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      苜蓿、小麥自毒及他感作用機(jī)理

      2019-04-04 03:23:24師尚禮馬史琛
      草業(yè)科學(xué) 2019年3期
      關(guān)鍵詞:透性胚根苜蓿

      鄭 瑞,師尚禮,馬史琛

      (甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 / 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心, 甘肅 蘭州 730070)

      植物生長(zhǎng)代謝途徑中會(huì)產(chǎn)生一些次生物質(zhì),他們通過(guò)植物根系分泌、莖葉揮發(fā)和殘?bào)w分解等途徑釋放到環(huán)境中,這些物質(zhì)若對(duì)后茬同種作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,這種現(xiàn)象被稱為自毒作用,若對(duì)后茬其他種植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成影響則稱之為他感作用[1-2]。被譽(yù)為牧草之王的苜蓿(Medicago sativa)作為最重要的飼草之一,不僅填補(bǔ)了優(yōu)質(zhì)蛋白飼料的空缺,并且對(duì)促進(jìn)奶產(chǎn)品、肉制品的優(yōu)良發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。然而,植株矮小、根系受損、幼苗死亡等現(xiàn)象在苜蓿連作后發(fā)生頻繁[3],說(shuō)明苜蓿連作極不利于他的發(fā)育生長(zhǎng),而自毒作用是造成苜蓿連作幼苗死亡和產(chǎn)量下降的主要原因[4]。有研究發(fā)現(xiàn)苜蓿植株的水浸提液抑制苜蓿種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng),而且隨著水浸提液濃度的增加抑制作用增強(qiáng),說(shuō)明苜蓿水浸提液中含有自毒物質(zhì)[5]。研究者[6]發(fā)現(xiàn)苜蓿自毒物質(zhì)香豆素和肉桂酸在處理濃度高于6 μg·mL-1后,抑制作用顯著。苜蓿的自毒物質(zhì)是由苜蓿的活體和殘?bào)w產(chǎn)生并分泌或釋放到周圍環(huán)境,并且不是單一的某種物質(zhì),而是幾種物質(zhì)的混合物,這些物質(zhì)的存在對(duì)下茬苜蓿種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)造成了不可避免的傷害[7]。苜蓿體內(nèi)自毒物質(zhì)產(chǎn)生的影響因素有很多,例如苜蓿的品種、株齡、密度、土壤環(huán)境、田間管理、耕作制度等因素都會(huì)對(duì)自毒作用產(chǎn)生不同程度的影響[8]。由于自毒物質(zhì)通過(guò)一般田間管理措施很難對(duì)其進(jìn)行徹底消除,所以,對(duì)于由自毒作用引起的苜蓿連作障礙至今缺少有效的調(diào)控措施。

      小麥(Triticum aestivum)是一種典型的他感型禾本科作物,也是存在連作障礙的作物之一,其主要通過(guò)根系分泌、殘?bào)w分解等方式影響自身或鄰近植物的生長(zhǎng)發(fā)育。Kimber[9]研究發(fā)現(xiàn)小麥殘?bào)w對(duì)小麥的生長(zhǎng)有抑制作用,小麥的自毒作用在秸稈還田中表現(xiàn)十分明顯,秸稈還田是為了改善土壤條件,然而這種措施往往會(huì)導(dǎo)致小麥本身發(fā)芽和生長(zhǎng)受阻,產(chǎn)量下降[10]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈和種植過(guò)小麥的土壤浸提液明顯抑制小麥的發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng),并且已從小麥秸稈中分離出了香豆酸、對(duì)一羥基苯甲酸、丁香酸、香草酸、阿魏酸等他感物質(zhì)[11]。有研究表明苜蓿與貓尾草(Phleum pretense)、燕麥(Avena sativa)等飼用禾本科谷物或玉米(Zea mays)、小麥等禾本科作物輪作一季后幾乎能徹底降解苜蓿自毒作用[12-13]。

      苜蓿和小麥輪作后苜蓿相對(duì)發(fā)芽率均達(dá)97%以上,有效刺激了苜蓿胚芽、胚根伸長(zhǎng),苜蓿輪作1年小麥可以全部解除自毒效應(yīng)并且提高土壤微生物多樣性,促進(jìn)土壤由真菌型向細(xì)菌型轉(zhuǎn)化,土壤肥力和酶活性也明顯增加[14-15]。近年來(lái),關(guān)于自毒物質(zhì)在植物體內(nèi)的含量和種類的研究收獲頗多,然而對(duì)于自毒物質(zhì)的侵害途徑以及受體植物的中毒機(jī)制研究報(bào)道較為少見,苜蓿、小麥間他感作用的機(jī)理研究較為鮮見。本研究以苜蓿和小麥兩種作物為試驗(yàn)材料,通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)和生理生化指標(biāo)的測(cè)定,研究?jī)煞N作物的自毒、他感效應(yīng)和其生理生化機(jī)制,為降解毒害以及合理輪作奠定理論基礎(chǔ)。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)材料

