甲基二磺隆對(duì)小麥藥害的早期診斷

李 濤, 孟丹丹, 楊偉萍, 郭水良, 范潔群*,

(1. 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，上海 201403；2. 上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234；3. 上海市金山區(qū)張堰鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)站，上海 201514)

隨著化學(xué)除草面積、除草劑用量和殘留的增大，除草劑引起的作物藥害問(wèn)題不容忽視[1-2]。發(fā)生除草劑藥害后，人們可通過(guò)洗田排毒、追施速效肥、噴施生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑及使用解毒劑等來(lái)減輕藥害癥狀，降低產(chǎn)量損失[3]，但是，這些補(bǔ)救措施的效果依賴于盡早和有效診斷除草劑的藥害程度[4-5]，因?yàn)樽魑锸艹輨┧幒?，首先發(fā)生的是生理生化上的變化，后期才是形態(tài)的變化，當(dāng)形態(tài)發(fā)生明顯和肉眼可視的變化時(shí)作物已受到嚴(yán)重?fù)p傷，往往難以有效補(bǔ)救[6-7]。故如何有效地早期診斷除草劑對(duì)作物的藥害，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題。

除草劑藥害對(duì)于作物而言是一種典型的逆境脅迫，因此其體內(nèi)葉綠素、可溶性糖、丙二醛(MDA) 及脯氨酸 (Pro) 含量等指標(biāo)會(huì)發(fā)生一定的變化[8-9]，這些變化能夠通過(guò)便攜式生理指標(biāo)測(cè)定儀器、光譜技術(shù)以及專業(yè)分析軟件等進(jìn)行快速和定量檢測(cè)。例如，沈詩(shī)鈺等[10]利用近紅外光譜技術(shù)測(cè)定白茶中可溶性糖含量；申曉慧[11]應(yīng)用光譜技術(shù)估算大豆的葉綠素含量等。說(shuō)明通過(guò)篩選快速響應(yīng)除草劑脅迫的敏感指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)除草劑藥害的早期診斷。

小麥田是除草劑藥害發(fā)生的重災(zāi)區(qū)，其中被報(bào)道較多的是甲基二磺隆 (mesosulfuron-methyl)[12-13]。甲基二磺隆屬磺酰脲類內(nèi)吸型除草劑，通過(guò)抑制細(xì)胞分裂而導(dǎo)致敏感植物死亡，是當(dāng)前僅有的能夠有效控制小麥田節(jié)節(jié)麥Aegilops tauschiiCoss.危害的除草劑，對(duì)雀麥Bromus japonicusThunb. ex Murr.、早熟禾Poa annuaL.、黑麥草Lolium perenneL.、野燕麥Avena fatuaL. 及日本看麥娘Alopecurus japonicusSteud. 等麥田惡性禾本科雜草防效優(yōu)異，已成為治理小麥田惡性禾本科雜草的特效藥劑[14-16]，但在田間使用中，甲基二磺隆對(duì)小麥的安全性成為了制約其推廣應(yīng)用的重要因素。鑒于此，本研究以小麥為對(duì)象，考察了甲基二磺隆作用下小麥抗逆生理指標(biāo)和根系指標(biāo)的變化特點(diǎn)，以期篩選出能夠快速指示甲基二磺隆對(duì)小麥藥害的敏感指標(biāo)，為甲基二磺隆藥害的早期干預(yù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥Triticum aestivumL. 品種揚(yáng)麥11，由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。

藥劑：30 g/L 甲基二磺隆可分散油懸浮劑(mesoulfuron-methyl 30 g/L OD)，拜耳股份公司生產(chǎn)，推薦劑量9～15.8 g/hm2(有效成分劑量)。

