硅对甘蔗锰毒的缓解作用研究

凌桂芝，蒋雄英，杨 曙，黄渝岚，赵尊康，顾明华，黎晓峰

(广西大学农学院, 广西 南宁 530005)



硅对甘蔗锰毒的缓解作用研究

凌桂芝，蒋雄英，杨 曙，黄渝岚，赵尊康，顾明华，黎晓峰*

(广西大学农学院, 广西 南宁 530005)

通过田间试验和培养试验，研究硅对酸性土壤上甘蔗锰毒的缓解作用。结果表明，施用偏硅酸钠后，出现甘蔗黄化病的甘蔗地土壤pH值显著升高，幼苗期及分蘖期甘蔗新叶叶绿素含量显著增加，且各生育期甘蔗新叶中锰含量均显著降低。同时在高锰胁迫下，在培养液中添加的偏硅酸钠(1、2、4 mmol·L-1Si)也显著增加甘蔗幼苗的生物产量而降低幼叶中锰含量；在高Mn培养液中分别添加1、2、4 mmol·L-1硅酸，各处理的甘蔗幼苗生物产量显著高于对照，且生物产量随着硅添加量的增加而增加，叶片及茎中锰含量均显著降低，并且幼叶中锰降低的幅度大于老叶和茎；硅处理后，幼叶中活性铁的含量显著增加。硅酸盐的施用可有效降低植株中锰含量、减少幼叶中锰的分布而增加叶片中铁的有效性，并可防治过多锰引起的甘蔗幼苗黄化，促进锰胁迫下甘蔗幼苗的生长。

硅；甘蔗；锰毒；缓解

甘蔗(SaccharumofficinarumL.)是我国最主要的糖料作物，广西是我国甘蔗的主产区，甘蔗种植面积和产糖量均占全国的60 %以上，广西甘蔗生产在维持我国食糖安全方面起到举足轻重的作用。锰是地壳中分布非常广泛的一种活泼金属元素，几乎所有的岩石都有锰的存在。我国土壤全锰含量一般处于10 ～5532 mg/kg，也有高达9478 mg/kg，平均为710 mg/kg，且南方酸性土壤锰含量比北方石灰性土壤的高[1-2]。土壤中有效锰的供给状况受土壤pH值的控制[3-4]，pH值小于6.0有利于锰的还原[5]，有效性提高。近年来，广西不少酸性土壤上的蔗区出现锰胁迫引起的甘蔗幼苗黄化问题，导致甘蔗产量和品质下降，蔗农损失惨重[6]。解决酸性土壤上锰引起的甘蔗幼苗黄化问题对于我国甘蔗生产和食糖安全意义深远。生产上常常采用施用石灰、其他含钙物质及有机肥防治土壤中锰毒的毒害[7]。早在1987年，Horiguchi等[8]就发现硅能减轻锰对大麦生长的毒害。此后，人们先后报道了硅对水稻[9-10]、豇豆、黄瓜[11]锰毒害的缓解效应。硅缓解金属毒的主要机制包括提高介质pH值，降低离子活性，减少植株吸收；硅促进金属离子在根的区隔化，抑制金属离子从根到茎的转移；改变金属离子在作物体内的化学形态，降低其毒性等[11]。

最近，梁丽萍等[12]报道表明硅可显著抑制赤红壤中锰的毒害。目前，虽然有不少研究报道了硅对降低水稻等作物锰毒害的效应，但有关硅对缓解锰胁迫引起的甘蔗幼苗黄化病的研究鲜有报道。通过偏硅酸钠及脱钠的硅对锰胁迫下甘蔗幼苗生长、叶片叶绿素含量、植株中锰含量、分布及铁活性的影响分析，探索甘蔗锰毒害防治的途径，为克服过多的锰引起的甘蔗幼苗黄化问题提供依据。

1 材料与方法

1.1 田间试验

为探讨在酸性土壤上偏硅酸钠施用对锰毒害引起的甘蔗幼苗黄化的影响，特在广西崇左市扶绥县渠黎镇开展施用偏硅酸钠的田间试验。五水偏硅酸钠(SiO2含量为30 %)用量为3750 kg·hm-2，以不施偏硅酸钠的处理为对照。小区面积32 m2，每个处理重复3次，随机区组排列。供试土壤成土母质为第四纪红土，其基本理化性状为：pH 5.14、有机质含量18.78 g·kg-1、全氮含量1.14 g·kg-1、碱解氮含量58.5 mg·kg-1、速效磷含量41.0 mg·kg-1、速效钾含量193.0 mg·kg-1、有效硅含量227.8 mg·kg-1、有效锰含量 321.0 mg·kg-1。第一年新植蔗(台糖14)收获后开垄破蔸，将偏硅酸钠施用于蔗蔸两侧并覆土。处理开始后的73 d和93 d分别以多点采样混合的方法采集幼苗+1叶全叶(下同)，测定甘蔗叶绿素含量，此时宿根蔗处于黄化前期和黄化后期。处理后的73 d(苗期)、93 d(拔节期)、153 d(伸长期)、187 d(成熟期)、269 d(收获期)分别采集+1叶，分析硅和锰含量。