      試驗(yàn)選用甘農(nóng)2號(hào)紫花苜蓿(Medicago sativa‘Gannong No.2')、 隴 春 BJ103 小 麥 (Triticum aestivum‘longchunBJ-103')兩種作物,種子來(lái)自甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

      1.2 試驗(yàn)方法

      1.2.1 浸提液制備

      在直徑為 180 mm × 350 mm 的花盆中采用沙培法種植苜蓿 (甘農(nóng) 2號(hào))和小麥 (隴春 BJ103)各10盆,每盆50粒,定時(shí)澆灌等量蒸餾水和營(yíng)養(yǎng)液(霍格藍(lán)氏營(yíng)養(yǎng)液),培養(yǎng)40 d后,將幼苗連根取出,用自來(lái)水沖洗根部,晾干,放置于105 ℃的烘箱中殺青15~20 min,之后降低烘箱溫度,維持在70~80 ℃,烘干,之后用碾槽碾碎至粉末。然后準(zhǔn)確稱取苜蓿干粉 0、0.1、0.25、0.5、1 g,分別加入 1 000 mL 蒸餾水溶解,在 24 ℃ ± 1 ℃ 條件下振蕩浸提24 h,浸提物經(jīng)過(guò)4層紗布過(guò)濾,初步去除其中的植物纖維,再經(jīng) 3 000 r·min-1離心 2 h,取上清液真空抽濾,通過(guò)一層定量濾紙,最后,以蒸餾水分別定容[16-17],使苜蓿浸提液濃度分別為0(CK)、0.1、0.25、0.5、1 g·L-1,小麥各濃度浸提液制備同上。

      用苜蓿浸提液澆灌下茬苜蓿種子和幼苗為苜蓿

      自毒試驗(yàn),澆灌下茬小麥種子和幼苗為苜蓿-小麥他感試驗(yàn);用小麥浸提液澆灌下茬小麥種子和幼苗為小麥自毒試驗(yàn),澆灌下茬苜蓿種子和幼苗為小麥-苜蓿他感試驗(yàn)。

      1.2.2 種子萌發(fā)試驗(yàn)

      取苜蓿(甘農(nóng)2號(hào))和小麥(隴春BJ103)種子,在0.05%的次氯酸鈉溶液中消毒15 min,取出種子,用蒸餾水反復(fù)沖洗(約5~6次)至次氯酸鈉完全沖洗干凈。在9 cm的培養(yǎng)皿中鋪上濾紙,用少量的蒸餾水浸濕濾紙,使濾紙和培養(yǎng)皿底部完全貼合。每個(gè)培養(yǎng)皿放置苜蓿種子(甘農(nóng)2號(hào))30粒,小麥種子(隴春BJ103)20粒,用各個(gè)濃度的苜蓿幼苗浸提液分別將苜蓿和小麥種子完全浸沒,每個(gè)濃度做3次重復(fù),蒸餾水處理作為對(duì)照。小麥幼苗浸提液處理同上。培養(yǎng)皿加蓋后放置于24 ℃,14 h光照10 h黑暗的光照培養(yǎng)箱中,期間定時(shí)定量添加浸提液少許,保證種子發(fā)芽的濕潤(rùn)環(huán)境。120 h后測(cè)定發(fā)芽率、下胚軸長(zhǎng)度(苜蓿)、胚芽鞘長(zhǎng)度(小麥)及胚根長(zhǎng)[18]。

      3.1.3 壩料攤鋪 粘土心墻料鋪筑沿壩軸線進(jìn)行,鋪料時(shí)嚴(yán)格控制鋪土厚度,土料采用推土機(jī)及裝載機(jī)攤鋪平整,并隨時(shí)進(jìn)行鋪料厚度測(cè)量,確保厚度滿足要求。

      1.2.3 幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)

      將消毒后的苜蓿、小麥種子分別種于直徑為180 和350 mm的花盆,苜蓿每盆30粒,小麥每盆20粒。定期澆灌不同處理的浸提液30 mL(苜蓿浸提液分別澆灌苜蓿和小麥,小麥浸提液分別澆灌小麥和苜蓿),以蒸餾水為對(duì)照,3次重復(fù),常規(guī)方法管理。4周隨機(jī)選取苜蓿、小麥幼苗各20株,測(cè)定幼苗株高、根長(zhǎng)、苗鮮重、根鮮重。計(jì)算化感效應(yīng)指數(shù)(RI):

