錳脅迫對降香黃檀幼苗期生理特性的影響

楊紅蘭 馮守富 尹永昌 敖福春 黃秋嬋

摘 要 為了探明錳脅迫下降香黃檀幼苗期的生理生化機制，以降香黃檀幼苗為實驗材料，通過沙培法，研究了不同Mn2+濃度脅迫下降香黃檀生長和生理特性的變化。研究結(jié)果表明：隨著Mn2+濃度的增加，降香黃檀植物體中的丙二醛（MDA）含量、過氧化物酶（POD）活性和活性糖含量均呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢;在Mn2+濃度為4 mmol·L-1下，降香黃檀幼苗的POD值和MDA含量達到峰值;活性糖含量則在Mn2+濃度為20 mmol·L-1時出現(xiàn)峰值;同時，隨著Mn2+濃度的不斷增加，降香黃檀幼苗根、莖、葉積累錳的含量明顯增多，根部是積累Mn2+的主要部位，其次是莖和葉。

關(guān)鍵詞 降香黃檀;錳脅迫;POD酶;丙二醛

中圖分類號：S792.28 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.27.070

降香黃檀（Dalbergia odorifera T.Chen）又稱黃花梨、花梨木，屬蝶形花科（Papilionaceae）黃檀屬（Dalbergia）植物，常綠半落葉喬木樹種[1]。降香黃檀的藥用價值很高，但其野生資源日益減少，再加上國內(nèi)外市場對降香黃檀木材及其衍生品需求持續(xù)不斷增加，導致其木材價格一直居高不下。巨大的市場潛力吸引了眾多的社會資金投入造林，營建降香黃檀珍貴用材人工林。當前，國外對降香黃檀的研究非常少，基本上花精力在降香黃檀多樣性、栽培技術(shù)以及活性物質(zhì)提取等方面的研究上，針對錳脅迫對降香黃檀幼苗期的生理特性研究較少。目前，國內(nèi)對重金屬脅迫的研究相當廣泛，包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)、經(jīng)濟作物、微生物、動物，對降香黃檀的研究有干旱脅迫、木材DNA的提取、混交林土壤細菌多樣性等，但關(guān)于錳脅迫對降香黃檀的影響研究目前還相對缺乏。錳元素是植被生長發(fā)育所必須的元素，但環(huán)境中錳含量過高，也會對植物造成毒害[2]。研究錳脅迫下降香黃檀幼苗的形態(tài)和生理特性的變化以及各項指標的測定，可以更好地了解降香黃檀的生理特性，掌握在錳脅迫下降香黃檀對錳的耐性和其最適濃度，以了解降香黃檀對改良重金屬污染土壤的可能性，也為降香黃檀的推廣種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采集當年成熟的降香黃檀種子進行幼苗培育。

1.2 試驗方法

試驗采用沙培法，當幼苗長出2片葉時進行移栽，選長勢良好且相似的幼苗，用小勺子將沙培的幼苗輕慢挑出，盡量減少對根的傷害。移出后，每一個培養(yǎng)盆移植5棵，共移植30盆。自然光下培養(yǎng)，當降香黃檀幼苗長出5片葉時進行錳脅迫試驗。使用藥品為MnSO4，錳離子濃度梯度設置為0 mmol·L-1（對照）、0.8 mmol·L-1、4.0 mmol·L-1、20 mmol·L-1、100 mmol·L-1和200 mmol·L-1。脅迫時間為7 d，每次澆灌60 mL處理液，每隔24 h澆一次。脅迫期間，每天對降香黃檀幼苗的生長情況做好詳細的記錄。脅迫結(jié)束分別測定幼苗根、莖、葉的丙二醛（MDA）含量、過氧化物酶（POD）活性、可溶性糖含量，測定方法參照《植物生理學實驗手冊》[3]。用TAS-990F火焰原子吸收分光光度計測定吸光值，不同濃度下植物不同部位（根、莖、葉）的錳積累量根據(jù)公式1計算[4]。

式中：C為從標準曲線上查得元素的質(zhì)量濃度，μg·mL-1;m為稱量植物樣品質(zhì)量，g;V為植物樣品試液的總體積，mL。

1.3 數(shù)據(jù)分析

以上實驗每組重復做3次，取3次實驗的平均值進行計算，再采用Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Mn2+濃度對降香黃檀幼苗的影響