1.2 培养试验

1.2.1 幼苗的培养 单芽蔗茎经饱和石灰水浸泡过夜，洗净，于育苗基质中催芽。幼苗长出2～3片真叶后，挑选长势一致的幼苗，转移至4.8L塑料桶中，1/5 Hoagland营养液培养，每隔45 min通气15 min。培养1周后的幼苗为下述试验的供试材料。

1.2.2 偏硅酸钠和硅酸处理 偏硅酸钠为强碱性物质硅酸盐。为探讨偏硅酸钠对甘蔗锰的解毒作用的影响，在1/5 Hoagland营养液基础上设置CK、HMn+Si0、HMn+Si1、HMn+Si2、HMn+Si4(HMn，1 mmol·L-1MnCl2；Si0、Si1、Si2、Si4分别为0、1、2、4 mmol·L-1偏硅酸钠)。为了避免强碱性的硅酸盐与锰发生沉淀，配制各处理溶液时先加入偏硅酸钠以盐酸调pH至4.5后，再加入MnCl2溶液。培养25 d后收获植株，烘干称重后测定+1叶中Mn含量。

为进一步探讨硅对甘蔗锰的解毒效应，在高锰培养液中加入脱钠、纯化的硅酸，参照顾明华和黎晓峰[13]方法由偏硅酸钠制备。硅处理方法同上述偏硅酸钠培养试验。处理25 d后收获植株，称重，测定+1叶片活性铁含量。采集根、茎、幼叶(+1叶及以上叶)、老叶(+1叶以下叶片)样品，烘干后测定硅和锰含量。

1.3 测定方法

叶绿素：丙酮提取-分光光度法[14]；活性铁：1 mol·L-1HCl提取-原子吸收(ZEEnit 700P，德国耶拿)法[15]；铁、锰：浓HNO3微波消解仪(MARS 6，美国CEM公司)消解，原子吸收光谱法；全硅含量干灰化-硅钼蓝比色法[16]。

2 结果与分析

2.1 偏硅酸钠对锰诱导的甘蔗黄化病的抑制作用

新植蔗砍伐后在蔗蔸两侧施用偏硅酸钠，73、93、153、187、269 d后分别采集宿根蔗幼叶样品分析其硅含量，结果表明施用偏硅酸钠(+Si)后不同生长期宿根蔗中锰含量均低于对照(-Si)的处理(图1)。幼苗期(73 d)和分蘖期(93 d)幼叶中锰的含量较高。然而，施用偏硅酸钠73 d和93 d后新叶的锰含量(427.6、221.6 mg·kg-1)仅为对照(589.2、371.8 mg·kg-1)处理的72.57 %和59.60 %。

图1 施用偏硅酸钠对不同生长期甘蔗幼叶中锰含量的影响Fig.1 Effects of application of sodium metasilicate on Mn content in young leaves of sugarcane in different growth periods

图2 偏硅酸钠对甘蔗幼叶叶绿素含量的影响Fig.2 Effects of sodium metasilicate on chlorophyll content in young leaves of sugarcane

幼苗期(73 d)宿根蔗叶绿素含量较低，对照处理的叶绿素含量仅为0.72 mg·kg-1(图2)。然而，施用偏硅酸钠处理(+Si)的叶绿素含量达到0.97 mg·kg-1，显著高于对照处理(-Si)。分蘖期(93 d)处理幼苗叶片中叶绿素含量达到1.71 mg·kg-1，较对照处理的高54.8 %。这些结果说明，施用偏硅酸钠可提高叶绿素含量，显著抑制土壤中过多的锰引起的甘蔗幼苗黄化。

如图3所示，甘蔗生长期间土壤的pH值有所变化，伸长期-收获期对照处理(-Si)的pH变化范围在5.39～5.24，施用偏硅酸钠后土壤的pH显著增加，伸长期-收获期对照处理(+Si)的pH变化范围高达7.69～8.94，说明施用偏硅酸钠抑制过多的锰引起的甘蔗幼苗黄化与施用硅增加土壤pH有关。

2.2 偏硅酸钠对高锰胁迫下甘蔗生长和锰含量的影响

在培养液中添加1 mmol·L-1MnCl2(HMn，pH 4.5)培养25 d后，甘蔗幼叶中Mn含量达到1.63 g·kg-1(图4)。在高锰(HMn)培养液添加1、2、4 mmol·L-1偏硅酸钠后，幼叶中Mn含量显著降低，Mn含量随着偏硅酸钠加入量的增加而显著降低。