主要儀器：ASS-4 型生測(cè)噴霧臺(tái)，北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心；DU-800 核酸蛋白分析儀，美國(guó)BECKMAN 公司；冷凍研磨儀，上海必盛生物科技有限公司；恒溫水浴鍋，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；5427 R 臺(tái)式高速離心機(jī)，德國(guó)Eppendorf公司；MINI-PAM 便攜式葉綠素?zé)晒鈨x，德國(guó)WALZ 公司；V700Photo_V750Pro 掃描儀，日本EPSON 公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試材培養(yǎng) 采用溫室盆栽試驗(yàn)。在10 cm ×10 cm × 8 cm 的黑色塑料盆缽內(nèi)裝入6 cm 深的過(guò)篩 (20 目，孔徑0.85 mm) 消毒土，將盆缽置于裝有水的搪瓷盤中吸足水分，每盆播種谷粒飽滿的小麥種子15 粒，覆蓋1 cm 的過(guò)篩細(xì)土，置于溫室內(nèi)培養(yǎng)。培養(yǎng)條件：溫度15～20 ℃，相對(duì)濕度65%～85%。待小麥長(zhǎng)至3～4 葉期時(shí)間去弱小苗，每盆定苗至10 株，備用。

1.2.2 劑量設(shè)置及噴藥 30 g/L 甲基二磺隆OD 設(shè)有效成分9、18、27、36 和45 g/hm25 個(gè)供試劑量，以清水處理為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)4 次。于小麥3～4 葉期，用生測(cè)噴霧臺(tái)對(duì)小麥進(jìn)行噴霧處理 (扇形噴頭，壓力275 kPa)，噴液量450 L/hm2。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 參照文獻(xiàn)方法[17]進(jìn)行。于噴藥后5 d，用葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定小麥倒數(shù)第2 張葉片的最大光量子產(chǎn)量 (Fv/Fm)，測(cè)定前所有小麥暗適應(yīng)30 min。Fv/Fm 測(cè)定完成后，采集小麥倒數(shù)第2 張葉片，分別測(cè)定丙二醛 (MDA)、脯氨酸(Pro)、可溶性糖和葉綠素含量。葉綠素采用95%乙醇提取，利用比色法測(cè)定。MDA、Pro 和可溶性糖含量采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒測(cè)定。與此同時(shí)，每個(gè)盆缽隨機(jī)選取4 株麥苗，連根取出后用流水將根部泥土洗凈，用掃描儀以600 dpi 分辨率獲取根系結(jié)構(gòu)圖像。于噴藥后10 d 測(cè)量盆缽內(nèi)小麥的株高，并稱量地上部分鮮重，計(jì)算平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 20 統(tǒng)計(jì)軟件，利用Duncan 氏新復(fù)極差法在P＜0.05 水平進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。掃描獲得的根系結(jié)構(gòu)圖像，運(yùn)用WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)獲得根尖數(shù)、根系平均直徑、總根長(zhǎng)度、總根表面積和總根體積等特征參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲基二磺隆對(duì)小麥地上部分生長(zhǎng)的影響

噴施30 g/L 甲基二磺隆OD 后5 d，目測(cè)可見(jiàn)小麥生長(zhǎng)正常，株高、葉色無(wú)明顯異常；噴藥后10 d 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與清水對(duì)照相比，甲基二磺隆9～45 g/hm2各處理組小麥植株矮化，地上部分生物量減輕，生長(zhǎng)受抑制。方差分析結(jié)果表明，噴施30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm2可顯著抑制小麥的株高和地上部分鮮重 (圖1、2)，與清水對(duì)照相比，小麥株高分別下降了12.1%、16.7%、17.1%、15.1%和21.1%，地上部分鮮重分別下降了20.6%、23.1%、40.8%、51.2%和54.2%。

圖1 30 g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥株高的影響Fig. 1 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the individual height of wheat seedlings

2.2 甲基二磺隆對(duì)小麥MDA 含量的影響

圖2 30 g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥地上部分鮮重的影響Fig. 2 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the fresh weight of wheat seedlings

施藥后5 d 取樣測(cè)定，結(jié)果表明：小麥中MDA 含量隨著甲基二磺隆施用劑量的增加而逐漸上升。30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm2各處理組小麥中MDA 含量比清水對(duì)照分別增加了1.3%、30.9%、64.3%、67.8%和69.8%，當(dāng)施藥劑量達(dá)到27 g/hm2時(shí)，差異達(dá)顯著水平。隨著甲基二磺隆施用劑量進(jìn)一步升高，小麥體內(nèi)MDA 含量不再發(fā)生顯著變化 (圖3)。

圖3 30 g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥MDA 含量的影響Fig. 3 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the MDA content of wheat seedlings

