錳脅迫對蒼耳種子萌發(fā)及幼苗生理生化特性的影響

潘高，張合平，劉鵬，劉文勝*

(1.中南林業(yè)科技大學生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004)

錳脅迫對蒼耳種子萌發(fā)及幼苗生理生化特性的影響

潘高1,2，張合平1，劉鵬1,2，劉文勝1*

(1.中南林業(yè)科技大學生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004)

為探明蒼耳對錳脅迫適應的生理生化機制，以蒼耳種子為試驗材料，采用培養(yǎng)皿濾紙法，研究了不同濃度錳(0，1000，5000，10000，15000和20000 μmol/L)脅迫對蒼耳種子萌發(fā)、幼苗生長及生理生化特性的影響。結果表明:1)1000～5000 μmol/L錳脅迫顯著提高了蒼耳種子的萌發(fā)率，增加了幼苗的芽長和根系活力；當濃度gt;5000 μmol/L時，發(fā)芽勢、發(fā)芽指數、活力指數以及根長、鮮重、干重、根冠比均顯著降低；2)隨著錳濃度的升高，蒼耳幼苗葉片中可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量以及超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPX)、過氧化氫酶(CAT)活性均呈現先增加后下降的變化趨勢；3)蒼耳幼苗體內活性氧和膜脂過氧化物含量隨著錳濃度的升高顯著增加，超氧陰離子自由基(O2· -)產生速率、羥自由基(OH·)濃度、H2O2和MDA含量分別增加了154.69%、47.29%、100.09%和200.96%。研究結果顯示，蒼耳對錳脅迫具有較強的耐性，可作為錳礦廢棄地修復的備選植物。

錳脅迫；蒼耳；種子萌發(fā)；滲透調節(jié)；抗氧化酶

錳(Mn)是維持植物正常生命活動所必需的微量營養(yǎng)元素，適量的錳能活化植物體內的酶系統(tǒng)，促進植物的生長；而過量的錳則會誘導活性氧合成積聚、破壞細胞結構，進而對植物產生毒性效應，甚至通過食物鏈危害人體健康[1-2]。當前，由于錳礦開采、冶煉等工業(yè)活動的增加，錳污染程度加深、面積擴大，這嚴重影響礦區(qū)人民的生產生活[3]。因此，降低礦區(qū)錳污染、修復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境已成為當前亟須解決的問題。近年來，植物修復技術以其高效、廉價、環(huán)保等優(yōu)點而受到國內外的廣泛關注[4]。篩選和利用一些耐錳性強且具有較高經濟價值的修復備選植物治理錳污染，已成為礦區(qū)廢棄地較為理想的修復治理途徑[5-6]。

揭示錳對植物的毒性效應以及植物的耐錳機理是有效開展植物修復和礦區(qū)污染治理的前提。例如，植物對錳的耐性與其抗氧化酶的活性密切相關。植物在錳脅迫時，體內的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(guaiacol peroxidase，GPX)和過氧化氫酶(catalase，CAT)等抗氧化酶的活性被誘導以減少活性氧自由基對植物生理機能的損傷[1]。細胞膜作為植物體抵御錳毒害的第1道防線，其膜脂過氧化產物丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量通常被用于揭示逆境脅迫對細胞膜過氧化作用強弱和植物受傷害程度[2]。

蒼耳(Xanthiumsibiricum)為菊科蒼耳屬一年生草本植物，廣布于我國南北各省[7]。該植物生長速度快、生物量大，同時具有生態(tài)適應性廣、耐瘠薄和繁殖力強等優(yōu)點[8]。錳尾礦廢棄地調研顯示，該植物對錳污染具有較強的耐性，能在錳礦廢棄地成片生長，是錳礦廢棄地植物修復的理想材料。目前，對蒼耳的研究主要集中在化學成分[9]、生物學特性[10]以及蒼耳對水淹[11]和鎘、鹽脅迫[12-13]的響應等方面，關于錳脅迫下蒼耳種子萌發(fā)、幼苗生長及生理特性的研究尚未見報道。本研究以蒼耳為材料，研究不同錳脅迫水平對蒼耳種子萌發(fā)、幼苗生長以及生理生化特性的影響，探明蒼耳對錳污染的耐受性，研究結果可為深入認識錳污染條件下植物生長適應過程提供基礎數據，同時為錳污染區(qū)域的植物修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1種子采集及萌發(fā)實驗

