铜胁迫对油菜叶片内源生长因子的影响

燕辉 杨秀霞 赖发英

摘要：为了揭示铜胁迫对油菜（Brassica napus L.）生理特性的影响，对铜胁迫下油菜叶片内源激素含量及相互关系进行了分析。结果表明，随着铜离子浓度的增大和胁迫时间的延长，油菜叶片脱落酸（ABA）含量呈逐步升高趋势；轻度铜胁迫下，生长素（IAA）的含量亦逐步升高，但随着铜胁迫程度的加剧，生长促进型因子IAA、赤霉素（GA）与细胞分裂素（ZR）的含量最終均呈现出降低趋势。进一步分析各内源生长因子间的关系发现，IAA/ABA、GA/ABA、ZR/ABA和（IAA+GA+ZR）/ABA的值均随着胁迫加剧而逐步降低，这会限制细胞分裂与叶片伸长；但另一方面，逆境生长因子ABA含量的相对增加能够启动油菜体内的抗逆应激反应，从而增强油菜的抗逆性。

关键词：油菜（Brassica napus L.）；铜胁迫；内源生长因子

中图分类号：S565.4 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）20-0023-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.005 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： To reveal the effect of Cu stress on physiological characteristics in oilseed rape（Brassica napus L.），the content and interrelation of endogenous growth regulators under Cu stress were analyzed in this study. The results showed that，with the increase of treatment time and Cu concentration，abscisic acid（ABA） content in oilseed rape leaves showed a trend towards increasing. Meanwhile，the content of auxin（IAA） also increased with 1 day of Cu stress. However，with the increase of Cu stress，the growth promoting regulators，such as IAA，gibberellin（GA） and cytokinin（ZR），would showed a trend towards decreasing. Further analysis of the interrelation between endogenous hormones showed that，with the increase of Cu stress，the values of IAA/ABA，GA/ABA，ZR/ABA and（IAA+GA+ZR）/ABA increased gradually，which would restraint cell division and leaf elongation. But，with the increase of ABA，the anti-stress response would be started in oilseed rape and the adversity resistance would be enhanced.

Key words： oilseed rape（Brassica napus L.）； Cu stress； endogenous growth regulators

油菜（Brassica napus L.）是重要的油料作物，在保障食用油安全、增加农民收入、发展生态农业和循环经济中发挥着不可替代的作用[1]。近年来，受铜矿开采与含铜污水大量排放的影响，中国部分地区较大面积的农田土壤遭受了铜污染[2]；另一方面，农业生产中含铜杀虫剂和高铜有机肥（畜禽粪便）的频繁使用，亦造成了农田土壤中铜元素的累积[3]。目前，铜已经成为导致中国土壤环境产生污染的主要重金属元素[4]，土壤中铜含量过高会影响油菜生长发育，进而对其产量造成影响。

内源生长因子在调节作物细胞分裂伸长、器官生长成熟以及个体生理代谢过程中发挥着极其重要的作用，而作物对逆境条件的生理响应亦是通过其体内生长因子含量的变化来实现的[5]。同时，逆境条件下作物的生理反应往往不是一种生长因子在起作用，而是多种内源生长因子综合平衡的结果[6]。目前，为了解土壤铜污染可能对油菜生长发育及产量带来的不利影响，广大学者对铜胁迫下作物生理特性的变化进行了大量研究，内容涉及光合碳同化[7]、自由基[8]、保护酶活性[9]等多个领域，但对铜胁迫下油菜体内生长因子变化规律的研究相对较少。为深入认识铜胁迫条件下油菜内源生长因子变化规律，本试验分析了不同浓度的铜胁迫对油菜叶片内源生长因子含量及其综合效应的影响，旨在为在铜污染地区开展油菜种植提供一定的参考与指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盆栽试验在遮雨棚中开展。试验前将油菜子播种于直径为18 cm、高为20 cm的塑料桶中，每桶播种5粒，第三复叶出现后开始疏苗，定苗为1株。幼苗于每天上午8：00称重并保持80%的田间持水量，以保持充足的水分供应。