      式中:C為對(duì)照值,T為處理值。當(dāng)RI>0 時(shí),表示促進(jìn)作用;當(dāng)RI<0 時(shí),表示抑制作用。RI絕對(duì)值的大小代表化感作用強(qiáng)度[19-20]。

      1.2.4 生理指標(biāo)的測(cè)定

      采用氮藍(lán)四唑(NBT)法、愈創(chuàng)木酚法和高錳酸鉀滴定法分別測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)的活性[21]。采用李合生[18]的方法測(cè)定細(xì)胞膜相對(duì)透性、丙二醛(MDA)含量;采用Mukherjee和Choudhuri[22]的方法測(cè)定H2O2含量。

      1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

      試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,采用 IBM SPSS Statistics 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 浸提液對(duì)苜蓿、小麥種子萌發(fā)的自毒和他感效應(yīng)

      浸提液種內(nèi)澆灌,隨著浸提液濃度的增加發(fā)芽率呈逐漸下降趨勢(shì);種間澆灌隨著浸提液濃度的增加發(fā)芽率呈先增后減趨勢(shì)(圖1)。與對(duì)照相比,苜蓿浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體苜蓿種子發(fā)芽率無(wú)明顯變化,濃度為0.25、0.5和1 g·L-1時(shí),受體苜蓿種子發(fā)芽率分別降低8.58%、17.46%和41.41%,且差異顯著(P<0.05);與對(duì)照相比,苜蓿浸提液

      圖 1 浸提液濃度處理的苜蓿、小麥種子發(fā)芽率Figure 1 Different concentrations of leaching solution on alfalfa and wheat germination rates

      自毒效應(yīng)使苜蓿、小麥胚根長(zhǎng)度隨著浸提液濃度增加而降低,當(dāng)濃度大于0.5 g·L-1后,下降明顯;他感效應(yīng)使苜蓿、小麥胚根長(zhǎng)度隨著浸提液濃度增加呈先增后減趨勢(shì),相比受體小麥胚根長(zhǎng)度的變化,受體苜蓿變化幅度較大(圖2)。與對(duì)照相比,苜蓿浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體苜蓿胚根長(zhǎng)度與對(duì)照差異不顯著(P>0.05),濃度為0.25、0.5和1 g·L-1時(shí),受體苜蓿胚根長(zhǎng)度分別降低 18.18%、25%和79.92%,且差異顯著(P<0.05),自毒作用明顯;與對(duì)照相比,苜蓿浸提液濃度為0.1、0.25和 0.5 g·L-1時(shí),受體小麥胚根長(zhǎng)度升高 7.77% 、18.45% 和 10.16%,0.5 g·L-1時(shí) 促 進(jìn) 效 應(yīng) 開 始 減弱,濃度為1 g·L-1時(shí),受體小麥胚根生長(zhǎng)受到抑制,降低 25.53%,且差異顯著 (P<0.05)。與對(duì)照相比,小麥浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體小麥胚根長(zhǎng)度與對(duì)照差異不顯著(P>0.05),小麥浸提液濃度為0.25、0.5和1 g·L-1時(shí),受體小麥的胚根長(zhǎng)分別降低 0.79%、4.73%和43.15%;與對(duì)照相比,小麥浸提液濃度為 0.1、0.25 和 0.5 g·L-1時(shí),受體苜蓿的胚根長(zhǎng)度升高 17.57%、32.13%和15.92%,0.5 g·L-1時(shí)促進(jìn)效應(yīng)開始減弱,當(dāng)小麥濃度為 1 g·L-1時(shí),苜蓿胚根生長(zhǎng)受抑,降低 49.63%(P<0.05)。綜上所述,浸提液種內(nèi)處理,胚根長(zhǎng)度隨著浸提液濃度的增加而減小,自毒效應(yīng)明顯,且苜蓿自毒效應(yīng)大于小麥;種間處理,濃度為0.1、0.25和0.5 g·L-1時(shí),促進(jìn)胚根生長(zhǎng),存在他感正效應(yīng),且0.25 g·L-1時(shí)達(dá)到最佳,0.5 g·L-1的促進(jìn)效應(yīng)開始減弱,表現(xiàn)為低促高抑的他感濃度效應(yīng)。

      圖 2 浸提液濃度處理的苜蓿、小麥胚根長(zhǎng)Figure 2 Different concentrations of leaching solution on alfalfa and wheat radicle length

