生長素萘乙酸對甘蔗錳毒的調控

武 欣，陳楊明珠，凌桂芝，黎曉峰

（廣西大學農學院/廣西農業環境與農產品安全重點實驗室/亞熱帶生物資源保護與利用國家重點實驗室，廣西 南寧 530004）

生長素（auxin）是一種重要的植物激素，廣泛參與細胞分裂、伸長和分化的調控，對植物的生長發育有著極其重要的影響。重金屬脅迫影響植物的激素平衡，有研究發現錳毒通過影響IAA的合成與極性運輸來抑制擬南芥根尖伸長［1-2］。而植物激素也能影響重金屬毒害的毒性，國內外現已有較多關于赤霉素、生長素等植物激素能影響植物在砷、鎘、鉛、鋁等重金屬脅迫下的生長狀況，如外源生長素可增加鎘的吸收、積累和鎘的向上運輸［3-5］。不同的生長素類物質對不同植物吸收和累積重金屬的影響并不一樣，但其促進植物生長的能力確實可以提高植物的重金屬耐性，緩解植物的重金屬毒害。因此，合理地使用生長素可減弱重金屬對植物生理的不利影響，提高植物對重金屬脅迫的抗性，促進植物恢復正常的生長發育。

甘蔗是我國重要的糖料作物，是廣西的重要經濟作物之一，由于廣西的土壤多呈酸性，因此錳的毒害是廣西主要蔗區上甘蔗生產的主要限制因子之一，會引起甘蔗幼苗黃化（尤其是宿根蔗）、甚至枯死，對其產量及品質的影響重大［6-8］。目前甘蔗錳毒的相關機制尚未明確，而植物激素對甘蔗錳毒的影響更鮮有報道。為些，我們通過水培試驗，研究萘乙酸對錳毒脅迫下甘蔗錳含量、轉運及分布的影響，為揭示甘蔗錳毒問題的解決提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年9～12月進行，供試材料為廣西農業科學院甘蔗研究所培育的桂糖32號。種莖經12 h浸泡、1% NaClO溶液30 min消毒、水洗后置于潮濕毛巾上催芽。初生根長出約2 cm后，將蔗莖轉移至塑料容器中，蔗根浸入0.5 mmol/L的CaCl2溶液（pH 5.5）中培養，培養8 d后，選擇地上部及根長勢一致的幼苗為供試材料。

1.2 試驗方法

為探討α-萘乙酸（NAA）對根系錳含量的影響，將培養8 d的甘蔗幼苗在含0、10、50、100、500 nmol/L的 NAA 及 MnCl2（500 μmol/L）的0.5 mmol/L的CaCl2（pH5.5）溶液中培養。處理2 d后，沿蔗兜基部剪下根系于0.5 mmol/L的CaCl2溶液、去離子水中清洗3次以去除根表吸著的錳后烘干、粉碎并采用HNO3-HClO4混合酸消解-原子吸收光譜法測定根系錳含量。

為探討NAA對植株錳分布及其根系生長的影響，將上述長勢一致的幼苗浸入含0（-NAA）、100 nmol/L（+ NAA）NAA和0（-Mn）、500 μmol/L（+ Mn）MnCl2的 1/5 霍格蘭營養液中培養，每隔2 d更換一次培養液。處理15 d后收集傷流液（于上午7：00沿植株莖基部約2 cm處切斷，棄最初15 min切口處流出的液滴，收集其后約3 h內切口處溢出的液體并測定其錳濃度）。收集傷流液后的蔗兜從根基部切斷獲根系樣品。植株樣品水洗后分未展開葉（幼葉）、+ 1葉、+ 2葉、根系測定鐵錳含量。部分+ 1葉分葉鞘和葉片（去葉脈）兩部分，參照Akimasa Sasaki方法分別提取質外體和共質體測定錳含量［9］。取部分根系提取錳膜（草酸提取法），分別測定錳膜及根內錳含量。取部分根系做根系掃描觀察，用WinRHIZO根系分析軟件獲取單位根的根長、根表面積、根體積、根尖數、分叉數、交叉數以分析甘蔗根系的形態差異。

