劉丹陽，劉 鈺，於麗華，耿 貴，王宇光

(黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150080)

0 引 言

錳是植物生長必要的微量元素，在促進(jìn)種子萌發(fā)、幼苗生長及刺激代謝等方面起到了重要作用。研究表明[1]，當(dāng)植物缺錳時(shí)側(cè)根完全停止生長，根中無液泡的小細(xì)胞數(shù)量增多，表明缺錳參與影響細(xì)胞伸長。同時(shí)適量的錳元素不僅能提高植物的結(jié)實(shí)率，對果實(shí)品質(zhì)提高也有促進(jìn)作用。李軍等[2]研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施適宜濃度的錳能提高番茄果實(shí)番茄紅素、可溶性糖、維生素C等含量，改善糖酸比。曾琦等[3]和尹文彥等[4]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物吸收過量錳時(shí)，苗期油菜各部位錳含量顯著升高，生物量降低，根、莖和上部葉片中鈣離子、鐵離子含量顯著降低。

甜菜是我國北方種植的主要糖料作物[5-6]，屬2 a生草本植物，能耐受鹽堿含量較高的土壤，但對酸性土壤敏感[7]。隨著錳在多種工業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生的錳渣也日益增多，廢棄錳渣滲透進(jìn)土壤環(huán)境，加劇了土壤污染[8-9]。在污染土壤中，大量的錳、鋁等金屬離子會(huì)析出釋放，導(dǎo)致植物生長受到錳、鋁等金屬離子脅迫[10-11]。目前，有關(guān)甜菜在不同濃度錳元素下的生理調(diào)節(jié)機(jī)制研究較少。吳旭紅等[12]和馮建鵬[13]發(fā)現(xiàn)，隨著錳含量的增加，甜菜幼苗葉片1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)含量下降，蛋白水解酶活性升高從而使葉片失綠。為進(jìn)一步研究錳元素對甜菜生長的影響，本實(shí)驗(yàn)采用水培方法探索不同濃度的錳對KWS1176品系甜菜在形態(tài)和生理生化指標(biāo)上的變化，旨在為進(jìn)一步探究錳元素對甜菜的影響提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 供試材料

實(shí)驗(yàn)采用KWS1176品系甜菜種子為試驗(yàn)材料。在發(fā)芽盒中均勻播種進(jìn)行蛭石培養(yǎng)，于光照培養(yǎng)室中進(jìn)行發(fā)芽 (光照強(qiáng)度420 μmol·(m2·s)-1， 每天光照時(shí)間為6:00～20:00，晝夜溫度為25 ℃/20 ℃，濕度為65%)。待種子萌芽后 (播種第6日)，選取長勢均等的幼苗移入盛有2.5 L改良半倍霍格蘭營養(yǎng)液的水槽中，緩苗7 d后，進(jìn)行7個(gè)不同濃度氯化錳處理：0.003 7(T1)、0.007 4(T2)、0.014 8(T3)、0.029 6(T4)、0.059 2(T5)、0.118 4(T6)、0.236 8(T7)mmol·L-1，并調(diào)節(jié)pH=5.6。每個(gè)處理重復(fù)5次，定期更換新營養(yǎng)液，并在錳處理15 d后對甜菜葉片和根系進(jìn)行收獲，并測定相關(guān)指標(biāo)。

1.2 測定方法

測量甜菜株高；運(yùn)用WinRHIZO軟件掃描儀掃描第一、二對真葉的葉面積和根系面積。采用硫代巴比妥酸顯色反應(yīng)法測定MDA含量；采用氮藍(lán)四唑法測定SOD活性；采用愈創(chuàng)木酚法測定POD的活性；采用聚乙烯吡咯烷酮法測定CAT活性；采用乙二胺四乙酸法測定APX活性。參照文獻(xiàn)[14-17]的方法測定脯氨酸和可溶性糖含量。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

利用SPSS 26. 0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。用單因素試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法，對不同處理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢測(顯著性水平為P≤0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 錳元素對甜菜形態(tài)特性的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同濃度的錳元素，導(dǎo)致甜菜幼苗長勢出現(xiàn)明顯差異(表1)。由表1可見，T2處理組時(shí)株高、葉面積和根面積均最大，同T1組相比，T2處理中甜菜葉及根面積分別增加了68.20%、48.02%。當(dāng)錳濃度從T2提高至T7時(shí)，葉及根面積呈逐漸下降趨勢，T7與T2相比分別下降了51.99%、44.09%，表明T2濃度錳元素最適宜甜菜幼苗的生長。