在對降香黃檀幼苗進行脅迫期間，前4天降香黃檀幼苗長勢良好，無明顯變化。第5天，高濃度（100 mmoL·L-1和200 mmol·L-1）Mn2+處理的降香黃檀幼苗葉子開始出現(xiàn)萎焉現(xiàn)象，且都有落葉（從嫩葉開始）。其中，100 mmol·L-1的Mn2+濃度處理降香黃檀幼苗個別植株出現(xiàn)黃葉（從老葉開始出現(xiàn)黃斑至整片葉子黃色），有些降香黃檀幼苗葉子還出現(xiàn)黑色斑點，葉面干燥缺水。到了第6天，這兩個高濃度Mn2+處理的降香黃檀幼苗持續(xù)落葉，落葉非常嚴重，100 mmol·L-1的Mn2+濃度處理降香黃檀幼苗第一、第二片葉開始掉落。第7天，200 mmol·L-1的Mn2+濃度處理降香黃檀幼苗葉已經(jīng)全部掉完。其他Mn2+濃度（0 mmol·L-1、0.8 mmol·L-1、4.0 mmol·L-1、20 mmol·L-1）處理的降香黃檀幼苗長勢較好。

2.2 不同Mn2+濃度處理下降香黃檀幼苗葉子的可溶性糖含量變化

可溶性糖作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，在植物適應鹽分環(huán)境中發(fā)揮著重要作用，能夠提高細胞的滲透調(diào)節(jié)能力，降低因滲透失水而造成的細胞膜、酶及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能損傷[5]。如圖1所示，在不同Mn2+濃度處理下，降香黃檀幼苗的可溶性糖含量呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。在Mn2+濃度達到20 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗的可溶性糖含量上升，達到最高值，為92.95 μg·g-1;在此之后，隨著濃度的增加，可溶性糖含量有明顯的下降。

2.3 不同Mn2+濃度對降香黃檀幼苗葉片POD酶活性的影響

POD是抗氧化防御系統(tǒng)重要的抗氧化酶，其活性越高，植物對活性氧傷害的防御能力越強[6]。由圖2可知，在較低Mn2+濃度下，降香黃檀幼苗葉的POD酶活性均明顯高于對照組;處理濃度為0.8 mmol·L-1、4.0 mmol·L-1時，其POD值比對照組分別高20.80 U·g-1·min-1、64.83 U·g-1·min-1;而處理濃度為20 mmol·L-1、100 mmol·L-1時，POD值都比對照組低，分別低了1.52 U·g-1·min-1和18.69 U·g-1·min-1。Mn2+處理濃度為200 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗葉的POD酶活性比對照組高，高了14.71 U·g-1·min-1。

從圖中可以看到，當Mn2+濃度為4 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗葉的POD酶活性最高。前段上升的原因，可能是錳脅迫對降香黃檀幼苗POD活性起到了誘導作用;后段下降原因可能是隨著外源錳濃度的增大，降香黃檀幼苗超氧自由基的生成量較高，超出了POD酶清除超氧自由基的能力，導致植物體內(nèi)自由基的清除與產(chǎn)生失衡[7]。

2.4 不同Mn2+濃度對降香黃檀幼苗MDA含量的影響

MDA是細胞膜脂過氧化反應的產(chǎn)物，其含量的變化可作為檢測逆境條件下膜系統(tǒng)受損程度的指標[8]。從圖3可以看出，在不同Mn2+濃度處理下，降香黃檀幼苗葉子的丙二醛含量相對于對照組均有不同程度增加，其趨勢為先增加后降低。當Mn2+濃度為4 mmol·L-1時，丙二醛含量達到最高，隨后有所降低。

2.5 Mn2+脅迫下降香黃檀幼苗不同部位錳的積累

從表1中可以看出，隨著Mn2+處理濃度的增加，降香黃檀的根、莖、葉中的錳積累量也逐漸增加。而且從數(shù)據(jù)中可以看到，降香黃檀根部的Mn2+積累量明顯高于莖和葉的Mn2+積累量，說明降香黃檀根部是主要吸收Mn2+的部位，且根部積累的Mn2+只有部分轉(zhuǎn)移到了莖和葉，從而保護了地上部分。當Mn2+濃度為100 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗表現(xiàn)出了受害癥狀。當Mn2+濃度為200 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗已經(jīng)萎焉，此時Mn2+的積累量到達最高，根部的Mn2+積累量為77.64 mg·kg-1，莖和葉的Mn2+積累量分別為77.22 mg·kg-1和39.66 mg·kg-1。

