錳脅迫對紅錐幼苗生長和生理指標的影響

梁艷紅，滕維超

（廣西大學 林學院，廣西南寧 530004）

錳（Mn）礦是一種重要的戰略資源。我國錳礦已有100多年的開采歷史，分布分散，露天儲存的錳渣體量巨大，長期開采錳礦殘余的重金屬嚴重污染土地，影響植物的正常生長[1]。紅錐（Castanopsis hystrix）為殼斗科（Fagaceae）栲屬常綠喬木，廣泛分布在我國南方[2]。其材質優良、易加工且耐腐蝕能力強，具有較高的生態和經濟價值。Mn對植物的光合放氧及維持細胞器結構和酶活性具有不可替代的作用，但過量的Mn會抑制植物體內FeD2+和MgD2+等元素的吸收及活性，導致葉綠素含量下降及光合速率降低[3]。我國土壤全Mn 含量為42 ～ 5 000 ppm，平均含量為710 ppm。研究表明0.25 mmol∕L Mn 會導致柑橘（Citrus reticulata）、降香黃檀（Dalber?gia odorifera）等樹種出現Mn 中毒癥狀，葉片細胞膜受損，相對電導率和丙二醛（MDA）含量上升[4-5]。關于Mn 脅迫對紅錐的影響尚未有報道。本研究通過分析不同Mn 添加量對紅錐幼苗生長和生理活動的影響，研究紅錐對Mn 脅迫的響應，為高Mn 環境下紅錐的栽培及推廣提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區廣西大學林學院苗圃教學實習基地（108°17'E，22°50'N），屬亞熱帶氣候；年均氣溫21.6 ℃，冬季最低溫度12.8 ℃，年均降水量1 304.2 mm，年均相對濕度79%。

1.2 試驗材料

材料為生長條件良好、生長狀態基本一致的0.5年生紅錐幼苗，平均株高35.5 cm，平均地徑4.6 mm。2020年7月1日，將幼苗移至半徑為12.5 cm 帶孔營養缽中，每缽土重5 kg。移栽后，幼苗在溫度24 ℃、相對濕度81%條件下統一管理。土壤來源于廣西大學東校園苗圃內，土壤基本理化性質為pH 5.2，有機質 含 量27.13 g∕kg，全氮含量0.67 g∕kg，全磷含量0.16 g∕kg，全鉀含量14.99 g∕kg，全Mn含量156.08 mg∕kg，銨態氮含量5.62 mg∕kg，硝態氮含量4.71 mg∕kg，速效磷含量4.90 mg∕kg和速效鉀含量27.14 mg∕kg。

1.3 試驗設計

設置5 個不同Mn 添加量（每千克土壤中所含Mn 元素質量），分別為0（CK）、200 mg∕kg（T1）、600 mg∕kg（T2）、1 500 mg∕kg（T3）和3 000 mg∕kg（T4）。2020年8月5日、8月15日、8月25日、9月5日、9月15日和9月25日，對5 個處理的植物分別施加清水及5.12、15.36、38.41 和76.82 g∕L 的MnSO4·H2O 溶液，共100 mL，共6次，使土壤中Mn添加量達到各處理要求。缽底放置容器，收集流出的液體并重新淋入土中。每濃度設置3 個重復，每重復設置5 缽（1株∕缽）。脅迫前（8月5日）和脅迫結束120 天（12月29日），測量并記錄幼苗的株高和地徑；采集植株葉片，測定各項生理指標。

1.4 指標測定

采用卷尺測量株高（精確至0.01 cm）；采用游標卡尺測量地徑（精確至0.01 mm）。超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性和MDA 含量測定參照文獻[6]；可溶性糖和可溶性蛋白含量測定參照文獻[7]。

1.5 數據處理

采用Excel 軟件進行數據整理、統計和制作圖表；采用SPSS 19.0軟件進行方差分析、多重比較；對各生理指標進行皮爾遜相關系數雙變量分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對幼苗株高和地徑的影響

