鎂鋁互作對甘蔗根系的影響研究

曾巧英 凌秋平 胡斐 齊永文

摘 要 為了明確鎂鋁互作對甘蔗根系的影響，以甘蔗品種YT55為材料，通過簡單鈣溶液培養(yǎng)的方法，分析在不同濃度鋁、鎂處理下，甘蔗根的相對伸長率、抗氧化酶GPX、SOD和APX活性的變化。結果顯示：50和100 μmol/L鋁處理24 h，根系的伸長受到嚴重抑制，根的相對伸長率下降，但是隨著脅迫時間的延長，鋁毒對根伸長的抑制減弱；添加2 mmol/L的MgSO4到鋁處理液中，3個時間點添加鎂處理的根相對伸長率均高于沒有添加鎂的處理，鎂緩解了鋁毒對根伸長的抑制。鋁脅迫24 h，鋁處理的根系GPX、SOD和APX酶活性顯著提高，但是隨著處理時間的延長，在48 h表現(xiàn)為下降，72 h略微上升。鋁脅迫24 h，鎂處理與沒有鎂的處理相比，在50 μmol/L鋁處理下的GPX酶活性，100 μmol/L鋁處理下SOD和APX酶活性顯著提高。到脅迫48 h，3個酶活性并未出現(xiàn)下降，高于沒有添加鎂的處理，72 h仍保持較高活性但與添加鎂的處理沒有顯著差異。由此可見，甘蔗短時間內(nèi)提高根系抗氧化酶活性在鎂緩解甘蔗鋁毒中起重要作用。

關鍵詞 甘蔗；鋁脅迫；鎂；緩解；抗氧化酶活性

中圖分類號 S566.1 文獻標識碼 A

Abstract The sugarcane variety， YT55， was used as experimental material to investigate the effects of magnesium （Mg）on ameliorating aluminum（Al）rhizotoxicity in sugarcane. The hydroponic experiment was carried out and the changes of relative root elongation rate and antioxidant enzyme activity were examined. The results revealed that root elongation was strongly inhibited in the presence of 50 and 100 μmol/L Al in a simple Ca solution at 24 h， and the inhibition was ameliorated over stress time. Significant amelioration of Al rhizotoxicity on root elongation was detected when the solutions contained 2 mmol/L Mg. After 24 h， 73% and 113% increases were detected for the relative root elongation rates at two levels of Al treatment adding Mg when compared with Al treatments， respectively. The activities of GPX， SOD and APX in sugarcane roots increased after 24 h. Then the activities of SOD， GPX and APX decreased at 48 h and slightly increased at 72 h. Application of 2 mmol/L Mg in Al solution resulted in increase of the GPX activity of 50 μmol/L Al treatment， SOD and APX activities of 100 μmol/L Al treatment after 24 h stresses. The activities of three antioxidant enzymes maintain higher level than those of Al treatment at 48 h and 72 h. These results revealed that increase of antioxidant enzyme activities play important role in alleviating Al toxicity by magnesium.

Key words Sugarcane； aluminum stress； magnesium； amelioration； antioxidant enzyme activity

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.11.012

甘蔗是我國重要的糖料作物，主產(chǎn)于我國廣西、云南、廣東等?。▍^(qū)）。這些省（區(qū)）的土壤為典型的酸性土壤，酸性土壤中鋁的溶解性增強，進而對植物造成毒害[1]。對甘蔗的研究顯示，在20 μmol/L鋁處理24 h后， 甘蔗初生根的伸長受到抑制， 抑制率可達49.3%[2]。鋁脅迫下，甘蔗株高和干物質量顯著下降，根總長、根體積和根表面積顯著減少，根系活力，P、K等養(yǎng)分的吸收受到限制，抗氧化酶活性發(fā)生變化[3-4]。因此南方酸性土壤的鋁毒是限制甘蔗的生產(chǎn)的因素之一。

