碳化玉米芯緩解鄰苯二甲酸對番茄幼苗生長和酶活性的抑制作用

李亮亮 李天來 張恩平 陳 彬 劉文娥 吳正超

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110161）

酚類物質(zhì)是自毒物質(zhì)中的一大類，以往的研究表明酚類物質(zhì)對作物和蔬菜的影響主要表現(xiàn)在抑制幼苗生長、光合作用、離子吸收、脂膜透性增加、保護(hù)酶活性降低等（Cruz-Ortega et al.，2002；Amarjeet et al.，2005）。周志紅等（1997）研究了番茄根系分泌物、植株浸提液及揮發(fā)物質(zhì)的化感作用，表明番茄具有自毒性。Yu和 Matsui（1997）證實了豌豆、番茄、黃瓜、西瓜和甜瓜根系分泌物和殘茬所引起的自毒作用，并從中分離出以肉桂酸為代表的多種自毒物質(zhì)。目前，施用有機(jī)物被認(rèn)為是一種防止連作障礙的簡便易行的方法（Polymenakou &Stephanou，2005）。活性炭具有較大的表面積，被認(rèn)為對抑制物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附能力，而且對土壤養(yǎng)分的影響較?。–allaway & Aschehoug，2000）。因此，在溫室和田間試驗中被廣泛應(yīng)用（Kulmatiski & Beard，2006）。Yu等（1993）通過向番茄營養(yǎng)液中添加活性炭來消除番茄的自毒作用。鄰苯二甲酸作為番茄的一種重要的自毒物質(zhì)，對番茄種子萌發(fā)、植株生長具有較強(qiáng)的抑制作用（姚軍，2007；Zhang et al.，2009）。因此，本試驗采用珍珠巖栽培，研究鄰苯二甲酸對番茄幼苗的自毒作用以及添加碳化玉米芯后番茄幼苗在生長發(fā)育中生理生化指標(biāo)的變化，探討鄰苯二甲酸對番茄幼苗的自毒作用以及碳化玉米芯是否能夠緩解鄰苯二甲酸對番茄幼苗的傷害，為進(jìn)一步揭示鄰苯二甲酸的作用機(jī)制提供新的資料和依據(jù)，為制定適于生產(chǎn)應(yīng)用、防止番茄自毒作用的措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于 2009年 4～6月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗基地塑料大棚及實驗室進(jìn)行。供試番茄（Lycopersicon esculentumMill.）品種為遼園多麗?；钚蕴渴琴徲诨瘜W(xué)試劑商店的高純度粉狀活性炭。碳化玉米芯來自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)稻作所，經(jīng)酸洗、堿洗和水洗凈化后烘干備用。試驗所用藥品均為分析純。

1.2 試驗方法

將預(yù)先挑選好的番茄種子播于穴盤中，植株長至四葉一心時，將優(yōu)良壯苗移栽到盛有珍珠巖的10 cm×10 cm的塑料缽內(nèi)。采用表1的處理進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)。

根據(jù)周志紅等（1998）對番茄植株中幾種化學(xué)成分的化感效應(yīng)研究認(rèn)為，酚酸類抑制作用的臨界濃度為0.5 mmol·L-1，因此本試驗采用0.25 mmol·L-1和2.5 mmol·L-1兩個濃度來研究鄰苯二甲酸對番茄幼苗的作用。

表1 試驗設(shè)計

每處理定植10株，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。前期每天每缽澆灌100 mL培養(yǎng)液，后期澆灌150 mL，每處理澆灌培養(yǎng)液的量保持一致，其他栽培管理與生產(chǎn)相同。

生長指標(biāo)測定：處理后20 d，測定幼苗根鮮質(zhì)量、葉片鮮質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量及根長。地上部及地下部鮮質(zhì)量采用稱重法測定；根長采用鋼卷尺測量。

光合作用相關(guān)指標(biāo)和葉綠素含量測定：處理后20 d，選擇晴天上午，用Li-6400型便攜式光合作用測定系統(tǒng)，溫度為30 ℃，空氣相對濕度為50 %～70 %，采用開放式氣路測定番茄幼苗功能葉片（第6片葉）的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、細(xì)胞間隙CO2濃度（Ci）。葉綠素含量的測定按Arnon（1949）的方法。