T1、T2 和T3 處理的株高均顯著大于CK（P＜0.05），分別比CK 高出42.11%、20.27%和32.78%，T1處理的株高最大（19.98 cm）；T4處理的株高與CK差異不顯著（圖1）。T1、T3 和T4 處理的地徑均顯著大于CK（P＜0.05），分別比CK 高出18.81%、24.72%和8.96%，T3 處理的地徑最大（2.26 mm）；T2 處理的地徑與CK差異不顯著。

圖1 不同處理對幼苗株高和地徑的影響Fig.1 Effects of different treatments on seedling height and ground diameters of young seedling

2.2 不同處理對幼苗可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響

隨土壤中Mn 添加量升高，可溶性糖和可溶性蛋白含量呈先上升后下降的趨勢（圖2）。T1 和T2處理的可溶性糖含量均與CK 均差異不顯著；T3 和T4 處理的可溶性糖含量均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK 低26.63%和26.28% 。T3 處理的可溶性蛋白含量顯著高于CK（P＜0.05），比CK 高 出117.15%；其他處理與CK均差異不顯著。

圖2 不同處理對幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on contents of soluble sugar and soluble protein of young seedling

2.3 不同處理對幼苗抗氧化生理指標的影響

隨土壤中Mn添加量升高，SOD活性呈先下降后上升的趨勢，APX 活性逐漸降低，POD 和CAT 活性呈先上升后下降的趨勢（圖3 ～ 4）。T1、T2 和T3 處理的SOD 活性均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK低18.54%、14.15%和10.02%，T1處理的SOD活性最低（552.11 U∕g）；T4 處理的SOD 活性與CK 差異不顯著。各處理的APX 活性均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK 低46.73%、64.76%、74.16%和77.62%；T4處理的APX 活性最低（65.35 U·g-1·min-1）。 T1 和T2 處理的POD 活性較高，與CK 均差異不顯著；T3和T4處理的POD 活性均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK 低69.07%和54.28%。T2、T3 和T4 處理的CAT活性均顯著高于CK（P＜0.05），分別比CK 高出531.27%、328.86%和385.40%，T2 處理的CAT 活性最大（129.08 U·g-1·min-1）；T1 處理的CAT 活性最低，與CK差異不顯著。

圖3 不同處理對幼苗SOD和APX活性的影響Fig.3 Effects of different treatments on SOD activity and APX activitiy of young seedling

2.4 不同處理對幼苗MDA含量的影響

隨土壤中Mn添加量升高，MDA含量逐漸增加（圖5）。各處理的MDA含量均顯著高于CK（P＜0.05），分別比CK 高出47.19%、49.15%、88.55%和109.30%，T4處理的MDA含量最大（0.11 μmol∕L）（圖5）。

圖4 不同處理對幼苗POD和CAT活性的影響Fig.4 Effects of different treatments on POD activity and CAT activitiy of young seedling

圖5 不同處理對幼苗MDA含量的影響Fig.5 Effects of different treatments on MDA content of young seedling

2.5 相關性分析

POD 活性與可溶性糖含量呈極顯著正相關（P＜0.01），與APX 活性呈顯著正相關（P＜0.05），與MDA 含量呈極顯著負相關（P＜0.01）（表1）。MDA 含量與CAT 活性呈顯著正相關（P＜0.05），與APX 活性呈極顯著負相關（P＜0.01）。APX 活性與CAT活性呈極顯著負相關（P＜0.01）。

表1 相關分析Tab.1 Correlation analysis

3 結論與討論

Mn 是植物生長所必需的微量元素，適量的Mn維護植株正常生長[8]；過量的Mn 會對植物生長產生脅迫[9]。本試驗中，Mn 添加量為200 ～ 1 500 mg∕kg時，株高和地徑大于CK；Mn 添加量為3 000 mg∕kg時，株高和地徑略高于CK，可能是因為3 000 mg∕kg Mn 在120 天內對幼苗生長指標的影響尚未完全表現出來，可能日后將導致株高和地徑小于CK。

