除草劑脅迫下谷子雜交種和常規種保護酶活性的比較

朱紅燕，任永康，孫 然

（1.山西新威科農業科技有限公司，山西 太原 030031；2.山西農業大學 農學院，山西 太原 030031；3.山西農業大學農業經濟管理學院，山西 太原 030006）

谷子原產于我國，歷史悠久，享有“百谷之長” 的美稱[1-2]，是人們十分喜愛的小雜糧作物。米粒營養豐富[3-5]，藥用價值尚高[6]，內含10%左右的蛋白質，1.7%左右的脂肪和各類維生素和胡蘿卜素以及有機元素[7]。谷子在生長過程中如遇陰雨連綿的天氣便很容易形成草荒，對此又很難防治。雜草危害十分嚴重，不僅加大了田間作業的勞動強度，而且還嚴重影響了雜交谷的產量和品質，因此，研究化學除草技術勢在必行[8-9]。任建躍[10]研究了除草劑處理土壤對晉谷32號谷子生物特性的影響，結果表明，乙草胺100 mL/hm2+嗪草酮3.3 g/hm2對谷子生長無影響，其余除草劑則對谷子生長發育不安全。王鑫等[11]探究了不同濃度單嘧磺隆對谷子營養價值的影響，結果表明，隨著單嘧磺隆濃度的提高，谷子成熟籽粒中脂肪含量逐漸下降，總淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉含量逐漸上升。武翠卿[12]研究了除草劑對谷子生長發育的影響及其殺草效果，結果表明，當植物處于除草劑脅迫條件下，晉谷32號過氧化物酶系統受傷害的程度較小，體內過氧化物酶（POD）的活性增大從而會保護或恢復膜的完整性。李萍等[13]研究了不同谷子品種對除草劑的耐受性，結果表明，施用撲草凈之后，晉谷32號POD酶活性有所提高，對撲草凈有一定的耐藥性。解麗麗[14]研究了除草劑對谷子生長特性和產量性狀的影響，結果表明，張雜谷10號POD的活性隨著烯禾啶的濃度先升高后下降，得出了除草劑作用下的最適濃度。幼苗對除草劑的脅迫都是敏感的，外界脅迫下，谷子有相應的保護系統進行及時防御與應對，作為保護酶的超氧化物岐化酶（SOD），過氧化物酶（POD），過氧化氫酶（CAT）具有較強的抗氧化性，可以解離谷子內因外壓產生對細胞膜等生物大分子具有破壞作用的活性氧爆發，從而預防脅迫危害，加強谷子對除草劑的抗逆性，主要表現在保護酶含量的變化上。近年來，除草劑脅迫下谷子雜交種與常規種保護酶活性比較的研究還鮮見報道。

烯禾啶殺草譜廣，易溶于有機溶劑，無腐蝕性，能有效防除多種1年生雜草和多年生雜草，本研究通過2因素4水平試驗，探究不同烯禾啶濃度下張雜谷5號、張雜谷13號、晉谷21號和晉谷59號中SOD、POD和CAT的保護酶含量，旨在為谷田除草劑的大面積應用和雜交谷的大力推廣提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年5—9月進行，試驗地設在山西省晉中市榆次區什貼鎮山莊頭村試驗田（東經112.86°，北緯為37.81°），試驗地前茬作物為馬鈴薯。該地土壤基本理化性質為：pH值8.2，有機質含量18.3 g/kg，全氮含量0.92 g/kg，堿解氮含量78 mg/kg，全磷含量0.66 g/kg，速效磷含量18 mg/kg，全鉀含量25.7 g/kg，速效鉀含量105 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試品種為張雜谷5號、張雜谷13號、晉谷21號和晉谷59號。試驗用的除草劑是湖北恒景瑞化有限公司生產的12.5%烯禾啶乳油。

1.3 試驗方法

試驗采用2因素4水平完全隨機設計，共16個處理組合，隨機安排小區，試驗區周圍設保護行，每個處理重復3次。播前統一灌水，統一旋耕。待3~5葉期時根據設計密度統一間苗、定苗。待6~7葉期時，谷子分別噴施4種濃度梯度的12.5%烯禾啶乳油：0（清水對照）、1.25、2.50、5.00 mL/L。其中，2.5 mL/L為12.5%烯禾啶乳油除草劑的產品推薦使用濃度。7 d后，分別稱取4個不同品種谷子的葉片待用。每個處理5個重復。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 超氧化物岐化酶（SOD）活性測定 SOD活性測定采用氮藍四唑光化還原法[15]。取0.6 g谷子的莖葉于研缽中，加入7.5 mL的磷酸緩沖液以及少量的二氧化硅和碳酸鈣，研磨成漿，過濾后加入緩沖液于10 mL離心管中離心10 min。取保護酶上清液均分在3個離心管中，分別為POD、SOD和CAT酶提取液。用上述相同的方法分別處理4個不同品種谷子4個濃度的莖葉，將酶提取液置于0~4℃的冰箱中待用。

