Mn2+胁迫对西洋参生理特征及某些营养元素吸收与分配的影响

张丽娜等

摘要：为了明确Mn2+胁迫对西洋参（Panax quinquefolium L.）生理特征及某些营养元素吸收及分配的影响，以土壤为基质，外施MnSO4进行盆栽试验，土壤添加的Mn2+浓度分别为0、2.2、8.8、17.6、35.2 mg/kg。结果表明：在Mn2+胁迫下，西洋参叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量均表现为先降低后升高；CAT与POD活性均呈现先升高后减弱的趋势；脯氨酸含量呈现升高趋势；MDA含量呈现先增强后降低的趋势。说明Mn2+胁迫导致了西洋参体内矿质营养元素吸收及分配紊乱。

关键词：Mn2+胁迫；西洋参；生理特征；营养元素

中图分类号：S567.5+30.1 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2014）04-0192-04

收稿日期：2013-08-06

基金项目：吉林省科技项目（编号：20101583、20110266）。

作者简介：张丽娜（1985—），女，山西大同人，硕士研究生，从事药用植物栽培研究。E-mail：zhanglina1235@126.com。

通信作者：张亚玉，研究员，从事药用植物栽培研究。E-mail：zyy1966999@sina.com。锰是地壳的组成元素之一，主要来源于成土母质，它是植物生长发育所必需的微量营养元素之一，在植物体内发挥着重要的生理作用。锰参与植物光合电子传递链的氧化还原过程及PSⅡ系统中水的光解，且对维持叶绿体的正常结构具有重要作用，它还是很多酶的激活剂，参与植物体内酶系统的活动[1-3]。当植物体内锰浓度超出临界值时，作物就会受到危害。土壤中微量元素含量直接关系到农作物的生长发育[4]。过量的锰不仅对植物造成伤害，还能够通过食物链对人类健康产生影响。在强酸性土壤、渍水引起的有机物积累减少的土壤以及施肥不平衡的土壤上易发生锰毒[5]。过量的锰阻碍植株正常生长，引起氧化胁迫，导致氧自由基大量累积，叶绿素受到破坏，叶绿体功能不能正常发挥。同时，氧自由基会启动膜脂过氧化作用，导致膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）大量累积[2]。锰毒还会使植株的过氧化物酶（POD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性失衡[6]。尹文彦等研究发现，锰毒能影响葡萄植株中Mn、Fe、Cu、Zn等矿质元素的含量[7]。西洋参（Panax quinquefolium L.）别称洋参、西洋人参、花旗参、美国人参、广东人参等[8]，为五加科人参属多年生草本植物，主要以干燥的根入药，具有补气养阴、清热生津之功效。我国从20世纪80年代开始大面积引种西洋参，经过几十年的努力，我国已成为继美国、加拿大之后世界第三大西洋参生产国及第一大消费国。近年来，西洋参在我国的应用越来越广泛，但是关于不同营养元素对西洋参的生长、生理特征及元素吸收的研究却较少。本研究以二年生西洋参为材料，采用室内盆栽试验，对不同锰浓度胁迫下西洋参叶片脯氨酸、MDA、POD、CAT活性等指标以及Mn、Fe、Cu、Zn含量进行分析，旨在为西洋参种植提供依据。

1材料与方法

1.1材料

供试材料为二年生西洋参。所用盆栽土壤为山地腐殖土，其理化性状为：pH值6.14，有机质含量18.851 g/kg，碱解氮含量101.635 mg/kg，有效磷含量150.807 mg/kg，速效钾含量146.098 mg/kg，全Mn含量 868.255 mg/kg，二价Mn含量 3.249 mg/kg。

1.2试验设计

试验于2011年9月30日在中国农业科学院特产研究所温室内进行，挑选大小均匀一致的二年生西洋参，平均单株重（7.12±0.16） g。 250 mg/L 赤霉素溶液处理5 h打破西洋参休眠后，将其栽植在直径为18 cm、高为17 cm的塑料盆中，每盆装土2.5 kg。土壤中Mn2+浓度分为0（CK）、2.2 mg/kg（Mn1）、8.8 mg/kg（Mn2）、17.6 mg/kg（Mn3）、35.2 mg/kg（Mn4）5个处理，将每个处理的Mn2+溶液与除去沙石、枯枝等杂质的土壤反复混合均匀，每个处理重复3次，每盆种植3株，共9株。每6 d在同一时段内浇1次水，中间根据情况补充水分。