      小麥浸提液對(duì)苜蓿下胚軸長(zhǎng)的影響較苜蓿浸提液對(duì)小麥胚芽鞘長(zhǎng)的影響明顯,說(shuō)明苜蓿下胚軸長(zhǎng)較小麥胚芽鞘對(duì)他感作用更敏感(圖3)。與對(duì)照相比,苜蓿浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體苜蓿下胚軸長(zhǎng)度與對(duì)照差異不顯著(P>0.05),濃度為0.25、0.5和1g·L-1時(shí),受體苜蓿下胚軸長(zhǎng)度分別降低 20%、32.73%和 67.27%,且差異顯著 (P<0.05);與對(duì)照相比,苜蓿浸提液濃度為0.1、0.25和 0.5 g·L-1時(shí),受體小麥的胚芽鞘長(zhǎng)度分別升高 5.9%、 15.16%和1.95%,只有 0.25 g·L-1時(shí)與對(duì)照差異顯著 (P<0.05),濃度為1g·L-1時(shí),小麥胚芽鞘生長(zhǎng)受抑,降低24.83%(P<0.05)。與對(duì)照相比,小麥浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體小麥的胚芽鞘長(zhǎng)與對(duì)照差異不顯著 (P>0.05),濃度為 0.25、0.5 和 1 g·L-1時(shí),受

      圖 3 浸提液濃度處理的苜蓿下胚軸長(zhǎng)和小麥胚芽鞘長(zhǎng)Figure 3 Lengths of alfalfa hypocotyls and wheat coleoptiles in plants treated with extracts

      體小麥的胚芽鞘生長(zhǎng)受到抑制,降低 12.54%、29.7%和64.69%,且差異顯著(P<0.05);與對(duì)照相比,小麥浸提液濃度為0.1、0.25和0.5 g·L-1時(shí),受體苜蓿下胚軸長(zhǎng)度分別升高11.29%、29.48%、14.06%,只有0.25g·L-1時(shí)與對(duì)照差異顯著 (P<0.05),小麥浸提液濃度為1 g·L-1時(shí),受體苜蓿下胚軸伸長(zhǎng)受抑,降低 21.82%(P<0.05)。綜上所述,浸提液種內(nèi)處理,苜蓿下胚軸和小麥胚芽鞘長(zhǎng)度隨著浸提液濃度的增加而減小,自毒效應(yīng)明顯,苜蓿自毒效應(yīng)大于小麥;異種間處理,濃度為0.1、0.25和0.5 g·L-1時(shí),苜蓿下胚軸和小麥胚芽鞘長(zhǎng)度高于對(duì)照,但只有0.25 g·L-1處理時(shí)他感正正效應(yīng)顯著(P<0.05),濃度為 1 g·L-1時(shí),他感負(fù)效應(yīng)顯現(xiàn)。

      2.2 浸提液對(duì)苜蓿、小麥幼苗生長(zhǎng)的自毒和他感效應(yīng)

      苜蓿、小麥幼苗生長(zhǎng)的自毒效應(yīng)隨著浸提液濃度的增大而增強(qiáng),其化感指數(shù)均為負(fù)值。他感效應(yīng)在浸提液濃度為 0.1~0.5 g·L-1時(shí)表現(xiàn)為正效應(yīng),化感指數(shù)為正值,且濃度為0.25 g·L-1時(shí)他感正效應(yīng)最明顯,0.5 g·L-1時(shí)正效應(yīng)開始減弱,濃度為 1 g·L-1時(shí),表現(xiàn)為他感負(fù)效應(yīng) (表 1)。苜蓿浸提液使受體苜蓿幼苗生長(zhǎng)受抑,且隨著浸提液濃度的增大抑制作用增強(qiáng);苜蓿浸提液濃度為0.1、0.25和 0.5 g·L-1時(shí),促進(jìn)受體小麥幼苗生長(zhǎng), 0.25 g·L-1時(shí)苜蓿浸提液促進(jìn)作用最明顯,與對(duì)照相比,受體小麥的苗高、根長(zhǎng)、苗鮮重和根鮮重分別升高23.3%、14.25%、17.10%和13.40%,且差異顯著(P<0.05),0.5 g·L-1時(shí)正效應(yīng)開始減弱,1 g·L-1的苜蓿浸提液抑制受體小麥的幼苗生長(zhǎng),其苗高、根長(zhǎng)、苗鮮重和根鮮重分別降低9.53%、10.20%、7.38%和3.11%,表現(xiàn)出低促高抑的他感濃度效應(yīng)。與對(duì)照相比,小麥浸提液濃度為0.1、0.25和0.5 g·L-1時(shí),促進(jìn)受體苜蓿幼苗生長(zhǎng),其中 0.25 g·L-1時(shí)小麥浸提液使苜蓿的苗高、根長(zhǎng)、苗鮮重和根鮮重分別顯著升高 49.38%、59.60%、78.05%和110.93%(P< 0.05), 小 麥 浸 提 液 濃 度 為 1 g·L-1時(shí),苜蓿幼苗生長(zhǎng)受抑,其苗高、根長(zhǎng)、苗鮮重和根鮮重降低 4.83%、19.29%、2.99%和16.29%,表現(xiàn)為低促高抑的濃度效應(yīng),與苜蓿浸提液對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)的他感作用一致。