H Mn处理后，甘蔗幼苗生物产量为26.13 g·plant-1，仅为对照(CK)处理的72.04 %(表1)。然而，在HMn培养液中加入偏硅酸钠后，甘蔗幼苗的生物产量显著增加。虽然加入过高浓度的偏硅酸钠后甘蔗的生物产量有减少的趋势，但是HMn+Si1、HMn+Si2处理的生物产量均高于对照(Si 0)。说明培养液中的偏硅酸钠显著抑制高Mn对甘蔗生长的影响。

图3 硅对土壤酸碱度的影响Fig.3 Effects of Si supplying on soil pH

图4 偏硅酸钠对甘蔗叶片锰含量的影响Fig.4 Effects of sodium metasilicate on Mn content in leaves of sugarcane

2.3 硅酸减轻锰对甘蔗幼苗的毒害

2.3.1 硅酸对高锰胁迫下甘蔗生长的影响 高锰胁迫下甘蔗生长明显受阻，生物产量显著降低(图5a)。在高锰溶解中加入经过纯化的硅酸后(HMn)，甘蔗幼苗中硅含量(图5b)和生物产量显著增加。1、2、4 mmol·L-1的硅酸处理，甘蔗幼苗的生物产量分别达到(33.18±0.06)、(37.13±3.87)、(38.71±1.92) g·plant-1，显著高于不加硅处理(Si 0)，说明生长介质中的硅酸可消除Mn对甘蔗生长的毒害。

2.3.2 硅对甘蔗锰含量和分布的影响 高锰培养液中加入硅酸后，植株中Mn的含量显著减少。在培养液中加入1 mmol·L-1硅后，幼叶中Mn含量有所降低，且随硅浓度增加幼叶中锰含量显著降低，1、2、4 mmol·L-1硅处理后，甘蔗幼叶锰含量分别为(1.82±0.05)、(1.71±0.02)、(1.60±0.00)g·kg-1，对照为2.15±0.08 g·kg-1(Control，表2)，2、4 mmol·L-1硅处理与对照差异显著，表明硅酸对锰毒害的解毒效应与硅引起的植株锰含量降低有关。

表1 偏硅酸钠对高锰胁迫下甘蔗幼苗生物产量的影响

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上存在显著性差异。下同。 Note: Different lowercase in the same column indicate significant difference at the 0.05. The same as below.

图5 硅对高锰胁迫下甘蔗幼苗生物产量(a)和植株硅含量(b)的影响Fig.5 Effects of silicic on the biomass of sugarcane seedlings(a) and silicic content(b) in plants under high Mn stress

培养液中的硅虽然对根系中锰含量的影响不显著，但显著降低老叶和茎中锰的含量(表2)。并且，硅对幼叶中锰含量的影响大于对老叶和茎含量的影响。1、2、4 mmol·L-1硅处理后，幼叶中锰相对含量约为对照处理的72.3 %～84.8 %，而老叶和茎中锰相对含量分别为对照的87.8 %～93.5 %和81.6 %～93.6 %。这些结果说明，硅对锰的解毒作用与植株中锰分布变化有关。

2.3.3 硅对高锰胁迫下幼叶中铁活性的影响 高锰胁迫下，甘蔗幼叶活性铁含量显著降低(图6)。高锰Mn处理后，幼叶中活性铁含量为(2.75±0.24)mg·kg-1，仅为对照(7.82±0.10)mg·kg-1处理的35 %。高锰溶液中加入硅酸后，幼叶中活性铁含量显著增加。硅处理的活性铁含量达到3.51～3.68，较对照(Si 0)增加27.64 %～33.81 %，说明硅对锰的解毒作用与植株中铁活性的增加有关。

图6 硅酸对高锰胁迫下甘蔗幼叶中活性铁含量的影响Fig.6 Effects of silicic acid on active Fe content in young leaves of sugarcane under high Mn stress

3 讨 论

本研究发现，施用硅肥可有效防治过多的锰引起的甘蔗幼苗黄化。供试土壤中活性锰含量高达321.0 mg·kg-1，供试宿根蔗幼苗叶片中锰含量达589.2 mg·kg-1,而叶绿素含量仅0.72 mg·kg-1，说明供试甘蔗黄化由过多的锰引起。此结果与本实验室前期的研究[18]及陈桂芬等[19]的结果相吻合。Doncheva等[17]指出加硅能减轻锰对玉米叶绿体功能的破坏。施用偏硅酸钠后的甘蔗幼叶中锰含量显著降低而叶绿素含量显著增加。采用培养试验方法，本实验室先前的研究也发现偏硅酸钠的施用显著降低土壤活性锰和甘蔗地上部锰含量。这些结果说明施用偏硅酸钠是防治过多的锰导致甘蔗幼苗黄化的有效途径。

