錳脅迫對不同基因型玉米幼苗抗氧化酶活性及丙二醛含量的影響

張 迪，呂思琪，張婉婷，姜佰文

（1.東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省肥料工程技術研究中心，哈爾濱 150086）

錳是維持植物生長發育所需微量元素之一，是多種酶的活化劑，錳缺乏影響植物生長發育和代謝，主要表現在堿性土壤和沙土上，土壤中可被作物吸收利用的錳不足以維持作物正常生長。植株缺錳可出現葉片失綠，根部不發達，成熟期無法正常開花結果[1]。由于錳移動性較差，缺錳首先表現在新葉上，嚴重時出現黃斑病。適量錳可增強植物光合能力、提高抗逆性和產量[2]。但錳過量會降低產量及品質，甚至導致植物死亡[3-4]。受外界脅迫時，植物具有抗氧化酶類組成的保護系統，可抵御外界傷害，降低損傷程度。

玉米是錳富集植物，錳缺乏和過量均會對玉米造成脅迫。研究表明，玉米缺錳時，破壞葉綠體結構，無法在維管束鞘細胞中形成淀粉粒，降低玉米光合能力[5]。李青軍等研究表明，適量硫酸錳浸種，有效加快玉米種子新陳代謝，促進種子萌發，發芽勢和發芽率大幅增高，浸種玉米幼苗葉綠素含量明顯高于對照，內芽和根呼吸速率也顯著增強，加快玉米苗期生長[6]。張鐵強等發現，適量錳施用有效增強玉米葉片氣孔導度、光合能力和水分利用，干旱狀況下效果最為顯著[7]。適量錳可有效提高作物抗逆能力，杜新民研究表明，適量鋅錳肥配施提高小白菜抗氧化酶活性，降低丙二醛（MDA）含量，增強小白菜抗逆能力，延緩小白菜衰老[8]。適量錳硼肥顯著提高黃瓜超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）含量，降低MDA含量，有效提高黃瓜產量[9]。

本試驗以5種玉米基因型為研究對象，探討不同水平錳處理下玉米苗期生長發育、錳含量及抗氧化酶活性和丙二醛含量差異，評價土壤錳脅迫下不同基因型玉米對不同劑量錳耐受程度，為錳肥合理施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗于2016～2017年在東北農業大學網室內自然光下，沙培培養，塑料盆內徑17 cm，高度13.5 cm，盆內裝高溫滅菌并經飽和硫酸鈣溶液浸過的沙子和蛭石（體積比1:1）。5種供試玉米基因型分別為墾粘1號（K）、雙玉201（S）、東青1號（D）、吉農大516（J）和先玉335（X）。

1.2 方法

試驗設置5種玉米基因型Mn1、CK、Mn2、Mn3、Mn4，對照錳濃度（0.005 mmol·L-1），4次完全重復隨機設計，5個處理氯化錳（MnCl2·4H2O）濃度分別為0、0.00099、0.99、1.98和3.96 g·L-1。選取尺寸一致5種基因型種子育種，出芽1 cm后移栽，每盆定植幼苗4株。待植株一葉一心期后，每3 d分別澆灌霍格蘭營養液（硝酸鈣：945 mg·L-1，硝酸鉀：506 mg·L-1，硝酸銨：80 mg·L-1，磷酸二氫鉀：136 mg·L-1，硫酸鎂：49 mg·L-1，鐵鹽溶液：2.5 mL·L-1，微量元素：5 mL·L-1）50 mL。各處理澆灌的營養液除錳含量不同外，其他營養元素用量一致。去離子水澆灌以保證植株正常生長發育，保持沙中70%含水量。

1.3 測定項目及方法

植株生長至20 d取樣，分離地上和地下部分，去離子水徹底清洗。取鮮樣分析抗氧化酶活性和丙二醛含量，剩余根和地上部分放入105℃烘箱殺青30 min，于65℃至恒重測定生物量。SOD活性測定采用氮藍四唑（NBT）法[10]，POD活測定性采用愈創木酚法[11]，CAT活性測定采用比色法[12]，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸（TBA）法[13]。測定根系構型采用萬深公司LA-S根系分析系統及根系掃描儀分析測定，每組根系樣品利用蒸餾水洗凈，置于30 cm×40 cm樹脂玻璃槽內，槽內注水3～4 mm，待根系充分散開，雙面光源掃描。

