Mn2+脅迫對西洋參生理特征及某些營養(yǎng)元素吸收與分配的影響

張麗娜等

摘要：為了明確Mn2+脅迫對西洋參（Panax quinquefolium L.）生理特征及某些營養(yǎng)元素吸收及分配的影響，以土壤為基質(zhì)，外施MnSO4進行盆栽試驗，土壤添加的Mn2+濃度分別為0、2.2、8.8、17.6、35.2 mg/kg。結(jié)果表明：在Mn2+脅迫下，西洋參葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均表現(xiàn)為先降低后升高；CAT與POD活性均呈現(xiàn)先升高后減弱的趨勢；脯氨酸含量呈現(xiàn)升高趨勢；MDA含量呈現(xiàn)先增強后降低的趨勢。說明Mn2+脅迫導(dǎo)致了西洋參體內(nèi)礦質(zhì)營養(yǎng)元素吸收及分配紊亂。

關(guān)鍵詞：Mn2+脅迫；西洋參；生理特征；營養(yǎng)元素

中圖分類號：S567.5+30.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-1302（2014）04-0192-04

收稿日期：2013-08-06

基金項目：吉林省科技項目（編號：20101583、20110266）。

作者簡介：張麗娜（1985—），女，山西大同人，碩士研究生，從事藥用植物栽培研究。E-mail：zhanglina1235@126.com。

通信作者：張亞玉，研究員，從事藥用植物栽培研究。E-mail：zyy1966999@sina.com。錳是地殼的組成元素之一，主要來源于成土母質(zhì)，它是植物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素之一，在植物體內(nèi)發(fā)揮著重要的生理作用。錳參與植物光合電子傳遞鏈的氧化還原過程及PSⅡ系統(tǒng)中水的光解，且對維持葉綠體的正常結(jié)構(gòu)具有重要作用，它還是很多酶的激活劑，參與植物體內(nèi)酶系統(tǒng)的活動[1-3]。當(dāng)植物體內(nèi)錳濃度超出臨界值時，作物就會受到危害。土壤中微量元素含量直接關(guān)系到農(nóng)作物的生長發(fā)育[4]。過量的錳不僅對植物造成傷害，還能夠通過食物鏈對人類健康產(chǎn)生影響。在強酸性土壤、漬水引起的有機物積累減少的土壤以及施肥不平衡的土壤上易發(fā)生錳毒[5]。過量的錳阻礙植株正常生長，引起氧化脅迫，導(dǎo)致氧自由基大量累積，葉綠素受到破壞，葉綠體功能不能正常發(fā)揮。同時，氧自由基會啟動膜脂過氧化作用，導(dǎo)致膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）大量累積[2]。錳毒還會使植株的過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性失衡[6]。尹文彥等研究發(fā)現(xiàn)，錳毒能影響葡萄植株中Mn、Fe、Cu、Zn等礦質(zhì)元素的含量[7]。西洋參（Panax quinquefolium L.）別稱洋參、西洋人參、花旗參、美國人參、廣東人參等[8]，為五加科人參屬多年生草本植物，主要以干燥的根入藥，具有補氣養(yǎng)陰、清熱生津之功效。我國從20世紀80年代開始大面積引種西洋參，經(jīng)過幾十年的努力，我國已成為繼美國、加拿大之后世界第三大西洋參生產(chǎn)國及第一大消費國。近年來，西洋參在我國的應(yīng)用越來越廣泛，但是關(guān)于不同營養(yǎng)元素對西洋參的生長、生理特征及元素吸收的研究卻較少。本研究以二年生西洋參為材料，采用室內(nèi)盆栽試驗，對不同錳濃度脅迫下西洋參葉片脯氨酸、MDA、POD、CAT活性等指標(biāo)以及Mn、Fe、Cu、Zn含量進行分析，旨在為西洋參種植提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

