缺镁胁迫对‘砂糖橘’植株矿质养分及抗氧化酶的影响

陈伟立等

摘 要 试验采用珍珠岩基质培养法，研究缺镁胁迫对枳砧‘砂糖橘植株的矿质养分吸收和抗氧化活性等生理生化过程的影响。结果表明：与对照相比，缺镁处理90 d导致‘砂糖橘植株叶片叶绿素含量显著降低；N、P、K、Mg含量降低，但都未达到显著水平，其中镁含量下降幅度最大，为23.0%；另外，缺镁处理3个月后发现N、P和Mg含量都降低，而钾含量增加了2倍多。缺镁胁迫引起叶片中过氧化氢和MDA含量增加，相应地导致POD和CAT活性提高，但是SOD活性未受影响，APX活性变化也无规律。这些数据表明，90 d的缺镁胁迫能够引起‘砂糖橘植株叶片中活性氧的累积，POD和CAT可能参与了活性氧的清除。

关键词 ‘砂糖橘 ；缺镁 ；矿质养分 ；抗氧化酶

分类号 S 666

Influences of Magnesium Deficiency on the Mineral Nutrient Status

and Anti-oxidant Enzymes of‘ShatangjuPlants

CHEN Weili1） XIE Xiaolin1，2） LI Juan3） CHEN Jiezhong1） YAO Qing1）

（1 College of Horticulture， South China Agricultural University，

Guangzhou， Guangdong 510642， China；

2 Guangdong Institute of Microbiology， Guangzhou， Guangdong 510070， China

3 Department of Horticulture， Zhongkai University of Agriculture and Engineering，

Guangzhou， Guangdong 510225， China）

Abstract The influences of magnesium （Mg） deficiency on the physio-biochemical processes of ‘Shatangjuplants on trifoliate orange rootstock， e.g. uptake of mineral nutrients and anti-oxidant enzyme activities， were studied using perlite as substrate. The results showed that compared with the control， the treatment of Mg deficiency for 90 days significantly decreased the chlorophyll contents in the leaves of 'Shatangju' plants. And the contents of N， P， K and Mg declined without significant difference， among which the maximum reduction（23.0%） was found in Mg content. Besides， at the end of the treatment of Mg deficiency， the contents of N， P and Mg decreased， but not K. Mg deficiency induced the increase in the H2O2 and MDA contents， and accordingly increased the POD and CAT activities， however， SOD activity was not affected and the change in APX activity was stable. These data indicate that Mg deficiency for 90 days can induce the accumulation of reactive oxygen species （ROS） in the leaves of ‘Shatangjuplants， and that POD and CAT are possibly involved in scavenging ROS.

Keywords ‘Shatangju； magnesium deficiency ； mineral nutrients ； anti-oxidant enzymes

镁是植物生长的必需营养元素，是叶绿素分子中的唯一金属元素，也是许多酶的激活剂[1]。缺镁现象经常出现在红壤中，主要是由于中国南部地区大量雨水、高温和红壤的高酸度引起镁元素淋失造成。而且近年来，随着N、P、K化肥用量的增加和有机肥用量的减少，土壤镁营养逐渐耗竭，植株缺镁现象在南方各地陆续出现，并已成为限制当地植物产量和品质提高的一个重要因素。

缺镁胁迫会使柑橘叶片黄化，寿命变短，叶绿素含量减少，光合作用率下降，根系发育所需营养不足，活性氧产生加剧，出现植株早衰、大小年或不结果现象[2]。其中，活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的产生在缺镁大豆[3]、玉米[4]、桑树[5]等植物中都有过报道。植株本身拥有完善的抗氧化防御系统，由超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等抗氧化酶和抗坏血酸等抗氧化物组成，负责维持细胞内活性氧的平衡[6]。缺镁胁迫会增加水稻叶片中SOD、POD、CAT的活性和丙二醛（MDA）含量，MDA是对植株有害的过氧化产物，也是脂过氧化的常规指标[7]。活性氧会对诸如膜脂、蛋白质和核酸等生物分子产生氧化伤害，导致细胞正常代谢的紊乱[8]，从而对植株产生伤害。

