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(jī)制，以降香黃檀幼苗為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)沙培法，研究了不同Mn2+濃度脅迫下降香黃檀生長(zhǎng)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(guò)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(shì);在Mn2+濃度為4 mmol·L-1下，降香黃檀幼苗的POD值和MDA含量達(dá)到峰值;活性糖含量則在Mn2+濃度為20 mmol·L-1時(shí)出現(xiàn)峰值;同時(shí)，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(lèi)號(hào)：S792.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.27.070

降香黃檀（Dalbergia odorifera T.Chen）又稱(chēng)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(shù)種[1]。降香黃檀的藥用價(jià)值很高，但其野生資源日益減少，再加上國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)降香黃檀木材及其衍生品需求持續(xù)不斷增加，導(dǎo)致其木材價(jià)格一直居高不下。巨大的市場(chǎng)潛力吸引了眾多的社會(huì)資金投入造林，營(yíng)建降香黃檀珍貴用材人工林。當(dāng)前，國(guó)外對(duì)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(duì)錳脅迫對(duì)降香黃檀幼苗期的生理特性研究較少。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)重金屬脅迫的研究相當(dāng)廣泛，包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)、經(jīng)濟(jì)作物、微生物、動(dòng)物，對(duì)降香黃檀的研究有干旱脅迫、木材DNA的提取、混交林土壤細(xì)菌多樣性等，但關(guān)于錳脅迫對(duì)降香黃檀的影響研究目前還相對(duì)缺乏。錳元素是植被生長(zhǎng)發(fā)育所必須的元素，但環(huán)境中錳含量過(guò)高，也會(huì)對(duì)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(xiàng)指標(biāo)的測(cè)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(duì)錳的耐性和其最適濃度，以了解降香黃檀對(duì)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(yàn)材料

采集當(dāng)年成熟的降香黃檀種子進(jìn)行幼苗培育。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用沙培法，當(dāng)幼苗長(zhǎng)出2片葉時(shí)進(jìn)行移栽，選長(zhǎng)勢(shì)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(duì)根的傷害。移出后，每一個(gè)培養(yǎng)盆移植5棵，共移植30盆。自然光下培養(yǎng)，當(dāng)降香黃檀幼苗長(zhǎng)出5片葉時(shí)進(jìn)行錳脅迫試驗(yàn)。使用藥品為MnSO4，錳離子濃度梯度設(shè)置為0 mmol·L-1（對(duì)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(shí)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(duì)降香黃檀幼苗的生長(zhǎng)情況做好詳細(xì)的記錄。脅迫結(jié)束分別測(cè)定幼苗根、莖、葉的丙二醛（MDA）含量、過(guò)氧化物酶（POD）活性、可溶性糖含量，測(cè)定方法參照《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》[3]。用TAS-990F火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)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(jì)算[4]。

式中：C為從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得元素的質(zhì)量濃度，μg·mL-1;m為稱(chēng)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(shí)驗(yàn)每組重復(fù)做3次，取3次實(shí)驗(yàn)的平均值進(jìn)行計(jì)算，再采用Excel 2013進(jìn)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(duì)降香黃檀幼苗的影響

在對(duì)降香黃檀幼苗進(jìn)行脅迫期間，前4天降香黃檀幼苗長(zhǎng)勢(shì)良好，無(wú)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(kāi)始出現(xiàn)萎焉現(xiàn)象，且都有落葉（從嫩葉開(kāi)始）。其中，100 mmol·L-1的Mn2+濃度處理降香黃檀幼苗個(gè)別植株出現(xiàn)黃葉（從老葉開(kāi)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(diǎn)，葉面干燥缺水。到了第6天，這兩個(gè)高濃度Mn2+處理的降香黃檀幼苗持續(xù)落葉，落葉非常嚴(yán)重，100 mmol·L-1的Mn2+濃度處理降香黃檀幼苗第一、第二片葉開(kāi)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(zhǎng)勢(shì)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(yīng)鹽分環(huán)境中發(fā)揮著重要作用，能夠提高細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，降低因滲透失水而造成的細(xì)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(shì)。在Mn2+濃度達(dá)到20 mmol·L-1時(shí)，降香黃檀幼苗的可溶性糖含量上升，達(dá)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(duì)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(duì)活性氧傷害的防御能力越強(qiáng)[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(duì)照組;處理濃度為0.8 mmol·L-1、4.0 mmol·L-1時(shí)，其POD值比對(duì)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(shí)，POD值都比對(duì)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(shí)，降香黃檀幼苗葉的POD酶活性比對(duì)照組高，高了14.71 U·g-1·min-1。