為探討生長素極性運輸對植株錳含量的影響，將上述幼苗根系浸入于空白對照、1 000 nmol/L三碘苯甲酸（TIBA）、1 000 nmol/L萘基鄰氨甲酰苯甲酸（NPA）的溶液中培養。培養液含500 μmol/L的MnCl2和0.5 mmol/L的CaCl2（pH 5.5）。處理5 d后收獲植株，測定未展開幼葉鐵錳含量及根系、完全展開葉、葉鞘及葉片錳含量。每個處理3次重復。

采用Excel和SPSS軟件對數據進行整理及分析，差異顯著性檢驗采用Duncan 新復極差法。

2 結果與分析

2.1 萘乙酸對根系錳含量的影響

根系是植物非常敏感脆弱的器官，也是植物感受生長介質中各種脅迫信號的主要器官。在錳毒脅迫下，甘蔗根部會作出快速的響應。在500 μmol/L MnCl2溶液中添加 0、10、50、100、500 nmol/L NAA 2 d后，根系錳含量（mg/g，DW）分別為 3.96a、3.62ab、2.81b、2.58b、2.53b（數據后小寫英文字母不同者表示差異顯著）。說明外源NAA顯著降低了甘蔗根中的錳含量。

從表1可以看出，在高錳（500 μmol/L）脅迫條件下根系錳膜和根組織中Mn含量分別為436.29、961.39 mg/ kg（FW），經100 nmol/L NAA處理（+NAA）15 d后根系錳膜和根組織中Mn含量減少至340.58、772.49 mg/kg（FW），即NAA處理后，根系錳膜和根組織中錳含量有小于對照（-NAA）植株的趨勢，但差異不顯著。說明NAA處理有利于根組織及錳膜中錳含量的降低。NAA處理后根系中的Mn在錳膜中的相對量為32.52%，而對照的相對量為30.60% ，處理間錳膜中Mn相對量差異不顯著。NAA處理后甘蔗傷流液Mn濃度為144.18 mg/L，與對照（146.35 mg/L）相當。說明NAA處理并不影響錳膜在根系的形成及向地上部分的運輸。

表1 萘乙酸對根系錳膜的影響

2.2 萘乙酸對甘蔗葉組織錳含量及分配的影響

NAA處理對不同葉位葉組織錳含量的影響差異顯著（圖1）。對未完全展開葉（0葉），NAA的添加（+NAA）對錳含量無顯著影響。而對+ 1葉和+ 2葉，即完全展開葉，NAA處理間錳含量分別為3.73、3.20 mg/kg（DW），均極顯著低于對照錳含量（5.01、3.99 mg/kg，DW），表明外源添加NAA雖然對未完全展開葉錳含量的影響不大但顯著減少最新完全展開葉組織中錳含量。

圖1 萘乙酸對不同葉位葉組織中錳含量的影響

錳毒脅迫條件下，NAA對錳在植株葉組織中的分布有所影響。錳處理后葉片不同組分中錳含量高低依次為殘渣>質外體>共質體。NAA處理后（+ NAA）殘渣、共質體、質外體中錳含量與對照（-NAA）處理的相當（表2），葉片中質外體與殘渣中的錳含量以及殘渣與共質體中的錳含量比有下降趨勢，但無顯著差異。雖然NAA處理未顯著影響葉鞘質外體中Mn含量但顯著增加共質體和殘渣中Mn含量。然而，NAA處理后Mn在殘渣與共質體中的含量比與對照相當。說明NAA對錳葉片組織及葉鞘共質體和殘渣間的分布影響不大。

表2 萘乙酸對葉片質外體、共質體中錳分布的影響

2.3 萘乙酸對甘蔗錳毒下根系生長的影響

生長素影響細胞分裂、伸長和分化，也影響植物器官的生長發育及側根和不定根的形成［10］。從表3可以看出，在1/5霍格蘭培養液中添加500 μmol/L Mn處理（+Mn）15 d后，植株根長、根表面積、根尖數、交叉數、分叉數都低于對照（-NAA-Mn），Mn 的添加使得各指標間分別減少227.16%、30.65%、67.26%、104.74%和316.60%。并且，+Mn處理的根系根長、根表面積和交叉數與對照間的差異達到顯著水平，說明過多的錳顯著抑制根系的生長。然而，在錳溶液中添加100 nmol/L NAA（+NAA+Mn）后，根長、根表面積、根尖數、交叉數、分叉數均高于+Mn的處理，其中+NAA處理的根表面積、根尖數、根交叉數等數值較+Mn處理高60%以上。說明過多的錳會影響根系的生長，但NAA能夠在一定程度上緩解錳引起的根生長抑制。