鎂是植物中重要的必需元素，在植物光合作用和抗逆性方面起著重要作用。植物中，Al3+與Mg2+具有拮抗作用，Al3+可以抑制植物對Mg2+的吸收、轉運及分布，導致植物缺鎂，但是高濃度的鎂也可以緩解鋁對植物的毒害，上調(diào)鎂轉運基因，特別是高親和的鎂轉運基因有助于緩解鋁毒[5-7]。在對擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)，擬南芥對酸和鋁的抗性與細胞內(nèi)的鎂含量和增加鎂的吸收有關[5]。提高培養(yǎng)液鎂的濃度可以緩解鋁對大豆初生根伸長的抑制，而且在微摩爾級濃度就可以起作用[8-9]。但是在對甘蔗初生根的研究中發(fā)現(xiàn)1 mmol/L的鎂對甘蔗初生根鋁毒沒有緩解作用[10]。本課題組發(fā)現(xiàn)繼續(xù)提高鎂濃度到2 mmol/L時可以緩解鋁毒對甘蔗苗根的影響。本研究以甘蔗的苗根為研究對象，研究不同濃度鋁和鎂處理下的根系生長及抗氧化酶活性，探討鎂在緩解甘蔗鋁毒中的作用。

1 材料與方法

1.1 材料

選取高產(chǎn)、抗逆性強的甘蔗品種YT55為材料，試驗材料采自廣州甘蔗糖業(yè)研究所實驗田。

1.2 方法

1.2.1 植物培養(yǎng)與處理 選取生長一致的健康的種莖，將種莖砍成長短一致的單芽，在5%的多菌靈液體中浸泡5 min，在裝有石英砂的育苗盤中進行育苗，出苗后，待幼苗長到具有4片完整的葉片時，選取生長一致的幼苗，將幼苗移到裝有10 L簡單鈣溶液（含0.5 mmol/L CaCl2）的塑料培養(yǎng)盆中進行培養(yǎng)，每盆種植6苗。待到幼苗上的根系長出，去除種莖，繼續(xù)培養(yǎng)2～3 d，幼苗上的苗根長到6～7 cm時開始試驗，首先選取10條生長一致的苗根，在離根尖5 cm處用圓珠筆做標記，然后移入加不同鋁和鎂處理的培養(yǎng)液中進行處理，設5個處理：T0（CK，含0.5 mmol/L CaCl2的簡單鈣溶液）、T1（50 μmol/L的AlCl3）、T2（100 μmol/L的AlCl3）、T3（50 μmol/L的AlCl3+2 mmol/L的MgSO4）和T4（100 μmol/L的AlCl3+2 mmol/L的MgSO4），pH5.0，以上處理均在簡單的鈣溶液中加入相應濃度的Al和Mg。在處理的24、48和72 h測根長，并取樣測定抗氧化酶活性。

1.2.2 測定指標與方法 在處理24、48和72 h，測定各處理從根尖到標記處的根的長度，計算根系的絕對伸長量，再按照以下公式計算根的相對伸長率：根的相對伸長率=處理的根絕對伸長量/對照的絕對伸長量。

同時，每個處理取5條完整的根混合測根系的抗氧化酶SOD（超氧化物歧化酶）、GPX（愈創(chuàng)木酚過氧化物酶）和APX（抗壞血酸專一性過氧化物酶）的活性，設3次重復?？寡趸傅奶崛〖盎钚詼y定方法參照李忠光等[11]的方法，并做修改。抗氧化酶提取液為50 mmol/L Tris-HCl緩沖液（pH 7.0，內(nèi)含1 mmol/L EDTA，1 mmol/L ASA，1 mmol/L DTT，1 mmol/L GSH，5 mmol/L MgCl2和20%甘油），樣品用液氮研磨后，準確稱取約0.2 g樣品，加入2 mL的提取液，在4 ℃下12 000 r/min離心30 min，取上清液分裝，用液氮冷凍后保存在-80 ℃，用于酶活性的測定。

GPX酶活性測定，反應混合液為50 mmol/L Tris-HCl緩沖液，pH7.0，內(nèi)含0.1 mmol/L EDTA，10 mmol/L愈創(chuàng)木酚，5 mmol/L H2O2。測定時，反應混合液先在25 ℃水浴中預熱。取反應混合液2.975 mL，加入酶液25 μL，終體積為3 mL，混勻后啟動反應。每30 s讀取1次OD470增加值。取3 min反應時間來計算酶活性。以單位重量OD470每分鐘增加值計算酶活性。