供試蒼耳種子于2016年11月下旬采自湖南省長沙市湘江風光帶(112°94′26″ E，28°14′88″ N)，現場調查顯示該地段蒼耳分布面積大，且均為自然生長。選擇100株長勢一致的蒼耳植株并采集成熟種子，用信封裝好后帶回實驗室于室溫保存。

選取籽粒飽滿、均勻的蒼耳種子，去除其總苞后進行萌發(fā)實驗。首先用0.5%的NaClO溶液浸泡消毒30 min，去離子水沖洗5～6次；然后置于墊有雙層濾紙、直徑為120 mm的培養(yǎng)皿中，每皿30粒種子。根據預試驗及參照馬杰[13]的結論，將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱中，在(30±0.5) ℃、12 h光照/12 h黑暗、相對濕度80%的條件下進行萌發(fā)。利用MnCl2·4H2O設置0(對照)、1000、5000、10000、15000、20000 μmol/L 6個錳濃度，每個處理重復5次。為保持溶液濃度恒定，每隔24 h更換1次處理液。

每天觀察并記錄發(fā)芽種子數(以胚根伸出種皮作為發(fā)芽標準)。在第4天統(tǒng)計種子發(fā)芽勢，測定種子萌發(fā)過程中的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量。第10天時統(tǒng)計種子萌發(fā)率，測量蒼耳幼苗的芽長、根長、鮮重、干重，計算發(fā)芽指數、活力指數、根冠比，并測定幼苗的根系活力、超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPX)、過氧化氫酶(CAT)活性，超氧陰離子自由基(O2·-)產生速率、羥自由基(OH·)濃度、過氧化氫(H2O2)和丙二醛(MDA)含量。萌發(fā)試驗結束后，對未萌發(fā)的種子采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[14]測定其生活力，并按文獻[15]描述的方法，將緊致新鮮和腐爛死亡的種子分別記錄為新鮮未萌發(fā)種子和死種子。

1.2測定項目及方法

1.2.1發(fā)芽指標的測定 蒼耳種子萌發(fā)相關指標的測定參照張虎等[16]和趙傲雪等[17]的方法。

發(fā)芽勢=4 d內正常發(fā)芽種子數/供試種子數×100%
萌發(fā)率=10 d內正常發(fā)芽的種子數/供試種子數×100%
新鮮未萌發(fā)種子率=新鮮未萌發(fā)種子數/供試種子數×100%
死種子率=死種子數/供試種子數×100%
發(fā)芽指數(GI)=∑(Gt/Dt)
活力指數(VI)=GI×S[18]

式中：Gt為在t日的發(fā)芽種子數；Dt為發(fā)芽天數；S為單株鮮重。

1.2.2生物量指標的測定 幼苗芽長、根長的測定：萌發(fā)第10天時，每處理隨機選取20株幼苗，采用精度為0.1 mm的游標卡尺分別測量幼苗芽長、根長，求平均值。

幼苗鮮重、干重的測定：萌發(fā)第10天時，每處理隨機選取20株幼苗，先稱鮮重，然后再于95 ℃下殺青10 min，65 ℃下烘至恒重。

根冠比=根干重/地上部干重[19]

1.2.3生理生化指標的測定 可溶性糖含量采用蒽酮比色法[14]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法[14]；脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[14]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)法[14]；抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性參考孫云等[20]的方法；愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPX)活性采用愈創(chuàng)木酚法[14]；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[14]；超氧陰離子自由基(O2·-)產生速率參考孫勝等[21]的方法；羥自由基(OH·)濃度參考Halliwell等[22]的方法；過氧化氫(H2O2)含量參考Velikova等[23]的方法；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法[14]；根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[14]。以上各指標均稱取新鮮蒼耳葉片0.5 g，重復3次。