1.4 統計及分析

采用Excel 2011和SPSS 17.0軟件處理和分析數據。

2 結果與分析

2.1 錳脅迫對不同基因型玉米苗期株高的影響

由圖1可知，在錳缺乏時期，各基因型株高相對于CK均有不同程度下降，差異顯著，說明適量施錳增加株高。隨錳濃度升高，株高呈下降趨勢，K基因型Mn2、Mn3、Mn4較CK分別下降3.23、7.08、13.88 cm；J基因型下降2.85、3.53、0.75 cm；S基因型下降5.5、11.08、16 cm；D基因型下降8.38、12.13、18.13 cm；X基因型下降2.03、3.1、6.4 cm；J基因型隨濃度升高株高下降較平緩，其次是X基因型。D、S基因型隨錳濃度增加株高下降明顯，各處理差異顯著，S是株高最矮基因型。隨錳毒害增強，J基因型變化平穩，為耐受基因型，S基因型受錳脅迫株高變化最大，為錳敏感基因型。

2.2 錳脅迫對不同基因型玉米苗期根系構成的影響

不同基因型玉米Mn4脅迫水平下玉米苗期根系掃描圖像見圖2，不同基因型玉米苗期Mn4水平下根系掃描相關參數見表1。

圖1 不同濃度錳對不同玉米幼苗株高的影響Fig.1 Effectsof different manganeseconcentrationson seedling height of different maizegenotypes

圖2 不同濃度錳對不同基因型玉米根系構成的影響Fig.2 Effects of different manganese concentrationson seedling root structures of different maizegenotypes

表1 不同濃度錳對不同玉米幼苗發育的影響Table1 Effectsof different manganeseconcentrationson seedling developmentsof different maizegenotypes

由表1和圖2可知，各基因型根長均較CK下降，其中X基因型下降最多，達32.7%，其次為基因K，下降27.3%。錳毒害對D基因型根長影響相對較小，較CK下降23.8%。在Mn4濃度下，X基因型根表面積133.11 cm2，較CK下降最大，達49.9%，其次為J基因型下降45.4%，D基因型根表面積較CK下降最少，為11.2%。X基因型根體積2.76 cm3，較CK下降66.0%，平均直徑0.42 cm，較CK下降最大，為27.6%。D基因型根體積、平均直徑、根尖數均較CK處理略有增加。由此說明，D基因型根部抗性較強，X基因型根部對錳敏感。

2.3 錳脅迫對不同基因型玉米苗期生物量的影響

由圖3可知，在CK錳濃度下地上部分生物量明顯高于不施錳處理，除K基因型外均差異顯著，K基因型CK較Mn1升高11.76%，說明施用適量錳可增加玉米地上部分生物量。而后隨錳濃度增加，地上部分生物量呈下降趨勢。J基因型為地上生物量最高基因型，S為地上生物量最低基因型。根部生物量變化基本和地上部生物量變化基本一致，但下降趨勢較為平緩。J、D基因型在Mn2濃度之前均呈上升趨勢，且Mn3、Mn4濃度間無顯著差異。說明錳濃度變化對根部生物量影響較小。J基因型為根部生物量最大基因型。

2.4 錳脅迫對不同基因型玉米苗期錳含量的影響

2.4.1 錳脅迫對不同基因型玉米苗期地上部錳含量的影響

由圖4可知，K、J、S、D基因型在Mn1濃度下錳含量略高于CK，但無顯著差異。CK濃度下各基因型玉米地上部分錳含量差異小。Mn2濃度下K基因型地上部分錳含量為最高值，分別高于J（52.12%）、S（63.50%）、D（38.06%）、X（56.42%）。Mn3濃度下K基因型地上部錳含量顯著高于其他基因型，差異顯著，分別高于J（38.86%）、S（38.32%）、D（37.68%）、X（35.75%）。Mn4濃度下K基因型地上部錳含量分別高于J（41.86%）、S（8.56%）、D（33.06%）、X（39.40%）?？梢?，K、S基因型為地上部錳吸收較好基因型，J基因型為隨錳濃度升高變化最緩慢基因型。

2.4.2 錳脅迫對不同基因型玉米苗期根部錳含量的影響

由圖5可知，K、X基因型為根部錳含量最高基因型，K基因型CK和Mn1濃度下無顯著差異，Mn2、Mn3、Mn4濃度下隨濃度升高根部錳含量明顯上升，差異顯著。J基因型在錳濃度由10 mmol·L-1升至20 mmol·L-1時根部錳濃度變化較小，無顯著差異，且J、X基因型在20 mmol·L-1錳濃度時根部錳含量為最低處理，與其他處理差異顯著。