2.3 甲基二磺隆對(duì)小麥可溶性糖含量的影響

施藥后5 d 取樣測(cè)定，結(jié)果表明：噴施甲基二磺隆可顯著提高小麥中可溶性糖含量。30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm2各劑量處理組小麥中可溶性糖含量比清水對(duì)照分別增加了25.3%、24.7%、39.3%、49.6%和53.4% (圖4)。

圖4 30 g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥可溶性糖含量的影響Fig. 4 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the soluble sugar content of wheat seedlings

2.4 甲基二磺隆對(duì)小麥Pro 含量的影響

施藥后5 d 取樣測(cè)定，結(jié)果表明：小麥中Pro 含量隨著甲基二磺隆施用劑量的增加而逐漸升高。30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm2各劑量處理組小麥中Pro 含量比清水對(duì)照分別增加了21.0%、24.2%、25.7%、42.0% 和42.6%，當(dāng)劑量達(dá)到27 g/hm2時(shí)，差異達(dá)顯著水平。隨著甲基二磺隆施用劑量進(jìn)一步升高，小麥體內(nèi)Pro 含量不再發(fā)生顯著變化 (圖5)。

圖5 30 g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥Pro 含量的影響Fig. 5 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the proline content of wheat seedlings

2.5 甲基二磺隆對(duì)小麥葉綠素含量的影響

施藥后5 d 取樣測(cè)定，結(jié)果表明：噴施甲基二磺隆對(duì)小麥中葉綠素a、b 和總?cè)~綠素含量影響不大，與清水對(duì)照相比無(wú)顯著差異 (圖6)。

圖6 30 g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥葉綠素含量的影響Fig. 6 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the chlorophyll content of wheat seedlings

2.6 甲基二磺隆對(duì)小麥Fv/Fm 的影響

由圖7 可知，噴施甲基二磺隆顯著降低了小麥的Fv/Fm，與清水對(duì)照相比，30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm25 個(gè)劑量處理組Fv/Fm 分別下降了1.7%、1.9%、2.8%、3.4%和3.6%。

圖7 30g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥Fv/Fm 的影響Fig. 7 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on Fv/Fm of wheat seedlings

2.7 甲基二磺隆對(duì)小麥根系形態(tài)的影響

根系圖像分析結(jié)果表明，噴施甲基二磺隆5 d后，小麥根尖數(shù)、總根長(zhǎng)、總根表面積和總根體積均受到抑制，但對(duì)根系平均直徑影響較小。方差分析結(jié)果表明，當(dāng)甲基二磺隆劑量 ≥9 g/hm2時(shí)，小麥根尖數(shù)和總根長(zhǎng)顯著低于清水對(duì)照；當(dāng)劑量 ≥27 g/hm2時(shí)，小麥總根表面積顯著低于清水對(duì)照；當(dāng)劑量 ≥36 g/hm2時(shí)，小麥總根體積顯著低于清水對(duì)照 (表1)。由圖8 也可清晰看出，隨甲基二磺隆施用劑量增加，小麥根尖數(shù)、總根長(zhǎng)度、總根表面積和總根體積均明顯下降。

圖8 30 g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥根系形態(tài)的影響Fig. 8 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on root morphology of wheat seedlings

表1 30 g/L 甲基二磺隆OD 對(duì)小麥根系形態(tài)的影響Table 1 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on root morphology of wheat seedlings