1.3數據處理

采用SPSS 19.0軟件對數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并使用最小顯著差數法(LSD法)對每個指標不同處理間的差異顯著性進行多重比較，數據結果均以“平均值±標準差”表示，用Sigma Plot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1錳脅迫對蒼耳種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

錳作為植物生長所必需的微量元素，對蒼耳種子萌發(fā)有顯著的影響。表1顯示，隨著錳濃度的升高，蒼耳種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數和活力指數均逐漸降低。錳脅迫對蒼耳種子發(fā)芽勢的抑制程度大于萌發(fā)率，當錳濃度達到10000 μmol/L時，其發(fā)芽勢低于20.00%。從發(fā)芽指數和活力指數看，表現出同發(fā)芽勢類似的規(guī)律性，當濃度達到20000 μmol/L時，發(fā)芽指數、活力指數分別為對照的35.55%和17.44%，抑制作用最強。1000～10000 μmol/L錳處理顯著提高了蒼耳種子的萌發(fā)率(Plt;0.05)(表1)，并在10000 μmol/L時達到最大值(78.15%)，但仍分別有27.73%、32.04%和18.52%的新鮮種子未萌發(fā)； 15000～20000 μmol/L錳濃度對萌發(fā)率影響不明顯。與對照相比，1000～15000 μmol/L錳處理對蒼耳種子的致死效果不明顯(Pgt;0.05)，20000 μmol/L錳脅迫顯著增加了死亡種子數量(Plt;0.05)。蒼耳幼苗的根系活力隨錳濃度的升高逐漸增大，當錳濃度超過15000 μmol/L時，蒼耳幼苗的根系活力隨錳濃度的升高而顯著降低。

錳脅迫下，蒼耳幼苗的芽長、根長和鮮重、根冠比均表現出明顯的“低促高抑”現象(表2)，低濃度錳脅迫增加了蒼耳幼苗的干重，但無顯著差異(Pgt;0.05)。5000 μmol/L錳脅迫對幼苗的芽長、鮮重、干重無明顯的抑制作用，但顯著降低了幼苗的根長和根冠比。當錳濃度超過15000 μmol/L時，蒼耳幼苗的芽長、根長和鮮重、干重、根冠比均呈顯著下降趨勢。20000 μmol/L錳處理使幼苗的芽長、根長和鮮重、干重、根冠比分別比對照減少了65.83%、24.52%、51.54%、68.94%和51.52%，表明蒼耳幼苗的生長易受錳脅迫影響，高濃度錳脅迫對幼苗的生長表現出明顯的抑制效應。

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(Plt;0.05)，下同。

Notes：Different lowercase letters within the same column show significant difference (Plt;0.05). The same below.

2.2錳脅迫對蒼耳種子萌發(fā)過程中可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量變化的影響

可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸不僅為植物的生長發(fā)育提供能量和代謝中間產物，同時作為植物在逆境脅迫下的滲透調節(jié)物質，在減少水分散失、維持細胞膜正常結構以及保護細胞代謝活動所需的酶類活性等方面發(fā)揮著不可替代的作用。由圖1可知，錳脅迫下蒼耳種子萌發(fā)過程中的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著降低，并且隨錳濃度的升高呈現先增加后下降的變化趨勢。錳濃度為1000 μmol/L時，可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量分別比對照顯著增加了35.37%、6.75%和15.38%。在脅迫濃度達到10000 μmol/L時，錳脅迫開始抑制種子萌發(fā)過程中可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量的增加。當錳濃度超過15000 μmol/L時，抑制作用顯著增強，可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的含量分別比對照減少了39.97%、22.07%和69.23%，表現出明顯的抑制效應。

