邻苯二甲酸和肉桂酸对沙芥属植物生长及保护酶活性的影响

宁可真，袁学松，杨忠仁,2，郝丽珍，张凤兰，孙晶洁

(1内蒙古农业大学 园艺与植物保护学院 内蒙古自治区野生特有蔬菜种质资源与种质创新重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011;2内蒙古自治区农牧业大数据研究与应用重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011；3乌海市农业产业化指导服务中心，内蒙古 乌海 016000)

沙芥(Pugioniumcornutum(L.) Gaertn.)和斧形沙芥(PugioniumdolabratumMaxim.)为十字花科沙芥属2年生草本植物[1]，分布于我国的内蒙古、宁夏、甘肃等地区[2-3]。沙芥为我国特有种，斧形沙芥为珍稀濒危物种[4]。沙芥属植物营养价值丰富，可食用[5-6]、饲用，抗逆性好[7]，可用于预防水土流失[8]，具有很高的经济、生态价值，但由于环境恶化以及人为破坏[9]，其野生种逐年减少[10]。目前沙芥属植物已开始人工种植，但连作产生的自毒作用会导致出苗率低、苗不整齐、生长不良以及减产等问题。自毒作用是植物通过淋溶、残体分解、根系分泌等方式向周围环境释放自毒物质, 对植物生长起到阻碍作用的现象[11-14]，是连作障碍形成的主要原因之一。在自毒物质胁迫下，植物幼苗的株高、根长等均受到抑制，同时体内过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性下降，膜质过氧化加重，表明自毒物质会破坏植物保护酶系统，降低其生理抗性，不利于植物生长[15-16]。目前，人们已从果蔬等易发生连作障碍的作物根系分泌物中分离出邻苯二甲酸、肉桂酸等10余种酚酸类自毒物质[12-14]。有研究发现，邻苯二甲酸可以影响茄子、黄瓜、辣椒等蔬菜[17-18]及小豆[19]、花生[20]等作物种子和幼苗的生长发育，且整体表现出“低促高抑”的效果。本课题组鲍红春等[11,21]研究发现，沙芥浸提液具有自毒作用，其中含有的邻苯二甲酸和肉桂酸对白菜种子萌发及幼苗生长均有不同程度的抑制作用。但关于邻苯二甲酸和肉桂酸对沙芥属植物的影响目前尚未见相关研究报道。为此，本研究用不同浓度邻苯二甲酸和肉桂酸溶液处理沙芥和斧形沙芥的幼苗，观测其生长和保护酶活性的变化情况，以期为沙芥属植物自毒物质作用的机理研究提供数据，为更好地开发和利用沙芥属植物提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

沙芥和斧形沙芥种子，均采自毛乌素沙地。邻苯二甲酸由国药集团化学试剂有限公司提供，肉桂酸由天津博迪化工股份有限公司提供。

1.2 试验设计

试验于2019年在内蒙古自治区野生特有蔬菜种质资源与种质创新重点实验室温室中进行。沙芥和斧形沙芥种子经消毒后在25 ℃恒温箱内催芽，将发芽一致的种子播于营养钵(高18 cm，直径15 cm)中，培养基质为蛭石和土壤配成的混合基质(体积比1∶1)，待幼苗子叶展平后，分别用0(对照，CK)，0.01，0.1，1和10 mmol/L的邻苯二甲酸、肉桂酸溶液处理幼苗,每钵浇灌100 mL，每隔3 d浇灌1次。待沙芥和斧形沙芥生长至6叶1心时，采集幼苗根和叶进行各项指标的测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标 用直尺测量叶长(叶柄基部至叶尖的长度)和根长(根茎底部至根尖的长度)；用千分之一电子天平分别称叶和根鲜质量；将叶和根置于105 ℃烘箱中杀青15 min后，于60 ℃烘干至恒质量，用千分之一电子天平称其干质量。

1.3.2 抗氧化指标 按照王春台等[22]的方法测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性。用愈创木酚法[23]测定过氧化物酶(POD)活性。用硫代巴比妥酸比色法[24]测定丙二醛(MDA)含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0进行数据处理与分析，用Duncan’s进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥幼苗生长的影响

邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥生长的影响见表1。由表1可知，邻苯二甲酸和肉桂酸对沙芥叶和根的生长均表现为低浓度(0.01 mmol/L)促进高浓度抑制，且随着浓度的增加抑制作用加强。当邻苯二甲酸浓度为0.01 mmol/L时，沙芥的根长、叶干质量显著高于其他处理(P<0.05)；当肉桂酸浓度为0.01 mmol/L时，沙芥的叶长、根长、根鲜质量、叶干质量均显著高于其他处理(P<0.05)。不同浓度邻苯二甲酸和肉桂酸对斧形沙芥叶和根的生长均表现为抑制作用，且随着浓度的增大抑制作用增强。结果表明，0.01 mmol/L邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥根生长的促进作用强于叶，而同条件下斧形沙芥叶和根均受到抑制，且对叶生长的抑制作用强于根。

表1 邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥生长的影响Table 1 Effect of phthalic acid and cinnamic acid on growth of Pugionium cornutum (L.) Gaertn. and Pugionium dolabratum Maxim.

表1(续) Continued table 1

2.2 邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥保护酶活性的影响

2.2.1 SOD活性 由图1可知，随着邻苯二甲酸和肉桂酸浓度的增大沙芥叶和根中SOD活性均呈现先升高后下降的趋势。0.1 mmol/L邻苯二甲酸处理沙芥叶和根中SOD活性最高，显著高于对照(P<0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸处理沙芥叶中SOD活性最高，显著高于对照(P<0.05)，0.1 mmol/L肉桂酸处理沙芥根SOD活性最高，显著高于对照(P<0.05)。

由图1可见，随着邻苯二甲酸浓度的增大，斧形沙芥叶SOD活性呈逐渐降低趋势，0.01～10 mmol/L邻苯二甲酸处理均显著低于对照(P<0.05)；斧形沙芥根SOD活性呈先升高后降低趋势， 0.1 mmol/L邻苯二甲酸处理SOD活性最高，显著高于对照(P<0.05)。肉桂酸处理斧形沙芥叶和根中SOD活性均呈逐渐降低趋势，在10 mmol/L肉桂酸处理下最低，显著低于对照(P<0.05)。

图柱上标不同小写字母表示同种自毒物质不同浓度处理对同种植物同一部位影响显著(P<0.05)。下图同Different lowercase letters indicate significant effects among concentrations (P<0.05).The same below图1 邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥幼苗SOD活性的影响Fig.1 Effect of phthalic acid and cinnamic acid on SOD activity of seedling of Pugionium cornutum (L.) Gaertn.and Pugionium dolabratum Maxim.

2.2.2 POD活性 由图2可知，随着邻苯二甲酸和肉桂酸浓度的增大，沙芥叶和根的POD活性均呈现先升高后下降的趋势。0.01 mmol/L邻苯二甲酸处理沙芥叶和根中POD活性最高，但与对照差异不显著(P>0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸处理沙芥叶和根中POD活性最高，显著高于对照(P<0.05)。

由图2还可知，随着邻苯二甲酸和肉桂酸浓度的增大，斧形沙芥叶和根POD活性均呈现先升高后下降趋势。0.01 mmol/L邻苯二甲酸处理斧形沙芥叶和根中POD活性最高，显著高于对照(P<0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸处理斧形沙芥叶和根中POD活性最高，但与对照差异不显著(P>0.05)。

图2 邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥幼苗POD活性的影响Fig.2 Effect of phthalic acid and cinnamic acid on POD activity of seeding of Pugionium cornutum(L.) Gaertn.and Pugionium dolabratum Maxim.

