油茶幼苗根和叶对早期锰胁迫生理响应特征比较

廖 阳，闫荣玲，张佳俊，程 俊，黄玉钱，彭晓琼

（湖南科技学院 生命科学与化学工程系，湖南 永州 425199）

植物在生命周期中很容易遭遇如干旱、水淹、盐碱、酸雨等逆境的危害，在受到这些胁迫时，植物的生长发育、生理状态、器官形态结构及其产量等均受到不同程度的影响[1-4]。随着人类活动范围和强度的增加，以及植物根系对土壤微环境的改变，重金属胁迫越来越被人们所重视。与其他胁迫相比，重金属胁迫具有危害程度大、危害时间长、危害面积广、治理难度大等特点[5]。

锰离子在维持叶绿体的正常结构、参与光合作用的氧化还原以及激活体内酶的活性等方面发挥着重要作用，因此，根际保持一定浓度的锰离子是植物维持正常生命活动的重要保障[6]。但是，当土壤中可溶性锰的含量超过植物所需含量时便会形成锰胁迫，特别是在锰矿资源富集地区，管理不善或处理不当更易导致锰胁迫现象的出现[7]。已有研究结果表明，锰胁迫会使植物在不同水平（整体、组织、细胞、亚细胞、分子等）上表现出毒害效应，长时间或高浓度的锰胁迫甚至会导致植株死亡[8-11]。植物受到锰胁迫后，其细胞因被激发而产生一系列级联反应，对胁迫进行响应，以维持自身正常的生理活动。响应的重要表现就是相关生理指标的变化，这些指标有的表征细胞受毒害或损伤的程度，有的则表征细胞抵御和缓解毒害的能力。有关研究结果表明，不同物种在锰胁迫下其生理响应的差异明显[9,12-13]，其研究对象主要仅仅是水生或草本植物本身，很少有对其不同器官的生理响应特征进行比较分析的。那么，作为重要木本油料作物的油茶在锰胁迫下其幼苗体内将会产生怎样的生理响应，其不同器官的生理响应又会存在怎样的差异，本研究对这些问题进行了初步的探讨。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料为树龄1 a、长势一致、状态良好、根系发达的湘林7号油茶幼苗（60株），幼苗由湖南科技学院油茶育苗基地提供。

1.2 锰胁迫处理

将幼苗作如下两组处理：一组为对照组（CK），将幼苗置于锰离子浓度为0.005 mmol/L的霍兰氏培养液中培养；另一组为处理组，将幼苗置于锰离子浓度为6 mol/L的霍兰氏培养液中培养，锰以MnSO4形式加入，6 mol/L的锰胁迫浓度是基于前期研究结果而确定的（将另文报道）。培养过程中培养液的pH值应保持为5.5，每隔4天更换1次培养液，并向培养液中通氧，以保证根系供养充足。

1.3 生理指标的测定

参照张志良等人[14]提出的方法测定根和叶两个器官中的超氧化物酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量。从开始进行分组处理的当天（第0天）持续到处理后的第20天，每隔5天测定1次幼苗的上述生理指标。

1.4 数据分析

采用Excel 2003、SPSS 19.0及Sigma plot 10.0等软件进行数据分析、统计及作图。

2 结果与分析

分析发现，CK组各生理指标在处理过程中未发生明显的变化（p＞0.05）；但处理组各生理指标的变化则显著，且不同器官间的差异明显，具体如下。

2.1 锰胁迫下油茶植株表观的变化情况

在培养过程中发现，至培养的第15天，处理组幼苗有若干老叶的边缘特别是尖端部位出现了褐斑（图1），但之后其褐斑数量和褐斑面积未明显增加，植株上的茎尖与新叶等生长发育基本正常。

图1 锰胁迫下油茶幼苗叶片上的褐斑Fig. 1 Brown speckles in C. oleifera seedling leaves under Mn stress

2.2 锰胁迫对油茶幼苗叶与根的生理影响

锰胁迫处理第20天时，CK组与处理组油茶幼苗植株叶与根中MDA含量、SOD和POD酶活性的测定结果如图2所示，三个生理指标在处理后均显著增加（p＜0.01）。

2.3 油茶幼苗叶和根对锰胁迫生理响应特征的比较

持续处理20天内，随着锰胁迫时间的延长，叶和根中的MDA含量和SOD、POD酶活性均呈现出逐渐增加或增强的变化趋势，且MDA含量和SOD活性均为叶＞根，POD活性则相反，为根＞叶（如图3所示）。对比分析同一器官的两种抗氧化酶活性则发现，叶中SOD活性＞POD活性，而根中POD活性＞SOD活性（如图4所示）。