‘砂糖橘（Citrus reticulate Blanco cv. Shatangju）是广东省最具特色的柑橘品种之一，是许多地方农村的主要经济来源。对广东省‘砂糖橘主产区的调查表明，98.1%的果园土壤交换性镁和84.9%的果园树体叶片镁含量处于低量水平[9]。缺镁导致‘砂糖橘植株叶片黄化，果实变小，着色变差，可滴定酸、维生素C和还原糖的含量提高，风味偏酸[10]。本研究以枳砧‘砂糖橘为试材，探索了缺镁对‘砂糖橘植株矿质养分吸收和抗氧化酶系统的影响，为‘砂糖橘缺镁的深入研究及大田指导提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为嫁接于枳[Poncirus trifoliata （L.） Raf.]砧上的两年生‘砂糖橘（Citrus reticulate Blanco cv. Shatangju）幼苗，盆栽试验于2011年4月至6月在华南农业大学园艺学院温室大棚内进行[光强为600～850 μmol/（m2·s），相对湿度为60%-80%，昼夜温度分别为28±4℃和18±2℃]。将从育苗袋中取出的幼苗根部洗净后移栽至装有珍珠岩的塑料盆（9 L）中，每盆种植4株幼苗。

以Hoagland完全营养液培养5个月后选择生长一致的幼苗作如下2个处理：正常供镁的对照处理（对照）和缺镁处理（缺镁）。对照处理施用的营养液为Hoagland完全营养液，其中镁源为MgSO4·7H2O；缺镁处理的营养液为未添加MgSO4·7H2O的Hoagland营养液，并通过添加Na2SO4使处理间SO42-浓度保持一致。每个处理设6个重复，共12盆。试验期间，每隔1 d加入200 mL营养液，每隔10 d取1次样，各枝条采4片完全老熟叶片，共取10次样。

1.2 方法

1.2.1 叶绿素和矿质养分含量测定

叶绿素含量的测定根据《现代植物生理学实验指南》[11]的方法进行。叶片N含量用凯氏定N法测定，P含量用钒钼黄比色法测定，K含量用火馅光度计测定，叶片Ca、Mg和Zn用原子吸收分光光度计法测定[12]。

1.2.2 抗氧化酶活性的测定

SOD、POD和CAT的粗酶提取液制备参照王春林等[13]的方法。SOD的活性根据Beauchamp等 [14]所述方法进行测定；POD活性的测定方法：记录3 mL反应体系（1 mL 0.3%H2O2，0.95 mL 0.2%愈创木酚，1 mL 50 mmol/L，pH=7.0的磷酸缓冲液和0.05 mL粗酶提取液）在470 nm处的OD降低值，将每分钟变化0.01定义为1个活力单位，计算POD；CAT活性的测定按照Ding等 [7]的方法进行。

APX的提取与活性测定方法如下：0.100 g叶片加入提取液[50 mmol/L磷酸缓冲液（pH=7.0），1 mmol/L抗坏血酸，1 mmol/L乙二胺四乙酸]研磨，然后在4℃离心（8000 r/min，20 min），上清液定容至2 mL即为粗酶提取液。记录3 mL反应混合液[50 mmol/L磷酸缓冲液（pH为7.0），0.5 mmol/L抗坏血酸，0.5 mmol/L H2O2，0.1 mL酶液]在1 min内290 nm下的光吸收值变化，以每分钟吸光值变化0.01为1个酶活力单位计算APX活性。

1.2.3 H2O2和MDA含量的测定

称取0.100 g叶片，参照林植芳[15]的方法测定H2O2含量；参照Sudhakar等[16]的硫代巴比妥酸法测定MDA含量。

1.2.4 数据分析

运用Microsoft Excel软件处理数据及制作图表，显著性分析用SPSS 17.0统计软件处理。

2 结果与分析

2.1 叶绿素含量及叶片养分

由图1可知，在试验开始1个月后，缺镁处理植株的叶片叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量始终低于对照处理的植株，但是两者的差异仅在最后一次取样时达到显著，而且不同于对照处理，随着缺镁处理的进行，叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量都要低于初次采样值。这表明缺镁处理3个月后才能导致‘砂糖橘叶片的叶绿素含量显著降低。

试验开始前（0 d）和结束后（90 d）‘砂糖橘植株叶片的氮、磷、钾和镁含量如表1所示。经过3个月的试验期，对照处理的植株叶片中氮、磷、钾和镁的含量均有不同程度的增加，而缺镁处理的植株叶片中只有钾的含量增加了，其余养分含量都有一定程度的减少，镁含量降低幅度最大。在取样的90 d时间点，缺镁处理植株叶片各养分含量都要低于对照组，降低幅度的大小顺序为镁>钾>磷>氮，但是都没有达到显著水平。这些结果表明缺镁处理不仅降低‘砂糖橘植株叶片中的镁含量，还影响钾、磷、氮的吸收与同化。