      2.3 浸提液對(duì)苜蓿、小麥自毒和他感作用的生理機(jī)制

      2.3.1 浸提液濃度對(duì)苜蓿、小麥SOD、POD和CAT活性的調(diào)控

      SOD酶活性強(qiáng)弱代表植物體預(yù)防活性氧毒害的程度,對(duì)植物細(xì)胞起保護(hù)作用。苜蓿浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體苜蓿的SOD酶活性無(wú)明顯變化,濃度為 0.25、0.5 和 1 g·L-1時(shí),受體苜蓿SOD酶活性顯著低于(P>0.05)對(duì)照13.18、33.92%和54.62%,苜蓿浸提液濃度為 0.1、0.25 和 0.5 g·L-1時(shí),受體小麥SOD活性較對(duì)照高出9.51%、16.34和 6.06%(P<0.05),濃度為 1 g·L-1時(shí),受體小麥SOD酶活性開始減弱,低于對(duì)照5.88%(圖4)。小麥浸提液濃度為 0.1、0.25 g·L-1時(shí),受體小麥的SOD酶活性與對(duì)照差異不顯著(P>0.05),濃度為0.5、1 g·L-1時(shí),受體小麥SOD酶活性分別顯著低于對(duì)照8.75%和23.28%;小麥浸提液濃度為0.1、0.25和 0.5 g·L-1時(shí),苜蓿 SOD酶活性顯著高于對(duì) 照 28.96%、42.54%、34.05%(P<0.05),濃度為 1 g·L-1時(shí),SOD酶活性減弱,低于對(duì)照8.49%。綜上,浸提液種內(nèi)處理,濃度超過(guò)0.1 g·L-1后,苜蓿即刻表現(xiàn)出明顯的自毒效應(yīng),濃度超過(guò)0.25 g·L-1后,小麥才表現(xiàn)出自毒效應(yīng),表明自毒效應(yīng)對(duì)SOD酶活性的影響,苜蓿比小麥更敏感;浸提液種間處理,濃度為 0.1、0.25 和0.5 g·L-1時(shí),SOD 酶活性增強(qiáng),表現(xiàn)為他感正效應(yīng),其中0.25 g·L-1的浸提液使 SOD酶活性增強(qiáng)最多,濃度為 1 g·L-1時(shí),SOD活性減弱,表現(xiàn)為他感負(fù)效應(yīng)。

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      圖 4 浸提液濃度處理的苜蓿、小麥超氧化物歧化酶(SOD)活性Figure 4 Superoxide dismutase (SOD) activity of alfalfa and wheat treated with different concentrations of leaching solution

      POD酶是植物體內(nèi)普遍存在的、活性較高的,并避免活性氧的產(chǎn)生和積累的保護(hù)酶之一。苜蓿、小麥的自毒效應(yīng)對(duì)POD酶活性的影響變化趨勢(shì)一致,隨著浸提液濃度增大POD酶活性減弱;他感效應(yīng)對(duì)POD酶活性的影響呈先增后減趨勢(shì),苜蓿浸提液濃度為0.5 g·L-1時(shí)小麥POD酶活性達(dá)到最大值,而小麥浸提液濃度為0.25 g·L-1時(shí)苜蓿POD酶活性達(dá)到最大值,表明苜蓿POD酶活性對(duì)他感效應(yīng)較小麥敏感(圖5)。苜蓿浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體苜蓿POD酶活性與對(duì)照差異不顯著 (P>0.05),濃度為 0.25、0.5 和 1 g·L-1時(shí),POD酶活性隨苜蓿浸提液濃度的增大而減弱,分別低于對(duì)照9.01%、15.5%和25.09%;苜蓿浸提液濃度為 0.1、0.25和 0.5 g·L-1時(shí),受體小麥 POD 酶活性隨苜蓿浸提液濃度增大而隨之增強(qiáng),分別高于對(duì)照 4.27%、11.71%和 16.63%(P<0.05),濃度為1 g·L-1時(shí),POD 酶活性受抑,低于對(duì)照 14.38%。小麥浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體小麥POD酶活性與對(duì)照差異不顯著(P>0.05),濃度為0.25、0.5和 1 g·L-1時(shí),POD酶活性隨小麥浸提液濃度的增大而減弱,分別低于對(duì)照8.06%、21.83%和29.34%;小麥浸提液濃度為 0.1 g·L-1、0.25 g·L-1和0.5 g·L-1時(shí),受體苜蓿 POD酶活性較對(duì)照高出6.64%、16.85%和8.48%,小麥浸提液濃度為1 g·L-1時(shí),受體苜蓿的POD酶活性減弱,低于對(duì)照21.97%。

