineae)芨芨草屬多年生草本植物[1]，生長于林下，種子繁殖，管理粗放便于栽培管理，而且莖葉較茂密，直立莖稈在秋冬仍能保持直立的狀態(tài)，具有一定的觀賞性，在北方地區(qū)可露地越冬，是北方地區(qū)常見的野生觀賞草資源，但一直以來未曾得到重視，因此也并未得到深入研究。目前，國內(nèi)對于遠(yuǎn)東芨芨草及芨芨草屬植物研究主要集中在鹽脅迫處理方面，關(guān)于干旱脅迫[2-3]和逆境環(huán)境的適應(yīng)性研究[4-5]較少，查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知施加硅肥可以提高植物的抗脅迫能力，通過前期研究發(fā)現(xiàn)外源納米硅肥也會(huì)對干旱脅迫下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗產(chǎn)生有益影響[6-7]。

外源納米硅肥是含環(huán)氧基的硅烷偶聯(lián)劑，由于納米材料特有的屬性，其優(yōu)良穩(wěn)定性和吸附性有利于植物對其持續(xù)性吸收，并能有效控制肥料的釋放速率[8-9]，從而達(dá)到保肥長效的目的。為此，以遠(yuǎn)東芨芨草幼苗作為試驗(yàn)材料，觀察分析其表型變化，對植物在干旱脅迫的生理反應(yīng)進(jìn)行分析，并深入研究施加納米硅肥對干旱脅迫下其幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)MDA含量及抗氧化酶活性變化規(guī)律，探討在遠(yuǎn)東芨芨草抗旱脅迫生理響應(yīng)中施加納米硅肥對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及相關(guān)酶類活性的意義，旨在探求納米硅肥提高遠(yuǎn)東芨芨草抗干旱脅迫的生理生化機(jī)制，為遠(yuǎn)東芨芨草在降水量較小的北方地區(qū)推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

取樣地點(diǎn)在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園，以2016年10月采收的種子經(jīng)有性繁殖2周得到幼苗作為試驗(yàn)材料，以含環(huán)氧基的硅烷偶聯(lián)劑即Si-60作為外用硅制劑，PEG-6000作為模擬干旱脅迫條件的試劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取長至2～3 cm、生長一致的健壯幼苗，均勻分布培養(yǎng)盆中。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：1)對照(-Si/-PEG)；2)單獨(dú)Si處理(+Si/-PEG)；3)單獨(dú)PEG處理(-Si/+PEG)；4)聯(lián)合處理(+Si/+PEG)。經(jīng)過東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)，納米硅肥的濃度設(shè)為0.075 mmol·L-1，PEG-6000的濃度為12%，處理液pH為5.8，培養(yǎng)環(huán)境為組培室，室溫26 ℃，光照強(qiáng)度為2 500 lx，光照/黑暗時(shí)間為12 h/12 h，相對濕度為20%。每處理為5盆，試驗(yàn)期間每盆的處理液體積始終保持一致。待納米硅肥處理2周后對滲透脅迫下的植株有明顯的表型影響時(shí)結(jié)束試驗(yàn)處理，于各處理選取具有代表性的植株進(jìn)行觀察并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1表型測定方法 采收試驗(yàn)處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗，并對該批幼苗的整齊度進(jìn)行詳細(xì)的篩選,使用游標(biāo)卡尺和直尺測量根長、株高；使用鋁盒、恒溫箱、分析天平測量鮮重、相對含水量，每個(gè)處理濃度測量20個(gè)數(shù)據(jù)，然后對比并計(jì)算平均值。

1.3.2生理指標(biāo)測定方法 參照張治安和陳展宇[10]的方法，取各處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗地上部分和地下部分，用蒽酮法測定可溶性糖含量和淀粉含量，考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白質(zhì)含量，茚三酮法測定游離脯氨酸含量；參考高俊鳳[11]的硫代巴比酸法制備酶液，用于測定超氧物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量，分別在酶標(biāo)儀中記錄吸光值，并計(jì)算各個(gè)指標(biāo)含量。

1.4 數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)分析方法

采用SPSS 24.0軟件對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示測定結(jié)果，用SAS 9.2軟件對株高，根長，鮮重，相對含水量，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、淀粉含量，以及SOD、POD、CAT活性，MDA含量進(jìn)行單因素方差分析；采用Excel 制圖。