從圖中可以看到，當(dāng)Mn2+濃度為4 mmol·L-1時(shí)，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(duì)降香黃檀幼苗POD活性起到了誘導(dǎo)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(dǎo)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(duì)降香黃檀幼苗MDA含量的影響

MDA是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，其含量的變化可作為檢測(cè)逆境條件下膜系統(tǒng)受損程度的指標(biāo)[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(duì)于對(duì)照組均有不同程度增加，其趨勢(shì)為先增加后降低。當(dāng)Mn2+濃度為4 mmol·L-1時(shí)，丙二醛含量達(dá)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(shuō)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(hù)了地上部分。當(dāng)Mn2+濃度為100 mmol·L-1時(shí)，降香黃檀幼苗表現(xiàn)出了受害癥狀。當(dāng)Mn2+濃度為200 mmol·L-1時(shí)，降香黃檀幼苗已經(jīng)萎焉，此時(shí)Mn2+的積累量到達(dá)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(dòng)的必需微量元素[9]。適量濃度的錳可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，但環(huán)境中錳離子濃度過(guò)高就會(huì)對(duì)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(shí)長(zhǎng)勢(shì)良好，當(dāng)Mn2+濃度為100 mmol·L-1時(shí)，降香黃檀幼苗開(kāi)始出現(xiàn)葉子發(fā)黃、落葉現(xiàn)象。當(dāng)Mn2+濃度為200 mmol·L-1時(shí)，降香黃檀幼苗開(kāi)始萎焉，直至死亡。這說(shuō)明在Mn2+濃度為100 mmol·L-1時(shí)，降香黃檀幼苗生長(zhǎng)開(kāi)始受到抑制，之后降香黃檀幼苗不能正常生長(zhǎng)。因此，在種植降香黃檀時(shí)要注意土壤中Mn2+濃度。

在逆境條件下，植物器官通常會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化反應(yīng)，MDA則是膜脂過(guò)氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，其含量的變化可表明植物細(xì)胞膜損害程度和植物對(duì)氧化脅迫的反應(yīng)[10]。即MDA含量越多，植物受損害越嚴(yán)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(shí)，MDA含量達(dá)到最高值，之后開(kāi)始下降。MDA下降的原因可能是高濃度金屬脅迫處理導(dǎo)致植株幼苗代謝機(jī)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(dǎo)致植物細(xì)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(hù)酶。植物體在Mn2+的脅迫下會(huì)形成過(guò)量的氧自由基，植物通過(guò)體內(nèi)保護(hù)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(duì)組織細(xì)胞的傷害[12]。在本次試驗(yàn)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(shì)。POD酶活性在Mn2+濃度為4 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值。在達(dá)到最大值之后，隨著Mn2+濃度不斷增加，POD酶活性開(kāi)始下降。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因是剛開(kāi)始Mn2+濃度增加時(shí)，植物體內(nèi)出現(xiàn)較多的過(guò)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(guò)氧化物數(shù)量超出了其能夠分解的范圍，植物開(kāi)始受到毒害，進(jìn)而導(dǎo)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(xì)胞滲透壓方面具有重要作用。本次試驗(yàn)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(shì)。在Mn2+濃度為20 mmol·L-1時(shí)，植物體內(nèi)的可溶性糖含量達(dá)到了峰值，隨后開(kāi)始下降。植物體受到錳離子脅迫時(shí)，植物體內(nèi)細(xì)胞滲透壓失衡，植物體通過(guò)增加可溶性糖含量來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓，使其達(dá)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(xì)胞的細(xì)胞膜通透性增大，糖類(lèi)和酶大量運(yùn)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(yàn)中，當(dāng)Mn2+濃度達(dá)到最大值200 mmol·L-1時(shí)，降香黃檀幼苗根部的Mn2+積累量達(dá)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(fù)的備選植物。

4 結(jié)論

1）錳是植物生長(zhǎng)必需微量元素之一，適量的Mn2+濃度處理對(duì)降香黃檀幼苗的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。但當(dāng)Mn2+濃度達(dá)到20 mmol·L-1時(shí)，降香黃檀幼苗生長(zhǎng)開(kāi)始受阻，出現(xiàn)各種不良癥狀，直至死亡。

2）低濃度Mn2+對(duì)降香黃檀幼苗的活性糖含量、POD酶活性有一定的促進(jìn)作用。高濃度Mn2+脅迫則對(duì)上述兩個(gè)指標(biāo)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(shì)。

3）降香黃檀對(duì)Mn2+的積累雖然沒(méi)有達(dá)到超富集標(biāo)準(zhǔn)，但綜合各方面來(lái)看，可以作為土壤植物修復(fù)的備選植物。

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（責(zé)任編輯：趙中正）