納米硅肥對(duì)遠(yuǎn)東芨芨草幼苗模擬抗旱的影響

龔束芳，劉 陽(yáng)，速馨逸，姜童童，王金剛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

遠(yuǎn)東芨芨草(Achnatherumextremiorientale)為禾本科(Gramineae)芨芨草屬多年生草本植物[1]，生長(zhǎng)于林下，種子繁殖，管理粗放便于栽培管理，而且莖葉較茂密，直立莖稈在秋冬仍能保持直立的狀態(tài)，具有一定的觀賞性，在北方地區(qū)可露地越冬，是北方地區(qū)常見(jiàn)的野生觀賞草資源，但一直以來(lái)未曾得到重視，因此也并未得到深入研究。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于遠(yuǎn)東芨芨草及芨芨草屬植物研究主要集中在鹽脅迫處理方面，關(guān)于干旱脅迫[2-3]和逆境環(huán)境的適應(yīng)性研究[4-5]較少，查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知施加硅肥可以提高植物的抗脅迫能力，通過(guò)前期研究發(fā)現(xiàn)外源納米硅肥也會(huì)對(duì)干旱脅迫下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗產(chǎn)生有益影響[6-7]。

外源納米硅肥是含環(huán)氧基的硅烷偶聯(lián)劑，由于納米材料特有的屬性，其優(yōu)良穩(wěn)定性和吸附性有利于植物對(duì)其持續(xù)性吸收，并能有效控制肥料的釋放速率[8-9]，從而達(dá)到保肥長(zhǎng)效的目的。為此，以遠(yuǎn)東芨芨草幼苗作為試驗(yàn)材料，觀察分析其表型變化，對(duì)植物在干旱脅迫的生理反應(yīng)進(jìn)行分析，并深入研究施加納米硅肥對(duì)干旱脅迫下其幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)MDA含量及抗氧化酶活性變化規(guī)律，探討在遠(yuǎn)東芨芨草抗旱脅迫生理響應(yīng)中施加納米硅肥對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及相關(guān)酶類活性的意義，旨在探求納米硅肥提高遠(yuǎn)東芨芨草抗干旱脅迫的生理生化機(jī)制，為遠(yuǎn)東芨芨草在降水量較小的北方地區(qū)推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

取樣地點(diǎn)在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園，以2016年10月采收的種子經(jīng)有性繁殖2周得到幼苗作為試驗(yàn)材料，以含環(huán)氧基的硅烷偶聯(lián)劑即Si-60作為外用硅制劑，PEG-6000作為模擬干旱脅迫條件的試劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取長(zhǎng)至2～3 cm、生長(zhǎng)一致的健壯幼苗，均勻分布培養(yǎng)盆中。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：1)對(duì)照(-Si/-PEG)；2)單獨(dú)Si處理(+Si/-PEG)；3)單獨(dú)PEG處理(-Si/+PEG)；4)聯(lián)合處理(+Si/+PEG)。經(jīng)過(guò)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)，納米硅肥的濃度設(shè)為0.075 mmol·L-1，PEG-6000的濃度為12%，處理液pH為5.8，培養(yǎng)環(huán)境為組培室，室溫26 ℃，光照強(qiáng)度為2 500 lx，光照/黑暗時(shí)間為12 h/12 h，相對(duì)濕度為20%。每處理為5盆，試驗(yàn)期間每盆的處理液體積始終保持一致。待納米硅肥處理2周后對(duì)滲透脅迫下的植株有明顯的表型影響時(shí)結(jié)束試驗(yàn)處理，于各處理選取具有代表性的植株進(jìn)行觀察并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1表型測(cè)定方法 采收試驗(yàn)處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗，并對(duì)該批幼苗的整齊度進(jìn)行詳細(xì)的篩選,使用游標(biāo)卡尺和直尺測(cè)量根長(zhǎng)、株高；使用鋁盒、恒溫箱、分析天平測(cè)量鮮重、相對(duì)含水量，每個(gè)處理濃度測(cè)量20個(gè)數(shù)據(jù)，然后對(duì)比并計(jì)算平均值。

1.3.2生理指標(biāo)測(cè)定方法 參照張治安和陳展宇[10]的方法，取各處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗地上部分和地下部分，用蒽酮法測(cè)定可溶性糖含量和淀粉含量，考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白質(zhì)含量，茚三酮法測(cè)定游離脯氨酸含量；參考高俊鳳[11]的硫代巴比酸法制備酶液，用于測(cè)定超氧物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量，分別在酶標(biāo)儀中記錄吸光值，并計(jì)算各個(gè)指標(biāo)含量。

1.4 數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)分析方法

采用SPSS 24.0軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果，用SAS 9.2軟件對(duì)株高，根長(zhǎng)，鮮重，相對(duì)含水量，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、淀粉含量，以及SOD、POD、CAT活性，MDA含量進(jìn)行單因素方差分析；采用Excel 制圖。