表1 錳元素對甜菜幼苗株高、葉面積及根面積的影響

研究發(fā)現(xiàn)，在不同濃度錳元素處理下，甜菜幼苗的鮮、干重呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(圖1)。由圖1(a)可見，在T2處理下，甜菜根、莖、葉的鮮重均達(dá)到最大值，與其他組間存在顯著差異(P<0.05)，與T1相比分別上升42% 、50%、52%。隨著錳元素濃度的增加，與T7相比，T2處理中根、莖、葉鮮重分別上升了54%、78%和54%。甜菜幼苗在不同濃度錳元素的影響下，其干重與鮮重的變化趨勢相同。

圖1 錳元素對甜菜幼苗鮮重(a)、干重(b)的影響Fig.1 Effect of manganese on fresh weight(a) and dry weight(b) of sugar beet seedlings

2.2 錳元素對甜菜生理變化的影響

2.2.1 錳元素對甜菜MDA含量的影響

在逆境條件下，植物器官會(huì)發(fā)生膜脂過氧化作用，其產(chǎn)物為MDA。研究發(fā)現(xiàn)，錳元素會(huì)影響甜菜幼苗內(nèi)MDA含量(圖2)。由圖2可見，當(dāng)濃度達(dá)到T2時(shí)，甜菜根、葉中MDA與其他組有顯著差異(P<0.05)。T2比T1根、葉的MDA含量分別降低35%、57%。T7與T2處理相比，根、葉的MDA含量分別增加了38%、140%。且在甜菜葉片中MDA的積累量大于根系。

2.2.2 錳元素對甜菜CAT、APX、SOD、POD等活性的影響

圖2 錳元素對甜菜幼苗細(xì)胞內(nèi)MDA含量的影響Fig.2 Effect of manganese on MDA content in sugar beet seedling cells

CAT可促使H2O2分解為分子氧和水，避免植物細(xì)胞受到H2O2的毒害，是生物抗氧化防御體系的關(guān)鍵酶之一。由圖3(a)可見，隨著錳濃度的增加，CAT在甜菜中的活性呈先下降后上升的趨勢。當(dāng)濃度達(dá)到T4時(shí)，甜菜根、葉中所含的CAT活性最低，且與其他濃度處理有顯著差異(P<0.05)。當(dāng)濃度升高到T5時(shí)，CAT活性又呈上升趨勢，葉片和根系中的CAT活性與T4相比增高37%、11%。

圖3 錳元素對甜菜幼苗CAT含量(a)和APX含量(b)的影響Fig.3 Effect of manganese on CAT content(a) and APX content(b) of sugar beet seedlings

在植物抗氧化系統(tǒng)中，APX是清除H2O2的主要酶類之一，通過研究發(fā)現(xiàn)，錳元素對甜菜幼苗時(shí)期APX活性有影響。由圖3(b)可見，T2組比T1葉片和根系內(nèi)APX活性分別下降28%、6%。當(dāng)濃度增加至T3時(shí)，較T2葉片和根系A(chǔ)PX活性分別增高108%、23%。

SOD是植株內(nèi)清除活性氧的首要物質(zhì)，主要用來清除超氧陰離子，作為有害物質(zhì)的超氧陰離子在SOD的作用下和氫離子反應(yīng)，生成H2O2。由圖4(a)可見，隨著錳濃度的增加，甜菜幼苗中葉片、根系的SOD活性均呈上升趨勢，而達(dá)到高濃度T7時(shí)，甜菜根系SOD活性有所降低。

POD可清除植物脅迫時(shí)產(chǎn)生的H2O2，POD酶活性是衡量植物在脅迫情況下的一個(gè)非常重要的生理指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同濃度的錳元素，導(dǎo)致POD活性在甜菜葉片和根系中均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(圖4(b))，葉片POD活性具有顯著差異性(P<0.05)，而根系POD活性均無明顯差異性(P<0.05)。由圖4(b)可見，在濃度達(dá)到T4時(shí)，甜菜葉片中的POD活性最高。

2.2.3 錳元素對甜菜滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

植物在遭受脅迫時(shí)，植株內(nèi)的脯氨酸會(huì)大量積累，因此，脯氨酸也作為反映植株內(nèi)水分含量的重要參考指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，錳元素對甜菜中脯氨酸含量有一定的影響(圖5)。由圖5(a)可見，T1與T3相比，T3組葉片和根系的脯氨酸含量分別下降了25%、22%。T3與T5相比，T5組葉片、根系中脯氨酸的含量分別上升了58%、139%。且在T5葉片和根系的脯氨酸含量均達(dá)到最高。由圖5(b)可見，不同濃度的錳元素會(huì)導(dǎo)致甜菜幼苗葉片和根系可溶性糖含量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。在T4甜菜幼苗葉片和根系中的可溶性糖含量均為最高。