1.2 试验设计

幼苗在遮雨棚中生长30 d后，分别用100 mL加入0（对照）、100、200 μmol/L CuSO4的Hoagland营养液对油菜进行1、10、20 d的铜胁迫处理；胁迫后各处理分别选取3株油菜的叶片，用液氮收获并研磨成粉末后进行内源激素含量的测定。

1.3 测定指标及方法

采用酶联免疫法（ELISA）[10]测定油菜叶片中的生长素（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（ZR）、脱落酸（ABA）等内源生长因子的含量，测定所使用试剂盒由中国农业大学作物化学控制研究中心提供，所使用酶标仪为Thermo Multlskan FC全自动酶标仪。

1.4 数据处理

应用SPSS软件（16.0版本）及Origin 7.5分别对试验数据进行统计分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 铜胁迫下内源生长因子含量变化

ABA是作物体内重要的能够感知胁迫的逆境生长因子，它能够在逆境条件下发生变化，进而有效地调控作物生命活动[5]。由图1可知，200 μmol/L Cu2+胁迫1 d后，油菜叶片ABA含量较对照显著升高；且随着铜胁迫程度的加剧，ABA含量呈逐渐增加的趋势。Ghanem等[11]对逆境番茄的研究也得到了相似的结论，这应该与逆境刺激ABA的合成有关[12]。

IAA亦是作物体内重要的内源生长因子，在细胞伸长、分裂和分化的调控过程中发挥着重要作用[13]。由图1可知，铜胁迫1 d后，油菜叶片IAA含量较对照显著升高，这有助于促进叶肉细胞的伸长与分裂，从而加速同化物的积累，减轻胁迫可能对油菜叶片造成的生理伤害[5]。但随着铜离子浓度的增大与胁迫的加剧，油菜叶片IAA含量在200 μmol/L Cu2+胁迫10 d后较对照显著降低。

GA是促进作物节间伸长与植株生长的内源生长因子[14]，ZR则主要起到促进细胞分裂与扩大、促进细胞内营养物质转移、延緩细胞衰老等作用[15]。由图1可知，铜胁迫1 d后，油菜叶片GA与ZR均未发生显著变化；但随着胁迫时间的延长，铜胁迫10 d后，GA与ZR均呈现出降低的趋势。类似的结论亦在对甘薯的逆境生理研究中得到证实[16]，GA与ZR含量的降低应该与铜胁迫下这两种内源生长因子生物合成受抑制有关[17，18]。

2.2 铜胁迫下内源生长因子的拮抗与平衡

2.2.1 铜胁迫下各内源生长因子间的拮抗与平衡

作物体内已证实的内源生长因子包括生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、脱落酸等[19]。在这些生长因子中，一部分能有效促进作物生长，而另一部分则可能对细胞伸长与作物生长起抑制作用；因此，对作物生理活动的调控，往往不是某一种内源生长因子在起作用，而是多种内源生长因子综合平衡的结果。

为探明铜胁迫对内源生长因子的影响，进一步对铜胁迫下各内源生长因子间的比值进行了分析。由图2可知，200 μmol/L Cu2+胁迫10 d后，油菜叶片GA/ABA显著降低；且随着铜胁迫的加剧，GA与ABA的比值呈降低趋势。GA能够促进细胞分裂与伸长，而ABA则会起到抑制细胞生长的作用，GA与ABA比值的降低表明油菜叶片的内源生长因子平衡被打破，油菜叶片的生长发育受到了铜的抑制。

油菜叶片IAA/ABA与ZR/ABA的变化趋势与GA/ABA基本相同。伴随着铜胁迫程度的加剧，IAA/ABA与ZR/ABA较对照显著降低（图2）。与GA类似，IAA与ZR主要起刺激细胞分裂与伸长，促进作物生长与节间伸长的作用；与ABA比值的相对降低，会减弱IAA与ZR的生理作用，进而抑制油菜叶片的伸展与植株的生长。但另一方面，ABA含量的相对升高是油菜对逆境胁迫的适应性反应，能够有效地提高油菜的抗逆性[20]。

