錳毒脅迫下甘蔗生長(zhǎng)、膜脂氧化及葉綠素?zé)晒馓匦?/h1>
2018-09-21 09:18:12周攀黎曉峰
廣西農(nóng)學(xué)報(bào) 2018年2期
周攀 黎曉峰
(亞熱帶生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530005)
作為主要的糖類(lèi)作物，甘蔗在廣西的種植面積和產(chǎn)糖占全國(guó)的60%以上。近年來(lái)在廣西主產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)甘蔗錳毒黃化問(wèn)題已嚴(yán)重影響甘蔗生產(chǎn)、威脅著我國(guó)糖業(yè)的發(fā)展[1,2]。然而，甘蔗錳毒害的機(jī)制尚未完全明確。因此，對(duì)錳脅迫下甘蔗生長(zhǎng)、葉片葉綠素?zé)晒馓匦约澳ぶ趸茸兓M(jìn)行了研究，旨在為甘蔗幼苗對(duì)錳毒機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 供試材料的準(zhǔn)備和試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)在廣西大學(xué)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室中進(jìn)行。供試甘蔗品種為桂糖32。單芽種莖經(jīng)飽和石灰溶液浸泡消毒、清洗后置于塑料框中催芽。種莖覆濕潤(rùn)珍珠巖保濕，塑料框架在內(nèi)盛去離子水的塑料桶上。種根生長(zhǎng)并伸入緊貼塑料框底部的水中后，將桶中水更換為0.5 mmol/L CaCl2溶液培養(yǎng)幼苗。溶液每隔3 d更換一次，每小時(shí)通氣15 min。一周后以1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(pH 5.5，含8μmol/L FeCl3)，營(yíng)養(yǎng)液每隔2 d換一次。
9日齡的幼苗分別加入0(NMn)、0.5(HMn)mmol/L MnCl2處理。錳處理的基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)液為1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。處理0、4、8、12、16、20 d后測(cè)定第一片完全展開(kāi)葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。處理0、5、10、15、20 d后分別采集第一片完全展開(kāi)葉樣品，測(cè)定葉綠素含量和質(zhì)膜透性。處理20 d后，采集新葉(第一片完全展開(kāi)葉)樣品測(cè)定的銅鋅-過(guò)氧化物歧化酶(Cu Zn-SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)以及過(guò)氧化物酶(POD)活性；收獲植株其余組織，分地上部和地下部，洗凈、殺青(105 ℃ 30 min)、烘干(65 ℃)后稱(chēng)重，粉碎后測(cè)地上部Mn含量。
1.2 測(cè)定方法
葉綠素含量參照Amon的方法[3]、葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-2500；德國(guó)WALZ公司)、 膜透性及CAT、PAX與 POD活性參照高俊鳳方法[4]、Cu-Zn SOD則參照 S·Srivastava[5]進(jìn)行測(cè)定。 Mn含量采用微波消解-原子吸收法測(cè)定。
1.3 差異性檢驗(yàn)
差異性檢驗(yàn)使用t檢驗(yàn)法。
2 結(jié)果與分析
2.1 錳對(duì)幼苗生長(zhǎng)和黃化的影響
各處理經(jīng)0.5mmol/L Mn處理后，植株Mn含量(1206.17mg/kg DW)極顯著增加，達(dá)到對(duì)照的15.3倍。隨著錳含量的增加，地上部、根重、生物產(chǎn)量及根冠比均有所下降(詳見(jiàn)表1)。
表1 Mn對(duì)甘蔗幼苗錳含量、生物產(chǎn)量及根冠比的影響(g/plant DW)
注：表中的數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列數(shù)值后的*表示處理間顯著差異(p<0.05)，**表示處理間極顯著差異(p<0.01),下同。
各處理經(jīng)高錳(HMn)處理后5、10、15、20后，葉片葉綠素含量逐漸下降。雖然HMn處理5、10d葉綠素含量對(duì)對(duì)照處理間的差異不顯著，但處理15d后葉片明顯黃化、葉綠素含量顯著低于對(duì)照。這說(shuō)明，過(guò)多的錳可導(dǎo)致葉片黃化。
2.2 錳脅迫下甘蔗幼苗葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性