1.3样品采集

于开花期09：00—10：00取1株/盆西洋参，用自来水冲洗干净，再用蒸馏水冲洗，用滤纸擦干，取部分鲜叶置于超低温冰箱中，在较短时间内测定其生理指标。将地上部与根部分开，80 ℃烘干至恒重。

1.4方法

1.4.1生理指标测定采用乙醇浸提法测定西洋参叶绿素含量，采用磺基水杨酸提取茚三酮显色法测定脯氨酸含量，采用硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛含量，采用紫外吸收法测定CAT活性，采用愈创木酚法测定POD活性[9]。

1.4.2矿质元素含量测定将烘干至恒重的西洋参地上部及根系用研钵磨碎，过100目筛作为待测样，分别称取 0250 0 g 西洋参根部及地上部待测样，置于100 mL三角瓶中，加入硝酸12 mL，加上小漏斗过夜。次日于电热板上加热，开始时将温度控制在80 ℃约2 h，然后将温度调高到 120 ℃ 保持1 h，再将温度升高到180 ℃保持约3～4 h，停止加热，待冷却后向三角瓶中加入HClO4 溶液3 mL，继续加热至溶液清澈明亮且近干为止，用去离子水定容至50 mL容量瓶中，过滤后即为待测样品液。用全谱直读等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定溶液中Mn、Fe、Cu、Zn含量。仪器工作条件为：功率为1.00 kW，等离子气体流量为 15.0 L/min，辅助气体流量为1.5 L/min，雾化器压力为200 kPa，泵速为 15.0 r/min，仪器稳定延时 15 s，Mn、Fe、Cu、Zn分析波长分别为2576、2382、324.8、213.9 nm。endprint

1.5数据处理

采用Excel 2003、SAS 8.0软件统计分析数据。

2结果与分析

2.1Mn2+胁迫对西洋参生理特征的影响

2.1.1Mn2+胁迫对西洋参叶片光合色素的影响植物叶绿素含量与光合作用及其强度密切相关[10]。类胡萝卜素是脂溶性化合物，是维生素A的前体[11]，一方面可吸收光能并传递到反应中心，补偿由于叶绿素减少而引起的光合作用下降；另一方面可以吸收剩余能量，猝灭活性氧，消除自由基的不良影响，防止膜脂过氧化[12]，其含量的高低一定程度上能够反映植物抵抗逆境的能力。由表1可知，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量随Mn2+浓度的增加均呈现先降低后升高的趋势。Mn3处理下，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量均最低，分别为1.788、0.838、2.626、0556 mg/g。Mn4处理下叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+ b、类胡萝卜素含量均有所回升，分别为2.038、0.943、2.981、0699 mg/g。各处理下叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+ b、类胡萝卜素含量均与对照差异显著（P<0.05）。

3结论与讨论

Mn是植物生长发育所必需的微量营养元素之一，在植物生理代谢过程中起重要作用，然而过量的Mn会给植物的生长带来危害。叶片光合色素含量是反映植物光合生产力的重要指标，可以评价逆境因子对植物造成的影响[16]。在Mn2+胁迫下，西洋参叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量表现为先降低后升高，原因可能包括以下两方面：第一，Mn2+在叶绿体中被光激活的叶绿素氧化为Mn3+，氧化还原电位提高，导致活性氧大量累积，叶绿素遭到破坏，叶绿体功能不能正常发挥；第二，叶片中Mn含量的增加使叶绿体酶活性比例失调，叶绿素分解加快，含量下降。在某些逆境（如重金属胁迫）下，植物体内活性氧含量增加，植物会通过酶保护系统清除或减少逆境胁迫所产生的活性氧，避免其对组织细胞的伤害[17]。CAT与POD具有清除活性氧的重要作用，主要起酶促降解H2O2的作用，避免因H2O2的过量积累而导致毒性更大的·OH含量增加[18-19]。本研究表明，随着Mn2+浓度的增加，西洋参CAT与POD活性均呈现先增强后减弱的趋势，Mn3处理下CAT与POD活性最高。

