錳毒脅迫下甘蔗生長、膜脂氧化及葉綠素?zé)晒馓匦?/h1>
2018-09-21 09:18周攀黎曉峰
廣西農(nóng)學(xué)報(bào) 2018年2期
周攀 黎曉峰
(亞熱帶生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530005)
作為主要的糖類作物，甘蔗在廣西的種植面積和產(chǎn)糖占全國的60%以上。近年來在廣西主產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)甘蔗錳毒黃化問題已嚴(yán)重影響甘蔗生產(chǎn)、威脅著我國糖業(yè)的發(fā)展[1,2]。然而，甘蔗錳毒害的機(jī)制尚未完全明確。因此，對錳脅迫下甘蔗生長、葉片葉綠素?zé)晒馓匦约澳ぶ趸茸兓M(jìn)行了研究，旨在為甘蔗幼苗對錳毒機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 供試材料的準(zhǔn)備和試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)在廣西大學(xué)生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室中進(jìn)行。供試甘蔗品種為桂糖32。單芽種莖經(jīng)飽和石灰溶液浸泡消毒、清洗后置于塑料框中催芽。種莖覆濕潤珍珠巖保濕，塑料框架在內(nèi)盛去離子水的塑料桶上。種根生長并伸入緊貼塑料框底部的水中后，將桶中水更換為0.5 mmol/L CaCl2溶液培養(yǎng)幼苗。溶液每隔3 d更換一次，每小時(shí)通氣15 min。一周后以1/5 Hoagland營養(yǎng)液(pH 5.5，含8μmol/L FeCl3)，營養(yǎng)液每隔2 d換一次。
9日齡的幼苗分別加入0(NMn)、0.5(HMn)mmol/L MnCl2處理。錳處理的基礎(chǔ)營養(yǎng)液為1/5 Hoagland營養(yǎng)液。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。處理0、4、8、12、16、20 d后測定第一片完全展開葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。處理0、5、10、15、20 d后分別采集第一片完全展開葉樣品，測定葉綠素含量和質(zhì)膜透性。處理20 d后，采集新葉(第一片完全展開葉)樣品測定的銅鋅-過氧化物歧化酶(Cu Zn-SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)以及過氧化物酶(POD)活性；收獲植株其余組織，分地上部和地下部，洗凈、殺青(105 ℃ 30 min)、烘干(65 ℃)后稱重，粉碎后測地上部Mn含量。
1.2 測定方法
葉綠素含量參照Amon的方法[3]、葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-2500；德國WALZ公司)、 膜透性及CAT、PAX與 POD活性參照高俊鳳方法[4]、Cu-Zn SOD則參照 S·Srivastava[5]進(jìn)行測定。 Mn含量采用微波消解-原子吸收法測定。
1.3 差異性檢驗(yàn)
差異性檢驗(yàn)使用t檢驗(yàn)法。
2 結(jié)果與分析
2.1 錳對幼苗生長和黃化的影響
各處理經(jīng)0.5mmol/L Mn處理后，植株Mn含量(1206.17mg/kg DW)極顯著增加，達(dá)到對照的15.3倍。隨著錳含量的增加，地上部、根重、生物產(chǎn)量及根冠比均有所下降(詳見表1)。
表1 Mn對甘蔗幼苗錳含量、生物產(chǎn)量及根冠比的影響(g/plant DW)
注：表中的數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列數(shù)值后的*表示處理間顯著差異(p<0.05)，**表示處理間極顯著差異(p<0.01),下同。
各處理經(jīng)高錳(HMn)處理后5、10、15、20后，葉片葉綠素含量逐漸下降。雖然HMn處理5、10d葉綠素含量對對照處理間的差異不顯著，但處理15d后葉片明顯黃化、葉綠素含量顯著低于對照。這說明，過多的錳可導(dǎo)致葉片黃化。
2.2 錳脅迫下甘蔗幼苗葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性
甘蔗幼葉質(zhì)膜透性隨著生長期的推移呈上升趨勢。處理0、5 d時(shí)，HMN處理與對照處理間K+相對濃度比差異不大。然而，處理15 d后HMN處理的濃度透性顯著高于對照(NMn)。這些結(jié)果說明，高錳引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞、透性增加。
0.5mmol/L Mn處理雖然不影響幼葉POD、SOD酶活性，但Mn處理后CAT和APX酶活性顯著下降，這說明過多的Mn引起的過氧化脅迫是質(zhì)膜透性增加的重要原因。
2.3 錳對幼葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
