莠去津和硝磺草酮對竹節(jié)草生理特性及抗氧化酶的影響

王 瑩， 周斌輝， 于佳林， Mohsin Nawaz， 王志勇

(1.海南大學熱帶農林學院，海南?？?570228；2.Department of Crop and Soil Sciences, The University of Georgia, Athens USA30602)

植物體內的抗氧化系統(tǒng)在抵抗脅迫方面有非常重要的作用，它可以消除植物體內的ROS，以避免ROS的過量積累對植物造成的傷害?？寡趸割愔饕箟难徇^氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、谷胱甘肽還原酶(GR)和超氧化物歧化酶(SOD)[5]，這些酶類可以通過與ROS的酶促反應，將其從植物細胞中移除。

硝磺草酮是一種芽前和苗后廣譜使用的選擇性除草劑[6]，能夠快速被植物的根和葉片吸收，并且可以迅速地在植株體內進行代謝作用而失去活性[7]。它通過抑制羥基丙酮酸雙加養(yǎng)酶(HPPD)的活性來抑制類胡蘿卜素的合成過程，從而有效防治主要的闊葉草和一些禾本科雜草[8]。莠去津的特點是以根部吸收為主，并兼莖葉吸收，殺草譜較廣，可防除多種1年生禾本雜草與闊葉雜草[9]。蘇旺蒼等通過對大豆噴施不同濃度的莠去津發(fā)現，隨著莠去津處理濃度的上升，大豆葉片中的葉綠素熒光參數最大光量子產量、非光化學淬滅、實際光量子產量和電子傳遞速率受到的抑制作用均逐步加劇[10]。McElroy等研究莠去津和硝磺草酮的施用對假儉草的影響發(fā)現，2種除草劑混合后噴施確實比它們單獨施用對假儉草的傷害更顯著，且生物量減少的幅度也更大[11]。

竹節(jié)草是一種屬于禾本科金須茅屬的多年生暖季型草種。目前，關于竹節(jié)草的研究大多集中在形態(tài)學特征[12-13]、生物防治入侵[14]、抗逆能力評價[15-17]以及生態(tài)分布[18]等方面[19]。我國雖然是其主要分布地區(qū)之一，但關于除草劑對竹節(jié)草的應用方面的研究報道相對空白。本研究通過對竹節(jié)草施用莠去津和硝磺草酮及其交互作用，從生理變化方面研究除草劑噴施所引起的活性氧代謝的變化及除草劑脅迫對抗氧化特性的影響，以期為科學施用除草劑以及如何在建植竹節(jié)草草坪過程中防除雜草提供理論依據和方法借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地概況 試驗在中國熱帶農業(yè)科學院熱帶作物品種資源研究所牧草中心大棚內進行，平均氣溫最高為 32 ℃，最低為25 ℃。

1.1.2 試驗藥劑 供試藥劑莠去津(380 g/L，懸浮劑)和硝磺草酮(200 g/L)由廣西田園生化股份有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 竹節(jié)草種植 于2015年6月，選取帶有3～4個節(jié)的竹節(jié)草匍匐枝，扦插到裝有沙子 ∶椰糠(80% ∶20%，體積分數)的塑料管中(塑料管高20 cm，直徑5 cm，管底穿孔)，每個塑料管中扦插3個匍匐枝莖段。每天早晚各澆1次水，每周施用2次復合肥(氮、磷、鉀比例為28 ∶10 ∶7)，培養(yǎng)1個月左右。

1.2.2 除草劑處理 試驗設置9個處理，分別為(0+0)、(280+0)、(560+0)、(0+140)、(0+280)、(280+140)、(280+280)、(560+140)、(560+280)g a.i./hm2(莠去津+硝磺草酮，下同)，其中以不噴施除草劑為對照，4次重復。待長出 2～3 個分蘗后選取長勢一致的竹節(jié)草進行不同除草劑噴施處理。所有處理均用電動噴霧器374 L/hm2、9504E扇形噴頭進行噴施，24 h內不澆水。處理后，分別在第4天、第8天、第12天、第16天和第20天觀測記錄竹節(jié)草葉片的受損傷程度(損傷面積占總體的百分比)。在處理20 d后收獲地上部分，放在60 ℃烘箱中烘干，直到獲得恒質量。根據損傷度觀測，選擇合適濃度的除草劑進行試驗，分別在處理1、5、8 d后采集竹節(jié)草葉片，進行生理試驗測定。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0和Excel 2003軟件進行數據處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同除草劑處理后竹節(jié)草葉片損傷度觀測