本研究表明，随着Mn2+浓度的增加，西洋参脯氨酸含量呈现升高趋势，Mn4处理下含量最高，这可能是由于此时西洋参受到的损害最大，游离脯氨酸的响应程度最高。MDA含量的高低可作为反映植物受胁迫程度的重要指标[20]。在一定的胁迫强度范围内，细胞内的各种保护机制使得MDA含量维持在一定的水平，但当胁迫强度超过特定阈值后，细胞代谢失调，自由基积累，膜脂过氧化作用加大，MDA含量升高[21]。本研究表明，西洋参MDA含量随Mn2+浓度的增加呈现先升高后降低的趋势，Mn3处理下西洋参叶片MDA含量最高，表明此时西洋参叶片受胁迫程度最大，此时地上部分的Mn含量最高。

过量的Mn会影响植株对其他营养元素的吸收及分配[22]。本研究表明，Mn2+胁迫导致西洋参体内矿质营养元素吸收及分配紊乱。Mn2+胁迫下，西洋参根部Mn含量大幅增加，Mn的向上运输受到抑制；西洋参根部Fe累积率降低；西洋参地上部分Cu累积率表现出升高趋势，根部Cu累积率先升高后降低；西洋参地上部分及根部Zn累积率都呈降低趋势。西洋参地上部分的Mn含量均明显大于根部，这是由于Mn2+容易被植物吸收并迅速运输到地上部分[23]。西洋参地上部分Mn含量先升高后降低，可能是西洋参的一种自我保护机制，当地上部分Mn含量达到一定程度时不再升高，而是将其滞留在根部，阻止了有害离子对西洋参光合作用及新陈代谢的毒害。Fe、Cu是植物形成叶绿素所必需的元素，Mn2+胁迫促进了西洋参地上部分对Fe、Cu的吸收。西洋参根部Fe含量降低可能是由于Mn2+与Fe2+半径相近，它们在根部有相同的结合位点，且Mn2+的结合能力较Fe2+强，所以Mn2+胁迫增加了根部Mn含量而降低了Fe含量[24]。

综上所述，Mn2+胁迫影响了西洋参叶片中光合色素的含量，CAT、POD活性的提高能够清除Mn2+胁迫产生的活性氧，对西洋参具有保护作用，从而表现出一定的抗锰毒能力。活性氧的积累会导致植物MDA含量升高，破坏膜系统的结构和功能。Mn2+胁迫影响了西洋参对矿质元素Mn、Fe、Cu、Zn的吸收与分配，扰乱了西洋参正常的生理代谢，最终影响西洋参的生长。

参考文献：

[1]Yang S X，Deng H，Li M S. Manganese uptake and accumulation in a woody hyperaccumulator，Schima superba[J]. Plant Soil and Environment，2008，54（10）：441-446.

[2]张玉秀，李林峰，柴团耀，等. 锰对植物毒害及植物耐锰机理研究进展[J]. 植物学报，2010，45（4）：506-520.

[3]Marschner H. Mineral nutrition of higher plants[M]. London：Academic Press，1995.

[4]魏孝荣，郝明德，张春霞. 长期施用微量元素肥料对土壤微量元素含量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2002，20（3）：22-25.

[5]Foy C D，Chaney R L，White M C. The physiology of metal toxicity in plants[J]. Annual Review of Plant Physiology，1978，29（1）：511-566.

[6]郑海峰. 土壤中的锰及其在土壤-蔬菜系统中转移的研究[D]. 福州：福建农林大学，2010.endprint

[7]尹文彦，姚银安. 锰毒害对葡萄植株矿质元素含量的影响[J]. 贵州农业科学，2011，39（7）：213-215.

[8]谢宗万. 常用中药名与别名手册[M]. 北京：人民卫生出版社，2001.

[9]李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京：高等教育出版社，2007.

[10]刘爱华，王永飞. 土壤水分胁迫对生菜幼苗部分生理指标的影响[J]. 西北农业学报，2010，19（6）：144-147.

[11]徐昌杰，张上隆. 植物类胡萝卜素的生物合成及其调控[J]. 植物生理学通讯，2000，36（1）：64-70.

[12]Willekens H，van Camp W，van Montagu M，et al. Ozone，sulfur dioxide，and ultraviolet B have similar effects on mRNA accumulation of antioxidant genes in Nicotiana plumbaginifolia L.[J]. Plant Physiology，1994，106（3）：1007-1014.