2.3錳脅迫對蒼耳幼苗抗氧化酶活性的影響

植物的保護酶體系能夠及時抵制活性氧、清除自由基等有害物質，從而保護植物機體的生理機能。由圖2可知，蒼耳幼苗4種抗氧化酶活性的變化趨勢大致一致，隨著錳濃度的增大，均呈現先上升后下降的變化趨勢。錳濃度為1000 μmol/L時，蒼耳幼苗中GPX活性高于對照，但不顯著，CAT活性達到最大值，CAT、SOD和APX活性分別比對照增加19.63%、13.39%和19.91%，達到顯著水平。5000 μmol/L錳處理后蒼耳幼苗SOD活性顯著高于對照，APX和GPX活性最強，分別比對照高37.61%和76.71%，之后均呈下降趨勢。蒼耳幼苗中SOD活性在錳濃度為10000 μmol/L時達到最大值，比對照增加65.49%，達到顯著水平，隨后逐漸下降。

圖2 錳脅迫對蒼耳幼苗超氧化物歧化酶(A)、抗壞血酸過氧化物酶(B)、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(C)和過氧化氫酶(D)活性的影響Fig.2 Effects of manganese stress on activities of superoxide dismutase (A), ascorbate peroxidase (B), guaiacol peroxidase (C) and catalase (D) in X. sibiricum seedlings

2.4錳脅迫對蒼耳幼苗活性氧積累及膜脂過氧化的影響

植物在受到逆境脅迫時體內積聚的活性氧(O2· -、H2O2、OH·等)會誘導細胞內膜脂發(fā)生氧化或脫脂作用，并對細胞膜系統(tǒng)造成損傷，MDA作為細胞內膜脂質過氧化或脫脂產物，其含量高低反映細胞膜脂過氧化作用強弱和質膜受損程度。隨著錳濃度的升高，蒼耳幼苗體內活性氧含量及膜脂過氧化產物MDA含量均顯著增加(表3)。錳濃度為1000 μmol/L時，蒼耳幼苗體內的O2· -產生速率、H2O2含量、OH·濃度和MDA含量均與對照不顯著。當脅迫濃度超過5000 μmol/L時，O2· -產生速率、H2O2含量、OH·濃度和MDA含量隨錳濃度的升高顯著增加，且各處理間差異顯著(除5000和10000 μmol/L處理間OH·的濃度無顯著差異)，并均在20000 μmol/L時達到最大值，分別比對照增加2.6、1.5、2.0和3.0倍。

表3 錳脅迫對蒼耳幼苗活性氧積累和膜脂過氧化的影響Table 3 Effect of manganese stress on X. sibiricum seedling active oxygen accumulation and membrane lipid peroxidation

3 討論

3.1種子萌發(fā)及幼苗生長

種子萌發(fā)和幼苗生長是植物生活史中最脆弱的環(huán)節(jié)，對外界環(huán)境因子反應最敏感[24]。萌發(fā)率反映了種子的生命力，發(fā)芽勢反映種子出苗快慢和整齊程度，兩者均為鑒定種子質量最直接和穩(wěn)定的指標。發(fā)芽指數反映了整個發(fā)芽期種子活力的綜合特征?；盍χ笖凳菍^廣范圍內種子能否迅速萌發(fā)、成苗及其生長整齊程度的綜合體現。本研究中，當錳濃度超過10000 μmol/L時，種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數和活力指數均顯著低于對照，說明錳脅迫降低了蒼耳種子的發(fā)芽速度。與對照相比，1000、5000和10000 μmol/L的錳脅迫均顯著提高蒼耳種子的萌發(fā)率，并在10000 μmol/L時達到最大值(78.15%)；在高濃度時，萌發(fā)率與對照相比無顯著差異。這說明一定濃度的錳刺激對蒼耳種子的萌發(fā)產生促進作用，而高濃度錳脅迫則對種子萌發(fā)未表現出明顯的抑制效應。