標準組依次加入下列溶液：2 mL的磷酸緩沖液，0.2 mL的甲硫氨酸溶液，0.2 mL的氮藍四唑溶液，0.2 mL的EDTA-Na2，0.2 mL的核黃素，0.2 mL的蒸餾水，總體積為3 mL。試驗組加溶液的順序依次為：2 mL的SOD酶提取液，0.2 mL的甲硫氨酸溶液，0.2 mL的氮藍四唑溶液，0.2 mL的EDTA-Na2，0.2 mL的核黃素，0.2 mL的蒸餾水，總體積為3 mL。處理后將所有試管于日光燈下反應10 min。反應結束后，分別測定各試管560 nm波長下的吸光度值。

式中，A0為標準組的吸光度值；AS為試驗組的消光度值；VT為反應總體積3 mL；V1為反應中SOD酶提取液的用量（2 mL）；W為谷子莖葉鮮質量（0.2 g）。

用公式（1）對16組試驗數據與一組標準組數據進行計算與整理。

1.4.2 過氧化物酶（POD）活性測定 過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創木酚法[16-17]。取光徑1 cm的比色杯，一支為對照組，加入磷酸緩沖液0.1 mL，反應混合液2 mL；另16支為試驗組，各加入POD酶液0.1 mL，反應混合液2 mL。在波長470 nm下測定OD值，酶活性用每分鐘吸光度變化值表示。

式中，ΔA為某時間內吸光值的變化量；V為提取POD酶提取液的總體積（3 mL）；W為谷子莖葉鮮質量（0.2 g）；Vt為反應中POD酶提取液的用量（0.1 mL）。

1.4.3 過氧化氫酶（CAT）活性測定 過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用高錳酸鉀滴定法[18]。試驗組錐形瓶中各依次加入酶提取液1.5 mL，雙氧水1.5 mL；標準組錐形瓶中依次加入磷酸緩沖液1.5 mL，雙氧水1.5 mL。2組同時保溫一段時間后各加入1.5 mL的硫酸，分別用高錳酸鉀滴定法，記錄各試驗組出現顏色變化的時間。

式中，A為標準組高錳酸鉀滴定量；B為試驗組高錳酸鉀滴定量；VT為提取CAT酶液的總體積（3 mL）；VS為反應中CAT酶提取液的用量（1.5 mL）；W為谷子莖葉鮮質量（0.2 g）；t為試驗組反應的時間。

1.5 數據分析

采用SPSS 22.0統計軟件進行統計分析與研究，對試驗數據進行單因素方差分析；采用Tukey法進行多重比較（P＜0.05和P＜0.01）。

2 結果與分析

2.1 不同品種之間谷子保護酶（SOD、POD和CAT）活性的比較

在清水處理中，張雜谷5號的POD和SOD保護酶活性顯著高于其他3種谷子，晉谷21號的CAT保護酶活性顯著高于其他3種谷子（P＜0.01）（表1）。

通過方差分析得到不同品種之間谷子的3種保護酶活性都存在極顯著差異（P＜0.01）,多重比較結果顯示（表1），在5%顯著水平上，張雜谷13號和晉谷59號的CAT保護酶活性不存在顯著性差異，但張雜谷5號的CAT保護酶活性同晉谷21號相比較，存在顯著的差異（P＜0.05）；張雜谷13號的SOD保護酶活性同晉谷21號相比較，無顯著性差異，但張雜谷5號的SOD保護酶活性同晉谷59號相比較，存在顯著性差異（P＜0.05）；4種谷子的POD保護酶活性都存在顯著差異（P＜0.05），并且POD保護酶活性由高到低的順序為張雜谷5號＞晉谷21號＞張雜谷13號＞晉谷59號。4種谷子的SOD保護酶活性由高到低的順序為張雜谷5號＞晉谷21號＞張雜谷13號＞晉谷59號。4種谷子的CAT保護酶活性由高到低順序為晉谷21號>張雜谷5號>晉谷59號>張雜谷13號。

表1 不同品種之間3種保護酶活性Tukey法多重比較結果Tab.1 Multiple comparison results of activities of three protective enzymes between different foxtail millet varieties by Tukey method

2.2 不同烯禾啶濃度下谷子保護酶（SOD、POD和CAT）活性的比較

4種谷子的POD和SOD保護酶活性的平均值隨著烯禾啶濃度的升高逐漸增強，CAT酶活性隨著烯禾啶濃度的升高先增強后降低（表2）。

通過方差分析可以得出，不同烯禾啶濃度下谷子的3種保護酶活性都存在極顯著差異（P＜0.01）。由表2可知，在5%顯著水平上，4種除草劑濃度下3種保護酶活性均存在顯著性差異（P＜0.05）。其中，POD保護酶活性和SOD保護酶活性在5 mL/L的12.5%烯禾啶乳油濃度下顯著高于其他濃度（P＜0.05）；CAT保護酶活性在1.25 mL/L的12.5%烯禾啶乳油濃度下顯著高于其他濃度（P＜0.05）；谷子3種保護酶活性在清水對照下顯著低于施用除草劑的各處理（P＜0.05）。綜上可以得出，5 mL/L的12.5%烯禾啶乳油濃度下POD和SOD酶活性最佳；1.25 mL/L的12.5%烯禾啶乳油濃度下CAT酶活性最佳；清水對照下，3種保護酶活性均最低。