竹節(jié)草用不同除草劑不同濃度梯度處理后，分別在不同處理時間觀測葉片的損傷度，結果如表1所示。用硝磺草酮140、280 g a.i./hm2處理后20 d，竹節(jié)草葉片損傷度分別達到39%、50%。而莠去津560 g a.i./hm2和硝磺草酮 280 g a.i./hm2混合施用后20 d時，竹節(jié)草的損傷度達到87%，與其他處理后20 d差異顯著(P<0.05)。圖1為處理12 d后植株表型。

表1 不同除草劑處理對竹節(jié)草葉片損傷度的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

在處理后20 d獲取地上部，烘干稱質量，結果表明，單獨施用莠去津280、560 g a.i./hm2，隨著莠去津施用濃度的增加，地上部干質量所占對照比例減少；單獨施用硝磺草酮140、280 g a.i./hm2，地上部干質量相比對照分別減少46%、52%。而莠去津和硝磺草酮混合施用與莠去津單獨施用相比，地上部分干質量減少差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同除草劑處理后竹節(jié)草葉片中葉綠素a含量的變化

由圖2可知，相同除草劑處理后竹節(jié)草葉片中葉綠素a含量隨著處理時間的增加而下降。處理后1 d，相比對照，單獨施用莠去津 280 g a.i./hm2比單獨施用硝磺草酮和兩者混合施用，葉綠素a含量下降最少；在處理后5、8 d，竹節(jié)草葉片中葉綠素a含量相比于對照下降約1倍。單獨施用硝磺草酮竹節(jié)草葉片中葉綠素a含量顯著低于單獨施用莠去津(P<0.05)。正如預期，硝磺草酮和莠去津混合施用能夠更有效地降低竹節(jié)草葉片中葉綠素a含量，處理后1、5、8 d分別比對照減少53%、69%、89%。

2.3 不同除草劑處理后竹節(jié)草葉片中葉綠素b含量的變化

由圖3可知，和葉綠素a含量一樣，噴施除草劑的竹節(jié)草葉片中葉綠素b含量相比對照隨著處理時間的增加而減少。處理后 8 d，單獨施用莠去津280 g a.i./hm2使竹節(jié)草葉片中葉綠素b含量比對照減少45%，單獨施用硝磺草酮 140 g a.i./hm2使其含量比對照減少57%。2種除草劑的混合施用使竹節(jié)草葉片中葉綠素b含量減少得最明顯。

2.4 不同除草劑處理后類胡蘿卜素含量的變化

由圖4可知，竹節(jié)草葉片中類胡蘿卜素的含量相比于對照隨著除草劑處理時間的增加而逐漸減少。單獨施用硝磺草酮 140 g a.i./hm2比單獨施用莠去津280 g a.i./hm2能更有效地降低竹節(jié)草葉片中類胡蘿卜素含量。莠去津和硝磺草酮混合施用減少竹節(jié)草葉片中類胡蘿卜素含量更為明顯，處理后8 d，竹節(jié)草葉片中類胡蘿卜素含量為0.024 mg/g。

2.5 不同除草劑處理后竹節(jié)草葉片中MDA含量的變化

由圖5可知，除草劑處理后MDA含量相比對照均明顯增加。單獨施用莠去津280 g a.i./hm2，MDA含量比對照在處理1、5 d時分別增加5%、32%。處理后8 d，單獨施用硝磺草酮 140 g a.i./hm2和單獨施用莠去津280 g a.i./hm2MDA含量相似，相比對照分別增加了15%和13%。莠去津和硝磺草酮混合施用處理后竹節(jié)草的MDA含量顯著高于單獨施用莠去津時的MDA含量。

由圖6可知，單獨施用莠去津280 g a.i./hm2和單獨施用硝磺草酮 140 g a.i./hm2，竹節(jié)草葉片中超氧陰離子產生速率相近。與對照相比，莠去津和硝磺草酮混合施用后5、8 d，超氧陰離子產生速率相比對照分別增加41%、37%，2種除草劑混合施用效果最為明顯。

2.7 不同除草劑處理后POD活性的變化

除草劑處理后，竹節(jié)草葉片中POD活性相比于對照隨著處理時間的增加而逐漸增強。處理后1 d，莠去津 280 g a.i./hm2和硝磺草酮140 g a.i./hm2混合施用使竹節(jié)草葉片中POD活性顯著增強，比對照增加52%。處理后8 d，莠去津、硝磺草酮及其混合施用使竹節(jié)草葉片中POD活性分別增加50%、53%、60%。莠去津和硝磺草酮混合施用使竹節(jié)草葉片中的POD活性顯著高于單獨施用莠去津或硝磺草酮(P<0.05，圖7)。