2 結(jié)果

2.1 納米硅肥對遠(yuǎn)東芨芨草表型的影響

遠(yuǎn)東芨芨草幼苗經(jīng)試驗(yàn)處理后，與-Si/-PEG(對照)相比，+Si/-PEG處理的植株表現(xiàn)在外觀上差別不明顯。雖然-Si/+PEG處理下和+Si/+PEG處理下均表現(xiàn)為葉邊緣有輕微的卷曲，甚至有些葉片葉尖會(huì)有失綠，莖稈生長變細(xì)，支撐力下降；但相對于-Si/+PEG處理下，+Si/+PEG處理下的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗則維持了功能葉片較長較寬的展開，除葉尖卷曲失綠外，葉片的其他部位仍可展開(圖1)。

另外，Si處理下植株的須根更豐富；同等PEG-6000脅迫處理下，Si處理下的植株株高和根長有顯著提高(P<0.05)，比同期不施加納米硅肥處理下分別提高了0.52和0.43 cm(圖2)。在無PEG-6000滲透脅迫時(shí)，Si處理和無Si處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗鮮重分別為30.83和32.65 mg，兩者間差異顯著(P<0.05)；當(dāng)進(jìn)行PEG-6000滲透脅迫時(shí)，Si處理相比于無Si處理下其幼苗鮮重增加了1.83 mg，兩者間差異顯著(P<0.05)；同時(shí)，其植株相對含水量也有顯著提高，比同期的不施加納米硅肥處理提高了2.2個(gè)百分點(diǎn)，表現(xiàn)出納米硅肥對滲透脅迫下的遠(yuǎn)東芨芨草有緩解作用。

圖1 納米硅肥對PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草外觀的影響Fig. 1 Effect of nano-silicon fertilizer on the exterior of Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

2.2 納米硅肥對遠(yuǎn)東芨芨草滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

在無PEG-6000滲透脅迫處理時(shí)，與-Si/-PEG(對照)處理相比，+Si/-PEG處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗地上、地下部分中的淀粉含量沒有表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)，而其地上部分的可溶性蛋白含量顯著增加(P<0.05)，而可溶性糖含量、游離脯氨酸含量顯著降低(P<0.05)；在有PEG-6000滲透脅迫處理時(shí)，Si處理下其植株地上部分和地下部分的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量都顯著增加(P<0.05)，變化最顯著的是地上部分的游離脯氨酸和可溶性糖，比同期不施加納米硅肥處理下分別增加了2.09 μg·g-1和2.006 mg·g-1(圖3)。

圖2 納米硅肥對PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草表型的影響Fig. 2 Effect of nano-silicon fertilizer on the phenotype of Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

不同字母表示不同處理間顯著差異(P<0.05)。下同。

Difference lowercase letters indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level; similarly for the following figures.

2.3 納米硅肥對遠(yuǎn)東芨芨草抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

在無PEG-6000滲透脅迫處理時(shí)，與-Si/-PEG(對照)處理相比，+Si/-PEG處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗地上部分和地下部分的POD活性、CAT活性、SOD活性顯著增加(P<0.05)，其中，CAT活性的變化最顯著(P<0.05)，地上部分中CAT活性差異達(dá)到了1.01 U·g-1，地下部分中CAT活性差異達(dá)到了0.23 U·g-1；在PEG-6000滲透脅迫處理下，+Si/+PEG處理下和-Si/+PEG處理下相比，遠(yuǎn)東芨芨草幼苗地上部分和地下部分的POD活性、CAT活性和SOD活性也顯著增加(P<0.05)，地下部分的CAT活性變化較小，比同期不施加納米硅肥處理下僅提高了0.29 U·g-1，地上部分的POD活性變化最顯著，提高了21ΔA470·(g·min)-1。

在無PEG-6000滲透脅迫時(shí)，+Si/-PEG處理的遠(yuǎn)東芨芨草的地上部分和地下部分的丙二醛(MDA)含量比-Si/-PEG處理的顯著降低(P<0.05)(圖4)，

圖3 納米硅肥對PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Fig. 3 Effect of nano-silicon fertilizer on the osmolytes content in Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

圖4 納米硅肥對PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響Fig. 4 Effect of nano-silicon fertilizer on the antioxidant enzyme activity and malondialdehyde content of Achnatherum extremiorientales

遠(yuǎn)東芨芨草的地上部分和地下部分的MDA含量比同期的不施加納米硅肥處理的分別降低了12和3.8 mmol·g-1；在PEG-6000滲透脅迫下，施加納米硅肥(+Si/+PEG)遠(yuǎn)東芨芨草的地上部分和地下部分MDA含量比單獨(dú)進(jìn)行PEG-6000滲透(-Si/+PEG)處理顯著降低(P<0.05)，遠(yuǎn)東芨芨草的地上部分和地下部分的MDA含量分別降低了4.7和6.7 mmol·g-1。

