木醋液對小麥幼苗生長、抗氧化特性及內(nèi)源激素含量的影響

盧辛成，蔣劍春，何 靜，孫 康，孫云娟

（1中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所/生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室/國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)化學(xué)工程重點開放性實驗室/江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室/江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210042；2北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083）

0 引言

木醋液是生物質(zhì)原料在高溫絕氧條件下熱解產(chǎn)生的氣體經(jīng)冷凝得到的混合物，是生物質(zhì)熱化學(xué)利用過程中一種重要的產(chǎn)物。木醋液成分復(fù)雜，主要由水(50%～80%)和有機物質(zhì)(20%～50%)組成，其成分組成受熱解原料和熱解條件的影響[1]。研究表明，木醋液中的有機物質(zhì)約有500余種，主要分為酸類、酚類、酮類、醇類、酯類及其衍生物等[2]。木醋液具有抑菌、抗氧化、調(diào)節(jié)植物生長、防腐等作用，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、食品加工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生業(yè)等諸多領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)是木醋液主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，主要用于改良土壤、防治病蟲害、增產(chǎn)增收、促進(jìn)植物生長等方面[3-4]。研究表明，木醋液葉面噴灑辣椒、番茄等可提高產(chǎn)量及改善品質(zhì)[5-6]，木醋液浸種或培養(yǎng)西葫蘆、赤豆能促進(jìn)其發(fā)芽與幼苗生長[7-8]，并且木醋液對改善土壤性質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)利用具有顯著影響[9]。木醋液對植物生長的調(diào)節(jié)作用與其組成成分和濃度有關(guān)。一方面，木醋液中種類豐富的有機物質(zhì)，如酚類、酸類、醇類等，是植物生長過程中的化感物質(zhì)，產(chǎn)生化感作用影響植物光合作用、呼吸作用、酶系統(tǒng)以及激素代謝等，調(diào)節(jié)植物生長[10]。另一方面，木醋液中化感物質(zhì)的濃度對植物生長產(chǎn)生不同脅迫效應(yīng)，進(jìn)而影響植物生長和發(fā)育。目前，木醋液對植物生長調(diào)節(jié)作用的研究主要集中于種子發(fā)芽、果實品質(zhì)改良以及植株形態(tài)學(xué)變化等方面[11-13]，而基于木醋液對植物抗氧化性和內(nèi)源激素含量影響進(jìn)而探討其生長調(diào)節(jié)機理的研究甚少?；诖?，本研究以杉木木醋液為原料，小麥為模式植物，研究不同濃度木醋液對小麥幼苗生長的調(diào)節(jié)作用，旨在通過分析小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)、抗氧化特性以及內(nèi)源激素含量變化，初步揭示木醋液對植物生長的調(diào)節(jié)機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料小麥品種為‘小偃22’。供試木醋液來源于杉木屑熱解[14]。試驗所用杉木屑取自江西玉山，經(jīng)粉碎、過篩使其粒徑為0.5～2 mm，在100℃烘箱干燥5 h。之后，將其置于自制固定床熱解反應(yīng)器在450℃下熱解制備得到木醋液。木醋液經(jīng)無菌水稀釋不同的倍數(shù)（1000～5000倍），配制成濃度為0.20、0.25、0.33、0.50和1.00 mL/L的供試液待用。

1.2 小麥培養(yǎng)實驗

1.2.1 小麥發(fā)芽實驗 實驗中使用的培養(yǎng)皿、濾紙等采用高壓蒸汽滅菌器進(jìn)行滅菌處理。滅菌后，在培養(yǎng)皿中放入2層濾紙，用一定量的無菌水使濾紙潤濕。小麥種子經(jīng)75%的乙醇溶液滅菌10 min后用無菌水沖洗2～3次。每個培養(yǎng)皿中放入經(jīng)過滅菌處理的飽滿小麥種子150粒，之后置于溫度為(28±1)℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。定期加入一定量的無菌水保持濾紙濕潤，培養(yǎng)4天后進(jìn)行小麥幼苗生長實驗。