表2 硅酸对植株中锰含量的影响

本研究结果表明，施用偏硅酸钠后土壤pH值显著增加，这与梁丽萍等[12]研究结果相似，施用偏硅酸钠后根际土壤的pH显著增加。随着土壤pH值的增加，土壤有效锰含量会降低[3,12]。苏秀伟也有类似研究，施用硅酸钠显著增加土壤pH值，导致土壤有效锰含量降低，进而避免酸化果园上苹果植株对锰毒的吸收[20]。在pH相同条件下偏硅酸钠也能减少高锰胁迫下甘蔗叶片中锰含量并促进甘蔗幼苗的生长。可见，偏硅酸钠的碱性及其中所含偏硅酸盐的综合效应可有效减缓锰引起的甘蔗幼苗黄化。

脱钠的硅也能有效消除过多的锰对甘蔗幼苗生长的毒害。硅处理后植株地上部中锰含量和幼叶锰含量均显著降低。通过对甜茶植株中Mn含量的分析，苏秀伟[20]也发现硅能有效减少锰的吸收并降低叶片中Mn含量。另一方面，铁是影响植株锰毒害发生与毒害程度的关键因素。高锰胁迫下硅处理显著增加甘蔗幼叶中活性铁含量。硅处理也显著增加水稻中铁的活性水平，这与黎晓峰等人研究结果相似[10]。硅对铁的活化效应其原因可能是锰对铁的钝化作用减弱所致[21]。

4 结 论

施用偏硅酸钠后，出现甘蔗黄化病的甘蔗地土壤pH值显著升高，幼苗期及分蘖期甘蔗新叶叶绿素含量显著增加，且各生育期甘蔗新叶中锰含量均显著降低。在高锰胁迫下，在培养液中添加的偏硅酸钠(1、2、4 mmol·L-1Si)也显著增加甘蔗幼苗的生物产量而降低幼叶中锰含量；在高 Mn培养液中分别添加1、2、4 mmol·L-1硅酸，各处理的甘蔗幼苗生物产量显著高于不加硅的对照，一定范围内生物产量随着硅添加量的增加而增加；叶片及茎中锰含量均显著降低，并且幼叶中锰降低的幅度大于老叶和茎。硅处理后，幼叶中活性铁的含量显著增加。总之，硅酸盐的施用可有效降低甘蔗植株中锰含量、减少幼叶中锰的分布，增加叶片中铁的有效性并促进锰胁迫下甘蔗幼苗的生长。因此，硅肥施用是防治过多的锰引起的甘蔗幼苗黄化的有效措施。

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(责任编辑 王冠玉)

Silicon Alleviates Manganese Toxicity in Sugarcane

LING Gui-zhi, JIANG Xiong-ying, YANG Shu, HUANG Yu-lan, ZHAO Zun-kang,GU Ming-hua, LI Xiao-feng*

(College of Agriculture, Guangxi University, Guangxi Nanning 530005, China)

The alleviation of silicon manganese toxicity in sugarcane were investigated by field experiment and culture experiments. The results showed that application of sodium metasilicate to acid soils resulted in significantly elevation in soil pH value and chlorophyll content in young leaves of the plants in seedling and tillering stages, while Mn content in young leaves of the plants in different growth periods significantly decreased. Moreover, the application of 1, 2, 4 mmol·L-1sodium metasilicate to nutrition solutions induced significantly increase in seedlings biomass and a decrease of Mn content in young leaves of the seedlings under high Mn (1 mmol· L-1) stress.Furthermore, the biomass of seedlings under high Mn in the treatment with 1，2，4 mmol·L-1silicic acid was significantly higher than that in the control without silicate addiction and the biomass increased with silicate addiction rate. Mn content in stems and leaves significantly decreased after the treatment with silicate although Mn content in roots failed to remark alternation. And the depressed range of Mn content in young leaves was higher than those in elder leaves and stems. On the other hands, active Fe a content in young leaves increased after silicate treatment. The application of silicate result in the decrease of Mn in plants and distribution in young leaves but enhance Fe activity in young leaves and improve seedlings growth in high Mn condition. Therefore, the application of silicate is an effective method to regulate exess Mn-induced chlorosis in sugarcane seedlings and promote the growth of plant.

Silicon； Sugarcane； Manganese toxicity； Alleviate

1001-4829(2016)07-1639-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.025

2016-03-10

国家自然科学基金项目(312604972013)；广西自然科学基金项目(2012GXNSFDA053010)；广西研究生创新计划项目(YCBZ2013005)；广西高校农业环境与农产品安全重点实验室[桂教科研(2014)6号]开放课题

凌桂芝(1976-),女，广西横县人，硕士，实验师，主要从事逆境植物营养生理研究,*为通讯作者，E-mail:lxf@gxu.edu.cn。

S667

A