可溶性糖含量反映植物體內碳水化合物的合成、轉化和代謝的變化情況，提高可溶性糖含量能提升植物細胞膜的滲透調節響應，增強植物對不良環境的承受能力[10-11]。本研究中，Mn 添加量為200 ～600 mg∕kg時，可溶性糖含量比CK 略大，表明作為植物生長所需的微量元素，低含量Mn 可加快淀粉和其他碳水化合物的分解和利用，使光合作用形成的產物直接變為低分子量物質，使可溶性糖含量有所提高[3]。Mn 添加量高于1 500 mg∕kg 時，可溶性糖含量顯著降低，可能是高含量Mn 對植物生長產生脅迫，導致碳水化合物合成受阻，使可溶性糖含量顯著降低。重金屬脅迫導致植物細胞內外滲透液平衡遭受破壞，可溶性蛋白在植物體內迅速積累，在一定程度內維持細胞內外滲透液水平[12-13]。本研究中，隨土壤中Mn 添加量升高，可溶性蛋白含量先上升后下降。Mn 添加量為1 500 mg∕kg 時，可溶性蛋白含量最大，說明紅錐幼苗在受到高含量Mn 處理時，會迅速產生和積累可溶性蛋白；Mn 添加量為3 000 mg∕kg 時，可溶性蛋白含量下降，此時細胞內外滲透液平衡遭到破壞。當Mn 添加量為1 500 mg∕kg時，可溶性糖含量減少而可溶性蛋白增加，說明可溶性糖和可溶性蛋白可能在一定程度上協同維持紅錐葉片細胞內外滲透液水平。

高Mn 含量造成植物體內大量累積活性氧，使細胞被破壞，植物為抵抗傷害形成了一套嚴密的氧化保護機制系統[14]。植物遭受逆境脅迫時，活性氧簇（O2-、-OH 或H2O2）迅速形成和積累，激發植物體內信號提示的應答反應[15]。SOD 能清除植物機體內的O2-[16]，其在催化、歧化O2-的反應中所形成的H2O2具有強氧化性，過量的H2O2可由CAT、POD 和APX清除[17]。本研究中，隨Mn 添加量升高，SOD 活性先降低后上升，在Mn添加量為200 mg∕kg時，SOD活性最低，可能是因為在低Mn 含量下，SOD 保護體系并未激活[18]，隨Mn添加量增加，SOD 活性逐漸升高，緩解細胞遭受的氧化作用，這與前人研究所得到的結論相似[19]。本研究中，Mn添加量為600～3 000 mg∕kg時，CAT 活性顯著高于CK，大量的CAT 可將H2O2分解成H2O 和O2，進一步緩解幼苗所遭受的氧化作用[20]。POD 活性的變化趨勢與CAT活性相反，在Mn添加量高于600 mg∕kg 時，POD 活性顯著低于CK。相關分析也表明，CAT 活性與POD 活性呈負相關。說明Mn 添加量低于600 mg∕kg 時，主要由POD 分解過多的H2O2；Mn 添加量高于600 mg∕kg 時，主要由CAT 分解H2O2，兩者在紅錐體內協同配合。APX 具有各種同功酶，APX 清除H2O2的過程需以還原型抗壞血酸（AsA）為底物[21]。本研究中，隨Mn 添加量升高，APX 活性不斷下降，說明APX 可能不是清除H2O2的主要途徑，植物體還可通過AsA 直接與H2O2發生反應并將其清除[22]。MDA 是細胞膜脂質過氧化作用和氧化變質的最重要的產物之一[23]。隨Mn添加量升高，葉片細胞膜質過氧化程度逐漸升高，幼苗葉片MDA含量逐漸上升。

本研究僅分析不同Mn 添加量下紅錐部分生理及生長指標的變化情況。在今后的研究中，可對紅錐在更高Mn 添加量土壤中的生長和生理指標進行研究，補充其他生理指標并分析各指標間的相關性，完善重金屬脅迫下紅錐內部抗氧化系統調節機制。