甘蔗幼葉質(zhì)膜透性隨著生長(zhǎng)期的推移呈上升趨勢(shì)。處理0、5 d時(shí)，HMN處理與對(duì)照處理間K+相對(duì)濃度比差異不大。然而，處理15 d后HMN處理的濃度透性顯著高于對(duì)照(NMn)。這些結(jié)果說(shuō)明，高錳引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞、透性增加。
0.5mmol/L Mn處理雖然不影響幼葉POD、SOD酶活性，但Mn處理后CAT和APX酶活性顯著下降，這說(shuō)明過(guò)多的Mn引起的過(guò)氧化脅迫是質(zhì)膜透性增加的重要原因。
2.3 錳對(duì)幼葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
光系統(tǒng)II [PS(II)]的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)，是PS(II)原初光能轉(zhuǎn)化效率，即PSII完全開(kāi)放時(shí)的最大量子效率[6]，而Fv/Fo比值表現(xiàn)PS(II)的潛在的活性。0.5mmol/L Mn處理(HMn)4d、8d、12d后甘蔗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo與對(duì)照處理的相當(dāng)。然而，HMn處理16 d后Fv/Fm和Fv/Fo值顯著降低，這表明Mn脅迫降低甘蔗幼葉PSII的光能轉(zhuǎn)換效率和潛在活力。
實(shí)際光合量子產(chǎn)額[Y(II)]是植物葉片光合中原初光能捕獲效率或非環(huán)式電子傳遞效率[7]。ETR是指 PSII中實(shí)際的電子傳遞速率，表示植株用于光合電子傳遞的能量在所吸收的能量中占比[6,8]。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)，指PS (II)的反應(yīng)中心處于開(kāi)放的比例，同時(shí)表示光合作用反應(yīng)中心開(kāi)放程度[8,9]。qP值是PSII原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)和PSII開(kāi)放中心的數(shù)目，其值越大，表明質(zhì)體醌(PQ)還原程度小，PSII電子傳遞活性高[10]。HMn處理12和16d后，Y(II)、ETR和qP值顯著升高，但HMn處理20 d后Mn處理間Y(II)、ETR參數(shù)值相當(dāng)。結(jié)果表明，過(guò)多的Mn可能導(dǎo)致甘蔗光合系統(tǒng)氧化脅迫傷害。
非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)是指在PS(II)中所吸收的卻不能用于光合電子傳遞而經(jīng)熱能耗散形式耗散掉的光能[6]。雖然HMn處理4、8 d后幼葉的NPQ與對(duì)照處理的相當(dāng)，但在處理后第12 、16 d 葉片的NPQ 顯著下降，說(shuō)明過(guò)多的錳可能降低甘蔗光能利用效率。
圖1 Mn對(duì)葉綠素含量的影響經(jīng)時(shí)變化
圖2 Mn對(duì)甘蔗幼葉質(zhì)膜透性的影響經(jīng)過(guò)時(shí)間的變化
Mn濃度(mmol/L)PODCu Zn-SODCATAPX019.380±0.4490.965±0.0237.68±0.090*6.904.±0.218**0.520.273±0.0360.906±0.0034.986±0.2342.788±0.153
3 討論與結(jié)論
光合作用是植物重要的代謝過(guò)程，關(guān)乎著植株的生長(zhǎng)能力[11]。植物葉片的葉綠素含量與光能轉(zhuǎn)化直接相關(guān)[12]，本研究中，HMn處理導(dǎo)致甘蔗幼葉的葉綠素含量、葉綠素Fv/Fm與Fv/F0下降(圖1、圖4a、b)而幼葉細(xì)胞質(zhì)膜透性顯著增加(圖2)，說(shuō)明過(guò)多的Mn可導(dǎo)致甘蔗膜結(jié)構(gòu)破壞、抑制幼葉的光能吸收和幼葉黃化。
過(guò)多的Mn可導(dǎo)致活性氧積累、細(xì)胞膜脂的過(guò)氧化并改變酶活性[13]。過(guò)多的Mn激活甘藍(lán)型油菜POD活性但抑制SOD和CAT活性[14]。過(guò)多的Mn也抑制水稻 CAT、SOD和GPX酶活性[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)多的錳雖然對(duì)SOD和POD活性的影響不顯著，但顯著抑制APX和CAT活性，說(shuō)明甘蔗幼葉錳毒黃化可能是膜脂過(guò)氧化的結(jié)果。
逆境脅迫對(duì)植物光合作用的影響是多方面的，不僅直接引發(fā)光合機(jī)構(gòu)的損傷，同時(shí)也影響光合電子傳遞及與暗反應(yīng)有關(guān)的酶活性[16]。本研究結(jié)果顯示HMn處理后幼葉的Y(II)ETR和qP值顯著增加而NPQ值則相關(guān)，這表明Mn引起的葉綠素過(guò)氧化脅迫損傷及光能利用受阻可能也與甘蔗幼葉錳毒黃化有關(guān)。