1.2.2 小麥幼苗生長實驗 小麥幼苗植株生長實驗采用水培法。選取發(fā)芽良好的種子20粒放入培養(yǎng)盒（直徑60 mm，高30 mm），加入一定量的木醋液處理液后置于(28±1)℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天光照12 h。以蒸餾水處理為對照組(CK)。每天恒重補充處理液保持小麥良好生長。培養(yǎng)7天后每個處理選擇生長整齊度較好的幼苗15株測定相關(guān)指標(biāo)。每組實驗同時做3組重復(fù)。

1.3 小麥幼苗指標(biāo)測定

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)測定 小麥植株苗重、根重通過將新鮮的植株按照地上、地下部分稱重獲得；最長苗苗長和幼苗苗總長采用直尺測定。

1.3.2 理化指標(biāo)測定 丙二醛含量(MDA)、超氧化物歧化酶活性(SOD)和過氧化物酶活性(POD)采用上海索橋生物科技有限公司生產(chǎn)試劑盒測試，過氧化氫酶(CAT)采用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)試劑盒測試。

1.3.3 內(nèi)源激素的測定 以異丙醇/水/鹽酸提取方法提取樣品中內(nèi)源激素吲哚乙酸(IAA)、脫落酸(ABA)和赤霉素(GA3)，以安捷倫1290高效液相色譜儀串聯(lián)AB公司Qtrap6500質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測，測定方法采用高效液相色譜-電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(ESI-HPLC-MS/MS)[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行處理和分析?；行?yīng)指數(shù)(RI)計算如式(1)。

式中，R為實驗組測定值，C為對照組測定值。RI＞0表示木醋液對測定指標(biāo)具有促進(jìn)效應(yīng)，RI＜0表示具有抑制效應(yīng)，RI=0表示無化感效應(yīng)。RI絕對值表示化感效應(yīng)強度，越大表示促進(jìn)或抑制作用越顯著。實驗結(jié)果以3次實驗的算術(shù)平均值表示，不同小寫字母表示不同實驗條件下各指標(biāo)的顯著性(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 木醋液對小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響與化感效應(yīng)

2.1.1 木醋液對小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響 木醋液濃度對小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響如圖1所示?？梢钥闯?，當(dāng)木醋液濃度＜0.50 mL/L時，小麥各形態(tài)指標(biāo)（苗重、根重、最長苗苗長和總苗長）較對照組(CK)增加，并且隨著木醋液濃度的增加呈先增加后減小的趨勢。當(dāng)木醋液濃度≥0.50 mL/L時，小麥各形態(tài)指標(biāo)較CK降低，且濃度越高降低越顯著。由圖1可知，當(dāng)木醋液濃度為0.25 mL/L時，小麥幼苗各形態(tài)指標(biāo)均最高，苗重、根重、最長苗和苗總長分別為1.337 g、0.409 g、11.86 cm和156.78 cm。表明最適應(yīng)小麥幼苗生長的木醋液濃度為0.25 mL/L。

圖1 木醋液對小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

2.1.2 木醋液對小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的化感效應(yīng) 如圖2所示，不同濃度的木醋液對小麥幼苗的形態(tài)指標(biāo)具有不同化感效應(yīng)。當(dāng)濃度≥0.50 mL/L時，木醋液對小麥苗重、根重、最長苗和苗總長的化感指數(shù)(RI)小于0，表明為抑制作用；通過RI值的大小對比可以看出，抑制作用與木醋液濃度呈正比。而當(dāng)濃度＜0.50 mL/L時，木醋液對小麥苗重、根重、最長苗和總苗長的RI＞0，表明為促進(jìn)作用，促進(jìn)作用隨濃度的增加呈先增加后減少的趨勢。木醋液濃度為0.25 mL/L時，對小麥幼苗的各形態(tài)指標(biāo)RI＞0且數(shù)值最大，說明該濃度對小苗生長的促進(jìn)作用最顯著。同時，對比RI值可知，木醋液濃度對苗重和根重的影響較苗長的影響更為顯著。由此可見，木醋液對小麥幼苗生長的調(diào)節(jié)作用與其濃度有關(guān)，不同濃度對小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響不同，總體表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)生長、高濃度抑制生長。

圖2 木醋液對小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的化感效應(yīng)