保護(hù)酶活性及丙二醛含量測定：POD、SOD活性測定按照李合生（2003）的方法，CAT活性測定按照Aebi（1984）的方法，丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸法（Hodges et al.，1999）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)的處理采用 Excel 軟件完成，采用 SPSS11.5 統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳化玉米芯緩解鄰苯二甲酸對幼苗生物量及葉綠素的抑制作用

從表2可以看出，處理后第20天時，高濃度的鄰苯二甲酸（B處理）對番茄幼苗的生物量有較大的抑制效果，與對照相比除了葉綠素a的差異不顯著外，其他各項指標(biāo)均顯著低于對照，尤其以地上部鮮質(zhì)量和葉鮮質(zhì)量變化顯著，減少了70 %左右。低濃度的鄰苯二甲酸（A處理）與對照差異不顯著。加入碳化玉米芯的C處理與加入活性炭的D處理的結(jié)果相似，與B處理相比，除葉綠素a外各項指標(biāo)均有提高，表明碳化玉米芯與活性炭一樣具有緩解、降低番茄自毒作用的效果。

表2 不同處理對番茄幼苗生物量及葉綠素含量的影響

2.2 碳化玉米芯緩解鄰苯二甲酸對幼苗光合作用的抑制作用

由表3的結(jié)果可知，處理后第20天時，A處理胞間 CO2濃度、蒸騰速率與對照差異不顯著。B處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度、蒸騰速率與對照相比均顯著下降。這說明高濃度的鄰苯二甲酸處理引起番茄幼苗的氣孔關(guān)閉，CO2進(jìn)入受阻，抑制幼苗的生長。加入碳化玉米芯的C處理與加入活性炭的D處理的各項指標(biāo)均低于對照，但與B處理相比均有提高，且在凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率上差異達(dá)顯著水平。

2.3 碳化玉米芯緩解鄰苯二甲酸對保護(hù)酶活性和膜質(zhì)過氧化的抑制作用

番茄從花芽分化到開花需30 d左右，以往的研究認(rèn)為酚酸物質(zhì)處理初期對植物幼苗的保護(hù)酶活性影響較大（吳鳳芝 等，2002；石振 等，2008），因此本試驗將取樣的時間點定為處理后 2、5、10、20 d。

表3 不同處理對番茄幼苗光合作用的影響

2.3.1 對POD活性的影響 由圖1可知，對照POD活性一直處于比較平緩的趨勢，不同濃度的鄰苯二甲酸在處理后10 d促進(jìn)了番茄幼苗根系POD的活性。但是在處理后20 d活性明顯降低，并且B處理下降幅度最大（圖1-a）。對于葉片中POD活性的變化，在處理后10 d不同濃度的鄰苯二甲酸均提高了葉片POD的活性，在處理后10 d，高濃度的鄰苯二甲酸B處理表現(xiàn)為顯著的抑制作用，而低濃度鄰苯二甲酸A處理表現(xiàn)出促進(jìn)作用，POD活性明顯高于對照（圖1-b）。在根系和葉片中C處理與D處理之間差異均不顯著，C處理與B處理變化規(guī)律相似，但C處理的POD活性的變化幅度顯著低于B處理。表明碳化玉米芯緩解了鄰苯二甲酸對番茄幼苗的抑制作用。

圖1 不同處理對番茄幼苗POD活性的影響

2.3.2 對SOD活性的影響 從圖2中可以看出對照SOD活性處于平穩(wěn)的狀態(tài)，不同濃度的鄰苯二甲酸處理與對照相比在處理第5、10天對根系的SOD活性有顯著的促進(jìn)作用，而以B處理最明顯。之后則表現(xiàn)出明顯的抑制作用，B處理在處理第20天時SOD活性顯著低于對照。C處理與D處理之間差異不顯著，與B處理有類似的變化趨勢，但SOD活性的變化幅度則有所降低，而且在處理后20 d，活性與對照相當(dāng)（圖2-a）。與對照相比，各處理對葉片SOD活性的影響均不顯著（圖2-b）。