圖3 Mn對(duì)甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響經(jīng)時(shí)變化
周攀 黎曉峰
(亞熱帶生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530005)
作為主要的糖類(lèi)作物，甘蔗在廣西的種植面積和產(chǎn)糖占全國(guó)的60%以上。近年來(lái)在廣西主產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)甘蔗錳毒黃化問(wèn)題已嚴(yán)重影響甘蔗生產(chǎn)、威脅著我國(guó)糖業(yè)的發(fā)展[1,2]。然而，甘蔗錳毒害的機(jī)制尚未完全明確。因此，對(duì)錳脅迫下甘蔗生長(zhǎng)、葉片葉綠素?zé)晒馓匦约澳ぶ趸茸兓M(jìn)行了研究，旨在為甘蔗幼苗對(duì)錳毒機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 供試材料的準(zhǔn)備和試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)在廣西大學(xué)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室中進(jìn)行。供試甘蔗品種為桂糖32。單芽種莖經(jīng)飽和石灰溶液浸泡消毒、清洗后置于塑料框中催芽。種莖覆濕潤(rùn)珍珠巖保濕，塑料框架在內(nèi)盛去離子水的塑料桶上。種根生長(zhǎng)并伸入緊貼塑料框底部的水中后，將桶中水更換為0.5 mmol/L CaCl2溶液培養(yǎng)幼苗。溶液每隔3 d更換一次，每小時(shí)通氣15 min。一周后以1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(pH 5.5，含8μmol/L FeCl3)，營(yíng)養(yǎng)液每隔2 d換一次。
9日齡的幼苗分別加入0(NMn)、0.5(HMn)mmol/L MnCl2處理。錳處理的基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)液為1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。處理0、4、8、12、16、20 d后測(cè)定第一片完全展開(kāi)葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。處理0、5、10、15、20 d后分別采集第一片完全展開(kāi)葉樣品，測(cè)定葉綠素含量和質(zhì)膜透性。處理20 d后，采集新葉(第一片完全展開(kāi)葉)樣品測(cè)定的銅鋅-過(guò)氧化物歧化酶(Cu Zn-SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)以及過(guò)氧化物酶(POD)活性；收獲植株其余組織，分地上部和地下部，洗凈、殺青(105 ℃ 30 min)、烘干(65 ℃)后稱(chēng)重，粉碎后測(cè)地上部Mn含量。
1.2 測(cè)定方法
葉綠素含量參照Amon的方法[3]、葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-2500；德國(guó)WALZ公司)、 膜透性及CAT、PAX與 POD活性參照高俊鳳方法[4]、Cu-Zn SOD則參照 S·Srivastava[5]進(jìn)行測(cè)定。 Mn含量采用微波消解-原子吸收法測(cè)定。
1.3 差異性檢驗(yàn)
差異性檢驗(yàn)使用t檢驗(yàn)法。
2 結(jié)果與分析
2.1 錳對(duì)幼苗生長(zhǎng)和黃化的影響
各處理經(jīng)0.5mmol/L Mn處理后，植株Mn含量(1206.17mg/kg DW)極顯著增加，達(dá)到對(duì)照的15.3倍。隨著錳含量的增加，地上部、根重、生物產(chǎn)量及根冠比均有所下降(詳見(jiàn)表1)。
表1 Mn對(duì)甘蔗幼苗錳含量、生物產(chǎn)量及根冠比的影響(g/plant DW)
注：表中的數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列數(shù)值后的*表示處理間顯著差異(p<0.05)，**表示處理間極顯著差異(p<0.01),下同。
各處理經(jīng)高錳(HMn)處理后5、10、15、20后，葉片葉綠素含量逐漸下降。雖然HMn處理5、10d葉綠素含量對(duì)對(duì)照處理間的差異不顯著，但處理15d后葉片明顯黃化、葉綠素含量顯著低于對(duì)照。這說(shuō)明，過(guò)多的錳可導(dǎo)致葉片黃化。
2.2 錳脅迫下甘蔗幼苗葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性
甘蔗幼葉質(zhì)膜透性隨著生長(zhǎng)期的推移呈上升趨勢(shì)。處理0、5 d時(shí)，HMN處理與對(duì)照處理間K+相對(duì)濃度比差異不大。然而，處理15 d后HMN處理的濃度透性顯著高于對(duì)照(NMn)。這些結(jié)果說(shuō)明，高錳引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞、透性增加。
