錳脅迫對(duì)紅錐幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響

梁艷紅，滕維超

（廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西南寧 530004）

錳（Mn）礦是一種重要的戰(zhàn)略資源。我國(guó)錳礦已有100多年的開采歷史，分布分散，露天儲(chǔ)存的錳渣體量巨大，長(zhǎng)期開采錳礦殘余的重金屬嚴(yán)重污染土地，影響植物的正常生長(zhǎng)[1]。紅錐（Castanopsis hystrix）為殼斗科（Fagaceae）栲屬常綠喬木，廣泛分布在我國(guó)南方[2]。其材質(zhì)優(yōu)良、易加工且耐腐蝕能力強(qiáng)，具有較高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。Mn對(duì)植物的光合放氧及維持細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和酶活性具有不可替代的作用，但過(guò)量的Mn會(huì)抑制植物體內(nèi)FeD2+和MgD2+等元素的吸收及活性，導(dǎo)致葉綠素含量下降及光合速率降低[3]。我國(guó)土壤全Mn 含量為42 ～ 5 000 ppm，平均含量為710 ppm。研究表明0.25 mmol∕L Mn 會(huì)導(dǎo)致柑橘（Citrus reticulata）、降香黃檀（Dalber?gia odorifera）等樹種出現(xiàn)Mn 中毒癥狀，葉片細(xì)胞膜受損，相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛（MDA）含量上升[4-5]。關(guān)于Mn 脅迫對(duì)紅錐的影響尚未有報(bào)道。本研究通過(guò)分析不同Mn 添加量對(duì)紅錐幼苗生長(zhǎng)和生理活動(dòng)的影響，研究紅錐對(duì)Mn 脅迫的響應(yīng)，為高M(jìn)n 環(huán)境下紅錐的栽培及推廣提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西壯族自治區(qū)廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃教學(xué)實(shí)習(xí)基地（108°17'E，22°50'N），屬亞熱帶氣候；年均氣溫21.6 ℃，冬季最低溫度12.8 ℃，年均降水量1 304.2 mm，年均相對(duì)濕度79%。

1.2 試驗(yàn)材料

材料為生長(zhǎng)條件良好、生長(zhǎng)狀態(tài)基本一致的0.5年生紅錐幼苗，平均株高35.5 cm，平均地徑4.6 mm。2020年7月1日，將幼苗移至半徑為12.5 cm 帶孔營(yíng)養(yǎng)缽中，每缽?fù)林? kg。移栽后，幼苗在溫度24 ℃、相對(duì)濕度81%條件下統(tǒng)一管理。土壤來(lái)源于廣西大學(xué)東校園苗圃內(nèi)，土壤基本理化性質(zhì)為pH 5.2，有機(jī)質(zhì) 含 量27.13 g∕kg，全氮含量0.67 g∕kg，全磷含量0.16 g∕kg，全鉀含量14.99 g∕kg，全Mn含量156.08 mg∕kg，銨態(tài)氮含量5.62 mg∕kg，硝態(tài)氮含量4.71 mg∕kg，速效磷含量4.90 mg∕kg和速效鉀含量27.14 mg∕kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置5 個(gè)不同Mn 添加量（每千克土壤中所含Mn 元素質(zhì)量），分別為0（CK）、200 mg∕kg（T1）、600 mg∕kg（T2）、1 500 mg∕kg（T3）和3 000 mg∕kg（T4）。2020年8月5日、8月15日、8月25日、9月5日、9月15日和9月25日，對(duì)5 個(gè)處理的植物分別施加清水及5.12、15.36、38.41 和76.82 g∕L 的MnSO4·H2O 溶液，共100 mL，共6次，使土壤中Mn添加量達(dá)到各處理要求。缽底放置容器，收集流出的液體并重新淋入土中。每濃度設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，每重復(fù)設(shè)置5 缽（1株∕缽）。脅迫前（8月5日）和脅迫結(jié)束120 天（12月29日），測(cè)量并記錄幼苗的株高和地徑；采集植株葉片，測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

采用卷尺測(cè)量株高（精確至0.01 cm）；采用游標(biāo)卡尺測(cè)量地徑（精確至0.01 mm）。超氧化物歧化酶（SOD）活性、過(guò)氧化物酶（POD）活性、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）活性和MDA 含量測(cè)定參照文獻(xiàn)[6]；可溶性糖和可溶性蛋白含量測(cè)定參照文獻(xiàn)[7]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)和制作圖表；采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析、多重比較；對(duì)各生理指標(biāo)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)雙變量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)幼苗株高和地徑的影響