圖3 不同濃度錳對玉米幼苗地上部和根部生物量的影響Fig.3 Effects on different manganeseconcentrations seedling shoot and root biomass of different maize genotypes

圖4 不同濃度錳對不同玉米幼地上部錳含量的影響Fig.4 Effectsof different manganeseconcentrationson seedling shoot Mn contentsof different maizegenotypes

圖5 不同濃度錳對不同玉米幼苗根部錳含量的影響Fig.5 Effects of different manganese concentrations on seedling root Mn contents of different maize genotypes

2.5 錳脅迫對不同基因型玉米苗期超氧化物歧化酶活性的影響

K基因型隨錳濃度上升，SOD活性隨之增加。與對照相比，Mn2、Mn3、Mn4分別升高58.42%、78.45%、115.44%。J基因型與對照相比Mn2、Mn3、Mn4分別升高166.91%、271.69%、223.16%，錳濃度達20 mmol·L-1時，SOD活性下降，但與Mn3無顯著差異，此時已達錳脅迫臨界值。S基因型與對照相比，Mn2、Mn3、Mn4分別升高131.97%、165.31%、315.65%，隨錳濃度變化，S基因型變化明顯，D基因型SOD活性較高。

相同錳濃度脅迫下，各基因型玉米SOD活性存在差異。在錳缺乏時期K、S、D、X較J增加174.67%、14.62%、210.93%、246.98%。在CK濃度下K、S、D、X較J增加53.08%、8.09%、146.32%、157.80%。在Mn2濃度下K、J、D、X較S增加53.08%、6.45%、30.35%、47.27%。在Mn3濃度下K、J、D、X較S增加50.77%、29.62%、65.64%、62.52%。在Mn4濃度下K、S、D、X較J增加61.52%、39.02%、79.74%、73.16%。隨錳濃度增加，各基因型間差值呈先降后升趨勢，Mn2濃度下差值最小。

圖6 不同濃度錳對不同基因型玉米幼苗SOD酶活性的影響Fig.6 Effectsof different manganese concentrationson seedling SOD activitiesof different maize genotypes

2.6 錳脅迫對不同基因型玉米苗期過氧化物酶活性的影響

D基因型隨錳脅迫增強POD活性隨之升高，且錳濃度在10和20 mmol·L-1時差異顯著，分別高于CK 28.05%和47.11%。K和X基因型隨錳脅迫增強呈先升后降趨勢，在Mn3濃度下達最大值，之后回落。K基因型Mn3和Mn4濃度下無顯著差異，較Mn3降低6.67%，下降幅度較小，而X基因型Mn3和Mn4濃度下差異顯著，較Mn3降低19.89%，下降較為明顯。J和S基因型在Mn2濃度下達最大值，而后開始下降，Mn3與Mn2無顯著差異，與Mn4差異顯著。J基因型Mn3、Mn4較Mn2下降4.29%、14.81%；S基因型下降3.55%、19.62%。D基因型在不同錳脅迫下POD活性均高于其他基因型，說明D基因型過氧化物酶活性較強，對錳脅迫抗性較強。S基因型對錳脅迫變化不明顯，過氧化物酶活性處于最低值，因此S為抗性較弱基因型。

圖7 不同濃度錳對不同基因型玉米幼苗POD活性的影響Fig.7 Effects of different manganese concentrations on seedling POD activities of different maizegenotypes

2.7 錳脅迫對不同基因型玉米苗期過氧化氫酶活性的影響

K、S和X基因型在Mn2濃度時達最大值后開始下降，K、S基因型在Mn3濃度后CAT活性變化較小，基本趨于穩定，K基因型Mn3、Mn4濃度下分別下降32.54%、24.60%；S基因型下降28.57%、26.79%，K、S基因型Mn2和Mn3、Mn4差異顯著。X基因型呈階梯狀下降，較Mn3、Mn4分別下降9.84%、13.22%，Mn2、Mn3、Mn4無顯著差異。J基因型在Mn3濃度時達最大值，在錳脅迫加強時CAT活性下降。D基因型隨錳脅迫增強，CAT活性呈明顯上升趨勢，Mn2、Mn3、Mn4分別較CK上升7.41%、29.17%、62.96%。D基因型在不同錳濃度下CAT活性均遠高于其他基因型，說明該基因型清除過氧化氫能力較強，D為抗性較強基因型。