0.5mmol/L Mn處理雖然不影響幼葉POD、SOD酶活性，但Mn處理后CAT和APX酶活性顯著下降，這說(shuō)明過(guò)多的Mn引起的過(guò)氧化脅迫是質(zhì)膜透性增加的重要原因。
2.3 錳對(duì)幼葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
光系統(tǒng)II [PS(II)]的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)，是PS(II)原初光能轉(zhuǎn)化效率，即PSII完全開(kāi)放時(shí)的最大量子效率[6]，而Fv/Fo比值表現(xiàn)PS(II)的潛在的活性。0.5mmol/L Mn處理(HMn)4d、8d、12d后甘蔗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo與對(duì)照處理的相當(dāng)。然而，HMn處理16 d后Fv/Fm和Fv/Fo值顯著降低，這表明Mn脅迫降低甘蔗幼葉PSII的光能轉(zhuǎn)換效率和潛在活力。
實(shí)際光合量子產(chǎn)額[Y(II)]是植物葉片光合中原初光能捕獲效率或非環(huán)式電子傳遞效率[7]。ETR是指 PSII中實(shí)際的電子傳遞速率，表示植株用于光合電子傳遞的能量在所吸收的能量中占比[6,8]。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)，指PS (II)的反應(yīng)中心處于開(kāi)放的比例，同時(shí)表示光合作用反應(yīng)中心開(kāi)放程度[8,9]。qP值是PSII原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)和PSII開(kāi)放中心的數(shù)目，其值越大，表明質(zhì)體醌(PQ)還原程度小，PSII電子傳遞活性高[10]。HMn處理12和16d后，Y(II)、ETR和qP值顯著升高，但HMn處理20 d后Mn處理間Y(II)、ETR參數(shù)值相當(dāng)。結(jié)果表明，過(guò)多的Mn可能導(dǎo)致甘蔗光合系統(tǒng)氧化脅迫傷害。
非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)是指在PS(II)中所吸收的卻不能用于光合電子傳遞而經(jīng)熱能耗散形式耗散掉的光能[6]。雖然HMn處理4、8 d后幼葉的NPQ與對(duì)照處理的相當(dāng)，但在處理后第12 、16 d 葉片的NPQ 顯著下降，說(shuō)明過(guò)多的錳可能降低甘蔗光能利用效率。
圖1 Mn對(duì)葉綠素含量的影響經(jīng)時(shí)變化
圖2 Mn對(duì)甘蔗幼葉質(zhì)膜透性的影響經(jīng)過(guò)時(shí)間的變化
Mn濃度(mmol/L)PODCu Zn-SODCATAPX019.380±0.4490.965±0.0237.68±0.090*6.904.±0.218**0.520.273±0.0360.906±0.0034.986±0.2342.788±0.153
3 討論與結(jié)論
光合作用是植物重要的代謝過(guò)程，關(guān)乎著植株的生長(zhǎng)能力[11]。植物葉片的葉綠素含量與光能轉(zhuǎn)化直接相關(guān)[12]，本研究中，HMn處理導(dǎo)致甘蔗幼葉的葉綠素含量、葉綠素Fv/Fm與Fv/F0下降(圖1、圖4a、b)而幼葉細(xì)胞質(zhì)膜透性顯著增加(圖2)，說(shuō)明過(guò)多的Mn可導(dǎo)致甘蔗膜結(jié)構(gòu)破壞、抑制幼葉的光能吸收和幼葉黃化。
過(guò)多的Mn可導(dǎo)致活性氧積累、細(xì)胞膜脂的過(guò)氧化并改變酶活性[13]。過(guò)多的Mn激活甘藍(lán)型油菜POD活性但抑制SOD和CAT活性[14]。過(guò)多的Mn也抑制水稻 CAT、SOD和GPX酶活性[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)多的錳雖然對(duì)SOD和POD活性的影響不顯著，但顯著抑制APX和CAT活性，說(shuō)明甘蔗幼葉錳毒黃化可能是膜脂過(guò)氧化的結(jié)果。
逆境脅迫對(duì)植物光合作用的影響是多方面的，不僅直接引發(fā)光合機(jī)構(gòu)的損傷，同時(shí)也影響光合電子傳遞及與暗反應(yīng)有關(guān)的酶活性[16]。本研究結(jié)果顯示HMn處理后幼葉的Y(II)ETR和qP值顯著增加而NPQ值則相關(guān)，這表明Mn引起的葉綠素過(guò)氧化脅迫損傷及光能利用受阻可能也與甘蔗幼葉錳毒黃化有關(guān)。
圖3 Mn對(duì)甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響經(jīng)時(shí)變化