光系統(tǒng)II [PS(II)]的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)，是PS(II)原初光能轉(zhuǎn)化效率，即PSII完全開放時(shí)的最大量子效率[6]，而Fv/Fo比值表現(xiàn)PS(II)的潛在的活性。0.5mmol/L Mn處理(HMn)4d、8d、12d后甘蔗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo與對照處理的相當(dāng)。然而，HMn處理16 d后Fv/Fm和Fv/Fo值顯著降低，這表明Mn脅迫降低甘蔗幼葉PSII的光能轉(zhuǎn)換效率和潛在活力。
實(shí)際光合量子產(chǎn)額[Y(II)]是植物葉片光合中原初光能捕獲效率或非環(huán)式電子傳遞效率[7]。ETR是指 PSII中實(shí)際的電子傳遞速率，表示植株用于光合電子傳遞的能量在所吸收的能量中占比[6,8]。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)，指PS (II)的反應(yīng)中心處于開放的比例，同時(shí)表示光合作用反應(yīng)中心開放程度[8,9]。qP值是PSII原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)和PSII開放中心的數(shù)目，其值越大，表明質(zhì)體醌(PQ)還原程度小，PSII電子傳遞活性高[10]。HMn處理12和16d后，Y(II)、ETR和qP值顯著升高，但HMn處理20 d后Mn處理間Y(II)、ETR參數(shù)值相當(dāng)。結(jié)果表明，過多的Mn可能導(dǎo)致甘蔗光合系統(tǒng)氧化脅迫傷害。
非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)是指在PS(II)中所吸收的卻不能用于光合電子傳遞而經(jīng)熱能耗散形式耗散掉的光能[6]。雖然HMn處理4、8 d后幼葉的NPQ與對照處理的相當(dāng)，但在處理后第12 、16 d 葉片的NPQ 顯著下降，說明過多的錳可能降低甘蔗光能利用效率。
圖1 Mn對葉綠素含量的影響經(jīng)時(shí)變化
圖2 Mn對甘蔗幼葉質(zhì)膜透性的影響經(jīng)過時(shí)間的變化
Mn濃度(mmol/L)PODCu Zn-SODCATAPX019.380±0.4490.965±0.0237.68±0.090*6.904.±0.218**0.520.273±0.0360.906±0.0034.986±0.2342.788±0.153
3 討論與結(jié)論
光合作用是植物重要的代謝過程，關(guān)乎著植株的生長能力[11]。植物葉片的葉綠素含量與光能轉(zhuǎn)化直接相關(guān)[12]，本研究中，HMn處理導(dǎo)致甘蔗幼葉的葉綠素含量、葉綠素Fv/Fm與Fv/F0下降(圖1、圖4a、b)而幼葉細(xì)胞質(zhì)膜透性顯著增加(圖2)，說明過多的Mn可導(dǎo)致甘蔗膜結(jié)構(gòu)破壞、抑制幼葉的光能吸收和幼葉黃化。
過多的Mn可導(dǎo)致活性氧積累、細(xì)胞膜脂的過氧化并改變酶活性[13]。過多的Mn激活甘藍(lán)型油菜POD活性但抑制SOD和CAT活性[14]。過多的Mn也抑制水稻 CAT、SOD和GPX酶活性[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，過多的錳雖然對SOD和POD活性的影響不顯著，但顯著抑制APX和CAT活性，說明甘蔗幼葉錳毒黃化可能是膜脂過氧化的結(jié)果。
逆境脅迫對植物光合作用的影響是多方面的，不僅直接引發(fā)光合機(jī)構(gòu)的損傷，同時(shí)也影響光合電子傳遞及與暗反應(yīng)有關(guān)的酶活性[16]。本研究結(jié)果顯示HMn處理后幼葉的Y(II)ETR和qP值顯著增加而NPQ值則相關(guān)，這表明Mn引起的葉綠素過氧化脅迫損傷及光能利用受阻可能也與甘蔗幼葉錳毒黃化有關(guān)。
圖3 Mn對甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響經(jīng)時(shí)變化
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1 材料與方法
1.1 供試材料的準(zhǔn)備和試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)在廣西大學(xué)生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室中進(jìn)行。供試甘蔗品種為桂糖32。單芽種莖經(jīng)飽和石灰溶液浸泡消毒、清洗后置于塑料框中催芽。種莖覆濕潤珍珠巖保濕，塑料框架在內(nèi)盛去離子水的塑料桶上。種根生長并伸入緊貼塑料框底部的水中后，將桶中水更換為0.5 mmol/L CaCl2溶液培養(yǎng)幼苗。溶液每隔3 d更換一次，每小時(shí)通氣15 min。一周后以1/5 Hoagland營養(yǎng)液(pH 5.5，含8μmol/L FeCl3)，營養(yǎng)液每隔2 d換一次。