      圖 5 浸提液濃度處理的苜蓿、小麥POD活性Figure 5 Peroxidase (POD) activity of alfalfa and wheat treated with different concentrations of leaching solution.

      CAT酶可促使H2O2分解為分子氧和水,清除體內(nèi)的過(guò)氧化氫,從而使細(xì)胞免于遭受H2O2的毒害,是生物防御體系的關(guān)鍵酶之一,其活性大小代表了植物的代謝強(qiáng)度。苜蓿、小麥CAT酶活性在自毒效應(yīng)影響下,均隨浸提液濃度增大而下降,但受體苜蓿CAT酶活性降低更明顯;苜蓿、小麥他感作用中,隨浸提液濃度增大CAT酶活性呈先上升后下降趨勢(shì)(圖6)。苜蓿浸提液濃度為0.1、0.25 g·L-1,受體苜蓿的 CAT 酶活性與對(duì)照差異不顯著 (P>0.05),濃度為 0.5、1 g·L-1時(shí),受體苜蓿CAT酶活性分別低于對(duì)照12.13%和26.89%;苜蓿浸提液濃度為 0.1、0.25 和 0.5 g·L-1時(shí),受體小麥CAT酶活性增強(qiáng),分別顯著高于對(duì)照14.88%、39.49% 和 35.72%(P< 0.05), 濃 度 為 1 g·L-1時(shí) ,CAT酶活性減弱,低于對(duì)照7.14%。小麥浸提液濃度為0.1、0.25g·L-1,受體小麥CAT酶活性與對(duì)照差異不明顯 (P>0.05),小麥浸提液濃度為 0.5、1 g·L-1時(shí)受體小麥的CAT酶活性受抑,分別低于對(duì)照9.08%、32.26%;小麥浸提液濃度為0.1、0.25、0.5 g·L-1時(shí),受體苜蓿的CAT酶活性分別顯著高于對(duì)照 19.30%、40.71% 和 37.82%(P<0.05),濃度為1 g·L-1時(shí),受體苜蓿CAT酶活性減弱,低于對(duì)照22.65%。

      圖 6 浸提液濃度處理的苜蓿、小麥CAT活性Figure 6 Catalase (CAT) activity of alfalfa and wheat treated with different concentrations of leaching solution

      2.3.2 浸提液對(duì)苜蓿和小麥MDA、H2O2含量和相對(duì)膜透性的影響

      MDA的含量是反映膜質(zhì)過(guò)氧化程度的重要依據(jù)。自毒效應(yīng)導(dǎo)致MDA含量呈上升趨勢(shì),他感效應(yīng)使MDA含量呈先減后增趨勢(shì)(圖7)。苜蓿浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體苜蓿的MDA含量與對(duì)照差異不顯著 (P<0.05),濃度為 0.25、0.5 和 1 g·L-1時(shí),受體苜蓿MDA含量較對(duì)照高出 18.42%、24.39%和 48.33%(P>0.05);苜蓿浸提液濃度為 0.1、0.25和0.5 g·L-1時(shí),受體小麥MDA含量隨著苜蓿浸提液濃度的增大而減少,顯著低于對(duì)照 28.85%、44.23% 和 50.00%(P<0.05),濃度為 1 g·L-1時(shí),小麥MDA含量較對(duì)照高出3.85%。小麥浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體小麥的MDA含量與對(duì)照間無(wú)顯著差異 (P<0.05),濃度為 0.25、0.5 和 1 g·L-1時(shí),受體小麥MDA含量分別較對(duì)照高出7.14%、14.75%和 26.76%,且差異顯著 (P>0.05);小麥浸提液在濃度為 0.1、0.25 和 0.5 g·L-1時(shí),受體苜蓿的MDA含量分別低于對(duì)照3.2%、32.26%和12.9%,濃度為1 g·L-1時(shí) ,受體苜蓿MDA含量增加,較對(duì)照高出27.91%。