2.8 錳脅迫對不同基因型玉米苗期丙二醛含量的影響

隨錳濃度增加，各基因型MDA含量隨之增加。K和D基因型變化較一致，呈階梯狀升高，K基因型Mn2、Mn3、Mn4分別較CK增加17.14%、40.06%、54.90%，上升較緩慢，Mn3、Mn4和Mn2差異顯著。D基因型Mn2、Mn3、Mn4分別較CK增加38.32%、47.40%、116.07%，各濃度間差異顯著。J、S、X基因型在Mn4濃度下，MDA含量急劇升高，分別較Mn3增加91.47%、232.36%、158.73%，說明當錳濃度達20 mmol·L-1時，該基因型細胞膜已嚴重破壞。在不同錳濃度下D基因型MDA值最小，說明細胞膜受破壞最小，抗性較強。S基因型受破壞程度最嚴重，抗性較弱。

圖8 不同濃度錳對不同基因型玉米幼苗CAT活性的影響Fig.8 Effectsof different manganese concentrations on seedling CAT activities of different maize genotypes

圖9 不同濃度錳對不同基因型玉米幼苗MDA含量的影響Fig.9 Effects of different manganese concentrations on seedling MDA contents of different maize genotypes

3 討論

錳缺乏影響植物代謝功能，錳過量顯著降低植株生物量[14]。植株生長狀況可反映植株受環境脅迫傷害程度，錳脅迫抑制植株生長發育，降低地上部高度和根部長度，減少植株干重和鮮重，對植株各部分影響程度不同。本試驗結果表明，高濃度錳對植株生長發育抑制作用明顯。文珂等研究表明，隨錳濃度升高，青葙幼苗根長、芽長降低，幼苗總生物量下降[15]。地上部受錳脅迫較根部嚴重，說明錳毒害先影響地上部分，其次是根部，與錳脅迫下油菜葉片出現癥狀結果一致[16]。說明錳毒害首先在地上部表達，區別于其他重金屬的根部表達。隨錳濃度增加，各基因型地上部和根部錳含量均上升，根部對錳吸收較好。J基因型對錳含量吸收較弱，含量較低，不易對玉米造成抑制。

在植株正常生理狀態下，植株體內活性氧產生和清除間達動態平衡。當植株受到錳脅迫時，體內自動調節，對細胞膜酯產生氧化反應，損傷細胞膜結構，使膜脂過氧化物MDA大量累積，抑制作物生長發育[17]。為清除逆境脅迫產生的過氧化物，增加SOD、POD、CAT活性，以維持細胞正常生理活動，植株體內抗氧化酶活性升高表明植株在積極抵抗外界脅迫。本研究結果表明，隨錳濃度不斷增加，植株體內SOD活性隨之增強，POD和CAT活性在10 mmol·L-1時呈下降趨勢，植株自身調節有限，超過植株最大承受力后開始下降。劉秀春等發現，八棱海棠砧木的蘋果幼樹受錳脅迫后葉片SOD、POD、CAT活性顯著提高[18]。王丹娟等發現，在低濃度錳脅迫中，SOD、POD、CAT活性均隨錳濃度增加而增加[19]，耐性基因型高濃度下增加更顯著。MDA含量隨錳濃度增加而升高，20 mmol·L-1時明顯升高，說明脅迫對植株損傷程度超出抗氧化酶抵御范圍，植株無法維持正常生理活動。王佳等研究表明，高錳脅迫使植物葉片有不同程度MDA積累[20]。綜合各項生理指標和抗氧化酶活性可知，D基因型為耐受基因型，具有較高抵御錳脅迫能力。

4 結論

低錳和高猛脅迫使玉米植株株高、根長、生物量較CK降低。玉米株高較CK下降2.83～18.13 cm；在Mn4條件下根長較CK下降200.27～434.77 cm，根表面積下降14.82～132.85 cm2。隨錳脅迫增強，地上和地下部分生物量均下降，根部生物量下降較為緩慢。隨錳濃度增加，地上部和根部錳含量均增加，根部對錳吸收較好，J基因型吸收錳能力較弱。

在一定錳濃度范圍內，SOD、POD、CAT隨錳濃度增加而增加，在達到該基因型最大承受能力時均有不同程度下降。D基因型為SOD活性較高基因型，S基因型的SOD活性較低。隨錳脅迫增強，僅D基因型POD活性不斷上升，其他基因型在Mn2或Mn3濃度時達臨界值。CAT是受錳濃度變化影響最大的酶，D基因型CAT活性高于其他基因型。錳脅迫加重增加各基因型MDA含量，S基因型MDA含量最高，為錳敏感型基因型，D基因型MDA含量較低，為錳較強抗性基因型。