本研究結果顯示，1000～10000 μmol/L錳處理減少了新鮮未萌發(fā)種子數量，說明一定濃度的錳刺激有利于打破蒼耳種子休眠。種子生理休眠的原因主要包括生理后熟和包被種胚的構造組織(如胚乳、種皮、果皮等)及其內含物的抑制作用。打破種子休眠的方法包括物理方法、化學方法等，化學方法在打破種子休眠上表現出良好的效果[25]。本研究中盡管蒼耳種子休眠的機制尚不清楚，但錳可在一定程度打破其休眠。本研究還顯示，當錳濃度達到20000 μmol/L時，死種子率較對照顯著增加了2.0倍(Plt;0.05)，說明高濃度的錳提高了種子死亡率。這有可能是高濃度錳離子通過種皮滲透從而抑制胚的生長及其生理活動的某些代謝環(huán)節(jié)，并最終導致種子死亡。

幼苗的生長狀況是植物對逆境脅迫適應的綜合體現，脅迫環(huán)境對植物生長的抑制程度直觀地反映了植物體的受傷害程度[26]。本研究顯示，低濃度錳(1000 μmol/L)脅迫顯著提高了蒼耳幼苗的芽長、根長、鮮重、根系活力和根冠比，其中根系活力在脅迫濃度為10000 μmol/L時達到最大值[1059.71 μg/(g·h)]，比對照提高了146.40%；當錳濃度超過10000 μmol/L時，幼苗的芽長、根長、鮮重、干重、根冠比均顯著低于對照(表1和表2)。這說明高濃度錳脅迫對幼苗的生長有顯著的抑制作用，這與王佳等[27]、劉建鳳等[28]的研究結果一致。這說明錳脅迫對蒼耳幼苗生長存在一個低濃度的刺激效應和高濃度的抑制效應。由于種子萌發(fā)后，胚根最先突破種皮吸水，受錳脅迫時間較胚芽長，且胚根是植物發(fā)芽過程中吸收水分和營養(yǎng)的主要器官，錳進入幼苗體內后，大多數積累在胚根，所以胚根受到的抑制程度大于胚芽。

3.2種子萌發(fā)中滲透調節(jié)物質含量的變化

逆境條件下，植物往往通過代謝調控在體內積累一些可溶性小分子物質進行滲透調節(jié)，以減輕逆境脅迫對植物造成的傷害[29]?？扇苄蕴亲鳛榻M成細胞等生命結構的主要物質，直接為種子萌發(fā)和幼苗生長提供所需的碳架和初始能量，也是增加滲透性物質的重要組成成分[30]。蛋白質是生命活動的基礎，在萌發(fā)過程中水解并轉運到生長部位作為構成新組織的成分。其含量越高，種子在萌發(fā)時產生的脯氨酸也越多，從而增強植物的抗逆性[31]。本研究結果表明，與對照相比，可溶性糖和可溶性蛋白含量在較低錳濃度下(1000 μmol/L)均顯著增加，而后則隨著錳濃度增加而逐漸下降。任立民等[32]研究表明隨著錳濃度的升高，水蓼(Polygonumhydropiper)、杠板歸(Polygonumperfoliatum)的可溶性糖、可溶性蛋白含量呈先增加后下降的變化趨勢，本研究結果與此一致。其原因可能是，糖、蛋白質、脂肪為三大營養(yǎng)物質，低濃度錳脅迫通過促進植物體內糖和蛋白質的合成代謝，以滿足種子萌發(fā)和幼苗生長所需的營養(yǎng)物質，這也可從蒼耳的芽長、根長、鮮重、干重得到印證 (表2)；同時，這也可能是植物抵抗錳毒害的一種自我保護機制。當錳濃度增高時，由于錳在植物體內的過量積累，幼苗細胞結構遭到破壞，并引起蛋白質變性，正常蛋白合成受阻，導致可溶性蛋白含量逐漸下降?？扇苄蕴呛肯陆档脑蚩赡苁怯捎诟邼舛儒i脅迫加快了植物的代謝速率，進而增加了幼苗對可溶性糖的需求和利用量，導致可溶性糖含量下降。