3 討論與結(jié)論

已有研究表明，即使是常規(guī)劑量使用除草劑，對(duì)作物也存在一定的脅迫作用[18]。大量文獻(xiàn)資料表明，在逆境脅迫下，植物體內(nèi)的MDA、Pro、可溶性糖、葉綠素含量以及株高、地上部分生物量、根系形態(tài)等會(huì)發(fā)生變化，這些變化目前已作為評(píng)價(jià)逆境傷害程度的指標(biāo)而被廣泛應(yīng)用[8-9]。其中，MDA 是膜脂過(guò)氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量反映了植物遭受逆境傷害的程度[19]。小麥MDA 含量隨著甲基二磺隆施用劑量的增加而升高，當(dāng)劑量≥27 g/hm2時(shí)，達(dá)顯著水平，表明高劑量的甲基二磺隆對(duì)小麥生長(zhǎng)造成了較大的影響。Pro 是調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)滲透性的物質(zhì)之一，具有維持細(xì)胞正常功能和清除活性氧的作用，植物在逆境條件下通過(guò)增加Pro 含量來(lái)維持滲透平衡，是一種抗逆機(jī)制[20]。本研究中Pro 含量隨著甲基二磺隆施用劑量的增加而升高，當(dāng)劑量≥27 g/hm2時(shí)，達(dá)顯著水平，表明噴施高劑量的甲基二磺隆對(duì)小麥造成了較為嚴(yán)重的脅迫。而當(dāng)甲基二磺隆施用劑量達(dá)到27 g/hm2時(shí)，小麥中MDA 和Pro 含量不再隨著施用劑量的增加而出現(xiàn)明顯變化，這可能是因?yàn)?7 g/hm2已經(jīng)臨近甲基二磺隆對(duì)小麥的致死劑量，此時(shí)，即使進(jìn)一步提高甲基二磺隆的施用劑量，對(duì)小麥的脅迫壓力也不再明顯變化?？扇苄蕴鞘侵参镌谀婢硹l件下積累最多的具有滲透調(diào)節(jié)功能的物質(zhì)，植物通過(guò)自身主動(dòng)積累可溶性糖來(lái)適應(yīng)外界環(huán)境條件的變化，是一種自我保護(hù)調(diào)節(jié)機(jī)制[21]。本研究中，可溶性糖對(duì)于響應(yīng)甲基二磺隆對(duì)小麥的脅迫非常敏感，各供試劑量處理組小麥的可溶性糖含量均顯著高于清水對(duì)照。Fv/Fm反映了植物對(duì)光能的潛在最大利用效率，在逆境脅迫下，植物對(duì)光能的利用效率會(huì)降低[22]。本研究中，F(xiàn)v/Fm 隨著甲基二磺隆施用劑量的提高而顯著下降，表明噴施甲基二磺隆降低了小麥對(duì)光能的潛在最大利用效率。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量的多少是衡量植物抗逆性的重要指標(biāo)[23]。本研究中，葉綠素對(duì)于響應(yīng)甲基二磺隆對(duì)小麥的脅迫不敏感，與清水對(duì)照之間沒(méi)有顯著差異。根作為植物的重要器官，含有大量的分生組織細(xì)胞，能夠敏感地感知逆境信號(hào)，并在形態(tài)上產(chǎn)生一系列變化。本研究中，噴施甲基二磺隆降低了小麥根尖數(shù)、總根長(zhǎng)、總根表面積和總根體積，當(dāng)劑量≥36 g/hm2時(shí)，與清水對(duì)照差異均達(dá)顯著水平。甲基二磺隆是乙酰乳酸合成酶 (ALS) 抑制劑，通過(guò)抑制植物體內(nèi)ALS，使細(xì)胞分裂受抑制。本研究中甲基二磺隆對(duì)小麥根尖和根系的影響，可能正是ALS 抑制劑抑制細(xì)胞分裂的具體體現(xiàn)。

作物受除草劑藥害后首先會(huì)引起生理變化，隨后才出現(xiàn)形態(tài)變化[6-7]，本研究結(jié)果與這一結(jié)論一致。本研究中，噴施甲基二磺隆10 d 后，小麥植株才表現(xiàn)出肉眼可見(jiàn)的矮化、生物量減少等受抑制癥狀，但MDA、Pro、可溶性糖等指標(biāo)在施藥后5 d 就已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的變化。孟丹丹等[17]研究發(fā)現(xiàn)，噴施異丙隆后，小麥可溶性糖含量變化較小，但葉綠素含量變化顯著，本研究結(jié)果與之不同，表明小麥對(duì)不同品種除草劑脅迫反應(yīng)的敏感指標(biāo)不同。篩選能夠快速指示不同品種除草劑藥害的敏感指標(biāo)，是構(gòu)建藥害早期診斷技術(shù)體系的基礎(chǔ)。本研究中，MDA、Pro、可溶性糖、Fv/Fm和根系形態(tài)均能快速指示甲基二磺隆對(duì)小麥的藥害，可作為早期診斷甲基二磺隆對(duì)小麥藥害的敏感指標(biāo)。基于不同劑量下小麥生理指標(biāo)和根系的變化，下一步可以建立小麥藥害程度-生理指標(biāo)(根系) 之間的函數(shù)關(guān)系，以期早期預(yù)警除草劑對(duì)小麥的藥害情況，并開展田間試驗(yàn)實(shí)踐。