3 討論

3.1 納米硅肥對PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗表型影響

禾本科植物體內(nèi)沉積的硅大部分分布于地上部分，對植株生長有明顯的促進(jìn)作用[12]，這是因?yàn)楫?dāng)硅肥濃度在一定范圍內(nèi)時(shí)，通常會(huì)誘導(dǎo)植物根系向垂直、水平方向擴(kuò)展，并分生出大量側(cè)生毛細(xì)根，擴(kuò)大根系吸收水分的范圍[13]，顯著提高植物株高[14-15]，增加植物相對含水量[16-18]，從而改變植物的鮮重。本研究證實(shí)，當(dāng)在PEG-6000處理中施加納米硅肥后，受滲透脅迫影響的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗長勢會(huì)有好轉(zhuǎn)，植株高度、根系生長量以及莖稈健壯程度都會(huì)好于單純PEG-6000處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗；同時(shí)，遠(yuǎn)東芨芨草幼苗的生物量會(huì)有明顯的增加，相比于單純PEG-6000處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗株高增加了0.52 cm，相對含水量提高2.2%，根長增長了0.43 cm，植株鮮重增加了1.875 mg，納米硅肥的施加對其影響差異顯著，從而提高植株的抗旱能力。

3.2 納米硅肥對PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗生理指標(biāo)影響

滲透脅迫是影響遠(yuǎn)東芨芨草觀賞性的重要因素之一，滲透脅迫影響的生理指標(biāo)變化有很多種，是一個(gè)復(fù)雜的生理變化過程。

植物抗旱性的強(qiáng)弱可通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的累積和彈性調(diào)節(jié)能力的大小直接反映[19-21]，而通過施加外源硅可以緩解干旱脅迫下植物體中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的降解[22]，促進(jìn)植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累[23]，從而改善植株體內(nèi)的水分狀況。本研究證實(shí)，相比于PEG-6000處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗，在PEG-6000處理中施加納米硅肥后，其葉片和根系中的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量會(huì)顯著的增加，這是因?yàn)榧{米硅肥會(huì)促進(jìn)遠(yuǎn)東芨芨草幼苗葉片和根系通過積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)而進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，從而維持植株正常生長；而淀粉含量變化則不顯著，可能是滲透脅迫顯著抑制了淀粉合成途徑[24]，導(dǎo)致淀粉含量保持穩(wěn)定狀態(tài)[25]，也可能與脅迫持續(xù)時(shí)間有關(guān)[26]。

SOD、POD、CAT等酶類是細(xì)胞抵御活性氧傷害的重要保護(hù)酶系統(tǒng)，它們在清除超氧自由基、過氧化氫和過氧化物以及阻止或減少羥基自由基形成等方面起著重要作用，當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，活性氧產(chǎn)生相對增多，與其相適應(yīng)的體內(nèi)活性氧清除酶類活性和抗氧化物含量也相應(yīng)增加[27]，而外源硅的施加則提高了逆境脅迫下植物葉片的抗氧化酶活性[28]。本研究證實(shí)，相比于單純PEG-6000處理，納米硅肥的施加促進(jìn)遠(yuǎn)東芨芨草地上部分和地下部分中SOD、POD、CAT酶活性顯著提高，緩解了PEG-6000脅迫處理對遠(yuǎn)東芨芨草幼苗的損害。MDA是逆境脅迫引起膜質(zhì)過氧化的重要指標(biāo)[29]，研究證實(shí)外源硅可降低干旱脅迫下植物[30]的MDA含量，緩解氧化損傷。本研究亦證實(shí)，PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草地上部分和地下部分中的MDA含量顯著增加，而施加納米硅肥后，其地上部分和地下部分中的MDA含量則有所降低。

4 結(jié)論

通過外源納米硅肥對遠(yuǎn)東芨芨草幼苗進(jìn)行PEG-6000共處理，結(jié)果顯示，施加0.075 mmol·L-1的外源納米硅肥可使其幼苗株高和根長比同期的不施加納米硅肥處理下分別提高了0.52和0.43 cm，同時(shí)增加了可溶性糖含量，改變了地上部分中CAT活性，減少了地下部分的MDA含量，推測外源納米硅肥的施加可以減少遠(yuǎn)東芨芨草幼苗滲透失水情況，促進(jìn)其滲透調(diào)節(jié)的正常工作，激活和維持抗氧化系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，緩解對其幼苗的生長抑制，顯著緩解脅迫損害，使之在模擬干旱脅迫下保持正常的植株體態(tài)。因此，施加0.075 mmol·L-1的外源納米硅肥對12% PEG-6000模擬干旱下的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗有顯著緩解作用。