油茶幼苗根和葉對(duì)早期錳脅迫生理響應(yīng)特征比較

廖 陽(yáng)，閆榮玲，張佳俊，程 俊，黃玉錢(qián)，彭曉瓊

（湖南科技學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)工程系，湖南 永州 425199）

植物在生命周期中很容易遭遇如干旱、水淹、鹽堿、酸雨等逆境的危害，在受到這些脅迫時(shí)，植物的生長(zhǎng)發(fā)育、生理狀態(tài)、器官形態(tài)結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)量等均受到不同程度的影響[1-4]。隨著人類(lèi)活動(dòng)范圍和強(qiáng)度的增加，以及植物根系對(duì)土壤微環(huán)境的改變，重金屬脅迫越來(lái)越被人們所重視。與其他脅迫相比，重金屬脅迫具有危害程度大、危害時(shí)間長(zhǎng)、危害面積廣、治理難度大等特點(diǎn)[5]。

錳離子在維持葉綠體的正常結(jié)構(gòu)、參與光合作用的氧化還原以及激活體內(nèi)酶的活性等方面發(fā)揮著重要作用，因此，根際保持一定濃度的錳離子是植物維持正常生命活動(dòng)的重要保障[6]。但是，當(dāng)土壤中可溶性錳的含量超過(guò)植物所需含量時(shí)便會(huì)形成錳脅迫，特別是在錳礦資源富集地區(qū)，管理不善或處理不當(dāng)更易導(dǎo)致錳脅迫現(xiàn)象的出現(xiàn)[7]。已有研究結(jié)果表明，錳脅迫會(huì)使植物在不同水平（整體、組織、細(xì)胞、亞細(xì)胞、分子等）上表現(xiàn)出毒害效應(yīng)，長(zhǎng)時(shí)間或高濃度的錳脅迫甚至?xí)?dǎo)致植株死亡[8-11]。植物受到錳脅迫后，其細(xì)胞因被激發(fā)而產(chǎn)生一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，對(duì)脅迫進(jìn)行響應(yīng)，以維持自身正常的生理活動(dòng)。響應(yīng)的重要表現(xiàn)就是相關(guān)生理指標(biāo)的變化，這些指標(biāo)有的表征細(xì)胞受毒害或損傷的程度，有的則表征細(xì)胞抵御和緩解毒害的能力。有關(guān)研究結(jié)果表明，不同物種在錳脅迫下其生理響應(yīng)的差異明顯[9,12-13]，其研究對(duì)象主要僅僅是水生或草本植物本身，很少有對(duì)其不同器官的生理響應(yīng)特征進(jìn)行比較分析的。那么，作為重要木本油料作物的油茶在錳脅迫下其幼苗體內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生怎樣的生理響應(yīng)，其不同器官的生理響應(yīng)又會(huì)存在怎樣的差異，本研究對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了初步的探討。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試材料為樹(shù)齡1 a、長(zhǎng)勢(shì)一致、狀態(tài)良好、根系發(fā)達(dá)的湘林7號(hào)油茶幼苗（60株），幼苗由湖南科技學(xué)院油茶育苗基地提供。

1.2 錳脅迫處理

將幼苗作如下兩組處理：一組為對(duì)照組（CK），將幼苗置于錳離子濃度為0.005 mmol/L的霍蘭氏培養(yǎng)液中培養(yǎng)；另一組為處理組，將幼苗置于錳離子濃度為6 mol/L的霍蘭氏培養(yǎng)液中培養(yǎng)，錳以MnSO4形式加入，6 mol/L的錳脅迫濃度是基于前期研究結(jié)果而確定的（將另文報(bào)道）。培養(yǎng)過(guò)程中培養(yǎng)液的pH值應(yīng)保持為5.5，每隔4天更換1次培養(yǎng)液，并向培養(yǎng)液中通氧，以保證根系供養(yǎng)充足。