2 結(jié)果

2.1 納米硅肥對(duì)遠(yuǎn)東芨芨草表型的影響

遠(yuǎn)東芨芨草幼苗經(jīng)試驗(yàn)處理后，與-Si/-PEG(對(duì)照)相比，+Si/-PEG處理的植株表現(xiàn)在外觀上差別不明顯。雖然-Si/+PEG處理下和+Si/+PEG處理下均表現(xiàn)為葉邊緣有輕微的卷曲，甚至有些葉片葉尖會(huì)有失綠，莖稈生長(zhǎng)變細(xì)，支撐力下降；但相對(duì)于-Si/+PEG處理下，+Si/+PEG處理下的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗則維持了功能葉片較長(zhǎng)較寬的展開(kāi)，除葉尖卷曲失綠外，葉片的其他部位仍可展開(kāi)(圖1)。

另外，Si處理下植株的須根更豐富；同等PEG-6000脅迫處理下，Si處理下的植株株高和根長(zhǎng)有顯著提高(P<0.05)，比同期不施加納米硅肥處理下分別提高了0.52和0.43 cm(圖2)。在無(wú)PEG-6000滲透脅迫時(shí)，Si處理和無(wú)Si處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗鮮重分別為30.83和32.65 mg，兩者間差異顯著(P<0.05)；當(dāng)進(jìn)行PEG-6000滲透脅迫時(shí)，Si處理相比于無(wú)Si處理下其幼苗鮮重增加了1.83 mg，兩者間差異顯著(P<0.05)；同時(shí)，其植株相對(duì)含水量也有顯著提高，比同期的不施加納米硅肥處理提高了2.2個(gè)百分點(diǎn)，表現(xiàn)出納米硅肥對(duì)滲透脅迫下的遠(yuǎn)東芨芨草有緩解作用。

圖1 納米硅肥對(duì)PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草外觀的影響Fig. 1 Effect of nano-silicon fertilizer on the exterior of Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

2.2 納米硅肥對(duì)遠(yuǎn)東芨芨草滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

在無(wú)PEG-6000滲透脅迫處理時(shí)，與-Si/-PEG(對(duì)照)處理相比，+Si/-PEG處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗地上、地下部分中的淀粉含量沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)，而其地上部分的可溶性蛋白含量顯著增加(P<0.05)，而可溶性糖含量、游離脯氨酸含量顯著降低(P<0.05)；在有PEG-6000滲透脅迫處理時(shí)，Si處理下其植株地上部分和地下部分的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量都顯著增加(P<0.05)，變化最顯著的是地上部分的游離脯氨酸和可溶性糖，比同期不施加納米硅肥處理下分別增加了2.09 μg·g-1和2.006 mg·g-1(圖3)。

圖2 納米硅肥對(duì)PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草表型的影響Fig. 2 Effect of nano-silicon fertilizer on the phenotype of Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

不同字母表示不同處理間顯著差異(P<0.05)。下同。

Difference lowercase letters indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level; similarly for the following figures.

2.3 納米硅肥對(duì)遠(yuǎn)東芨芨草抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

在無(wú)PEG-6000滲透脅迫處理時(shí)，與-Si/-PEG(對(duì)照)處理相比，+Si/-PEG處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗地上部分和地下部分的POD活性、CAT活性、SOD活性顯著增加(P<0.05)，其中，CAT活性的變化最顯著(P<0.05)，地上部分中CAT活性差異達(dá)到了1.01 U·g-1，地下部分中CAT活性差異達(dá)到了0.23 U·g-1；在PEG-6000滲透脅迫處理下，+Si/+PEG處理下和-Si/+PEG處理下相比，遠(yuǎn)東芨芨草幼苗地上部分和地下部分的POD活性、CAT活性和SOD活性也顯著增加(P<0.05)，地下部分的CAT活性變化較小，比同期不施加納米硅肥處理下僅提高了0.29 U·g-1，地上部分的POD活性變化最顯著，提高了21ΔA470·(g·min)-1。

在無(wú)PEG-6000滲透脅迫時(shí)，+Si/-PEG處理的遠(yuǎn)東芨芨草的地上部分和地下部分的丙二醛(MDA)含量比-Si/-PEG處理的顯著降低(P<0.05)(圖4)，

圖3 納米硅肥對(duì)PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Fig. 3 Effect of nano-silicon fertilizer on the osmolytes content in Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

圖4 納米硅肥對(duì)PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響Fig. 4 Effect of nano-silicon fertilizer on the antioxidant enzyme activity and malondialdehyde content of Achnatherum extremiorientales

遠(yuǎn)東芨芨草的地上部分和地下部分的MDA含量比同期的不施加納米硅肥處理的分別降低了12和3.8 mmol·g-1；在PEG-6000滲透脅迫下，施加納米硅肥(+Si/+PEG)遠(yuǎn)東芨芨草的地上部分和地下部分MDA含量比單獨(dú)進(jìn)行PEG-6000滲透(-Si/+PEG)處理顯著降低(P<0.05)，遠(yuǎn)東芨芨草的地上部分和地下部分的MDA含量分別降低了4.7和6.7 mmol·g-1。