2.2.2 铜胁迫下（IAA+GA+ZR）/ABA的变化 在作物内源生长因子中，IAA、GA、ZR为促进生长型因子，能够促进作物生长发育[21]；而ABA则被称为抑制生长型因子，能够起到抑制作物细胞分裂与伸长、诱导叶片气孔收缩、加速叶片脱落与衰老的作用[22]。为研究两种不同类型的生长因子在铜胁迫下的拮抗与平衡规律，进一步对铜胁迫下促进生长型因子与抑制生长型因子的比值（IAA+GA+ZR）/ABA进行了分析。结果（图3）发现，100 μmol/L Cu2+胁迫10 d后，油菜叶片（IAA+GA+ZR）/ABA的值较对照显著降低；且在200 μmol/L Cu2+胁迫20 d后降至最低值，表明铜胁迫打破了促进生长型因子与抑制生长型因子之间的平衡，与促进生长型因子IAA、GA与ZR相比，抑制生长型因子ABA相对比例升高，油菜叶片细胞分裂与伸长受到了抑制。

3 小结与讨论

逆境会导致作物体内生长因子含量发生变化。分析铜胁迫下油菜叶片内源生长因子ABA、IAA、GA及ZR的变化规律发现，随着铜离子浓度的增大和胁迫时间的延长，内源生长因子ABA的含量逐步升高。作为抑制生长型生长因子，ABA含量的升高能够诱导叶片气孔收缩、降低蒸腾作用、延缓离子随蒸腾流的运输[23]；同时，作为应激生长因子，ABA亦能够通过逆境信号的转导，启动油菜体内的应激反应，从而提高油菜体内SOD、POD和CAT等抗氧化酶的活性，加速油菜体内活性氧自由基的清除[24，25]，从而减轻铜胁迫对油菜的生理伤害。但另一方面，作为抑制细胞分裂与伸长的内源生长因子，ABA含量的升高会抑制作物生长，进而加速作物衰老与叶片脱落[26]。与ABA不同，生长促进型生长因子IAA在轻度胁迫后升高，这有助于加速光合产物积累，减轻铜胁迫可能造成的生理伤害。随着铜胁迫的加剧，IAA、GA与ZR的含量均随着胁迫程度的增大而减少，且胁迫时间越长，减少越显著。IAA、GA与ZR含量的减少会减缓油菜细胞分裂、限制油菜生长与节间伸长，表明油菜的生理特性受到了铜胁迫的不利影响。

由于作物的生长发育并非单一生长因子在起作用，而是多种内源生长因子共同作用的结果。因此，逆境条件下作物体内各生长因子间的拮抗与平衡能更好地反映出其生理适应性。对铜胁迫下油菜叶片各内源生长因子间的比值进行分析发现，IAA/ABA、GA/ABA、ZR/ABA和（IAA+GA+ZR）/ABA均随着胁迫加剧而减小，表明铜胁迫打破了油菜叶片各内源激素间的动态平衡，且生长抑制型因子含量相对促进型因子增加。这会限制油菜细胞的分裂伸长及植株的生长发育；但另一方面，生长抑制型因子ABA含量的相对增加会启动作物体内一系列应激反应（如气孔收缩并抑制铜离子运输，提高SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性，增加脯氨酸含量等），从而提高油菜的抗逆性[25，26]。

参考文献：

[1] 杨绍群，刘新稳，柯兴盛.赣北油棉套栽油菜的播期与密度试验[J].棉花科学，2011，33（6）：38-40.

[2] 林世滔，李 琳，卢志红，等.基于GIS的江西省耕地土壤重金属污染评价研究[J].江西农业大学学报，2014，36（5）：1167-1172.