3 討論

錳是自然界中廣泛存在的元素，是維持植物正常生理活動的必需微量元素[9]。適量濃度的錳可以促進植物的生長，但環(huán)境中錳離子濃度過高就會對植物產(chǎn)生毒害作用。在本次研究中，降香黃檀幼苗在Mn2+濃度為0.8 mmol·L-1、4 mmol·L-1、20 mmol·L-1時長勢良好，當Mn2+濃度為100 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗開始出現(xiàn)葉子發(fā)黃、落葉現(xiàn)象。當Mn2+濃度為200 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗開始萎焉，直至死亡。這說明在Mn2+濃度為100 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗生長開始受到抑制，之后降香黃檀幼苗不能正常生長。因此，在種植降香黃檀時要注意土壤中Mn2+濃度。

在逆境條件下，植物器官通常會發(fā)生膜脂過氧化反應，MDA則是膜脂過氧化反應的產(chǎn)物，其含量的變化可表明植物細胞膜損害程度和植物對氧化脅迫的反應[10]。即MDA含量越多，植物受損害越嚴重;隨著Mn2+濃度的增加，降香黃檀幼苗的MDA含量先升高后減低;在Mn2+濃度為4 mmol·L-1時，MDA含量達到最高值，之后開始下降。MDA下降的原因可能是高濃度金屬脅迫處理導致植株幼苗代謝機能發(fā)生紊亂。高濃度錳離子使降香黃檀幼苗體內(nèi)積累了大量的活性氧，導致植物細胞失去正常的代謝功能，從而不能積累MDA[11]。

POD酶是植物體內(nèi)重要保護酶。植物體在Mn2+的脅迫下會形成過量的氧自由基，植物通過體內(nèi)保護酶系統(tǒng)清除或減少逆境脅迫所產(chǎn)生的活性氧，從而避免其對組織細胞的傷害[12]。在本次試驗中，降香黃檀幼苗葉子的POD酶活性隨著Mn2+濃度的增加呈先升高后下降的趨勢。POD酶活性在Mn2+濃度為4 mmol·L-1時達到最大值。在達到最大值之后，隨著Mn2+濃度不斷增加，POD酶活性開始下降。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因是剛開始Mn2+濃度增加時，植物體內(nèi)出現(xiàn)較多的過氧化物，誘使POD酶活性上升，分解這些有毒物質(zhì)，提高植物體的抗逆能力。但隨著Mn2+濃度的不斷增加，植物體內(nèi)的過氧化物數(shù)量超出了其能夠分解的范圍，植物開始受到毒害，進而導致了POD酶活性的下降。

可溶性糖作為植物體內(nèi)主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物體調(diào)節(jié)細胞滲透壓方面具有重要作用。本次試驗結(jié)果表明，隨著Mn2+濃度不斷增加，降香黃檀幼苗體內(nèi)的可溶性糖含量呈先升高后下降的趨勢。在Mn2+濃度為20 mmol·L-1時，植物體內(nèi)的可溶性糖含量達到了峰值，隨后開始下降。植物體受到錳離子脅迫時，植物體內(nèi)細胞滲透壓失衡，植物體通過增加可溶性糖含量來調(diào)節(jié)細胞的滲透壓，使其達到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著Mn2+濃度不斷增加，可溶性糖含量下降的原因是高濃度錳脅迫超出了植物體所能承受的范圍，植物體受到毒害，植物細胞的細胞膜通透性增大，糖類和酶大量運出[13]。

隨著Mn2+濃度的不斷增加，降香黃檀幼苗根、莖、葉積累錳的含量明顯增多，富集量表現(xiàn)為根>莖>葉。在本次試驗中，當Mn2+濃度達到最大值200 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗根部的Mn2+積累量達到77.64 mg·kg-1，莖和葉的Mn2+積累量分別為77.22 mg·kg-1和39.66 mg·kg-1。雖然降香黃檀這種喬木植物不是超富集植物，但考慮到降香黃檀容易成活、耐旱、耐脊薄，因此可作為土壤植物修復的備選植物。

4 結(jié)論

1）錳是植物生長必需微量元素之一，適量的Mn2+濃度處理對降香黃檀幼苗的生長有一定的促進作用。但當Mn2+濃度達到20 mmol·L-1時，降香黃檀幼苗生長開始受阻，出現(xiàn)各種不良癥狀，直至死亡。

2）低濃度Mn2+對降香黃檀幼苗的活性糖含量、POD酶活性有一定的促進作用。高濃度Mn2+脅迫則對上述兩個指標有抑制作用。其中MDA含量隨著Mn2+濃度的增加，MDA含量呈先升高后降低的趨勢。

3）降香黃檀對Mn2+的積累雖然沒有達到超富集標準，但綜合各方面來看，可以作為土壤植物修復的備選植物。

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（責任編輯：趙中正）