乙草胺处理草莓线粒体膜参数检测数据集

鲁晓峰 孙海龙* 杜国栋 徐树广

（1.中国农业科学院果树研究所/农业农村部园艺作物种质资源利用重点实验室，兴城 125100；2.沈阳农业大学园艺学院/沈阳市北方果树栽培与生理生态重点实验室，沈阳 110866）

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1 引言

乙草胺是选择性芽前处理除草剂，通过进入作物根围土壤，经胚芽鞘或下胚轴吸收，吸收后向上传导，阻碍蛋白质合成而抑制细胞生长，使杂草幼芽、幼根生长停止，通常通过观察植物根系生理功能的影响，表征除草剂胁迫对根系发育的伤害程度[1]。Ghazi-Khansari M 等研究发现，利用草甘膦处理后，毛桃根系呈现出颜色变深、须根变短、变少等现象，说明除草剂胁迫对毛桃根系生长发育有较大伤害[2]。根系的活力直接影响植株整体的生长发育，是植株幼苗发育过程中的重要生理指标。李亚东等研究发现，高浓度乙氧氟草醚、二甲戊灵、仲丁灵明显抑制棉花的根系活力，而五氟磺草胺即使低浓度时，对棉花的根系活力也表现出严重的抑制效果[3]。在正常生理状态下，植物组织中的ROS 产生与清除处于平衡状态[4]。当植物受到逆境胁迫时，植株体内会产生过量ROS，引起细胞膜系统受到损伤，引起膜脂过氧化物产物（MDA）激增[5-6]。土壤中除草剂西草净的含量达到0.8～8.0 mg kg-1时，小麦根系中活性氧（ROS）大量产生，对根系细胞膜脂造成损伤[7]。且研究指出，外源施加除草剂丙酯草醚和丁草胺，均能不同程度破坏小麦、油菜和大麦体内的保护性酶活性，使植株体内的膜质过氧化产物MDA 含量提高[8-9]。温银元等人研究发现，受到除草剂扑草净胁迫后，西府海棠幼苗根系中抗氧化酶SOD、POD 等含量均显著升高，O2-、H2O2含量显著高于对照[10]；冯煜在研究除草剂谷友和苯·唑·2 甲钠胁迫下糜子根系抗氧化酶活性变化时也发现，两种除草剂均对糜子根系产生药害，降低糜子根系SOD及POD活性，显著提高MDA含量[11]。

线粒体是根系细胞主要的细胞器之一，是感受外界胁迫相关信号主要部位[12-13]。研究表明，逆境胁迫会导致线粒体的结构和功能发生明显变化[14]。如盐碱胁迫下，番茄根系线粒体内H2O2和MDA 含量增加，线粒体膜通透性增大[15]；干旱胁迫条件下，银沙槐幼苗叶片中线粒体膜完整性低，出现内部嵴消失、空泡化等现象[16]；镉胁迫导致平邑甜茶根系细胞线粒体电子传递受阻，氧自由基含量增加，造成线粒体膜质过氧化，细胞发生程序性死亡[17]。同时，线粒体也是产生ROS 的场所，其内含有的抗氧化酶对机体有一定保护作用[18]。过量的ROS 会引起线粒体膜氧化损伤，导致线粒体的电子传递受阻，内膜的完整性和呼吸电子传递链受到破坏，进一步破坏线粒体的抗氧化防御体系，使线粒体O2-产生速率加快、H2O2和MDA含量增高、膜脂过氧化加剧[19]。在植物根系中，线粒体呼吸链电子漏是O2-产生的主要来源[20]，而线粒体膜电位的下降又能导致线粒体呼吸链电子漏的增加[21]。细胞色素Cyt c 介导的呼吸链电子漏旁路，可以清除由于呼吸链漏电子而产生的O2-和H2O2。如在外源丁香酸和邻苯二甲酸胁迫下，根系线粒体膜透性增大，降低膜电位及根系线粒体内膜上细胞色素Cyt c/a 含量，线粒体内膜细胞完整性遭到破坏，电子传递受阻[22]。徐建兴研究也发现，当植物遭受逆境胁迫时，线粒体内膜的完整性和呼吸电子传递链受到破坏，最终导致线粒体O2-产生速率加快,H2O2和MDA 含量增高[23]。目前，虽然有关除草剂影响作物生长发育的研究较多，但对作物根系线粒体膜结构和功能的损伤机制尚未见详细报道。本文以草莓植株为试验材料，研究乙草胺诱发ROS 对草莓根系线粒体膜电位、膜通透性等生物膜结构和功能的影响，为生产上有效应对乙草胺类除草剂胁迫提供借鉴。