2.2 叶片中过氧化氢和MDA的含量

图2的数据表明，缺镁导致‘砂糖橘植株叶片中过氧化氢含量有所升高，但是仅在70 d时表现出显著性差异；与之类似，尽管可能由于幼苗移栽时需要适应时间导致在20 d之前缺镁处理的叶片MDA含量低于对照处理，但是20 d之后缺镁处理均导致‘砂糖橘植株叶片的MDA含量有所升高，且其差异在40 d达到极显著水平。这些结果表明，缺镁的‘砂糖橘植株叶片中活性氧被激发，进而导致细胞膜破损。

2.3 抗氧化酶活性

由图3可以看出，缺镁处理对‘砂糖橘植株叶片的SOD活性影响不大，但是对POD、CAT和APX活性均产生一定影响。在20 d之后，缺镁处理增加了POD和CAT的活性，30 d和40 d时缺镁处理和对照之间的POD活性存在显著差异；但是，缺镁处理对APX活性的影响不稳定（图3）。这些结果表明，缺镁处理对‘砂糖橘植株叶片中抗氧化酶活性产生一定的影响，提高其对缺镁胁迫的适应能力。

3 讨论与结论

本试验中，缺镁对‘砂糖橘植株叶片中氮、磷、钾和镁含量的影响不显著，这是因为试验材料为两年生苗，其枝干内贮存的氮、磷、钾、镁等养分在3个月的试验期内能维持叶片生长的需要。可以推测，如果本试验再延长3个月甚至更长时间，那么缺镁处理和对照的差异将更为明显。尽管如此，与对照处理相比，本试验中缺镁处理3个月后氮、磷、钾、镁的含量还是出现不同程度的下降，且以镁的下降幅度最大，另一方面，不同于对照处理中四种元素都比处理开始时增加了，缺镁处理中只有钾含量增加了2倍多，而氮、磷和镁都降低了。这些结果说明，缺镁对植株其他养分的吸收也具有抑制（氮、磷）或促进（钾）作用。镁与钾之间的拮抗作用在阿莱檬[16]和水稻[17]等许多作物上已有报道，这是因为它们都是阳离子，从而竞争通用离子载体进入植株体内[18]，此外，植株对镁的吸收还会强烈受到其它阳离子如NH4+、Ca2+、Mn2+、H+和Al3+等的抑制[19]。

镁是叶绿素的构成成分之一，缺镁不利于叶绿素的合成[1]。本试验中，‘砂糖橘植株叶片中叶绿素含量在缺镁处理3个月后显著下降，这与在缺镁‘春见橘橙[20]和龙眼[21]叶片中观察到的一致。叶绿素含量的减少将会导致叶片褪绿黄化，这与我们在大田条件下的观察一致[9-10]。

在大多数的胁迫条件下，植物细胞会出现活性氧的累积，进而破坏植物细胞，导致器官衰老。本试验中的缺镁处理在‘砂糖橘植株叶片也造成一定程度的胁迫，表现为叶片中过氧化氢累积，这种缺镁诱导的活性氧进而攻击细胞膜，造成细胞内含物外泄，叶片MDA含量增加。缺镁诱导过氧化氢累积和MDA含量增加在‘春见橘橙[20]、龙眼[21]、黄瓜[22]和红地球葡萄[23]上都有报道。

植物应对环境胁迫下活性氧的累积的重要机制之一是启动抗氧化酶系统[6]。本试验的结果发现，缺镁处理3个月的‘砂糖橘植株叶片中SOD活性受缺镁胁迫影响较小，APX活性对缺镁胁迫的响应没有规律。这表明SOD和APX可能没有参与‘砂糖橘植株叶片中活性氧的清除，这与Tewari等[5]在研究缺镁胁迫对桑树的影响试验中所观察的结果不一致。另一方面，本试验中，POD和CAT活性在缺镁处理的植株中高于对照植株，这与在玉米[4]、桑树[5]和大豆[24]等植株上的结果相一致。本试验结果和前人的研究结果综合表明，在应对缺镁胁迫时，启动抗氧化酶系统是共同机制，但是参与作用的抗氧化酶种类则因物种的不同而有差异。尹永强等[25]指出，在SOD、CAT、APX和POD中，POD一般在老化组织中活性较高，幼嫩组织中活性较弱，而镁在植株体内为可移动性，缺镁主要从老叶开始，这可能是在大多数植物上发现POD对缺镁胁迫积极响应的原因之一。

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