油茶幼苗根和葉對早期錳脅迫生理響應特征比較

廖 陽，閆榮玲，張佳俊，程 俊，黃玉錢，彭曉瓊

（湖南科技學院 生命科學與化學工程系，湖南 永州 425199）

植物在生命周期中很容易遭遇如干旱、水淹、鹽堿、酸雨等逆境的危害，在受到這些脅迫時，植物的生長發育、生理狀態、器官形態結構及其產量等均受到不同程度的影響[1-4]。隨著人類活動范圍和強度的增加，以及植物根系對土壤微環境的改變，重金屬脅迫越來越被人們所重視。與其他脅迫相比，重金屬脅迫具有危害程度大、危害時間長、危害面積廣、治理難度大等特點[5]。

錳離子在維持葉綠體的正常結構、參與光合作用的氧化還原以及激活體內酶的活性等方面發揮著重要作用，因此，根際保持一定濃度的錳離子是植物維持正常生命活動的重要保障[6]。但是，當土壤中可溶性錳的含量超過植物所需含量時便會形成錳脅迫，特別是在錳礦資源富集地區，管理不善或處理不當更易導致錳脅迫現象的出現[7]。已有研究結果表明，錳脅迫會使植物在不同水平（整體、組織、細胞、亞細胞、分子等）上表現出毒害效應，長時間或高濃度的錳脅迫甚至會導致植株死亡[8-11]。植物受到錳脅迫后，其細胞因被激發而產生一系列級聯反應，對脅迫進行響應，以維持自身正常的生理活動。響應的重要表現就是相關生理指標的變化，這些指標有的表征細胞受毒害或損傷的程度，有的則表征細胞抵御和緩解毒害的能力。有關研究結果表明，不同物種在錳脅迫下其生理響應的差異明顯[9,12-13]，其研究對象主要僅僅是水生或草本植物本身，很少有對其不同器官的生理響應特征進行比較分析的。那么，作為重要木本油料作物的油茶在錳脅迫下其幼苗體內將會產生怎樣的生理響應，其不同器官的生理響應又會存在怎樣的差異，本研究對這些問題進行了初步的探討。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為樹齡1 a、長勢一致、狀態良好、根系發達的湘林7號油茶幼苗（60株），幼苗由湖南科技學院油茶育苗基地提供。

1.2 錳脅迫處理

將幼苗作如下兩組處理：一組為對照組（CK），將幼苗置于錳離子濃度為0.005 mmol/L的霍蘭氏培養液中培養；另一組為處理組，將幼苗置于錳離子濃度為6 mol/L的霍蘭氏培養液中培養，錳以MnSO4形式加入，6 mol/L的錳脅迫濃度是基于前期研究結果而確定的（將另文報道）。培養過程中培養液的pH值應保持為5.5，每隔4天更換1次培養液，并向培養液中通氧，以保證根系供養充足。

1.3 生理指標的測定

參照張志良等人[14]提出的方法測定根和葉兩個器官中的超氧化物酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量。從開始進行分組處理的當天（第0天）持續到處理后的第20天，每隔5天測定1次幼苗的上述生理指標。

1.4 數據分析

采用Excel 2003、SPSS 19.0及Sigma plot 10.0等軟件進行數據分析、統計及作圖。

2 結果與分析

分析發現，CK組各生理指標在處理過程中未發生明顯的變化（p＞0.05）；但處理組各生理指標的變化則顯著，且不同器官間的差異明顯，具體如下。

2.1 錳脅迫下油茶植株表觀的變化情況

在培養過程中發現，至培養的第15天，處理組幼苗有若干老葉的邊緣特別是尖端部位出現了褐斑（圖1），但之后其褐斑數量和褐斑面積未明顯增加，植株上的莖尖與新葉等生長發育基本正常。

圖1 錳脅迫下油茶幼苗葉片上的褐斑Fig. 1 Brown speckles in C. oleifera seedling leaves under Mn stress

2.2 錳脅迫對油茶幼苗葉與根的生理影響

錳脅迫處理第20天時，CK組與處理組油茶幼苗植株葉與根中MDA含量、SOD和POD酶活性的測定結果如圖2所示，三個生理指標在處理后均顯著增加（p＜0.01）。

2.3 油茶幼苗葉和根對錳脅迫生理響應特征的比較

持續處理20天內，隨著錳脅迫時間的延長，葉和根中的MDA含量和SOD、POD酶活性均呈現出逐漸增加或增強的變化趨勢，且MDA含量和SOD活性均為葉＞根，POD活性則相反，為根＞葉（如圖3所示）。對比分析同一器官的兩種抗氧化酶活性則發現，葉中SOD活性＞POD活性，而根中POD活性＞SOD活性（如圖4所示）。

