耐鹽菊芋對(duì)脅迫的生長(zhǎng)及生理響應(yīng)*

劉 鵬, 周 蜜， 陳小倩, 酈 楓， 陳建華，方 芳， 吳玉環(huán), 章 藝

(1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004；2.杭州師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036；3.浙江旅游職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

菊芋(HelianthustuberousL.)為菊科多年生草本，是向日葵屬的一種植物.菊芋本身對(duì)生態(tài)環(huán)境條件要求并不嚴(yán)苛，因而世界各地均有其分布和栽培[1-2].在一些鹽堿土壤的生物修復(fù)上，菊芋的應(yīng)用已經(jīng)初具規(guī)模，國(guó)內(nèi)外對(duì)菊芋的抗逆性也正在進(jìn)行深入鉆研.地下塊莖是菊芋主要的價(jià)值來(lái)源，其主要成分為屬于多聚果糖的菊粉，菊粉可在菊粉酶的水解作用下成為果糖[3]，此外,菊芋通過(guò)微生物發(fā)酵能夠生產(chǎn)乙醇和油脂，所以又有“能源植物之稱”[4-5].菊粉這種有機(jī)物也可以作為原料經(jīng)過(guò)多種反應(yīng)制備成氫能與多種化學(xué)品[6]，胡素琴等[7]就菊芋開發(fā)利用的前景進(jìn)行了探索，結(jié)果表明,其地上部分與扎根于地下的塊莖均有很高的實(shí)用價(jià)值.

高氯酸鹽在自然界中以極微量的形態(tài)存在，而由于重工業(yè)及航天業(yè)的發(fā)展，人為造成高氯酸鈉(NaClO4)的污染比重日趨增大.通常情況下，高氯酸鹽極易溶解于水，在土壤中會(huì)隨水分和無(wú)機(jī)鹽一起被攝入植物體內(nèi)，加之其具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，一般在生物體內(nèi)很難將其降解.陳桂葵等[8]的研究表明，氯酸鹽是高氯酸鹽的中間代謝產(chǎn)物，其與錳毒復(fù)合污染效應(yīng)協(xié)同，會(huì)使得水稻(OryzasativaL.)鐵錳營(yíng)養(yǎng)嚴(yán)重失調(diào)，從而導(dǎo)致“燒苗”癥狀加重.與此同時(shí)，氯酸鹽對(duì)龍眼(DimocarpuslonganLour.)具有脅迫效應(yīng)，對(duì)菌根有嚴(yán)重的毒害效應(yīng)[9].之前所探索的植物抗鹽類脅迫，大多以加入單鹽氯化鈉(NaCl)或中性鹽模擬脅迫條件來(lái)進(jìn)行.近年來(lái)有學(xué)者[10]進(jìn)行了關(guān)于水稻等其他作物的高氯酸鹽脅迫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，植物根系仍然是毒害效應(yīng)最易識(shí)別的植物體部位.除此之外，各類抗氧化酶的活性變化能夠相對(duì)準(zhǔn)確地反映出這套體系應(yīng)對(duì)逆境時(shí)的運(yùn)作情況，植物體各器官生物量及糖分含量的變化也是判斷植物抗逆性強(qiáng)弱的重要根據(jù).目前在我國(guó)南方地區(qū)，對(duì)于菊芋在酸鋁及鹽堿環(huán)境下的研究，已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作并取得了較好的成效，然而，有關(guān)菊芋在高氯酸鈉污染環(huán)境的生長(zhǎng)目前仍未見相關(guān)報(bào)道.本文旨在探究菊芋在高氯酸脅迫下的根系特性、光合特點(diǎn)及抗氧化酶系統(tǒng)等變化情況，有助于完善高氯酸鈉對(duì)不同植物體的脅迫效應(yīng)方面的探討，同時(shí)尋找較高濃度高氯酸鹽環(huán)境下的緩解途徑，并為完善菊芋在不同脅迫環(huán)境下的種植管理提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