2.2 木醋液對小麥幼苗理化指標(biāo)的影響與化感效應(yīng)

2.2.1 木醋液對小麥幼苗理化指標(biāo)活性的影響 木醋液濃度對小麥幼苗不同理化指標(biāo)的影響有明顯區(qū)別（圖3）。隨著木醋液濃度增加，MDA含量先減小后增加。當(dāng)木醋液濃度為0.25 mL/L時，MDA含量最低為9.25 nmol/(g·FW)；而濃度為1.00 mL/L時，MDA含量最高為15.02 nmol/(g·FW)。對于SOD活性，在木醋液濃度≤0.25 mL/L較CK增加，而其他濃度下則低于CK，并且濃度越高SOD活性越低。當(dāng)木醋液濃度為0.25 mL/L時SOD活性最高為725.25 U/(g·FW)。在木醋液濃度≤0.33 mL/L，POD活性較CK增加，與濃度呈正相關(guān)；當(dāng)濃度≥0.50 mL/L時，POD活性降低，與濃度呈負(fù)相關(guān)。木醋液濃度為0.33 mL/L時，POD活性最高，較CK增加了18.33%。木醋液濃度對CAT活性的影響沒有明顯規(guī)律性，但木醋液培養(yǎng)降低了CAT活性。

圖3 木醋液對小麥幼苗理化指標(biāo)的影響

2.2.2 木醋液對小麥幼苗理化指標(biāo)的化感效應(yīng) 從圖4可以看出，當(dāng)濃度≤0.50 mL/L時，木醋液對MDA的RI＜0；但濃度為1.00 mL/L時RI＞0。MDA是植物受到環(huán)境脅迫時產(chǎn)生的物質(zhì)，反映了細(xì)胞膜脂過氧化程度和對脅迫環(huán)境的反應(yīng)強度。低濃度木醋液抑制MDA產(chǎn)生，是輕微逆境脅迫；高濃度木醋液促進(jìn)MDA產(chǎn)生，是嚴(yán)重逆境脅迫。對比RI絕對值大小可知，木醋液對小麥幼苗脅迫效應(yīng)隨濃度升高先減小后增大。當(dāng)木醋液濃度≤0.25 mL/L時，SOD活性的RI＞0，而其他濃度處理時RI＜0。對于POD活性，當(dāng)木醋液濃度＜0.50 mL/L時RI＞0，當(dāng)濃度為≥0.50 mL/L時RI＜0。木醋液培養(yǎng)對小麥幼苗CAT活性的RI＜0，表明木醋液培養(yǎng)抑制了小麥幼苗的CAT活性。上述結(jié)果表明，低濃度木醋液對小麥幼苗產(chǎn)生輕微逆境脅迫，MDA含量減少，SOD和POD活性增加；高濃度木醋液產(chǎn)生嚴(yán)重逆境脅迫，MDA含量增加，SOD和POD活性降低。

圖4 木醋液對小麥幼苗理化指標(biāo)的化感效應(yīng)

2.3 木醋液對小麥幼苗內(nèi)源激素含量的影響與化感效應(yīng)

2.3.1 木醋液對小麥幼苗內(nèi)源激素含量的影響 木醋液對小麥幼苗內(nèi)源激素IAA、ABA和GA3含量的影響如圖5。隨著木醋液濃度增加，IAA含量先增大后減小。木醋液濃度為0.20、0.25、0.33 mL/L時，IAA含量從CK的2.79 ng/(g·FW)增加到2.84、3.57、3.17 ng/(g·FW)。之后，隨著濃度進(jìn)一步增加，IAA含量降低。濃度為0.25 mL/L時IAA含量最高，而濃度為1.00 mL/L時IAA含量最低。GA3含量隨木醋液濃度變化趨勢與IAA含量一致，隨濃度升高先增加后減小，當(dāng)濃度為0.25 mL/L時最高為0.10 ng/(g·FW)。木醋液濃度對ABA含量的影響不同于其對IAA、GA3的影響。ABA含量隨著木醋液濃度增加呈遞增趨勢。同時，當(dāng)木醋液濃度低于1.00 mL/L時，ABA含量低于CK；當(dāng)濃度為1.00 mL/L時，ABA含量高于對照組。木醋液濃度對不同內(nèi)源激素含量影響不同，隨著木醋液濃度增加，IAA和GA3含量先增加后減少，ABA含量則逐漸增加。