圖2 錳脅迫對油茶幼苗葉與根中SOD與POD活性及MDA含量的影響Fig. 2 Effect of Mn stress on SOD activity, POD activity and MDA content in leaves and roots of C. oleifera seedlings

圖3 SOD與POD活性及MDA含量在葉和根中的變化規律Fig. 3 Change laws of SOD activity, POD activity and MDA content in leaves and roots

從圖3中可以看出，在不同的錳脅迫時間段根和葉中各生理指標值的增速、增幅各不相同，如錳脅迫第5～10天根中POD活性急劇增強，葉中POD活性則在錳脅迫第5天后持續增強。而在錳脅迫的第0～5天，根和葉中MDA 含量、POD活性的增幅均較小，但其SOD活性的增幅均較大，且增幅根大于葉（圖5）。

圖4 SOD與POD活性在葉與根中的變化規律Fig. 4 Change laws of SOD and POD activities in leaves and roots

圖5 錳脅迫開始的5天內根和葉中SOD與POD活性和MDA含量增幅的比較Fig. 5 Comparison of increasing ranges of SOD activity,POD activity and MDA content in leaves and roots infive days from Mn stress beginning

3 討 論

因為茶油的營養價值高，而且油茶種植不占用耕地，故其越來越被人們重視。關于油茶的栽培與育種、分子克隆、逆境脅迫以及重金屬富集特征等方面的研究正蓬勃開展[15-19]，但至今還鮮見油茶對錳脅迫生理響應的相關研究報道。本實驗結果顯示，以錳離子濃度為6 mol/L的霍蘭氏培養液持續培養20天后，油茶植株的表觀性狀與各生理指標均顯示出正常狀態，說明油茶具有一定的抗錳脅迫的能力。有關研究者在對木本植物馬尾松的研究[18]中也發現，馬尾松也能較好地抵御錳脅迫。

實驗結果顯示，隨著錳脅迫時間的持續，油茶幼苗各器官不斷富集錳離子，激發了機體的生理響應。隨著處理時間的增加，MDA含量、POD與SOD活性均呈現逐漸增加的趨勢，且與對照組的差異顯著（p＜0.01）。生理指標的變化說明，錳離子在油茶幼苗各器官中的富集對細胞產生了不利影響，細胞代謝產生越來越多的自由基等有害物質，導致了MDA含量的逐漸增加。但同時，在一定范圍內細胞的抗氧化酶活性也逐漸增強，不斷增強的抗氧化能力減弱了錳離子富集對細胞所產生的破壞效應，延緩了葉和根內MDA的增加速度，使細胞維持于正常的生理狀態中[9,12]。當然，在整個生理響應過程中，發生了一系列復雜的細胞信號傳導、基因表達調控以及酶活性調節[21-22]。

相同生理指標在油茶幼苗根與葉兩個不同器官中的響應存在明顯的差異，圖3表明：MDA含量，葉＞根；SOD活性，葉＞根；而POD活性，根＞葉。由此推測，錳離子被根吸收并向上轉移到葉片后，葉細胞對錳離子濃度的增加更加敏感，雖然抗氧化酶系統積極響應以保護細胞，但葉中MDA的增速還是大于根。另外，實驗中還發現，葉中的SOD活性＞POD活性，根中的POD活性＞SOD活性，這說明，機體在抗氧化過程中，SOD在葉片中起著主導作用，而POD在根中起著主導作用，即不同器官的響應會存在一定的差異。陳燕珍等人[23]在對商陸Phytolacca acinosa的研究中也發現，錳脅迫下商陸的葉和根中SOD和POD活性的差異明顯。雖然SOD和POD在響應過程中存在差異，但二者在油茶幼苗應對錳脅迫時均發揮了重要作用。值得一提的是，實驗中發現，在錳脅迫的第0～5天，SOD活性在根和葉中的增幅均遠高于其他兩個指標（圖5），說明油茶幼苗體內SOD對錳脅迫更加靈敏，在響應的起始階段可能發揮了關鍵作用。

當脅迫與抗脅迫在某個器官或器官的某一個部位失衡時，則會產生不可逆的損傷并在表觀上表現出來。我們注意到，錳脅迫第15天時就有若干老葉的邊緣出現了褐斑狀癥狀，說明錳脅迫確實給植株造成了影響，但實驗中未發現褐斑增加，說明機體生理響應對錳脅迫的抵御是積極有效的。油菜在錳脅迫下也是葉片最先出現癥狀的，這與我們的實驗結果一致[24]。但是，為什么褐斑首先會出現在老葉的葉尖和邊緣，對此則還需進一步探討。

4 結 論

錳脅迫初期，油茶幼苗各生理指標協同響應以應對外界環境的變化，但不同器官受錳脅迫的毒害程度不同，抗逆境的主導酶以及酶響應的速度都有差異。

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