1.3 生理指標(biāo)的測(cè)定

參照張志良等人[14]提出的方法測(cè)定根和葉兩個(gè)器官中的超氧化物酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量。從開(kāi)始進(jìn)行分組處理的當(dāng)天（第0天）持續(xù)到處理后的第20天，每隔5天測(cè)定1次幼苗的上述生理指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003、SPSS 19.0及Sigma plot 10.0等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)及作圖。

2 結(jié)果與分析

分析發(fā)現(xiàn)，CK組各生理指標(biāo)在處理過(guò)程中未發(fā)生明顯的變化（p＞0.05）；但處理組各生理指標(biāo)的變化則顯著，且不同器官間的差異明顯，具體如下。

2.1 錳脅迫下油茶植株表觀(guān)的變化情況

在培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，至培養(yǎng)的第15天，處理組幼苗有若干老葉的邊緣特別是尖端部位出現(xiàn)了褐斑（圖1），但之后其褐斑數(shù)量和褐斑面積未明顯增加，植株上的莖尖與新葉等生長(zhǎng)發(fā)育基本正常。

圖1 錳脅迫下油茶幼苗葉片上的褐斑Fig. 1 Brown speckles in C. oleifera seedling leaves under Mn stress

2.2 錳脅迫對(duì)油茶幼苗葉與根的生理影響

錳脅迫處理第20天時(shí)，CK組與處理組油茶幼苗植株葉與根中MDA含量、SOD和POD酶活性的測(cè)定結(jié)果如圖2所示，三個(gè)生理指標(biāo)在處理后均顯著增加（p＜0.01）。

2.3 油茶幼苗葉和根對(duì)錳脅迫生理響應(yīng)特征的比較

持續(xù)處理20天內(nèi)，隨著錳脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，葉和根中的MDA含量和SOD、POD酶活性均呈現(xiàn)出逐漸增加或增強(qiáng)的變化趨勢(shì)，且MDA含量和SOD活性均為葉＞根，POD活性則相反，為根＞葉（如圖3所示）。對(duì)比分析同一器官的兩種抗氧化酶活性則發(fā)現(xiàn)，葉中SOD活性＞POD活性，而根中POD活性＞SOD活性（如圖4所示）。

圖2 錳脅迫對(duì)油茶幼苗葉與根中SOD與POD活性及MDA含量的影響Fig. 2 Effect of Mn stress on SOD activity, POD activity and MDA content in leaves and roots of C. oleifera seedlings

圖3 SOD與POD活性及MDA含量在葉和根中的變化規(guī)律Fig. 3 Change laws of SOD activity, POD activity and MDA content in leaves and roots

從圖3中可以看出，在不同的錳脅迫時(shí)間段根和葉中各生理指標(biāo)值的增速、增幅各不相同，如錳脅迫第5～10天根中POD活性急劇增強(qiáng)，葉中POD活性則在錳脅迫第5天后持續(xù)增強(qiáng)。而在錳脅迫的第0～5天，根和葉中MDA 含量、POD活性的增幅均較小，但其SOD活性的增幅均較大，且增幅根大于葉（圖5）。

圖4 SOD與POD活性在葉與根中的變化規(guī)律Fig. 4 Change laws of SOD and POD activities in leaves and roots

圖5 錳脅迫開(kāi)始的5天內(nèi)根和葉中SOD與POD活性和MDA含量增幅的比較Fig. 5 Comparison of increasing ranges of SOD activity,POD activity and MDA content in leaves and roots infive days from Mn stress beginning