本實(shí)驗(yàn)前期以多個(gè)菊芋品種為材料，用NaCl進(jìn)行脅迫實(shí)驗(yàn)，篩選出徐州、濰坊、南京3個(gè)不同產(chǎn)地耐鹽較好的菊芋品種.選取具有發(fā)芽能力的菊芋塊莖萌發(fā)，苗齡20 d后從3個(gè)產(chǎn)地中各自選取高度一致的材料各21盆(共63盆)，每種隨機(jī)分成7組(共21組)，每組3盆(3次重復(fù))，每盆留苗1株，施加含不同濃度NaClO4和NaCl進(jìn)行脅迫處理，NaClO4濃度為50，100，150 mmol/L，NaCl濃度與之相同，對(duì)照組加1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，20 d后測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo).實(shí)驗(yàn)所用材料、濃度梯度皆由前期預(yù)實(shí)驗(yàn)所得.

1.2 生物量、葉綠素?zé)晒馓匦院透祷盍Φ臏y(cè)定

1)測(cè)定生物量：根長(zhǎng)、株高與鮮重.

2)測(cè)定葉綠素?zé)晒馓匦裕喝~綠素儀(SPAD-502PLUS)測(cè)定葉綠素的含量.調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-10，Walz)測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，方法參照文獻(xiàn)[11].

3)測(cè)定根系活力：稱取洗凈鮮根0.3 g，放置于試管中，加入濃度為0.4% TTC 5 ml和磷酸(H3PO4)緩沖液(pH 7.5)5 mL，恒溫37 ℃下反應(yīng)3 h，注入2 mL濃度為2 mol/L的硫酸(H2SO4)終止反應(yīng)；將根取出，擦干，并將3 mL乙酸乙酯(CH3COOC2H5)和少量石英砂于研缽中研磨，溶解后倒入10 mL容量瓶中，加入乙酸乙酯定容、搖勻、靜置至完全沉淀，將濾液置于485 nm處比色，記錄其光密度，對(duì)照查出標(biāo)準(zhǔn)曲線的轉(zhuǎn)鐵蛋白(TRF)含量.TRF可以代表TTC還原量，即能表示脫氫酶活性，因此，TRF可作為根系活力的指標(biāo).

1.3 MDA含量及抗氧化酶活性的測(cè)定[12]

丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法進(jìn)行測(cè)定；過(guò)氧化物酶(POD)活性采用性愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行測(cè)定；超氧化物岐化酶(SOD)活性采用NBT光化還原法進(jìn)行測(cè)定；過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法進(jìn)行測(cè)定；葉片脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮試劑顯色法測(cè)定.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析3個(gè)耐鹽菊芋品種(徐州、濰坊、南京)不同生理指標(biāo)在不同脅迫下的相關(guān)性.數(shù)據(jù)分析：用SPSS 22軟件分析相關(guān)性及顯著性，用Origin 9及Execl 2010繪制圖表.

2 結(jié)果分析

圖1 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種植株SOD酶活性影響 圖2 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種植株P(guān)OD酶活性影響

圖3 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種植株CAT酶活性影響 圖4 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種植株根系活力影響

從圖4可以看出，就菊芋根系活力的影響性來(lái)說(shuō)，NaClO4較NaCl的作用力更加顯著.具體表現(xiàn)在當(dāng)NaClO4處理濃度為0～50 mmol/L時(shí)，徐州、南京菊芋根系活力隨濃度增大而顯著上升，且高于等濃度下NaCl處理組；在50 mmol/L達(dá)到最大值，分別為175.42，168.65 μg/g，明顯高于對(duì)照和NaCl處理組.但隨著鹽脅迫加重，后呈現(xiàn)下降趨勢(shì).而濰坊產(chǎn)地菊芋在NaClO4濃度為100 mmol/L處理時(shí)達(dá)到最大值，但上升趨勢(shì)較緩，在150 mmol/L濃度處理時(shí)與其他兩地的菊芋相似，出現(xiàn)顯著的下降，降幅為3個(gè)品種中最高，達(dá)到52.3%.3個(gè)品種的根系活力最低水平，均出現(xiàn)在高濃度NaClO4處理?xiàng)l件下，分別為對(duì)照的90.2%，78.4%和52.25%.