表2 不同烯禾啶濃度下3種保護酶活性Tukey法多重比較結果Tab.2 Multiple comparison results of activities of three protective enzyme under different concentrations of sethoxydim by Tukey method

2.3 不同烯禾啶濃度下不同品種之間谷子保護酶（SOD、POD和CAT）活性的比較

不同烯禾啶濃度下不同谷子品種之間3種保護酶活性存在顯著差異（P＜0.05），張雜谷5號的POD和SOD保護酶活性在12.5%烯禾啶乳油5 mL/L濃度下最高；晉谷21號CAT酶活性在除草劑1.25 mL/L濃度下最高；4種谷子3種保護酶活性在清水對照處理均最低（表3）。

表3 不同烯禾啶濃度下不同品種之間谷子3種保護酶活性多重比較結果Tab.3 Multiple comparison of activities of three protective enzymes in foxtail millet under different concentrations of sethoxydim

進行多重比較分析得出（表3），在5%顯著水平上，不同烯禾啶濃度下不同品種之間谷子3種保護酶活性都存在顯著性差異。由表3可知，5 mL/L的12.5%烯禾啶乳油處理張雜谷5號組合POD與SOD酶活性顯著高于其他組合。晉谷59號清水處理的POD酶活性顯著低于其他谷子品種（P＜0.05）；張雜谷13號清水處理的SOD酶活性顯著低于其他谷子品種；1.25 mL/L的12.5%烯禾啶乳油處理晉谷21號組合CAT酶活性顯著高于其他組合，張雜谷13號清水處理的CAT酶活性顯著低于其他品種（P＜0.05）。

通過表3具體分析，在4個濃度梯度下，每種谷子的POD和SOD保護酶活性都會隨烯禾啶濃度的增加而增加，CAT保護酶活性都會隨禾啶濃度的增加先增加后下降。當4個谷種都處于12.5%烯禾啶乳油5 mL/L濃度時，張雜谷5號的POD和SOD保護酶活性顯著高于其他品種（P＜0.05）；12.5%烯禾啶乳油1.25 mL/L濃度時，晉谷21號的CAT保護酶活性顯著高于其他品種（P＜0.05），且4種谷種在清水對照下3種保護酶活性均最低。

3 結論與討論

除草劑作為外界干擾元素之一，會對谷子直接或間接產生破壞與威脅，此時SOD、POD和CAT作為保護酶系統之一，會相應作出保護與防衛。其中，SOD和POD保護酶都能夠有效地清除谷子體內有害的自由基O2-，生成對谷子無害的氧氣和毒害較低的過氧化氫；CAT保護酶對在SOD和POD保護酶作用下形成的過氧化氫進行催化與解離，最終使植物機能系統達到環境安全與動態平衡的水準。3種保護酶的存在不僅促進了谷子的良好發育，而且高效地提高了谷子的抗逆性，作用舉足輕重。

據了解，對植物體內保護酶活性的試驗研究較多。解麗麗[14]研究得出，隨著除草劑12.5%烯禾啶乳油濃度的增加和處理時間的延長，張雜谷5號的POD和SOD保護酶活性不斷提高，而晉谷21號隨烯禾啶濃度的增加和處理時間的延長，谷子幾乎接近死亡狀態。但在早期處理的情況下，這2種谷種的CAT保護酶活性都出現了頂值現象，呈現倒U形的趨勢。而且這2種谷子在除草劑為0 mL/L濃度下，3種保護酶的活性均最低。與本研究結果相似。雜交谷的抗逆性優于常規谷，這為雜交谷的廣泛推廣與大面積栽培奠定了堅實的基礎。

張雜谷5號的POD與SOD酶活性隨著烯禾啶濃度的升高而增強，且在最高的2倍濃度下活性最高，表明當谷子受到外界強烈脅迫與刺激時，POD與SOD酶能迅速對干擾作出攻擊，高強度的解離系統內經脅迫產生的毒害自由基[19]，使系統處于平衡適應性狀態，由此可見，雜交谷的育成可以顯著提高抗性與耐性，為雜交谷的大力推廣作出了事實依據。晉谷21號的CAT酶活性最佳，且在12.5%烯禾啶乳油1.25 mL/L濃度下活性極強。作為新推出的優質米，適宜除草劑濃度下，CAT酶發揮了應有盡有的防御功能，為常規谷的大面積種植，高產量培育，適度性抗逆提供了參考價值與實用意義。當谷子內部POD、SOD和CAT保護酶活性不高時，受外界脅迫的情況下就會積累大量有害的自由基，造成系統紊亂，以至于抗性降低，影響谷子的正常發育。在4個除草劑濃度梯度下，每種谷子的POD和SOD酶活性都會隨濃度的增加而增加，CAT酶活性都會隨濃度的增加先增加后下降，出現這樣的原因可能是因為POD和SOD保護酶在極惡劣的脅迫下，發揮的防御作用越大越明顯；而CAT保護酶自身受脅迫的影響，起始會出現最適宜的效果，隨著脅迫的增強而作用降低。