脯氨酸是植物體內分布最廣泛的一種小分子滲透物質。很多植物在逆境脅迫下通過增加合成、減少降解，從而使大量脯氨酸在植物細胞內積聚，以緩解逆境造成的滲透脅迫[33]。本研究結果表明，脯氨酸含量在低濃度時顯著升高以維持幼苗體內正常的滲透壓；當錳濃度超過10000 μmol/L時，脯氨酸含量顯著下降。馬杰[13]研究了蒼耳對NaCl脅迫的響應，發(fā)現隨著NaCl濃度的升高，脯氨酸呈現出先增加后降低的趨勢；楊善等[34]對錳脅迫下甘蔗(Saccharumofficinarum)體內脯氨酸的含量呈現出同樣的趨勢，本研究結果與此基本一致。這說明較低濃度的錳促進了脅迫下脯氨酸的積累，緩解了錳脅迫對蒼耳產生的抑制作用；而高濃度錳脅迫將打破植物體內的滲透調節(jié)平衡，脯氨酸合成受阻，從而對蒼耳幼苗生長產生危害。

3.3幼苗抗氧化酶活性、活性氧積累及膜脂過氧化產物含量

在正常生理條件下，植物體內活性氧的產生和清除之間存在一種動態(tài)平衡[35]。當植物遭受逆境脅迫時，體內細胞由于代謝受阻產生并積累大量活性氧，得不到有效清除的活性氧會對細胞膜脂產生過氧化反應，破壞細胞膜結構，導致膜脂過氧化物MDA大量累積，從而對植物產生毒害效應[36]。為有效清除逆境脅迫所產生的過氧化物和自由基，SOD、APX、GPX和CAT共同組成了植物體內的保護酶系統(tǒng)，以維持細胞的正常代謝。本研究結果表明，在錳濃度為1000 μmol/L時，蒼耳幼苗中GPX活性高于對照，CAT、SOD和APX活性均顯著提高；當錳濃度超過5000 μmol/L時，APX、GPX和CAT活性呈下降趨勢，之后隨著錳濃度的上升，SOD活性也開始下降。馬杰[13]研究了蒼耳對NaCl脅迫的響應，發(fā)現隨著NaCl濃度的升高，MDA含量不斷增加；汪結明等[37]研究表明0.4%、0.7%和1.0% 錳處理顯著提高了粉背蕨(Aleuritopterispseudofarinosa)、蜈蚣草(Eremochloaciliaris)、井欄邊草(Pterismultifida)的SOD、CAT等抗氧化酶活性和MDA含量，當錳處理濃度升高時相應酶活性開始下降。王海華等[38]研究表明錳脅迫增加了美洲商陸(Phytolaccaamericana)葉片中H2O2和MDA的積累，提高了SOD、CAT和APX活性。本研究結果均與這些研究基本一致。這說明在低濃度錳脅迫下，植物體內增加的活性氧啟動了細胞的防御反應，SOD、APX、GPX和CAT等抗氧化酶活性被激活，共同抵御活性氧對細胞膜結構造成的氧化損傷，以提高幼苗對錳脅迫的自我調節(jié)能力和耐性。但是，隨著錳濃度的升高，膜脂過氧化作用不斷增強，抗氧化酶系統(tǒng)受到抑制，SOD、APX、GPX和CAT等酶活性下降，細胞膜結構和功能遭到破壞，嚴重阻礙了蒼耳幼苗的正常生長。本研究結果顯示，與對照相比，低濃度錳處理(1000 μmol/L)對蒼耳幼苗的活性氧積累和膜脂過氧化產物含量均無顯著影響；當錳濃度達到5000 μmol/L時，蒼耳幼苗體內的O2· -產生速率、OH·濃度、H2O2和MDA含量均顯著增加。這說明錳脅迫誘導活性氧自由基在植物細胞內大量累積，進而導致蒼耳受害。