圖5 木醋液對小麥幼苗內(nèi)源激素含量的影響

2.3.2 木醋液對小麥幼苗內(nèi)源激素的化感效應(yīng) 圖6為不同濃度木醋液對內(nèi)源激素的化感效應(yīng)。對IAA來說，木醋液濃度為 0.20、0.25、0.33 mL/L 時，RI為0.02、0.28和0.13，表現(xiàn)為促進(jìn)效應(yīng)；當(dāng)濃度為0.50和1.00 mL/L時，RI為-0.20和-0.44，表現(xiàn)為抑制效應(yīng)。木醋液對GA3的化感效應(yīng)與其對IAA相似。當(dāng)濃度≤0.50 mL/L時，木醋液對GA3的RI＞0，表現(xiàn)為促進(jìn)效應(yīng)；濃度為1.00 mL/L時，RI＜0，表現(xiàn)為抑制效應(yīng)。對于ABA來說，木醋液對其化感效應(yīng)與IAA和GA3不同。木醋液濃度≤0.50 mL/L時，RI＜0，為抑制效應(yīng)；濃度為1.00 mL/L時，RI＞0，為促進(jìn)效應(yīng)。表明不同濃度木醋液對植物內(nèi)源激素含量的影響不同。對于IAA和GA3，低濃度木醋液表現(xiàn)為促進(jìn)效應(yīng)，而高濃度木醋液表現(xiàn)為抑制效應(yīng)，木醋液濃度為0.25 mL/L時促進(jìn)作用最強。ABA則相反，低濃度木醋液表現(xiàn)為抑制效應(yīng)，高濃度表現(xiàn)為促進(jìn)效應(yīng)，隨濃度的升高抑制作用減弱促進(jìn)作用增強。不同內(nèi)源激素對化感物質(zhì)的敏感性和環(huán)境脅迫的耐受力不同，存在不同閾值。因此，木醋液對不同內(nèi)源激素表現(xiàn)為不同的化感效應(yīng)。

圖6 木醋液對小麥幼苗內(nèi)源激素含量的化感效應(yīng)

3 結(jié)論

木醋液對小麥幼苗生長的調(diào)節(jié)作用與其濃度有關(guān)，總體表現(xiàn)為低濃度木醋液促進(jìn)小麥幼苗生長、高濃度木醋液抑制小麥幼苗生長。木醋液濃度對小麥幼苗生長的影響是逆境脅迫效應(yīng)下抗氧化酶活性和內(nèi)源激素含量變化的共同結(jié)果。低濃度木醋液引起輕微逆境脅迫，使小麥幼苗中的抗氧化酶（SOD和POD）活性以及內(nèi)源激素含量（IAA和GA3）增加，有助于小麥幼苗生長；高濃度木醋液引起嚴(yán)重逆境脅迫，使SOD和POD活性以及IAA和GA3含量降低，不利于小麥幼苗生長。

本研究考察了木醋液濃度對小麥幼苗生長的調(diào)節(jié)作用，探討了調(diào)節(jié)機理。但是，對于木醋液中主要作用成分及其作用機制等尚未作相關(guān)研究。因此，日后需要進(jìn)一步深入研究木醋液中不同活性組分對植物生長調(diào)節(jié)作用。