2.2.3 CAT活性 由图3可知，随着邻苯二甲酸和肉桂酸浓度的增大，沙芥叶和根CAT活性均呈现先升高后下降的趋势。0.01 mmol/L邻苯二甲酸处理沙芥叶和根中CAT活性最高，显著高于对照(P<0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸处理沙芥叶和根中CAT活性最高，其中叶显著高于对照(P<0.05)，而根与对照差异不显著(P>0.05)。

图3显示，随着邻苯二甲酸与肉桂酸浓度的增大，斧形沙芥叶和根CAT活性均呈现先升高后下降的趋势。0.01 mmol/L邻苯二甲酸处理斧形沙芥叶中CAT活性最高，显著高于对照(P<0.05)。0.01 mmol/L邻苯二甲酸处理斧形沙芥根中CAT活性最高，显著高于对照(P<0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸处理斧形沙芥叶和根中CAT活性最高，显著高于对照(P<0.05)。

图3 邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥CAT活性的影响Fig.3 Effect of phthalic acid and cinnamic acid on CAT activity of seeding of Pugionium cornutum(L.) Gaertn.and Pugionium dolabratum Maxim.

2.3 邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥MDA含量的影响

由图4可知，沙芥和斧形沙芥叶和根MDA含量均随邻苯二甲酸与肉桂酸浓度的升高而增大，均在10 mmol/L下达到最大，显著高于对照(P<0.05)；叶片中的MDA含量高于根。

图4 邻苯二甲酸、肉桂酸对沙芥和斧形沙芥MDA含量的影响Fig.4 Effect of phthalic acid and cinnamic acids on MDA content of Pugionium cornutum (L.) Gaertn.and Pugionium dolabratum Maxim.

3 讨论与结论

自毒作用通过多种方式对植物生长发育产生影响[25]。张重义等[26]研究发现，自毒物质的作用由其浓度决定，低浓度自毒物质对植物生长具有促进作用，而高浓度则表现为抑制作用或无作用。番茄植株水提液对生菜、萝卜、白菜、豇豆和水稻等受体植物株高表现为低浓度促进而高浓度抑制的效应[27]。本研究结果表明，经邻苯二甲酸与肉桂酸处理后沙芥幼苗叶长、叶鲜质量和干质量、根长、根鲜质量和干质量均表现出“低促高抑”现象，并且存在剂量效应，在浓度为0.01 mmol/L时有促进效果，浓度继续增大时生长指标均下降，这与Jefferson等[27]的研究结果一致。而斧形沙芥经邻苯二甲酸和肉桂酸处理后其幼苗生长均受到抑制作用，这与曹光球等[28]对杉木的研究结果有一定差异，原因可能是斧形沙芥抗逆性较弱，对外源抑制物更加敏感。

自毒物质会诱导活性氧累积，对植物造成伤害，而植物会通过增强保护酶活性来应对这种氧化损伤[29-31]。植物在受到自毒物质的胁迫后保护酶开始发挥作用，POD、SOD、CAT是有效的保护酶系统[32]，能使植物细胞中活性氧的产生和清除保持动态平衡，防止膜脂过氧化，保护膜结构和功能的完整性[33]。保护酶活性越高，一定程度上表明植物抗氧化和清除毒害物质的能力越强，但是当自毒物质继续积累，保护酶活性下降，膜功能损害，植株生长受到抑制。MDA是细胞膜脂过氧化作用的产物，其含量高低反映了质膜受伤害的程度[31]。本试验结果显示，当邻苯二甲酸与肉桂酸浓度为0.01 mmol/L时，沙芥和斧形沙芥幼苗的保护酶活性增强，此时植株可以有效清除活性氧自由基并维持平衡，抗逆性增强；但随着二者浓度继续增大，沙芥属植物酶活性下降，脂膜过氧化作用增强，MDA含量随之升高，细胞膜被破坏，这与张志忠等[34]的研究结果一致。

综上所述，高浓度的外源邻苯二甲酸和肉桂酸通过影响沙芥属植物幼苗内抗氧化酶活性、破坏细胞膜结构和功能，从而抑制沙芥属植物的生长发育。0.01 mmol/L邻苯二甲酸和肉桂酸可以促进沙芥幼苗的生长，但抑制了斧形沙芥幼苗的生长发育，这说明在相同浓度邻苯二甲酸与肉桂酸处理下，沙芥和斧形沙芥的响应不同，斧形沙芥对外源物更敏感，沙芥的抗逆性强于斧形沙芥。同时，邻苯二甲酸与肉桂酸的自毒效应存在一定的差异，邻苯二甲酸促进MDA产生的作用大于肉桂酸，表明其在沙芥属植物中的自毒作用强于肉桂酸。