      圖 7 浸提液濃度處理的苜蓿、小麥MDA含量Figure 7 Malondialdehyde (MDA) content of alfalfa and wheat treated with different concentrations of leaching solution

      H2O2具有較強(qiáng)的氧化性,如果其含量打破平衡并有效積累,則會(huì)造成細(xì)胞內(nèi)大分子氧化損傷。苜蓿、小麥的自毒效應(yīng)使H2O2含量呈上升趨勢(shì),并且浸提液濃度大于0.5 g·L-1之后急劇增加;他感效應(yīng)使H2O2含量呈先降低后上升趨勢(shì)(圖8)。苜蓿浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體苜蓿的H2O2含量與對(duì)照無(wú)顯著差異 (P<0.05),濃度為 0.25、0.5和1 g·L-1時(shí),受體苜蓿 H2O2含量隨濃度的增大而增加,分別高于對(duì)照3.62%、7.67%和31.36%;苜蓿浸提液濃度為 0.1、0.25 和 0.5 g·L-1時(shí),受體小麥H2O2含量顯著低于對(duì)照8.16%、44.67%和17.73%(P<0.05),濃度為 1 g·L-1時(shí),小麥 H2O2含量增加,較對(duì)照高出17.25%。小麥浸提液濃度為0.1 g·L-1時(shí),受體小麥的H2O2含量與對(duì)照差異不顯著 (P<0.05),濃度為 0.25、0.5 和 1 g·L-1時(shí),受體小麥H2O2含量分別高于對(duì)照4.23%、12.79%和30.43%;小麥浸提液濃度為 0.1、0.25 和 0.5 g·L-1時(shí),苜蓿的H2O2含量顯著低于對(duì)照 18.95%、48.97%和 21.74%(P<0.05),濃度為 1 g·L-1時(shí),苜蓿 H2O2含量較對(duì)照高出22.64%。

      圖 8 浸提液濃度處理的苜蓿、小麥H2O2含量Figure 8 Hydrogen peroxide (H2O2) content of alfalfa and wheat treated with different concentrations of leaching solution

      相對(duì)膜透性的大小與植物抗逆性的強(qiáng)弱有關(guān)。苜蓿、小麥的自毒效應(yīng)對(duì)相對(duì)膜透性的影響趨勢(shì)一致,隨浸提液濃度增加而增大;他感效應(yīng)對(duì)相對(duì)膜透性的影響趨勢(shì)也大體一致,呈先減少后增加趨勢(shì)(圖9)。苜蓿浸提液濃度為 0.1 g·L-1時(shí),受體苜蓿的相對(duì)膜透性與對(duì)照無(wú)顯著差異(P<0.05), 濃度為0.25、0.5和1 g·L-1時(shí),受體苜蓿的相對(duì)膜透性分別較對(duì)照高出8.30%、12.85%和24.76%;苜蓿浸提液濃度為 0.1、0.25 和 0.5 g·L-1時(shí),受體小麥的相對(duì)膜透性分別低于對(duì)照8.79%、15.33%和4.92%,濃度為1 g·L-1時(shí),相對(duì)膜透性顯著高于對(duì)照 22.69%(P<0.05)。小麥浸提液濃度為 0.1 g·L-1時(shí),受體小麥相對(duì)膜透性與對(duì)照無(wú)顯著差異(P<0.05),小麥浸提液濃度為 0.25、0.5 和 1 g·L-1時(shí),受體小麥的相對(duì)膜透性分別較對(duì)照高出12%、16.88%和29.05%;小麥浸提液濃度為0.1、0.25和0.5 g·L-1時(shí),受體苜蓿的相對(duì)膜透性分別低于對(duì)照11.10%、25.44% 和 12.75%,濃度為 1 g·L-1時(shí),苜蓿的相對(duì)膜透性高于對(duì)照9.18%。

      圖 9 浸提液濃度處理的苜蓿、小麥相對(duì)膜透性Figure 9 Relative membrane permeability of alfalfa and wheat treated with different concentrations of leaching solution