SOD酶活性的測定，反應混合液為50 mmol/L Tris-HCl緩沖液，pH7.8，內(nèi)含0.1 mmol/L EDTA，0.1 mmol/L NBT，13.37 mmol/L蛋氨酸。測定時，反應混合液和0.1 mmol/L核黃素溶液（用含0.1 mmol/L EDTA的pH為7.8 的50 mmol/L Tris-HCl緩沖液配制）預先于25 ℃水浴中預熱。取反應混合液2.85 mL（最大光還原管為2.90 mL，不加酶液），加入酶液50 μL，再加入核黃素溶液100 μL，終體積為3 mL，混勻后置于120 W（30 W/管共4管）日光燈下20 cm進行光氧化還原反應30 min，每個樣品設4個管，其中1個為最大反應管（以緩沖液代替酶液），1個為空白（用不照光的1個反應管），另外2個為反應管。反應結束后，在無燈光照射的室內(nèi)快速測定OD560。以達到最大反應管的吸光值的一半的酶量為1個酶活力單位，計算單位重量的SOD酶活性

APX酶活性的測定，反應混合液為50 mmol/L Tris-HCl緩沖液，pH7.0，內(nèi)含0.1 mmol/L EDTA，0.1 mmol/L H2O2。測定時，反應混合液和30 mmol/L ASA預先在25 ℃水浴中預熱。取反應混合液2.85 mL，加入酶液100 μL，搖勻并調(diào)零，加入30 mmol/L 的ASA 50 μL（終濃度為0.5 mmol/L）， 終體積為3 mL，搖勻啟動反應，每隔10 s讀出OD290的減少值。以每分鐘氧化 1 mmol ASA的酶量為1個酶活力單位，消光系數(shù)2.8 mM-1·cm-1。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有試驗數(shù)據(jù)的方差分析均采用DPS7.05軟件進行，以LSD法進行多重比較（p<0.05）。

2 結果與分析

2.1 鎂鋁互作對鋁脅迫下根系伸長率的影響

鋁脅迫對甘蔗的毒害作用首先表現(xiàn)為抑制了甘蔗根的伸長。如圖1所示，50和100 μmol/L鋁處理（T1和T2處理）甘蔗根系24 h后，甘蔗根系的伸長量顯著下降，根的相對伸長率分別下降到29.21%和16.85%。隨著脅迫時間的延長，甘蔗根系的伸長受到的抑制有所緩解，根的相對伸長率上升，72 h后分別為達到了49.03%和43.79%，是脅迫24 h的1.68和2.60倍。在添加2 mg/L的鎂后，鋁脅迫對根系的伸長的抑制顯著降低。處理24 h后，添加鎂的2個鋁處理（T3和T4）根的相對伸長率分別是沒有加鎂處理（T1和T2）的1.73和2.13倍，顯著高于沒有添加鎂的鋁處理；到48 h后，鎂對高濃度鋁脅迫的緩解作用減弱，T2處理和T4處理的根相對伸長率沒有顯著差異。到72 h后這種緩解繼續(xù)減弱，添加鎂的量處理（T3和T4）根的相對伸長率分別是沒有加鎂處理（T1和T2）的1.43和1.06倍。3個時間點均以T3處理顯著高于其他處理，由此可見鎂可以緩解鋁毒對甘蔗根系的抑制，但是在高濃度鋁脅迫下，鎂的緩解作用減弱。

2.2 鎂鋁互作對鋁脅迫下根系抗氧化酶活性的影響

鋁對植物的傷害之一是造成體內(nèi)活性氧的積累，引起細胞內(nèi)的氧化脅迫，而抗氧化酶在清除活性氧方面起重要作用[2]。在鋁脅迫24 h后甘蔗根的GPX酶活性顯著增加，T1和T2處理的酶活性分別比對照T0提高了27.27%和57.14%；在鋁處理溶液中添加鎂后，GPX酶活性發(fā)生變化，其中T3處理的酶活性較T1提高了20.07%，T4處理的低于T2處理，但是這2個處理都顯著高于T0。處理48 h后，鋁脅迫的甘蔗根系GPX酶活性下降，其中T1比T0下降了28.57%，顯著低于T0處理，而T2與T0沒有顯著差異；在添加鎂后，T3處理的GPX酶活性比T1處理的提高了44.96%，而T4的GPX酶活性仍低于T2；到處理的72 h，T1和T2處理甘蔗根系GPX酶活性提高，但與T0沒有顯著差異，同時加鎂處理與不加鎂處理的GPX酶活性也沒有顯著差異（表1）。