T1、T2 和T3 處理的株高均顯著大于CK（P＜0.05），分別比CK 高出42.11%、20.27%和32.78%，T1處理的株高最大（19.98 cm）；T4處理的株高與CK差異不顯著（圖1）。T1、T3 和T4 處理的地徑均顯著大于CK（P＜0.05），分別比CK 高出18.81%、24.72%和8.96%，T3 處理的地徑最大（2.26 mm）；T2 處理的地徑與CK差異不顯著。

圖1 不同處理對(duì)幼苗株高和地徑的影響Fig.1 Effects of different treatments on seedling height and ground diameters of young seedling

2.2 不同處理對(duì)幼苗可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響

隨土壤中Mn 添加量升高，可溶性糖和可溶性蛋白含量呈先上升后下降的趨勢(shì)（圖2）。T1 和T2處理的可溶性糖含量均與CK 均差異不顯著；T3 和T4 處理的可溶性糖含量均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK 低26.63%和26.28% 。T3 處理的可溶性蛋白含量顯著高于CK（P＜0.05），比CK 高 出117.15%；其他處理與CK均差異不顯著。

圖2 不同處理對(duì)幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on contents of soluble sugar and soluble protein of young seedling

2.3 不同處理對(duì)幼苗抗氧化生理指標(biāo)的影響

隨土壤中Mn添加量升高，SOD活性呈先下降后上升的趨勢(shì)，APX 活性逐漸降低，POD 和CAT 活性呈先上升后下降的趨勢(shì)（圖3 ～ 4）。T1、T2 和T3 處理的SOD 活性均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK低18.54%、14.15%和10.02%，T1處理的SOD活性最低（552.11 U∕g）；T4 處理的SOD 活性與CK 差異不顯著。各處理的APX 活性均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK 低46.73%、64.76%、74.16%和77.62%；T4處理的APX 活性最低（65.35 U·g-1·min-1）。 T1 和T2 處理的POD 活性較高，與CK 均差異不顯著；T3和T4處理的POD 活性均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK 低69.07%和54.28%。T2、T3 和T4 處理的CAT活性均顯著高于CK（P＜0.05），分別比CK 高出531.27%、328.86%和385.40%，T2 處理的CAT 活性最大（129.08 U·g-1·min-1）；T1 處理的CAT 活性最低，與CK差異不顯著。

圖3 不同處理對(duì)幼苗SOD和APX活性的影響Fig.3 Effects of different treatments on SOD activity and APX activitiy of young seedling

2.4 不同處理對(duì)幼苗MDA含量的影響

隨土壤中Mn添加量升高，MDA含量逐漸增加（圖5）。各處理的MDA含量均顯著高于CK（P＜0.05），分別比CK 高出47.19%、49.15%、88.55%和109.30%，T4處理的MDA含量最大（0.11 μmol∕L）（圖5）。

圖4 不同處理對(duì)幼苗POD和CAT活性的影響Fig.4 Effects of different treatments on POD activity and CAT activitiy of young seedling

圖5 不同處理對(duì)幼苗MDA含量的影響Fig.5 Effects of different treatments on MDA content of young seedling

2.5 相關(guān)性分析

POD 活性與可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與APX 活性呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與MDA 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）（表1）。MDA 含量與CAT 活性呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與APX 活性呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。APX 活性與CAT活性呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

表1 相關(guān)分析Tab.1 Correlation analysis

3 結(jié)論與討論

Mn 是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素，適量的Mn維護(hù)植株正常生長(zhǎng)[8]；過(guò)量的Mn 會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫[9]。本試驗(yàn)中，Mn 添加量為200 ～ 1 500 mg∕kg時(shí)，株高和地徑大于CK；Mn 添加量為3 000 mg∕kg時(shí)，株高和地徑略高于CK，可能是因?yàn)? 000 mg∕kg Mn 在120 天內(nèi)對(duì)幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響尚未完全表現(xiàn)出來(lái)，可能日后將導(dǎo)致株高和地徑小于CK。