      3 討論與結(jié)論

      Rice[23]認(rèn)為,他感作用是指由植物或微生物釋放到環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)而對(duì)其他植物或微生物的生長(zhǎng)發(fā)育所產(chǎn)生的有利或不利的作用,他涵蓋了各種植物之間、微生物之間生化相生及相克作用。自毒作用是植物種內(nèi)相互影響的方式之一,是一種特殊的生存競(jìng)爭(zhēng)[24],當(dāng)自毒物質(zhì)積累到一定程度并超過(guò)某一臨界濃度以后會(huì)產(chǎn)生自毒效應(yīng),抑制了體內(nèi)某些重要酶的活性,從而使膜質(zhì)受到過(guò)多自由基的傷害,損傷了體內(nèi)的膜系統(tǒng),導(dǎo)致各項(xiàng)生理代謝受阻,抑制生長(zhǎng)[25]。有研究發(fā)現(xiàn)刀豆氨酸(canavanine)具有自毒效應(yīng),但含量低于1%,自毒效應(yīng)不嚴(yán)重,當(dāng)含量高于1%時(shí),自毒效應(yīng)明顯。說(shuō)明自毒物質(zhì)具有“高抑低促”的濃度效應(yīng)[26]。植物在正常生長(zhǎng)條件下體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和消除處于動(dòng)態(tài)平衡中,自由基濃度較低,不會(huì)引起植物傷害[27],但在逆境下會(huì)產(chǎn)生活性氧的積累,加劇膜脂的過(guò)氧化而導(dǎo)致膜系統(tǒng)受損,影響細(xì)胞功能[28]。SOD、CAT和POD酶組成有效清除活性氧自由基的抗氧化酶系統(tǒng),維持體內(nèi)的活性氧代謝平衡,保護(hù)膜結(jié)構(gòu)[29]。本研究結(jié)果顯示,苜蓿浸提液抑制受體苜蓿的整體生長(zhǎng),并且隨著浸提液濃度增大,抑制作用增強(qiáng)。小麥浸提液對(duì)受體小麥的自毒效應(yīng)與苜蓿浸提液對(duì)受體苜蓿的自毒效應(yīng)類同。說(shuō)明浸提液濃度是自毒效應(yīng)強(qiáng)弱的重要依據(jù),浸提液通過(guò)降低酶活性,影響細(xì)胞膜的透性,促進(jìn)過(guò)氧化物含量增多,產(chǎn)生毒害作用[30-31]。

      苜蓿和小麥浸提液異種間處理,濃度為0.1、0.25和 0.5 g·L-1時(shí),SOD、POD、CAT 酶活性增強(qiáng),MDA、H2O2含量和相對(duì)膜透性減少,保護(hù)酶類活性增強(qiáng)可以有效清除活性氧并將其維持在降低的水平,保護(hù)細(xì)胞不受傷害,從而對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,濃度為1 g·L-1時(shí),SOD、POD、CAT酶活性開始減弱,MDA、H2O2含量和相對(duì)膜透性增加積累,活性氧得不到有效清除,從而導(dǎo)致種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)受到抑制。有研究表明苜蓿植株浸提液對(duì)苜蓿有“高抑低促”的濃度效應(yīng),在達(dá)到某“閾值”濃度時(shí)表現(xiàn)出自毒作用,超過(guò)此閾值越大,自毒效應(yīng)越顯著[32]。有研究發(fā)現(xiàn),苜蓿-小麥輪作能夠顯著提高小麥的籽粒產(chǎn)量,與小麥-小麥連作比較,小麥籽粒產(chǎn)量增加[14],本研究結(jié)果顯示,當(dāng)苜蓿和小麥浸提液濃度在0.1、0.25和0.5 g·L-1時(shí),能夠有效緩解小麥和苜蓿的自毒效應(yīng),且浸提液濃度為0.25 g·L-1時(shí)達(dá)到最佳,并且小麥浸提液對(duì)苜蓿的他感促進(jìn)作用較苜蓿浸提液對(duì)小麥的他感促進(jìn)作用強(qiáng)烈。

      植物在逆境環(huán)境中,體內(nèi)活性氧代謝平衡會(huì)被打破,過(guò)氧化物質(zhì)大量產(chǎn)生并積累,導(dǎo)致膜系統(tǒng)損傷和細(xì)胞氧化,并大量積累過(guò)氧化產(chǎn)物MDA,從而引起植物的氧化傷害。幼苗浸提液是一種混合液,其可能包含多種單個(gè)物質(zhì)或混合物質(zhì),自毒作用和他感作用都具有兩面性,而浸提液的濃度往往是促進(jìn)或抑制受體生長(zhǎng)的綜合因素。自毒作用和他感作用的機(jī)理是復(fù)雜多樣的,還需要更廣泛、深層次的研究去繼續(xù)探明其發(fā)生的反應(yīng)和次生變化,為糧草合理輪作及開發(fā)利用提供有力的理論依據(jù)。

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