生長素萘乙酸對甘蔗錳毒的調(diào)控

武 欣，陳楊明珠，凌桂芝，黎曉峰

（廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/廣西農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/亞熱帶生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)胞分裂、伸長和分化的調(diào)控，對植物的生長發(fā)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(fā)現(xiàn)錳毒通過影響IAA的合成與極性運(yùn)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(nèi)外現(xiàn)已有較多關(guān)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(yùn)輸［3-5］。不同的生長素類物質(zhì)對不同植物吸收和累積重金屬的影響并不一樣，但其促進(jìn)植物生長的能力確實(shí)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(jìn)植物恢復(fù)正常的生長發(fā)育。

甘蔗是我國重要的糖料作物，是廣西的重要經(jīng)濟(jì)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(qū)上甘蔗生產(chǎn)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(chǎn)量及品質(zhì)的影響重大［6-8］。目前甘蔗錳毒的相關(guān)機(jī)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(yàn)，研究萘乙酸對錳毒脅迫下甘蔗錳含量、轉(zhuǎn)運(yùn)及分布的影響，為揭示甘蔗錳毒問題的解決提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年9～12月進(jìn)行，供試材料為廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所培育的桂糖32號。種莖經(jīng)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(zhuǎn)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(yǎng)，培養(yǎng)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(yàn)方法

為探討α-萘乙酸（NAA）對根系錳含量的影響，將培養(yǎng)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(yǎng)。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(yǎng)液中培養(yǎng)，每隔2 d更換一次培養(yǎng)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(nèi)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(zhì)外體和共質(zhì)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(nèi)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(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)以分析甘蔗根系的形態(tài)差異。

為探討生長素極性運(yùn)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(yǎng)。培養(yǎng)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(fù)。

采用Excel和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及分析，差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan 新復(fù)極差法。

2 結(jié)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(zhì)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(yīng)。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(shù)據(jù)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(jīng)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(dāng)。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(yùn)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?jiān)?質(zhì)外體>共質(zhì)體。NAA處理后（+ NAA）殘?jiān)⒐操|(zhì)體、質(zhì)外體中錳含量與對照（-NAA）處理的相當(dāng)（表2），葉片中質(zhì)外體與殘?jiān)械腻i含量以及殘?jiān)c共質(zhì)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(zhì)外體中Mn含量但顯著增加共質(zhì)體和殘?jiān)蠱n含量。然而，NAA處理后Mn在殘?jiān)c共質(zhì)體中的含量比與對照相當(dāng)。說明NAA對錳葉片組織及葉鞘共質(zhì)體和殘?jiān)g的分布影響不大。

表2 萘乙酸對葉片質(zhì)外體、共質(zhì)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(xì)胞分裂、伸長和分化，也影響植物器官的生長發(fā)育及側(cè)根和不定根的形成［10］。從表3可以看出，在1/5霍格蘭培養(yǎng)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(shù)、交叉數(shù)、分叉數(shù)都低于對照（-NAA-Mn），Mn 的添加使得各指標(biāo)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(shù)與對照間的差異達(dá)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(shù)、交叉數(shù)、分叉數(shù)均高于+Mn的處理，其中+NAA處理的根表面積、根尖數(shù)、根交叉數(shù)等數(shù)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(yùn)輸抑制劑對甘蔗錳含量的影響

生長素極性運(yùn)輸是以載體為媒介的主動運(yùn)輸過程，是生長素特有的一種運(yùn)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(jié)合或與載體的調(diào)節(jié)位點(diǎn)結(jié)合抑制生長素輸出。在Mn（500 μmol/L）脅迫下，甘蔗幼苗分別經(jīng)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(dāng)，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(yùn)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(yǎng)的影響

如表5所示，NAA處理后，500 μmol/L MnCl2溶液中培養(yǎng)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，F(xiàn)W） 的影響

3 結(jié)論與討論

生長素是植物生長發(fā)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(guān)生長素影響植物鎘、鉛、鋁等毒害及其抗性的報道。然而，國內(nèi)外少有報道生長素對甘蔗錳毒的調(diào)控。本研究發(fā)現(xiàn)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(jié)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(jié)果迥異的：如外源IAA促進(jìn)重金屬在滇苦菜葉片中積累［11］，IBA促進(jìn)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象在其他植物中也有表現(xiàn)，重金屬阻礙植物體內(nèi)的IAA合成及極性運(yùn)輸［13］，而外源施加IAA可以促進(jìn)植物在重金屬脅迫下主根伸長及根毛、側(cè)根和不定根發(fā)育［14-16］，甘蔗體內(nèi)的生長素的極性運(yùn)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(jié)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(jīng)濟(jì)作物之一，本研究具有鮮明的地域性特征，更適用于當(dāng)?shù)氐奶厣魑铩?/p>

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