4 結論

1)一定濃度的錳可提高蒼耳種子的萌發(fā)率；隨著錳濃度的升高，蒼耳種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數、活力指數均呈逐漸下降趨勢。幼苗芽長、根長、鮮重、干重以及根冠比和根系活力均隨錳濃度的升高呈現“先上升、后下降”的變化趨勢，表現出明顯的“低促高抑”現象。

2)蒼耳幼苗葉片可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量在生長過程中隨著錳濃度的升高呈先增加后下降的變化趨勢，低濃度(1000 μmol/L)錳脅迫使蒼耳幼苗中糖、蛋白質和脯氨酸的合成代謝顯著增強。

3)錳脅迫下，蒼耳幼苗SOD、APX、GPX和CAT活性先升高后下降，其中，APX、GPX活性在5000 μmol/L時達到最大值，SOD和CAT分別在10000和1000 μmol/L時活性最強，表明低濃度錳脅迫引起了蒼耳幼苗的抗性應激反應。

4)低濃度錳脅迫提高了蒼耳幼苗中可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等滲透調節(jié)物質的含量，一定程度上緩解了錳脅迫對蒼耳的毒害；同時，蒼耳體內SOD、APX、GPX和CAT等抗氧化酶被激活，提高了蒼耳幼苗的代謝活力，增強了蒼耳對錳脅迫的耐性。

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Effectofmanganesestressonseedgermination,seedlingphysiologicalandbiochemicalcharacteristicsofXanthiumsibiricum

PAN Gao1,2, ZHANG He-Ping1, LIU Peng1,2, LIU Wen-Sheng1*

1.College of Life Science and Technology, Central-South University of Forestry amp; Technology, Changsha 410004, China; 2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry amp; Ecology in South China, Changsha 410004, China

To investigate the physiological and biochemical adaption mechanisms ofXanthiumsibiricumto manganese (Mn) stress,Xanthiumsibiricumseeds were treated with different concentrations of Mn (0, 1000, 5000, 10000, 15000 and 20000 μmol/L) and subsequently germinated on filter paper. Seed germination, seedling growth, physiological and biochemical characteristics of seedlings were examined. 1) Compared with the control, germination rate, bud length and root vigor increased significantly at 1000-5000 μmol/L Mn. Germination potential, germination index, vigor index, root length, fresh weight, dry weight and root-shoot ratio significantly decreased with Mn concentrations over 5000 μmol/L. 2) Soluble sugar, soluble protein, proline and superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX), guaiacol peroxidase (GPX) and catalase (CAT) initially increased and then decreased with the rising Mn concentration. 3) Reactive oxygen species (ROS) and malondialdehyde (MDA) in seedlings increased significantly with the increase in Mn concentration. The O2· -(superoxide anion radical), OH·(hydroxyl radical), H2O2and MDA content increased by 154.69%, 47.29%, 100.09% and 200.96% at the highest Mn concentration, respectively. It showed thatX.sibiricumhas strong Mn tolerance and adaptability, and is potentially utilizable for phytoremediation.

Manganese stress;Xanthiumsibiricum; seed germination; osmotic adjustment; antioxidant enzyme

10.11686/cyxb2017033http//cyxb.lzu.edu.cn

潘高, 張合平, 劉鵬, 劉文勝. 錳脅迫對蒼耳種子萌發(fā)及幼苗生理生化特性的影響. 草業(yè)學報, 2017, 26(11): 157-166.

PAN Gao, ZHANG He-Ping, LIU Peng, LIU Wen-Sheng. Effect of manganese stress on seed germination, seedling physiological and biochemical characteristics ofXanthiumsibiricum. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(11): 157-166.

2017-01-19；改回日期：2017-03-31

湖南省教育廳重點項目(14A156)，湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2017B400)和中南林業(yè)科技大學研究生科技創(chuàng)新基金項目(CX2017A06)資助。

潘高(1991-)，男，湖南岳陽人，在讀博士。E-mail：windypg@126.com

*通信作者Corresponding author. E-mail：403493641@qq.com