供試材料為二年生西洋參。所用盆栽土壤為山地腐殖土，其理化性狀為：pH值6.14，有機質(zhì)含量18.851 g/kg，堿解氮含量101.635 mg/kg，有效磷含量150.807 mg/kg，速效鉀含量146.098 mg/kg，全Mn含量 868.255 mg/kg，二價Mn含量 3.249 mg/kg。

1.2試驗設(shè)計

試驗于2011年9月30日在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所溫室內(nèi)進行，挑選大小均勻一致的二年生西洋參，平均單株重（7.12±0.16） g。 250 mg/L 赤霉素溶液處理5 h打破西洋參休眠后，將其栽植在直徑為18 cm、高為17 cm的塑料盆中，每盆裝土2.5 kg。土壤中Mn2+濃度分為0（CK）、2.2 mg/kg（Mn1）、8.8 mg/kg（Mn2）、17.6 mg/kg（Mn3）、35.2 mg/kg（Mn4）5個處理，將每個處理的Mn2+溶液與除去沙石、枯枝等雜質(zhì)的土壤反復(fù)混合均勻，每個處理重復(fù)3次，每盆種植3株，共9株。每6 d在同一時段內(nèi)澆1次水，中間根據(jù)情況補充水分。

1.3樣品采集

于開花期09：00—10：00取1株/盆西洋參，用自來水沖洗干凈，再用蒸餾水沖洗，用濾紙擦干，取部分鮮葉置于超低溫冰箱中，在較短時間內(nèi)測定其生理指標(biāo)。將地上部與根部分開，80 ℃烘干至恒重。

1.4方法

1.4.1生理指標(biāo)測定采用乙醇浸提法測定西洋參葉綠素含量，采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測定脯氨酸含量，采用硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛含量，采用紫外吸收法測定CAT活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定POD活性[9]。

1.4.2礦質(zhì)元素含量測定將烘干至恒重的西洋參地上部及根系用研缽磨碎，過100目篩作為待測樣，分別稱取 0250 0 g 西洋參根部及地上部待測樣，置于100 mL三角瓶中，加入硝酸12 mL，加上小漏斗過夜。次日于電熱板上加熱，開始時將溫度控制在80 ℃約2 h，然后將溫度調(diào)高到 120 ℃ 保持1 h，再將溫度升高到180 ℃保持約3～4 h，停止加熱，待冷卻后向三角瓶中加入HClO4 溶液3 mL，繼續(xù)加熱至溶液清澈明亮且近干為止，用去離子水定容至50 mL容量瓶中，過濾后即為待測樣品液。用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測定溶液中Mn、Fe、Cu、Zn含量。儀器工作條件為：功率為1.00 kW，等離子氣體流量為 15.0 L/min，輔助氣體流量為1.5 L/min，霧化器壓力為200 kPa，泵速為 15.0 r/min，儀器穩(wěn)定延時 15 s，Mn、Fe、Cu、Zn分析波長分別為2576、2382、324.8、213.9 nm。endprint

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003、SAS 8.0軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2.1Mn2+脅迫對西洋參生理特征的影響

2.1.1Mn2+脅迫對西洋參葉片光合色素的影響植物葉綠素含量與光合作用及其強度密切相關(guān)[10]。類胡蘿卜素是脂溶性化合物，是維生素A的前體[11]，一方面可吸收光能并傳遞到反應(yīng)中心，補償由于葉綠素減少而引起的光合作用下降；另一方面可以吸收剩余能量，猝滅活性氧，消除自由基的不良影響，防止膜脂過氧化[12]，其含量的高低一定程度上能夠反映植物抵抗逆境的能力。由表1可知，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量隨Mn2+濃度的增加均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。Mn3處理下，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量均最低，分別為1.788、0.838、2.626、0556 mg/g。Mn4處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+ b、類胡蘿卜素含量均有所回升，分別為2.038、0.943、2.981、0699 mg/g。各處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+ b、類胡蘿卜素含量均與對照差異顯著（P<0.05）。