9日齡的幼苗分別加入0(NMn)、0.5(HMn)mmol/L MnCl2處理。錳處理的基礎(chǔ)營養(yǎng)液為1/5 Hoagland營養(yǎng)液。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。處理0、4、8、12、16、20 d后測定第一片完全展開葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。處理0、5、10、15、20 d后分別采集第一片完全展開葉樣品，測定葉綠素含量和質(zhì)膜透性。處理20 d后，采集新葉(第一片完全展開葉)樣品測定的銅鋅-過氧化物歧化酶(Cu Zn-SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)以及過氧化物酶(POD)活性；收獲植株其余組織，分地上部和地下部，洗凈、殺青(105 ℃ 30 min)、烘干(65 ℃)后稱重，粉碎后測地上部Mn含量。
1.2 測定方法
葉綠素含量參照Amon的方法[3]、葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-2500；德國WALZ公司)、 膜透性及CAT、PAX與 POD活性參照高俊鳳方法[4]、Cu-Zn SOD則參照 S·Srivastava[5]進(jìn)行測定。 Mn含量采用微波消解-原子吸收法測定。
1.3 差異性檢驗(yàn)
差異性檢驗(yàn)使用t檢驗(yàn)法。
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各處理經(jīng)高錳(HMn)處理后5、10、15、20后，葉片葉綠素含量逐漸下降。雖然HMn處理5、10d葉綠素含量對對照處理間的差異不顯著，但處理15d后葉片明顯黃化、葉綠素含量顯著低于對照。這說明，過多的錳可導(dǎo)致葉片黃化。
2.2 錳脅迫下甘蔗幼苗葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性
甘蔗幼葉質(zhì)膜透性隨著生長期的推移呈上升趨勢。處理0、5 d時(shí)，HMN處理與對照處理間K+相對濃度比差異不大。然而，處理15 d后HMN處理的濃度透性顯著高于對照(NMn)。這些結(jié)果說明，高錳引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞、透性增加。
0.5mmol/L Mn處理雖然不影響幼葉POD、SOD酶活性，但Mn處理后CAT和APX酶活性顯著下降，這說明過多的Mn引起的過氧化脅迫是質(zhì)膜透性增加的重要原因。
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實(shí)際光合量子產(chǎn)額[Y(II)]是植物葉片光合中原初光能捕獲效率或非環(huán)式電子傳遞效率[7]。ETR是指 PSII中實(shí)際的電子傳遞速率，表示植株用于光合電子傳遞的能量在所吸收的能量中占比[6,8]。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)，指PS (II)的反應(yīng)中心處于開放的比例，同時(shí)表示光合作用反應(yīng)中心開放程度[8,9]。qP值是PSII原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)和PSII開放中心的數(shù)目，其值越大，表明質(zhì)體醌(PQ)還原程度小，PSII電子傳遞活性高[10]。HMn處理12和16d后，Y(II)、ETR和qP值顯著升高，但HMn處理20 d后Mn處理間Y(II)、ETR參數(shù)值相當(dāng)。結(jié)果表明，過多的Mn可能導(dǎo)致甘蔗光合系統(tǒng)氧化脅迫傷害。
非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)是指在PS(II)中所吸收的卻不能用于光合電子傳遞而經(jīng)熱能耗散形式耗散掉的光能[6]。雖然HMn處理4、8 d后幼葉的NPQ與對照處理的相當(dāng)，但在處理后第12 、16 d 葉片的NPQ 顯著下降，說明過多的錳可能降低甘蔗光能利用效率。
圖1 Mn對葉綠素含量的影響經(jīng)時(shí)變化
圖2 Mn對甘蔗幼葉質(zhì)膜透性的影響經(jīng)過時(shí)間的變化
Mn濃度(mmol/L)PODCu Zn-SODCATAPX019.380±0.4490.965±0.0237.68±0.090*6.904.±0.218**0.520.273±0.0360.906±0.0034.986±0.2342.788±0.153
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過多的Mn可導(dǎo)致活性氧積累、細(xì)胞膜脂的過氧化并改變酶活性[13]。過多的Mn激活甘藍(lán)型油菜POD活性但抑制SOD和CAT活性[14]。過多的Mn也抑制水稻 CAT、SOD和GPX酶活性[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，過多的錳雖然對SOD和POD活性的影響不顯著，但顯著抑制APX和CAT活性，說明甘蔗幼葉錳毒黃化可能是膜脂過氧化的結(jié)果。
逆境脅迫對植物光合作用的影響是多方面的，不僅直接引發(fā)光合機(jī)構(gòu)的損傷，同時(shí)也影響光合電子傳遞及與暗反應(yīng)有關(guān)的酶活性[16]。本研究結(jié)果顯示HMn處理后幼葉的Y(II)ETR和qP值顯著增加而NPQ值則相關(guān)，這表明Mn引起的葉綠素過氧化脅迫損傷及光能利用受阻可能也與甘蔗幼葉錳毒黃化有關(guān)。
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