圖5 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種 葉片Pro含量影響

葉片Pro是菊芋抗逆性的重要指標(biāo)之一.NaClO4和NaCl處理后的菊芋根系Pro含量結(jié)果如圖5顯示，不同濃度的NaCl處理后Pro含量明顯增加，但處理之間的差異不顯著.而NaClO4處理各組呈現(xiàn)的變化不盡相同，均相比對(duì)照組有較明顯的上升趨勢(shì)，其中數(shù)值反映最明顯的是南京菊芋，高、中、低3個(gè)濃度處理的Pro含量分別是對(duì)照的1.62，1.41，1.37倍.隨脅迫濃度增大，當(dāng)NaClO4和NaCl的濃度都達(dá)到150 mmol/L時(shí)，南京菊芋在2種脅迫間的差異最顯著，特別是在NaCl處理濃度時(shí)葉片Pro含量較低，NaClO4處理濃度是其1.51倍.在低濃度脅迫處理下，各品種菊芋間的差異不顯著，不能明顯比較出根系抗逆，當(dāng)在濃度為150 mmol/L時(shí)，則各組出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，在不同條件下測(cè)定到3個(gè)菊芋品種均顯著高于對(duì)照.在較高濃度NaClO4處理下，各品種間比較明顯看到了根系對(duì)逆境的敏感性差異為南京菊芋>徐州菊芋>濰坊菊芋.

隨著NaClO4和NaCl濃度的增高，菊芋幼苗的可溶性糖含量呈有規(guī)律變化(見圖6).在NaCl處理下，徐州和南京2個(gè)品種均出現(xiàn)先升后降再升的變化趨勢(shì)，但最大值都低于同濃度的NaClO4處理組，且這2個(gè)品種高濃度NaClO4處理下均有極顯著上升，分別上升了12.25%和22.25%，濰坊菊芋則不明顯.在處理濃度為50 mmol/L時(shí)，3個(gè)產(chǎn)地菊芋的可溶性糖含量差異不顯著；當(dāng)處理濃度增至100 mmol/L時(shí)，南京菊芋同比增加了23.01%，而徐州及濰坊同比分別增加了27.17%，19.45%；在150 mmol/L時(shí)具有顯著差異，2種鹽脅迫處理下，南京和濰坊菊芋的可溶性糖含量相近，分別較對(duì)照增加了31.64%和29.43%，二者NaClO4脅迫的可溶性糖含量較NaCl 脅迫處理高了7.3%和6.9%.

MDA的含量在一定程度上可以反映出植物細(xì)胞膜系統(tǒng)受到損傷的程度大小.從圖7也可看出，在NaClO4和NaCl處理下，南京菊芋MDA的濃度劑量效應(yīng)十分明顯且相似，都呈現(xiàn)出先緩慢波動(dòng)后迅速升高的趨勢(shì)，且在150 mmol/L濃度下達(dá)到最大，NaClO4處理組是NaCl處理組的1.5倍.雖然徐州菊芋和濰坊菊芋的劑量效應(yīng)沒(méi)有如此明顯，但對(duì)同一品種內(nèi)不同濃度梯度數(shù)據(jù)觀察后仍可發(fā)現(xiàn)，徐州菊芋在低、中、高濃度的NaClO4下與對(duì)照組相比分別是其1.24，1.18和2.13倍，而濰坊為1.46，2.12，2.63倍，南京菊芋則為1.46，2.44和4.27倍.此外，由圖7還可以發(fā)現(xiàn)，盡管NaClO4和NaCl處理之間有一定的差異，但均能從不同程度來(lái)提升葉片MDA的含量，只是較NaCl而言，NaClO4的脅迫會(huì)使得菊芋幼苗葉片細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的損害更加嚴(yán)重.

圖6 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種植株可溶性糖含量影響 圖 7 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種植株MDA含量的影響

圖8 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種植株葉綠素含量的影響

3 討 論

表1 NaClO4和NaCl對(duì)3個(gè)菊芋品種各熒光參數(shù)的影響

注：表內(nèi)數(shù)字后不同小字母表示不同處理差異(P<0.05).