3結(jié)論與討論

Mn是植物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素之一，在植物生理代謝過程中起重要作用，然而過量的Mn會給植物的生長帶來危害。葉片光合色素含量是反映植物光合生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，可以評價逆境因子對植物造成的影響[16]。在Mn2+脅迫下，西洋參葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量表現(xiàn)為先降低后升高，原因可能包括以下兩方面：第一，Mn2+在葉綠體中被光激活的葉綠素氧化為Mn3+，氧化還原電位提高，導(dǎo)致活性氧大量累積，葉綠素遭到破壞，葉綠體功能不能正常發(fā)揮；第二，葉片中Mn含量的增加使葉綠體酶活性比例失調(diào)，葉綠素分解加快，含量下降。在某些逆境（如重金屬脅迫）下，植物體內(nèi)活性氧含量增加，植物會通過酶保護系統(tǒng)清除或減少逆境脅迫所產(chǎn)生的活性氧，避免其對組織細胞的傷害[17]。CAT與POD具有清除活性氧的重要作用，主要起酶促降解H2O2的作用，避免因H2O2的過量積累而導(dǎo)致毒性更大的·OH含量增加[18-19]。本研究表明，隨著Mn2+濃度的增加，西洋參CAT與POD活性均呈現(xiàn)先增強后減弱的趨勢，Mn3處理下CAT與POD活性最高。

本研究表明，隨著Mn2+濃度的增加，西洋參脯氨酸含量呈現(xiàn)升高趨勢，Mn4處理下含量最高，這可能是由于此時西洋參受到的損害最大，游離脯氨酸的響應(yīng)程度最高。MDA含量的高低可作為反映植物受脅迫程度的重要指標(biāo)[20]。在一定的脅迫強度范圍內(nèi)，細胞內(nèi)的各種保護機制使得MDA含量維持在一定的水平，但當(dāng)脅迫強度超過特定閾值后，細胞代謝失調(diào)，自由基積累，膜脂過氧化作用加大，MDA含量升高[21]。本研究表明，西洋參MDA含量隨Mn2+濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，Mn3處理下西洋參葉片MDA含量最高，表明此時西洋參葉片受脅迫程度最大，此時地上部分的Mn含量最高。

過量的Mn會影響植株對其他營養(yǎng)元素的吸收及分配[22]。本研究表明，Mn2+脅迫導(dǎo)致西洋參體內(nèi)礦質(zhì)營養(yǎng)元素吸收及分配紊亂。Mn2+脅迫下，西洋參根部Mn含量大幅增加，Mn的向上運輸受到抑制；西洋參根部Fe累積率降低；西洋參地上部分Cu累積率表現(xiàn)出升高趨勢，根部Cu累積率先升高后降低；西洋參地上部分及根部Zn累積率都呈降低趨勢。西洋參地上部分的Mn含量均明顯大于根部，這是由于Mn2+容易被植物吸收并迅速運輸?shù)降厣喜糠諿23]。西洋參地上部分Mn含量先升高后降低，可能是西洋參的一種自我保護機制，當(dāng)?shù)厣喜糠諱n含量達到一定程度時不再升高，而是將其滯留在根部，阻止了有害離子對西洋參光合作用及新陳代謝的毒害。Fe、Cu是植物形成葉綠素所必需的元素，Mn2+脅迫促進了西洋參地上部分對Fe、Cu的吸收。西洋參根部Fe含量降低可能是由于Mn2+與Fe2+半徑相近，它們在根部有相同的結(jié)合位點，且Mn2+的結(jié)合能力較Fe2+強，所以Mn2+脅迫增加了根部Mn含量而降低了Fe含量[24]。

綜上所述，Mn2+脅迫影響了西洋參葉片中光合色素的含量，CAT、POD活性的提高能夠清除Mn2+脅迫產(chǎn)生的活性氧，對西洋參具有保護作用，從而表現(xiàn)出一定的抗錳毒能力。活性氧的積累會導(dǎo)致植物MDA含量升高，破壞膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。Mn2+脅迫影響了西洋參對礦質(zhì)元素Mn、Fe、Cu、Zn的吸收與分配，擾亂了西洋參正常的生理代謝，最終影響西洋參的生長。

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