圖4 錳元素對甜菜幼苗SOD含量(a)和POD含量(b)的影響Fig.4 Effect of manganese on SOD content(a) and POD content(b) of sugar beet seedlings

圖5 錳元素對甜菜幼苗脯氨酸含量(a)和可溶性糖含量(b)的影響Fig.5 Effect of manganese on the proline content(a) and soluble sugar content(b) of sugar beet seedlings

2.2.4 錳元素對甜菜葉片光合色素含量的影響

由圖6可見，隨錳濃度升高，總?cè)~綠素、葉綠素A、葉綠素B和類胡蘿卜素含量均呈先升高后降低的趨勢，且在T4各指標(biāo)均達(dá)最大值。其中，T1和T7葉綠素A含量分別比T4降低了23%、22%。T1和T7葉綠素B含量分別比T4降低了23%、22%。T1和T7總?cè)~綠素含量分別比T4降低了23%、22%。類胡蘿卜素既是光合色素，又是內(nèi)源性抗氧化劑，可淬滅活性氧從而防止膜過氧化，在T1和T7處理下與T4組相比類胡蘿卜素含量分別降低了25%、28%。說明錳濃度為T4時(shí)，甜菜光合色素含量最高。在高濃度錳元素處理的情況下，葉片中的光合色素含量會(huì)受到影響。

圖6 錳元素對甜菜幼苗總?cè)~綠素(a)、類胡蘿卜素(b)、葉綠素A(c)和葉綠素B(d)含量的影響Fig.6 Effect of manganese on the contents of total chlorophyll(a),carotenoid (b),chlorophyll A(c) and chlorophyll B(d) of sugar beet seedlings

3 討 論

錳元素是直接參與在植物生長過程中的礦質(zhì)元素之一，不同濃度會(huì)使植物產(chǎn)生不同的生理變化[17]。當(dāng)錳濃度為T1時(shí)錳元素為缺乏狀態(tài)，會(huì)直接影響甜菜株高、鮮重、干重等一系列表型特征，甘功勛等[19]研究得出相同結(jié)論 。劉京萍等[20]研究表明，錳元素過量會(huì)對甜菜葉片有一定的脅迫作用。本實(shí)驗(yàn)表明，在T2處理時(shí)為適錳狀態(tài)，可以顯著降低甜菜葉片中MDA的含量。

抗氧化酶是抗氧化系統(tǒng)的重要組成部分，用于清除植物體內(nèi)的活性氧。APX是清除植物體內(nèi)超氧陰離子自由基 (O2-) 的重要酶類[21]，可提高植物的抗逆性，維持其正常的生長發(fā)育。曾小英等[22]研究發(fā)現(xiàn)，植物在吸收過多重金屬后，會(huì)造成其植物根系生長嚴(yán)重受阻。當(dāng)植物受到此脅迫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生H2O2，POD會(huì)將H2O2氧化，分解成酚類、芳香胺、抗壞血酸，從而保護(hù)酶蛋白，促進(jìn)植物細(xì)胞木質(zhì)素的形成，研究發(fā)現(xiàn)，SOD可以消耗植物在受到脅迫時(shí)產(chǎn)生的超氧陰離子自由基[3]，同時(shí)，在高濃度T7處理中，甜菜植株內(nèi)SOD活性最高。在高濃度錳元素處理下，甜菜產(chǎn)生膜脂過氧化作用，其中會(huì)產(chǎn)生出脂質(zhì)自由基，它能連續(xù)誘發(fā)一系列膜脂過氧化反應(yīng)，從而使細(xì)胞受到損傷，同時(shí)調(diào)節(jié)甜菜根系和葉片的抗氧化酶能力清除活性氧。

脯氨酸和可溶性糖都能通過改變細(xì)胞液濃度和細(xì)胞滲透勢來防止細(xì)胞脫水。實(shí)驗(yàn)中，在錳濃度為T4時(shí)可溶性糖含量最高，T5處理下脯氨酸含量最高，可提供能源物質(zhì)，維持一定細(xì)胞內(nèi)滲透壓。說明脯氨酸和可溶性糖可緩解錳脅迫損傷。

4 結(jié) 論

不同濃度的錳元素處理下對甜菜幼苗的形態(tài)和生理生化特性的影響不同。實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)錳元素濃度為T2時(shí)，對甜菜幼苗生長的促進(jìn)作用最明顯，提高了甜菜幼苗的株高和根、葉面積以及干、鮮重且有效降低甜菜植株中MDA含量。此外，在錳元素的濃度為T4時(shí)，影響甜菜葉片生長，且光合效率較高。高濃度錳元素能影響抗氧化酶活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，從而緩解錳脅迫損傷。