[13]计汪栋，施国新，杨海燕，等. 铜胁迫对竹叶眼子菜叶片生理指标和超微结构的影响[J]. 应用生态学报，2007，18（12）：2727-2732.

[14]张美云，钱吉，郑师章. 渗透胁迫下野生大豆游离脯氨酸和可溶性糖的变化[J]. 复旦学报：自然科学版，2001，40（5）：558-561.

[15]孙文越，王辉，黄久常. 外源甜菜碱对干旱胁迫下小麦幼苗膜脂过氧化作用的影响[J]. 西北植物学报，2001，21（3）：487-491.

[16]Ben G A，Charles G，Hourmant A，et al. Morphological and physiological characteristics of rapeseed plants regenerated in vitro from thin cell layers in the presence of zinc[J]. Comptes Rendus Biologies，2007，330（10）：728-734.

[17]曾琦，耿明建，张志江，等. 锰毒害对油菜苗期Mn、Ca、Fe含量及POD、CAT活性的影响[J]. 华中农业大学学报，2004，23（3）：300-303.

[18]Pittman J K. Managing the manganese：molecular mechanisms of manganese transport and homeostasis[J]. The New Phytologist，2005，167（3）：733-742.

[19]Lombardi L，Sebastiani L. Copper toxicity in Prunus cerasifera：growth and an enzymes responses of in vitro grown plants[J]. Plant Science，2005，168（3）：797-802.

[20]孟长军. 不同盐胁迫时间对樱桃番茄幼苗生理指标的影响[J]. 山东农业科学，2012，44（7）：29-31.

[21]邢承华，蔡妙珍. 过量Fe2+对水稻的毒害效应[J]. 广东微量元素科学，2007，14（1）：17-22.

[22]洪彩香，邓穗生. 锰过量对发财树生长的影响初报[J]. 热带农业科学，2012，32（9）：12-15，32.

[23]Guo T R，Zhang G P，Zhang Y H. Physiological changes in barley plants under combined toxicity of aluminum，copper and cadmium[J]. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces，2007，57（2）：182-188.

[24]章艺，刘鹏，史锋，等. 高铁胁迫对大豆叶片体内保护系统及膜脂过氧化的影响[J]. 中国油料作物学报，2004，26（2）：65-68.endprint

[7]尹文彦，姚银安. 锰毒害对葡萄植株矿质元素含量的影响[J]. 贵州农业科学，2011，39（7）：213-215.

[8]谢宗万. 常用中药名与别名手册[M]. 北京：人民卫生出版社，2001.

[9]李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京：高等教育出版社，2007.

[10]刘爱华，王永飞. 土壤水分胁迫对生菜幼苗部分生理指标的影响[J]. 西北农业学报，2010，19（6）：144-147.

[11]徐昌杰，张上隆. 植物类胡萝卜素的生物合成及其调控[J]. 植物生理学通讯，2000，36（1）：64-70.

[12]Willekens H，van Camp W，van Montagu M，et al. Ozone，sulfur dioxide，and ultraviolet B have similar effects on mRNA accumulation of antioxidant genes in Nicotiana plumbaginifolia L.[J]. Plant Physiology，1994，106（3）：1007-1014.

[13]计汪栋，施国新，杨海燕，等. 铜胁迫对竹叶眼子菜叶片生理指标和超微结构的影响[J]. 应用生态学报，2007，18（12）：2727-2732.

[14]张美云，钱吉，郑师章. 渗透胁迫下野生大豆游离脯氨酸和可溶性糖的变化[J]. 复旦学报：自然科学版，2001，40（5）：558-561.

[15]孙文越，王辉，黄久常. 外源甜菜碱对干旱胁迫下小麦幼苗膜脂过氧化作用的影响[J]. 西北植物学报，2001，21（3）：487-491.

[16]Ben G A，Charles G，Hourmant A，et al. Morphological and physiological characteristics of rapeseed plants regenerated in vitro from thin cell layers in the presence of zinc[J]. Comptes Rendus Biologies，2007，330（10）：728-734.

[17]曾琦，耿明建，张志江，等. 锰毒害对油菜苗期Mn、Ca、Fe含量及POD、CAT活性的影响[J]. 华中农业大学学报，2004，23（3）：300-303.

[18]Pittman J K. Managing the manganese：molecular mechanisms of manganese transport and homeostasis[J]. The New Phytologist，2005，167（3）：733-742.