图2 锰胁迫对油茶幼苗叶与根中SOD与POD活性及MDA含量的影响Fig. 2 Effect of Mn stress on SOD activity, POD activity and MDA content in leaves and roots of C. oleifera seedlings

图3 SOD与POD活性及MDA含量在叶和根中的变化规律Fig. 3 Change laws of SOD activity, POD activity and MDA content in leaves and roots

从图3中可以看出，在不同的锰胁迫时间段根和叶中各生理指标值的增速、增幅各不相同，如锰胁迫第5～10天根中POD活性急剧增强，叶中POD活性则在锰胁迫第5天后持续增强。而在锰胁迫的第0～5天，根和叶中MDA 含量、POD活性的增幅均较小，但其SOD活性的增幅均较大，且增幅根大于叶（图5）。

图4 SOD与POD活性在叶与根中的变化规律Fig. 4 Change laws of SOD and POD activities in leaves and roots

图5 锰胁迫开始的5天内根和叶中SOD与POD活性和MDA含量增幅的比较Fig. 5 Comparison of increasing ranges of SOD activity,POD activity and MDA content in leaves and roots infive days from Mn stress beginning

3 讨 论

因为茶油的营养价值高，而且油茶种植不占用耕地，故其越来越被人们重视。关于油茶的栽培与育种、分子克隆、逆境胁迫以及重金属富集特征等方面的研究正蓬勃开展[15-19]，但至今还鲜见油茶对锰胁迫生理响应的相关研究报道。本实验结果显示，以锰离子浓度为6 mol/L的霍兰氏培养液持续培养20天后，油茶植株的表观性状与各生理指标均显示出正常状态，说明油茶具有一定的抗锰胁迫的能力。有关研究者在对木本植物马尾松的研究[18]中也发现，马尾松也能较好地抵御锰胁迫。

实验结果显示，随着锰胁迫时间的持续，油茶幼苗各器官不断富集锰离子，激发了机体的生理响应。随着处理时间的增加，MDA含量、POD与SOD活性均呈现逐渐增加的趋势，且与对照组的差异显著（p＜0.01）。生理指标的变化说明，锰离子在油茶幼苗各器官中的富集对细胞产生了不利影响，细胞代谢产生越来越多的自由基等有害物质，导致了MDA含量的逐渐增加。但同时，在一定范围内细胞的抗氧化酶活性也逐渐增强，不断增强的抗氧化能力减弱了锰离子富集对细胞所产生的破坏效应，延缓了叶和根内MDA的增加速度，使细胞维持于正常的生理状态中[9,12]。当然，在整个生理响应过程中，发生了一系列复杂的细胞信号传导、基因表达调控以及酶活性调节[21-22]。

相同生理指标在油茶幼苗根与叶两个不同器官中的响应存在明显的差异，图3表明：MDA含量，叶＞根；SOD活性，叶＞根；而POD活性，根＞叶。由此推测，锰离子被根吸收并向上转移到叶片后，叶细胞对锰离子浓度的增加更加敏感，虽然抗氧化酶系统积极响应以保护细胞，但叶中MDA的增速还是大于根。另外，实验中还发现，叶中的SOD活性＞POD活性，根中的POD活性＞SOD活性，这说明，机体在抗氧化过程中，SOD在叶片中起着主导作用，而POD在根中起着主导作用，即不同器官的响应会存在一定的差异。陈燕珍等人[23]在对商陆Phytolacca acinosa的研究中也发现，锰胁迫下商陆的叶和根中SOD和POD活性的差异明显。虽然SOD和POD在响应过程中存在差异，但二者在油茶幼苗应对锰胁迫时均发挥了重要作用。值得一提的是，实验中发现，在锰胁迫的第0～5天，SOD活性在根和叶中的增幅均远高于其他两个指标（图5），说明油茶幼苗体内SOD对锰胁迫更加灵敏，在响应的起始阶段可能发挥了关键作用。

当胁迫与抗胁迫在某个器官或器官的某一个部位失衡时，则会产生不可逆的损伤并在表观上表现出来。我们注意到，锰胁迫第15天时就有若干老叶的边缘出现了褐斑状症状，说明锰胁迫确实给植株造成了影响，但实验中未发现褐斑增加，说明机体生理响应对锰胁迫的抵御是积极有效的。油菜在锰胁迫下也是叶片最先出现症状的，这与我们的实验结果一致[24]。但是，为什么褐斑首先会出现在老叶的叶尖和边缘，对此则还需进一步探讨。

4 结 论

锰胁迫初期，油茶幼苗各生理指标协同响应以应对外界环境的变化，但不同器官受锰胁迫的毒害程度不同，抗逆境的主导酶以及酶响应的速度都有差异。

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