3 討論

3.1 納米硅肥對(duì)PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗表型影響

禾本科植物體內(nèi)沉積的硅大部分分布于地上部分，對(duì)植株生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用[12]，這是因?yàn)楫?dāng)硅肥濃度在一定范圍內(nèi)時(shí)，通常會(huì)誘導(dǎo)植物根系向垂直、水平方向擴(kuò)展，并分生出大量側(cè)生毛細(xì)根，擴(kuò)大根系吸收水分的范圍[13]，顯著提高植物株高[14-15]，增加植物相對(duì)含水量[16-18]，從而改變植物的鮮重。本研究證實(shí)，當(dāng)在PEG-6000處理中施加納米硅肥后，受滲透脅迫影響的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗長(zhǎng)勢(shì)會(huì)有好轉(zhuǎn)，植株高度、根系生長(zhǎng)量以及莖稈健壯程度都會(huì)好于單純PEG-6000處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗；同時(shí)，遠(yuǎn)東芨芨草幼苗的生物量會(huì)有明顯的增加，相比于單純PEG-6000處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗株高增加了0.52 cm，相對(duì)含水量提高2.2%，根長(zhǎng)增長(zhǎng)了0.43 cm，植株鮮重增加了1.875 mg，納米硅肥的施加對(duì)其影響差異顯著，從而提高植株的抗旱能力。

3.2 納米硅肥對(duì)PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草幼苗生理指標(biāo)影響

滲透脅迫是影響遠(yuǎn)東芨芨草觀賞性的重要因素之一，滲透脅迫影響的生理指標(biāo)變化有很多種，是一個(gè)復(fù)雜的生理變化過(guò)程。

植物抗旱性的強(qiáng)弱可通過(guò)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的累積和彈性調(diào)節(jié)能力的大小直接反映[19-21]，而通過(guò)施加外源硅可以緩解干旱脅迫下植物體中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的降解[22]，促進(jìn)植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累[23]，從而改善植株體內(nèi)的水分狀況。本研究證實(shí)，相比于PEG-6000處理的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗，在PEG-6000處理中施加納米硅肥后，其葉片和根系中的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量會(huì)顯著的增加，這是因?yàn)榧{米硅肥會(huì)促進(jìn)遠(yuǎn)東芨芨草幼苗葉片和根系通過(guò)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)而進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，從而維持植株正常生長(zhǎng)；而淀粉含量變化則不顯著，可能是滲透脅迫顯著抑制了淀粉合成途徑[24]，導(dǎo)致淀粉含量保持穩(wěn)定狀態(tài)[25]，也可能與脅迫持續(xù)時(shí)間有關(guān)[26]。

SOD、POD、CAT等酶類是細(xì)胞抵御活性氧傷害的重要保護(hù)酶系統(tǒng)，它們?cè)谇宄踝杂苫?、過(guò)氧化氫和過(guò)氧化物以及阻止或減少羥基自由基形成等方面起著重要作用，當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，活性氧產(chǎn)生相對(duì)增多，與其相適應(yīng)的體內(nèi)活性氧清除酶類活性和抗氧化物含量也相應(yīng)增加[27]，而外源硅的施加則提高了逆境脅迫下植物葉片的抗氧化酶活性[28]。本研究證實(shí)，相比于單純PEG-6000處理，納米硅肥的施加促進(jìn)遠(yuǎn)東芨芨草地上部分和地下部分中SOD、POD、CAT酶活性顯著提高，緩解了PEG-6000脅迫處理對(duì)遠(yuǎn)東芨芨草幼苗的損害。MDA是逆境脅迫引起膜質(zhì)過(guò)氧化的重要指標(biāo)[29]，研究證實(shí)外源硅可降低干旱脅迫下植物[30]的MDA含量，緩解氧化損傷。本研究亦證實(shí)，PEG-6000處理下遠(yuǎn)東芨芨草地上部分和地下部分中的MDA含量顯著增加，而施加納米硅肥后，其地上部分和地下部分中的MDA含量則有所降低。

4 結(jié)論

通過(guò)外源納米硅肥對(duì)遠(yuǎn)東芨芨草幼苗進(jìn)行PEG-6000共處理，結(jié)果顯示，施加0.075 mmol·L-1的外源納米硅肥可使其幼苗株高和根長(zhǎng)比同期的不施加納米硅肥處理下分別提高了0.52和0.43 cm，同時(shí)增加了可溶性糖含量，改變了地上部分中CAT活性，減少了地下部分的MDA含量，推測(cè)外源納米硅肥的施加可以減少遠(yuǎn)東芨芨草幼苗滲透失水情況，促進(jìn)其滲透調(diào)節(jié)的正常工作，激活和維持抗氧化系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，緩解對(duì)其幼苗的生長(zhǎng)抑制，顯著緩解脅迫損害，使之在模擬干旱脅迫下保持正常的植株體態(tài)。因此，施加0.075 mmol·L-1的外源納米硅肥對(duì)12% PEG-6000模擬干旱下的遠(yuǎn)東芨芨草幼苗有顯著緩解作用。