2 数据采集与处理方法

本试验于2017年5—9月在沈阳农业大学苗木良种繁育基地进行，供试材料为日本草莓品种‘宝交早生’（Fragaria×ananassaDuch.），取自辽宁省沈阳市沈北新区国邦园艺农场草莓苗木生产基地。浓度99%乙草胺乳油购自吉林美联化学品有限公司。

将‘三叶一心’的草莓假植幼苗定植于内径宽和高分别为16.0 cm和16.0 cm的塑料盆钵中，栽培基质为园土∶泥炭土∶有机肥=3∶1∶1（按体积比均匀混合），每盆装入基质1.25 kg，栽植草莓苗1 株，重复30次。试验设乙草胺处理（处理D，乙草胺浓度为使用推荐剂量的10倍，每钵添加浓度0.2 mol·L-1的乙草胺量100 ml）及对照（CK，未施加乙草胺）处理。草莓植株生长30 d 后，选择长势基本一致的草莓植株，按试验设定剂量将除草剂溶液浇灌于盆钵中，对照施入等量的蒸馏水，各处理重复5次，分别于处理后0 d、1 d、3 d、5 d、7 d和9 d，取草莓根系前端1～2 cm分生区部位根段样品，用于各生理指标的测定。

线粒体的提取参照杨玖英[24]的方法；线粒体膜电位测定参照Braidot[25]等方法；线粒体膜通透性的测定参照金超芳[26]等方法；线粒体细胞色素c/a（Cyt c/a）测定参照Tonshin 及马怀宇[27]等方法。丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法测定[28]；过氧化氢酶（CAT）活性采用KMnO4滴定法测定[29]；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）显色法测定[30]；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定[31]；超氧阴离子（O2-）活性采用羟胺法测定[32]；过氧化氢（H2O2）含量采用四氯化钛法测定[33]。根系活力采用TTC 法测定[34]，单位为mg·g-1· h-1；质膜H+-ATPase 测定参照Blumwald 等[35]方法，单位为µmolPi mg-1protein · h-1。采 用Excel 2010 软件进行原始 数据处理，Sigma Plot 10.0软件绘图。

3 数据样本描述

3.1 乙草胺处理对草莓根系线粒体膜功能的影响

施加乙草胺后，根系线粒体膜Δψm 呈持续下降的趋势，于处理5 d 下降幅度最明显，较对照下降64.3%，处理后期无明显变化（图1-a）。由图1-b 可知，与对照相比，前期草莓根系线粒体内膜上细胞色素Cyt c/a 含量明显下降，于处理7 d 后达最低值，后期的线粒体Cyt c/a 变化不明显。乙草胺处理一定程度上影响了线粒体功能的发挥，与对照相比，在乙草胺处理5 d 后，根系线粒体膜透性（MPT）明显上升，比对照上升138.0%，处理9 d 后，线粒体膜的MPT 达最高值。

图1 乙草胺对草莓根系线粒体功能的影响Fig.1 Effects of acetochlor on the mitochondrial function of strawberry roots

3.2 乙草胺处理对草莓根系活力、H+ -ATPase及丙二醛含量的影响

由图2-a 可知，与对照相比，乙草胺处理的草莓根系活力呈现直线下降的趋势。其中，乙草胺处理9 d 后，根系活力仅分别为对照的54.8%。草莓根系细胞质膜H+-ATPase 活性均呈现明显下降趋势（2-b）。丙二醛（MDA）是植物受到逆境胁迫所生成膜质过氧化物质，其含量常常用来表征植物机体内膜质过氧化程度。由图2-c 可以看出，与对照相比，在除草剂乙草胺胁迫下，根系MDA 含量均呈现持续下降趋势。