[19]Lombardi L，Sebastiani L. Copper toxicity in Prunus cerasifera：growth and an enzymes responses of in vitro grown plants[J]. Plant Science，2005，168（3）：797-802.

[20]孟长军. 不同盐胁迫时间对樱桃番茄幼苗生理指标的影响[J]. 山东农业科学，2012，44（7）：29-31.

[21]邢承华，蔡妙珍. 过量Fe2+对水稻的毒害效应[J]. 广东微量元素科学，2007，14（1）：17-22.

[22]洪彩香，邓穗生. 锰过量对发财树生长的影响初报[J]. 热带农业科学，2012，32（9）：12-15，32.

[23]Guo T R，Zhang G P，Zhang Y H. Physiological changes in barley plants under combined toxicity of aluminum，copper and cadmium[J]. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces，2007，57（2）：182-188.

[24]章艺，刘鹏，史锋，等. 高铁胁迫对大豆叶片体内保护系统及膜脂过氧化的影响[J]. 中国油料作物学报，2004，26（2）：65-68.endprint

[7]尹文彦，姚银安. 锰毒害对葡萄植株矿质元素含量的影响[J]. 贵州农业科学，2011，39（7）：213-215.

[8]谢宗万. 常用中药名与别名手册[M]. 北京：人民卫生出版社，2001.

[9]李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京：高等教育出版社，2007.

[10]刘爱华，王永飞. 土壤水分胁迫对生菜幼苗部分生理指标的影响[J]. 西北农业学报，2010，19（6）：144-147.

[11]徐昌杰，张上隆. 植物类胡萝卜素的生物合成及其调控[J]. 植物生理学通讯，2000，36（1）：64-70.

[12]Willekens H，van Camp W，van Montagu M，et al. Ozone，sulfur dioxide，and ultraviolet B have similar effects on mRNA accumulation of antioxidant genes in Nicotiana plumbaginifolia L.[J]. Plant Physiology，1994，106（3）：1007-1014.

[13]计汪栋，施国新，杨海燕，等. 铜胁迫对竹叶眼子菜叶片生理指标和超微结构的影响[J]. 应用生态学报，2007，18（12）：2727-2732.

[14]张美云，钱吉，郑师章. 渗透胁迫下野生大豆游离脯氨酸和可溶性糖的变化[J]. 复旦学报：自然科学版，2001，40（5）：558-561.

[15]孙文越，王辉，黄久常. 外源甜菜碱对干旱胁迫下小麦幼苗膜脂过氧化作用的影响[J]. 西北植物学报，2001，21（3）：487-491.

[16]Ben G A，Charles G，Hourmant A，et al. Morphological and physiological characteristics of rapeseed plants regenerated in vitro from thin cell layers in the presence of zinc[J]. Comptes Rendus Biologies，2007，330（10）：728-734.

[17]曾琦，耿明建，张志江，等. 锰毒害对油菜苗期Mn、Ca、Fe含量及POD、CAT活性的影响[J]. 华中农业大学学报，2004，23（3）：300-303.

[18]Pittman J K. Managing the manganese：molecular mechanisms of manganese transport and homeostasis[J]. The New Phytologist，2005，167（3）：733-742.

[19]Lombardi L，Sebastiani L. Copper toxicity in Prunus cerasifera：growth and an enzymes responses of in vitro grown plants[J]. Plant Science，2005，168（3）：797-802.

[20]孟长军. 不同盐胁迫时间对樱桃番茄幼苗生理指标的影响[J]. 山东农业科学，2012，44（7）：29-31.

[21]邢承华，蔡妙珍. 过量Fe2+对水稻的毒害效应[J]. 广东微量元素科学，2007，14（1）：17-22.

[22]洪彩香，邓穗生. 锰过量对发财树生长的影响初报[J]. 热带农业科学，2012，32（9）：12-15，32.

[23]Guo T R，Zhang G P，Zhang Y H. Physiological changes in barley plants under combined toxicity of aluminum，copper and cadmium[J]. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces，2007，57（2）：182-188.

[24]章艺，刘鹏，史锋，等. 高铁胁迫对大豆叶片体内保护系统及膜脂过氧化的影响[J]. 中国油料作物学报，2004，26（2）：65-68.endprint