4 討論

植物生長與發(fā)育是生長環(huán)境、營養(yǎng)物質(zhì)、抗氧化酶系統(tǒng)、內(nèi)源激素等因素共同作用的結(jié)果。當(dāng)生長環(huán)境變化時（逆境脅迫），植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)和內(nèi)源激素感知環(huán)境變化并做出適應(yīng)性的反應(yīng)，影響植物生長和發(fā)育。化感物質(zhì)引起植物生產(chǎn)環(huán)境變化，對植物生長形成逆境脅迫進(jìn)而產(chǎn)生化感作用[16]?？寡趸赶到y(tǒng)保證植物體內(nèi)對其具有傷害作用的自由基動態(tài)平衡[17]。正常生長條件下，植物體內(nèi)自由基的產(chǎn)生與消除在抗氧化酶系統(tǒng)的作用下保持著動態(tài)平衡。但是，逆境脅迫會使自由基大量增加。輕微脅迫可以刺激植物抗氧化酶系統(tǒng)活性，使其清除多余自由基有助于植物生長；而嚴(yán)重脅迫會打破抗氧化酶系統(tǒng)與自由基之間平衡，不利于植物生長[18]。內(nèi)源激素是植物體內(nèi)合成的對其代謝和生長具有調(diào)控作用的微量物質(zhì)。植物體內(nèi)內(nèi)源激素主要有生長素(auxins)、赤霉素(gibberenllins，GA)、脫落酸(abscisic acid，ABA)等。IAA是生理作用最重要的一種生長素，具有促進(jìn)不定根形成、促進(jìn)生長和果實發(fā)育、維持頂端優(yōu)勢等作用；GA3是生理活性最強、研究最多的一種GA，可以促進(jìn)種子萌發(fā)和莖伸長、誘導(dǎo)植物開花、抑制器官衰老等；ABA也稱為休眠素，抑制植株生長、影響性分化、促進(jìn)休眠以及增加抗逆性等[19-21]。研究表明，內(nèi)源激素對植物生長的調(diào)控作用不僅是通過內(nèi)源激素水平調(diào)控，而且也通過不同內(nèi)源激素間相互作用進(jìn)行調(diào)控[22]。

本實驗中，木醋液濃度對植物生長產(chǎn)生不同的逆境脅迫效應(yīng)。木醋液濃度較低時，MDA含量減少；而當(dāng)濃度升高時，MDA含量增加。MDA含量是植物逆境脅迫的重要指標(biāo)，其值越大表明逆境脅迫越嚴(yán)重[23]。說明低濃度木醋液對小麥生長產(chǎn)生輕微逆境脅迫，而高濃度木醋液則引起嚴(yán)重逆境脅迫。輕微逆境脅迫刺激抗氧化酶活性提高，嚴(yán)重逆境脅迫抑制抗氧化酶活性。這導(dǎo)致了植物體內(nèi)的SOD和POD活性在低濃度下增加、高濃度下降低。SOD、POD和CAT是抗氧化酶系統(tǒng)的重要參與者，研究表明抗氧化性酶活性越高，植物受到逆境脅迫的損害越小、越有利于植物生長，而抗氧化酶活性降低則不利于植物生長[24]。本研究結(jié)果也證實了這一點。同時，IAA含量和GA3含量隨木醋液濃度升高而先增加后減少，并且在高濃度木醋液脅迫下含量急劇降低。而ABA含量隨著木醋液濃度的升高逐漸升高，這也表明了植物對逆境脅迫的應(yīng)激反應(yīng)和抗逆性。IAA和GA3含量的增加促進(jìn)植物生長，但ABA含量增加則抑制植物生長[25]。當(dāng)濃度為0.25 mL/L時，小麥幼苗中SOD活性、IAA含量和GA3含量最高，POD活性較高，而ABA含量最低。這說明該濃度木醋液引起的逆境脅迫有助于提高小麥幼苗抗氧化性酶活性以及IAA和GA3含量，促進(jìn)小麥幼苗生長。這與木醋液濃度對小麥植株的形態(tài)指標(biāo)影響結(jié)果一致。從理化指標(biāo)與小麥生長形態(tài)指標(biāo)分析可知，SOD活性、POD活性、IAA含量和GA3含量與形態(tài)指標(biāo)呈正相關(guān)。綜上所述，木醋液濃度主要是通過逆境脅迫改變小麥幼苗植株內(nèi)抗氧化酶活性和內(nèi)源激素含量來影響其生長。低濃度木醋液引起輕微逆境脅迫，使小麥幼苗中POD和SOD活性以及IAA和GA3含量增加，ABA含量降低，進(jìn)而促進(jìn)小麥幼苗生長；高濃度則產(chǎn)生嚴(yán)重逆境脅迫，降低POD和SOD活性以及IAA和GA3含量，增加ABA含量，抑制小麥幼苗生長。