图2 乙草胺对草莓根系活力、H+-ATPase及丙二醛含量的影响Fig 2 Effects of acetochlor phytotoxicity on root activities,H+-ATPase and MDA in strawberry roots

3.3 乙草胺处理对草莓根系活性氧含量的影响

如图3-a 所示，随着处理时间延长，乙草胺处理后草莓根系O2-含量呈逐渐上升趋势，处理第5 d 后，含量较对照增长14.9%，处理9 d后O2-含量达到最高值。由图3-b 可知，与对照相比，随着胁迫时间的持续，乙草胺处理后根系H2O2含量呈现上升趋势，处理7 d后，H2O2含量达到最高值，较对照增长32.5%。

图3 乙草胺对草莓根系ROS含量及H2O2含量的影响Fig.3 Effects of acetochlor on reactive oxygen species and hydrogen peroxide contents of strawberry roots

3.4 乙草胺处理对草莓根系保护性酶活性的影响

由图4-a 可以看出，随着除草剂胁迫处理时间增加，草莓根系SOD 活性均呈逐渐上升趋势。其中，在胁迫处理9 d后，根系SOD活性比对照增长32.8%。如图4-b 可知，随乙草胺胁迫处理时间的增加，根系POD 活性呈现上升趋势，于处理9 d 后达最高水平。随着除草剂胁迫程度加重，根系CAT 活性呈先升高后降低的趋势，于胁迫处理3 d 后达最高水平，随后CAT 活性迅速降低，处理9 d 后的CAT 活性达最低值，较对照降低了17.1%（图4-c）。

图4 乙草胺对草莓根系保护性酶活性的影响Fig.4 Effects of acetochlor on protective enzyme activity of strawberry roots

4 数据质量控制与验证/评估

整个生长周期在基地温室内进行，定期浇灌Hoagland 营养液，补充充足的水分及养分，确保植株正常生长。草莓植株生长30 d后，选择长势基本一致的草莓植株，按试验设定剂量将除草剂溶液浇灌于盆钵中，对照施入等量的蒸馏水，各处理重复5 次，为防止溶液流失，在培养钵下放置托盘，将外渗的溶液重新浇回培养钵中。分别于处理后0 d、1 d、3 d、5 d、7 d和9 d，取草莓根系前端1～2 cm 分生区部位根段样品，用于各生理指标的测定。取样前制定标准统一的方案，由1 人独立完成，保证选取样品的固定性。测定各指标前对所有参与实验操作的人员进行集中培训，尽可能保证参与人员的固定性，减少人为误差。

5 数据价值与使用建议

本研究公开发表了2017 年乙草胺处理草莓线粒体膜参数检测数据集，内容包括了草莓根系线粒体膜电位、细胞色素Cyt c/a、膜透性、根系活力及H+-ATPase、丙二醛及活性氧含量等数据，该数据可结合线粒体细胞器表观变化，进一步确定除草剂胁迫对线粒体结构影响的具体作用位点，可进行分子标记和相关基因挖掘，也可结合其他除草剂对根系线粒体作用程度，筛选出更优质的除草剂，同时也可为生产上有效应对乙草胺类除草剂胁迫提供参考。本数据集原始数据可通过国家农业科学数据中心获取，登录首页后点“资源服务”下的“数据服务”，进入相应页面。

数据作者分工职责

鲁晓峰（1992—），女，辽宁人，硕士，助理研究员，研究方向为李杏资源与育种研究。主要承担工作：田间调查、数据处理、质量控制及论文撰写。

孙海龙（1988—），男，黑龙江人，硕士，助理研究员，研究方向为李杏资源与育种研究。主要承担工作：方案设计、组织实施、论文构架及质量控制。

杜国栋（1971—），男，辽宁人，博士，教授，研究方向为果树栽培与生理生态。主要承担工作：方案设计、组织实施、论文构架及质量控制。

徐树广（1973—），男，辽宁人，农艺师，研究方向为李杏资源与育种研究。主要承担工作：田间调查及质量控制。