[3] 刘洪涛，郑国砥，陈同斌，等.农田土壤中铜的主要输入途径及其污染风险控制[J].生态学报，2008，28（4）：1774-1785.

[4] 周建軍，周 桔，冯仁国.我国土壤重金属污染现状及治理战略[J].中国科学院院刊，2014，29（3）：315-320，350.

[5] 燕 辉.西北旱区两种典型沙生植物对盐胁迫响应的研究[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2012.

[6] 柯学莎.沉水植物内源激素的变化与环境响应研究[D].武汉：中国科学院研究生院（武汉植物园），2006.

[7] 杨丽丽.铜胁迫对甜菜幼苗生长和光合特性的影响[D].济南：山东师范大学，2013.

[8] 吴 燕，万永红，谢明吉.铜胁迫下两种来源野胡萝卜的膜脂过氧化水平比较[J].湖北大学学报（自科版），2006，28（3）：313-316.

[9] 李永杰，李吉跃，方晓娟，等.铜胁迫对国槐幼苗生长及叶片生理特性的影响[J].生态科学，2010，29（1）：35-38.

[10] 何钟佩.农作物化学控制实验指导[M].北京：北京农业大学出版社，1993.60-68.

[11] GHANEM M E，ALBACETE A，MART？魱NEZ-AND■JAR C， et al. Hormonal changes during salinity-induced leaf senescence in tomato （Solanum lycopersicum L.）[J]. Journal of Experimental Botany，2008，59（11）：3039-3050.

[12] 杨洪强，接玉玲.高等植物脱落酸生物合成及其信号转导研究进展[J].华中农业大学学报，2001，20（1）：92-98.

[13] 徐新然，陈向东，张薇薇，等.生长素调节药用植物生长发育的研究进展[J].中国现代中药，2016，18（12）：1675-1678.

[14] 吴建明，李杨瑞，杨 柳，等.赤霉素诱导甘蔗节间伸长与内源激素变化的关系[J].热带作物学报，2009，30（10）：1452-1457.

[15] 贾瑞丰，杨曾奖，徐大平，等.干旱胁迫对降香黄檀幼苗生长及内源激素含量的影响[J].生态环境学报，2013，22（7）：1136-1140.

[16] 张明生，谢 波，谈 锋.水分胁迫下甘薯内源激素的变化与品种抗旱性的关系[J].中国农业科学，2002，35（5）：498-501.

[17] ITAI C，BIRNBAUM H. Synthesis of plant growth regulators by roots[A].WAISEL Y，ESHEL A，KAFKAFI U，et al. Plant Roots（The Hidden Half）[C].New York：Marcel Dekker，Inc，1991.163-177.

[18] 周述波，林 伟，萧浪涛.植物激素对植物盐胁迫的调控[J].琼州大学学报，2005，12（2）：27-30.

[19] 武维华.植物生理学[M].第二版.北京：科学技术文献出版社，2008.

[20] 代碌碌.AM1处理提高油菜抗旱性的机理研究[D].北京：中国农业科学院，2016.

[21] 周红兵，王迎春，石松利，等.NaCl胁迫对盐生植物长叶红砂幼苗内源激素的影响[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2010， 41（5）：531-535.

[22] 张 敏.不同小麦品种耐盐差异的生理生化机制研究[D].山东泰安：山东农业大学，2007.

[23] 张云霞.胡杨对初始低盐胁迫的响应机制与耐盐性研究[D].北京：北京林业大学，2007.

[24] YAN H，FILARDO F，HU X，et al. Cadmium stress alters the redox reaction and hormone balance[J]. Environmental Science and Pollution Research，2016，23：3758-3769.

[25] 周玉堂，李拥军.植物叶片衰老的研究综述[J].湖北工程学院学报，2016，36（3）：55-59.

[26] JIANG M，ZHANG J. Water stress-induced abscisic acid accumulation triggers the increased generation of reactive oxygen species and upregulates the activities of antioxidant enzymes inmaize leaves[J].Journal of Experimental Botany，2002，53：2401-2410.