表3 萘乙酸對根系生長的影響

2.4 生長素極性運輸抑制劑對甘蔗錳含量的影響

生長素極性運輸是以載體為媒介的主動運輸過程，是生長素特有的一種運輸方式，三碘苯甲酸（TIBA）與萘基鄰氨甲酰苯甲酸（NPA）為生長素輸出抑制劑，TIBA和NPA分別通過與生長素輸出載體競爭性結合或與載體的調節位點結合抑制生長素輸出。在Mn（500 μmol/L）脅迫下，甘蔗幼苗分別經1 000 nmol/L的TIBA和NPA 處理后，幼葉中錳含量分別為76.64、73.45 mg/kg（表4），顯著高于對照（38.3 mg/kg）。但成熟葉組織的錳含量TIBA、NPA處理與對照間差異不顯著，且在根中，NPA處理與對照的錳含量相當，而TIBA則顯著增加了根錳含量。表明阻礙生長素的輸出能顯著增加幼葉及根系的錳水平。

表4 生長素極性運輸抑制劑對甘蔗錳含量的影響

2.5 外施萘乙酸對甘蔗鐵營養的影響

如表5所示，NAA處理后，500 μmol/L MnCl2溶液中培養的甘蔗植株根系、幼葉、完全展開葉中的鐵含量與對照（-NAA）的含量無顯著差異。NAA處理后幼葉的亞鐵含量差異也不顯著，說明外源生長素并不影響錳毒脅迫甘蔗對鐵的吸收及利用。

表5 生長素對甘蔗植株鐵含量（mg/kg，FW） 的影響

3 結論與討論

生長素是植物生長發育過程中不可缺少的的生長激素，在提高植物抵御重金屬的抗性能力方面，已有大量有關生長素影響植物鎘、鉛、鋁等毒害及其抗性的報道。然而，國內外少有報道生長素對甘蔗錳毒的調控。本研究發現萘乙酸處理顯著降低甘蔗根、葉的錳含量，暗示生長素減少了甘蔗對錳的吸收，有利于減輕錳對甘蔗的毒害。這與陳晶等在鎘吸收的結果相似：NAA處理抑制了玉米對鎘的吸收［3］，但也有與之研究結果迥異的：如外源IAA促進重金屬在滇苦菜葉片中積累［11］，IBA促進東南景天鎘在地上部的積累［12］，外源IAA還有利于玉米吸收與積累鎘并減輕鎘對玉米的毒害［3］。

本研究還發現，NAA處理并不改變錳在根系的分布、傷流液中錳含量和葉片組織中錳的分布，甘蔗錳毒條件下根系生長受到抑制，NAA的添加在一定程度上有著緩解作用，但差異不顯著，這種類似現象在其他植物中也有表現，重金屬阻礙植物體內的IAA合成及極性運輸［13］，而外源施加IAA可以促進植物在重金屬脅迫下主根伸長及根毛、側根和不定根發育［14-16］，甘蔗體內的生長素的極性運輸受阻時幼葉及根系的錳含量顯著增加。因此，外源NAA可能通過抑制根系吸收錳來降低植株錳含量以緩解錳的毒害，本研究結果可為通過外源施加生長素克服甘蔗錳毒害問題提供理論參考，甘蔗是廣西的主要經濟作物之一，本研究具有鮮明的地域性特征，更適用于當地的特色作物。

生長素和錳毒對植物的影響都是多樣且復雜的，而且在某些作用機理有相似之處，其對植物的膜脂氧化、細胞壁及離子轉運等相關機理已有報道［5，10，17-18］，還有根系分泌物、液泡區隔化等方面，研究兩種因子共同的作用點，也許是將來深入研究生長素對植物錳毒害效應的一個有效的切入點。