3 討 論

因?yàn)椴栌偷臓I(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，而且油茶種植不占用耕地，故其越來(lái)越被人們重視。關(guān)于油茶的栽培與育種、分子克隆、逆境脅迫以及重金屬富集特征等方面的研究正蓬勃開(kāi)展[15-19]，但至今還鮮見(jiàn)油茶對(duì)錳脅迫生理響應(yīng)的相關(guān)研究報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以錳離子濃度為6 mol/L的霍蘭氏培養(yǎng)液持續(xù)培養(yǎng)20天后，油茶植株的表觀(guān)性狀與各生理指標(biāo)均顯示出正常狀態(tài)，說(shuō)明油茶具有一定的抗錳脅迫的能力。有關(guān)研究者在對(duì)木本植物馬尾松的研究[18]中也發(fā)現(xiàn)，馬尾松也能較好地抵御錳脅迫。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著錳脅迫時(shí)間的持續(xù)，油茶幼苗各器官不斷富集錳離子，激發(fā)了機(jī)體的生理響應(yīng)。隨著處理時(shí)間的增加，MDA含量、POD與SOD活性均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且與對(duì)照組的差異顯著（p＜0.01）。生理指標(biāo)的變化說(shuō)明，錳離子在油茶幼苗各器官中的富集對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生了不利影響，細(xì)胞代謝產(chǎn)生越來(lái)越多的自由基等有害物質(zhì)，導(dǎo)致了MDA含量的逐漸增加。但同時(shí)，在一定范圍內(nèi)細(xì)胞的抗氧化酶活性也逐漸增強(qiáng)，不斷增強(qiáng)的抗氧化能力減弱了錳離子富集對(duì)細(xì)胞所產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，延緩了葉和根內(nèi)MDA的增加速度，使細(xì)胞維持于正常的生理狀態(tài)中[9,12]。當(dāng)然，在整個(gè)生理響應(yīng)過(guò)程中，發(fā)生了一系列復(fù)雜的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、基因表達(dá)調(diào)控以及酶活性調(diào)節(jié)[21-22]。

相同生理指標(biāo)在油茶幼苗根與葉兩個(gè)不同器官中的響應(yīng)存在明顯的差異，圖3表明：MDA含量，葉＞根；SOD活性，葉＞根；而POD活性，根＞葉。由此推測(cè)，錳離子被根吸收并向上轉(zhuǎn)移到葉片后，葉細(xì)胞對(duì)錳離子濃度的增加更加敏感，雖然抗氧化酶系統(tǒng)積極響應(yīng)以保護(hù)細(xì)胞，但葉中MDA的增速還是大于根。另外，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，葉中的SOD活性＞POD活性，根中的POD活性＞SOD活性，這說(shuō)明，機(jī)體在抗氧化過(guò)程中，SOD在葉片中起著主導(dǎo)作用，而POD在根中起著主導(dǎo)作用，即不同器官的響應(yīng)會(huì)存在一定的差異。陳燕珍等人[23]在對(duì)商陸Phytolacca acinosa的研究中也發(fā)現(xiàn)，錳脅迫下商陸的葉和根中SOD和POD活性的差異明顯。雖然SOD和POD在響應(yīng)過(guò)程中存在差異，但二者在油茶幼苗應(yīng)對(duì)錳脅迫時(shí)均發(fā)揮了重要作用。值得一提的是，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在錳脅迫的第0～5天，SOD活性在根和葉中的增幅均遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)指標(biāo)（圖5），說(shuō)明油茶幼苗體內(nèi)SOD對(duì)錳脅迫更加靈敏，在響應(yīng)的起始階段可能發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

當(dāng)脅迫與抗脅迫在某個(gè)器官或器官的某一個(gè)部位失衡時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生不可逆的損傷并在表觀(guān)上表現(xiàn)出來(lái)。我們注意到，錳脅迫第15天時(shí)就有若干老葉的邊緣出現(xiàn)了褐斑狀癥狀，說(shuō)明錳脅迫確實(shí)給植株造成了影響，但實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)褐斑增加，說(shuō)明機(jī)體生理響應(yīng)對(duì)錳脅迫的抵御是積極有效的。油菜在錳脅迫下也是葉片最先出現(xiàn)癥狀的，這與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[24]。但是，為什么褐斑首先會(huì)出現(xiàn)在老葉的葉尖和邊緣，對(duì)此則還需進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 論

錳脅迫初期，油茶幼苗各生理指標(biāo)協(xié)同響應(yīng)以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化，但不同器官受錳脅迫的毒害程度不同，抗逆境的主導(dǎo)酶以及酶響應(yīng)的速度都有差異。

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