可溶性糖含量反映植物體內(nèi)碳水化合物的合成、轉(zhuǎn)化和代謝的變化情況，提高可溶性糖含量能提升植物細(xì)胞膜的滲透調(diào)節(jié)響應(yīng)，增強(qiáng)植物對(duì)不良環(huán)境的承受能力[10-11]。本研究中，Mn 添加量為200 ～600 mg∕kg時(shí)，可溶性糖含量比CK 略大，表明作為植物生長(zhǎng)所需的微量元素，低含量Mn 可加快淀粉和其他碳水化合物的分解和利用，使光合作用形成的產(chǎn)物直接變?yōu)榈头肿恿课镔|(zhì)，使可溶性糖含量有所提高[3]。Mn 添加量高于1 500 mg∕kg 時(shí)，可溶性糖含量顯著降低，可能是高含量Mn 對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫，導(dǎo)致碳水化合物合成受阻，使可溶性糖含量顯著降低。重金屬脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)外滲透液平衡遭受破壞，可溶性蛋白在植物體內(nèi)迅速積累，在一定程度內(nèi)維持細(xì)胞內(nèi)外滲透液水平[12-13]。本研究中，隨土壤中Mn 添加量升高，可溶性蛋白含量先上升后下降。Mn 添加量為1 500 mg∕kg 時(shí)，可溶性蛋白含量最大，說(shuō)明紅錐幼苗在受到高含量Mn 處理時(shí)，會(huì)迅速產(chǎn)生和積累可溶性蛋白；Mn 添加量為3 000 mg∕kg 時(shí)，可溶性蛋白含量下降，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)外滲透液平衡遭到破壞。當(dāng)Mn 添加量為1 500 mg∕kg時(shí)，可溶性糖含量減少而可溶性蛋白增加，說(shuō)明可溶性糖和可溶性蛋白可能在一定程度上協(xié)同維持紅錐葉片細(xì)胞內(nèi)外滲透液水平。

高M(jìn)n 含量造成植物體內(nèi)大量累積活性氧，使細(xì)胞被破壞，植物為抵抗傷害形成了一套嚴(yán)密的氧化保護(hù)機(jī)制系統(tǒng)[14]。植物遭受逆境脅迫時(shí)，活性氧簇（O2-、-OH 或H2O2）迅速形成和積累，激發(fā)植物體內(nèi)信號(hào)提示的應(yīng)答反應(yīng)[15]。SOD 能清除植物機(jī)體內(nèi)的O2-[16]，其在催化、歧化O2-的反應(yīng)中所形成的H2O2具有強(qiáng)氧化性，過(guò)量的H2O2可由CAT、POD 和APX清除[17]。本研究中，隨Mn 添加量升高，SOD 活性先降低后上升，在Mn添加量為200 mg∕kg時(shí)，SOD活性最低，可能是因?yàn)樵诘蚆n 含量下，SOD 保護(hù)體系并未激活[18]，隨Mn添加量增加，SOD 活性逐漸升高，緩解細(xì)胞遭受的氧化作用，這與前人研究所得到的結(jié)論相似[19]。本研究中，Mn添加量為600～3 000 mg∕kg時(shí)，CAT 活性顯著高于CK，大量的CAT 可將H2O2分解成H2O 和O2，進(jìn)一步緩解幼苗所遭受的氧化作用[20]。POD 活性的變化趨勢(shì)與CAT活性相反，在Mn添加量高于600 mg∕kg 時(shí)，POD 活性顯著低于CK。相關(guān)分析也表明，CAT 活性與POD 活性呈負(fù)相關(guān)。說(shuō)明Mn 添加量低于600 mg∕kg 時(shí)，主要由POD 分解過(guò)多的H2O2；Mn 添加量高于600 mg∕kg 時(shí)，主要由CAT 分解H2O2，兩者在紅錐體內(nèi)協(xié)同配合。APX 具有各種同功酶，APX 清除H2O2的過(guò)程需以還原型抗壞血酸（AsA）為底物[21]。本研究中，隨Mn 添加量升高，APX 活性不斷下降，說(shuō)明APX 可能不是清除H2O2的主要途徑，植物體還可通過(guò)AsA 直接與H2O2發(fā)生反應(yīng)并將其清除[22]。MDA 是細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化作用和氧化變質(zhì)的最重要的產(chǎn)物之一[23]。隨Mn添加量升高，葉片細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)氧化程度逐漸升高，幼苗葉片MDA含量逐漸上升。

本研究?jī)H分析不同Mn 添加量下紅錐部分生理及生長(zhǎng)指標(biāo)的變化情況。在今后的研究中，可對(duì)紅錐在更高M(jìn)n 添加量土壤中的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)進(jìn)行研究，補(bǔ)充其他生理指標(biāo)并分析各指標(biāo)間的相關(guān)性，完善重金屬脅迫下紅錐內(nèi)部抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)制。