2.8 不同除草劑處理后竹節(jié)草葉片中SOD活性的變化

由圖8可知，除草劑處理后竹節(jié)草葉片中SOD活性都高于對照。隨著處理時間的延長，未處理竹節(jié)草葉片中SOD活性保持基本穩(wěn)定，除草劑處理后竹節(jié)草葉片中SOD活性隨之增強。處理后8 d，莠去津、硝磺草酮及其混合施用使竹節(jié)草葉片中的SOD活性分別增加44%、55%、63%，且SOD活性從大到小為莠去津和硝磺草酮混合施用>硝磺草酮單獨施用>莠去津單獨施用(P<0.05)。

2.9 不同除草劑處理后竹節(jié)草葉片中CAT活性的變化

由圖9可知，單獨施用莠去津或者硝磺草酮沒有引起竹節(jié)草葉片中CAT活性的顯著變化。處理后1、5、8 d，莠去津和硝磺草酮混合施用使竹節(jié)草葉片中CAT活性分別增加26%、21%、16%。

3 結論與討論

在竹節(jié)草旺盛生長時期，噴施莠去津對其生長狀態(tài)影響不大，硝磺草酮比莠去津對竹節(jié)草的傷害更大。在用硝磺草酮處理后，竹節(jié)草葉片中的葉綠素a和葉綠素b的含量比用莠去津處理后減少的幅度更大，這可能與缺少了類胡蘿卜素保護植物抵御ROS有關。葉綠素a含量的減少可能與光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應中心的D1蛋白被ROS破壞相關。ROS通常能夠被α-生育酚、類胡蘿卜素和抗氧化酶抑制[22]。α-生育酚是最有效的抗氧化劑，能夠迅速地和ROS包括單線態(tài)氧與脂質過氧化自由基產生反應[23]。β-胡蘿卜素是除了單線態(tài)氧之外的三線態(tài)葉綠素有效淬光劑[1]。然而，硝磺草酮阻礙了這些保護物質的生成[24]，導致脂質過氧化作用的發(fā)生及色素和蛋白質被降解。

由于總類胡蘿卜素含量的減少，過多的能量不能被有效地驅散，結果會產生三線態(tài)葉綠素，而電子被轉移到分子氧上，從而生成ROS。相反，ROS會攻擊類囊體膜和原生質體膜，導致脂質過氧化作用和細胞膜損傷[1]。細胞膜特別是類囊體膜，很容易發(fā)生脂質過氧化反應，因為它們含有高濃度的不飽和脂肪酸[22]，而不飽和脂肪酸能夠被完全降解為乙烷和MDA。因此，MDA可以作為細胞膜結構完整性的良好標志[23]。在本研究中，脂質過氧化反應水平與除草劑處理后竹節(jié)草的敏感性是一致的。在以前的研究中，意大利黑麥草在用莠去津處理后，其嫩枝中的MDA含量顯著增加，而在小麥中MDA含量則沒有增加[25]。

SOD是細胞內清除ROS系統(tǒng)中的重要酶，對維持植物體內活性氧產生和清除的動態(tài)平衡起著重要的作用，從而使植物細胞免受傷害[26]。POD可有效地清除各種逆境脅迫下植物體內產生的過氧化產物，以降低其對植物自身的毒害，保證植物能夠進行正常的生長代謝。CAT是調控H2O2含量最重要的酶[27]，而用硝磺草酮處理后的竹節(jié)草抗氧化活性(CAT、SOD和POD)還沒有被報道過。筆者所在課題組的研究結果顯示，莠去津與硝磺草酮處理影響了這些酶的活性。在溫室試驗中，內源性酶的活性通常表現出與植物損傷度相反的關系，表明抗氧化酶被激活，以抵消除草劑處理后的氧化脅迫。然而，嚴重的細胞損傷仍然會發(fā)生，因為ROS的形成超過了抗氧化防御系統(tǒng)的抵御能力。

硝磺草酮屬于對HPPD抑制劑類除草劑，莠去津和硝磺草酮混合施用能夠顯著增加竹節(jié)草的損傷度，說明莠去津對HPPD抑制劑有增效作用。竹節(jié)草對莠去津耐受，但是對硝磺草酮敏感，因此可以選擇莠去津來去除竹節(jié)草草坪中對莠去津敏感的雜草。

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