圖2 不同處理對番茄幼苗SOD活性的影響

2.3.3 對CAT活性的影響 由圖3可以看出根系中CAT活性在處理第5天，不同濃度的鄰苯二甲酸都促進(jìn)了番茄幼苗根系的CAT活性，處理后5 d，高濃度鄰苯二甲酸的B處理轉(zhuǎn)為抑制作用，在處理第20天，B處理的CAT活性僅為對照的50 %左右。而低濃度鄰苯二甲酸的A處理與對照差異不顯著（圖 3-a）。不同濃度的鄰苯二甲酸對番茄幼苗葉片 CAT活性的影響在處理第2、5天時并不顯著，在處理第10、20天時，B處理的CAT活性明顯低于對照。C處理與D處理之間差異不顯著，且兩者與對照差異亦不顯著（圖3-b），與B處理相比較，能明顯緩解高濃度鄰苯二甲酸的抑制作用。

圖3 不同處理對番茄幼苗CAT活性的影響

2.3.4 對膜質(zhì)過氧化的影響 由圖4可知，番茄幼苗的根系和葉片中對照的MDA含量一直保持在較低水平，且變化很小。B處理對番茄幼苗MDA含量的增加有較大的影響，并隨著生長發(fā)育的進(jìn)程而逐漸升高，在處理后20 d時根系和葉片中MDA含量分別為對照的2.8倍和2.6倍。C處理與D處理差異不顯著，與B處理的變化趨勢相似，但MDA含量明顯低于B處理。

圖4 不同處理對番茄幼苗MDA含量的影響

3 結(jié)論與討論

酚類物質(zhì)等化感物質(zhì)通過降低植物葉片的光合作用、葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度等生理指標(biāo)抑制鄰近植物或下茬植物的生長發(fā)育（Sannigrahi & Chakrabortty，2005）。本試驗結(jié)果表明高濃度的鄰苯二甲酸處理引起幼苗的光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降，同時也降低番茄幼苗生物量和葉綠素b的含量。其原因可能是自毒物質(zhì)會抑制光合作用中的電子傳遞、循環(huán)和非循環(huán)光合磷酸化，使葉片光合下降，氣孔關(guān)閉，降低了番茄幼苗的光合速率和蒸騰速率（Calera et al.，1995）。此外，PSⅠ形成的 O2可以進(jìn)入類囊體膜外的基質(zhì)并通過酶促和非酶促的歧化反應(yīng)和2H+生成H2O2，H2O2與O2反應(yīng)形成的-OH導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，促進(jìn)葉綠素的降解（Misako& Shimizu，1985），從而使番茄幼苗光合作用強(qiáng)度降低，抑制了植株的生長。

不同的化感物質(zhì)都會對POD、SOD、CAT活性及MDA含量產(chǎn)生一定的影響 （Cruz-Ortega et al.，2008）。本試驗結(jié)果表明，在高濃度鄰苯二甲酸作用下番茄幼苗根系的POD、SOD、CAT活性出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，與對照相比，POD、SOD和CAT活性在處理后第20天時均低于對照。番茄幼苗體內(nèi)保護(hù)酶活性的升高可能是其受到鄰苯二甲酸的脅迫后，誘導(dǎo)了體內(nèi)抗氧化能力的增加，在短時間內(nèi)提高了番茄幼苗根系清除氧自由基的能力，隨著處理時間的延長，當(dāng)體內(nèi)氧化產(chǎn)物累積到一定水平時，各種酶不能正常發(fā)揮作用，導(dǎo)致清除氧自由基的能力下降幅度增大，MDA含量逐漸升高。

加入碳化玉米芯和活性炭之后，均有效地緩解了鄰苯二甲酸對番茄幼苗的傷害，在一定程度上維持了作物的光合作用，保證了番茄幼苗生物量的增長。其中的原因可能與活性炭和碳化玉米芯具有比較大的吸附作用有關(guān)。有報道表明（范順利 等，1995），當(dāng)酚類物質(zhì)濃度較高時，非極性固體吸附劑如石墨、炭等吸附分子的狀態(tài)為垂直取向，增大了吸附量。與活性炭相比，碳化玉米芯具有較大的價格優(yōu)勢。因此，在土壤中添加碳化玉米芯是解決酚酸物質(zhì)對番茄的自毒作用、防止連作障礙的有效方法。

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