甘蔗根系的SOD酶活性在鋁脅迫下發(fā)生改變。鋁脅迫24 h，T1和T2處理的SOD酶活性分別比T0處理提高了20.21%和66.68%，其中T2處理顯著高于T0處理；在鋁處理中添加鎂后，T3和T4處理的SOD酶活性分別比T1和T2提高了10.39%和23.49%，其中T4顯著高于T2的處理。鋁脅迫48 h，T1處理的甘蔗根系SOD酶的活性顯著下降，與T0相比下降了23.94%，而T2處理的SOD酶活性則提高了6.69%，但與T0沒有顯著差異；添加鎂后，T3和T4的SOD酶活性都高于沒有添加鎂的處理T1和T2，其中T3處理的SOD酶活性顯著提高了55.91%，為5個處理中最高。鋁脅迫72 h，T1和T2的甘蔗根系SOD酶活性提高，與對照沒有顯著差異；添加鎂的T3和T4處理的SOD酶活性高于T1和T2處理，但是與對照都也沒有顯著差異（表2）。

鋁脅迫下，APX酶活性的變化與SOD酶活性的變化相似。在鋁處理24 h，鋁處理的APX酶活性提高，其中T2顯著提高了72.18%，同樣添加鎂后，T3和T4處理的APX酶活性高于T1和T2處理，T4處理的APX酶活性提高幅度最高，比T2處理提高了34.50%，是對照的2.31倍，為5個處理中APX酶活性最高。鋁脅迫48 h，T1處理的APX酶活性較T0顯著下降，而添加鎂的T3與T4處理APX酶活性比T1和T2高，但仍低于T0，與T0沒有顯著差異。鋁處理72 h后，各處理間的APX酶活性沒有顯著差異（表3）。

3 討論

3.1 鎂鋁互作有效降低鋁對甘蔗根系伸長的抑制

根系是吸收土壤鋁的主要器官，也是最先受到鋁的毒害影響的部位。研究顯示，鋁脅迫2 h后就可以在根尖的表皮和外皮層檢測到鋁的存在[12]。絕大部分鋁都結合在細胞壁，改變根尖細胞壁的纖維素、半纖維素等組分，降低細胞壁的伸展性，導致根的伸長受到抑制[13]，因此根的相對伸長率是衡量植物鋁毒害的主要指標。在對甘蔗鋁毒害的研究中發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫12 h，根的伸長量顯著低于對照，24 h后根的相對伸長率繼續(xù)下降[2]。本研究的結果，同樣顯示在鋁脅迫24 h后根的伸長受到嚴重抑制，表現(xiàn)為根的相對伸長率下降，但由于本研究所采用的鋁濃度較高，根的相對伸長率低于之前的研究[2]。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)鋁脅迫48和72 h，根的伸長受鋁脅迫的抑制減弱，根的相對伸長率逐漸上升，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與甘蔗在鋁脅迫下的根系分泌物有關。鋁脅迫下植物根系分泌有機酸、粘液等已經(jīng)被認為是植物對抗鋁毒的主要機制之一[14]。在甘蔗的研究中發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫24 h，甘蔗根尖分泌的酒石酸量增加[10]。在試驗的開展過程中，筆者也同樣觀察到鋁脅迫后甘蔗根尖的粘液增加（數(shù)據(jù)沒有包含在本文中），這些根系分泌物的存在一定程度上可以緩解鋁對根系毒害。

植物根系對鎂的吸收與鋁有拮抗作用，土壤中鋁離子的增加會減少鎂的吸收，但是同樣鎂的增加也可以緩解鋁對植物的抑制[15]，這種作用在水稻中過量表達鎂轉運蛋白可以提高植物對鋁的抗性的研究中得到了驗證[16]。但是鎂對植物鋁毒的緩解與植物類型及處理的濃度有關。譚貴良[10]的研究中，添加0.4和1 mmol/L的鎂元素后沒有觀察到鎂對鋁脅迫的緩解作用，而本研究將添加的鎂濃度提高到2 mmol/L時，甘蔗根系伸長受到的抑制顯著降低，表現(xiàn)出根的相對伸長率比沒有添加鎂的處理顯著提高，這說明高濃度的鎂對甘蔗根系鋁毒的緩解具有一定作用。這種緩解可能與高濃度的鎂與鋁產(chǎn)生的拮抗作用及根系的分泌物有關。在對甘蔗近緣的高粱的研究中發(fā)現(xiàn)，將Mg的濃度增加到2.5和7.5 mmol/L的時候不僅可以降低鋁誘導的缺鎂，而且可以降低根系鋁的含量，緩解鋁對根系的破壞[15]。大豆鋁毒的研究中發(fā)現(xiàn)，添加鎂可以有效緩解鋁對根系伸長的抑制，并且根系中鋁含量顯著下降，根尖分泌的檸檬酸的速度增加[17-18]。鎂可以通過保持細胞膜上H+-ATPase活性來提高ricebean鋁誘導的蘋果酸的分泌[19]。

3.2 抗氧化酶活性在鎂緩解鋁毒中的作用

鋁脅迫能誘導植物體內(nèi)產(chǎn)生活性氧（ROS），如超氧自由基、單線態(tài)氧、過氧化氫等，打破植物體內(nèi)活性氧的平衡，造成植物的氧化脅迫[20]。植物體內(nèi)的抗氧化酶，如SOD、POD、CAT、APX等酶在消除活性氧的代謝活動中起重要的作用，鋁脅迫下，植物的抗氧化酶活性發(fā)生改變，以適應鋁毒造成的氧化脅迫[20]。在甘蔗的鋁脅迫的研究中發(fā)現(xiàn)，在脅迫24 h后，根系的SOD和POD酶活性增強[2]。本研究與之前的研究吻合，在鋁脅迫24 h，根系的SOD、GPX和APX酶活性都顯著提高，有利于甘蔗對抗鋁脅迫引起的氧化脅迫。隨著時間的延長，這3個酶的活性都出現(xiàn)下降，隨后上升但與對照的差異不明顯，這個酶活性的變化過程與根伸長受抑制程度隨時間的延長降低相吻合，這在一定程度上表明，抗氧化酶在甘蔗對抗鋁毒中起重要的作用。在對水稻的研究中發(fā)現(xiàn)，鋁處理過程中添加鎂元素后，緩解鋁對根系的毒害，根系的活性氧、膜脂過氧化降低，并且抑制了鋁誘導的SOD， GPX 和APX 酶活性的增加[21]。本研究的結果與之相反，鎂存在的情況下，3個時間點甘蔗根系的抗氧化酶活性均要高于相應濃度的鋁脅迫的抗氧化酶活性，這種差異與兩個研究所采用個植物及處理時間不同有關。在脅迫24 h抗氧化酶活性的增加是有利于植物對活性氧的清除，降低由于鋁脅迫引起的過氧化脅迫。由此可見短時間內(nèi)提高根系的抗氧化酶活性是鋁鎂互作緩解甘蔗鋁毒的機制之一。

綜上所述，鋁脅迫顯著抑制了甘蔗根系的伸長，導致根的相對伸長率下降。隨著脅迫時間的延長，甘蔗根系的伸長受抑制程度減弱。鎂的增加有效緩解了鋁對甘蔗根伸長的抑制，根系相對伸長率顯著高于沒有加鎂的處理。在鋁脅迫24 h，甘蔗的抗氧化酶SOD、GPX和APX酶活性顯著增加，但是隨后下降，添加鎂的處理這3個酶活性高于沒有添加鎂的處理，并且在3個時間點都保持較高的水平，由此可見提高甘蔗根系的抗氧化酶活性有可能是甘蔗鎂鋁互作緩解甘蔗鋁毒的重要原因之一。

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