莠去津和硝磺草酮对竹节草生理特性及抗氧化酶的影响

王 莹， 周斌辉， 于佳林， Mohsin Nawaz， 王志勇

(1.海南大学热带农林学院，海南海口 570228；2.Department of Crop and Soil Sciences, The University of Georgia, Athens USA30602)

植物体内的抗氧化系统在抵抗胁迫方面有非常重要的作用，它可以消除植物体内的ROS，以避免ROS的过量积累对植物造成的伤害。抗氧化酶类主要包含抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽还原酶(GR)和超氧化物歧化酶(SOD)[5]，这些酶类可以通过与ROS的酶促反应，将其从植物细胞中移除。

硝磺草酮是一种芽前和苗后广谱使用的选择性除草剂[6]，能够快速被植物的根和叶片吸收，并且可以迅速地在植株体内进行代谢作用而失去活性[7]。它通过抑制羟基丙酮酸双加养酶(HPPD)的活性来抑制类胡萝卜素的合成过程，从而有效防治主要的阔叶草和一些禾本科杂草[8]。莠去津的特点是以根部吸收为主，并兼茎叶吸收，杀草谱较广，可防除多种1年生禾本杂草与阔叶杂草[9]。苏旺苍等通过对大豆喷施不同浓度的莠去津发现，随着莠去津处理浓度的上升，大豆叶片中的叶绿素荧光参数最大光量子产量、非光化学淬灭、实际光量子产量和电子传递速率受到的抑制作用均逐步加剧[10]。McElroy等研究莠去津和硝磺草酮的施用对假俭草的影响发现，2种除草剂混合后喷施确实比它们单独施用对假俭草的伤害更显著，且生物量减少的幅度也更大[11]。

竹节草是一种属于禾本科金须茅属的多年生暖季型草种。目前，关于竹节草的研究大多集中在形态学特征[12-13]、生物防治入侵[14]、抗逆能力评价[15-17]以及生态分布[18]等方面[19]。我国虽然是其主要分布地区之一，但关于除草剂对竹节草的应用方面的研究报道相对空白。本研究通过对竹节草施用莠去津和硝磺草酮及其交互作用，从生理变化方面研究除草剂喷施所引起的活性氧代谢的变化及除草剂胁迫对抗氧化特性的影响，以期为科学施用除草剂以及如何在建植竹节草草坪过程中防除杂草提供理论依据和方法借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验地概况 试验在中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所牧草中心大棚内进行，平均气温最高为 32 ℃，最低为25 ℃。

1.1.2 试验药剂 供试药剂莠去津(380 g/L，悬浮剂)和硝磺草酮(200 g/L)由广西田园生化股份有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 竹节草种植 于2015年6月，选取带有3～4个节的竹节草匍匐枝，扦插到装有沙子 ∶椰糠(80% ∶20%，体积分数)的塑料管中(塑料管高20 cm，直径5 cm，管底穿孔)，每个塑料管中扦插3个匍匐枝茎段。每天早晚各浇1次水，每周施用2次复合肥(氮、磷、钾比例为28 ∶10 ∶7)，培养1个月左右。

1.2.2 除草剂处理 试验设置9个处理，分别为(0+0)、(280+0)、(560+0)、(0+140)、(0+280)、(280+140)、(280+280)、(560+140)、(560+280)g a.i./hm2(莠去津+硝磺草酮，下同)，其中以不喷施除草剂为对照，4次重复。待长出 2～3 个分蘖后选取长势一致的竹节草进行不同除草剂喷施处理。所有处理均用电动喷雾器374 L/hm2、9504E扇形喷头进行喷施，24 h内不浇水。处理后，分别在第4天、第8天、第12天、第16天和第20天观测记录竹节草叶片的受损伤程度(损伤面积占总体的百分比)。在处理20 d后收获地上部分，放在60 ℃烘箱中烘干，直到获得恒质量。根据损伤度观测，选择合适浓度的除草剂进行试验，分别在处理1、5、8 d后采集竹节草叶片，进行生理试验测定。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0和Excel 2003软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同除草剂处理后竹节草叶片损伤度观测

竹节草用不同除草剂不同浓度梯度处理后，分别在不同处理时间观测叶片的损伤度，结果如表1所示。用硝磺草酮140、280 g a.i./hm2处理后20 d，竹节草叶片损伤度分别达到39%、50%。而莠去津560 g a.i./hm2和硝磺草酮 280 g a.i./hm2混合施用后20 d时，竹节草的损伤度达到87%，与其他处理后20 d差异显著(P<0.05)。图1为处理12 d后植株表型。

表1 不同除草剂处理对竹节草叶片损伤度的影响

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

在处理后20 d获取地上部，烘干称质量，结果表明，单独施用莠去津280、560 g a.i./hm2，随着莠去津施用浓度的增加，地上部干质量所占对照比例减少；单独施用硝磺草酮140、280 g a.i./hm2，地上部干质量相比对照分别减少46%、52%。而莠去津和硝磺草酮混合施用与莠去津单独施用相比，地上部分干质量减少差异显著(P<0.05)。

2.2 不同除草剂处理后竹节草叶片中叶绿素a含量的变化

由图2可知，相同除草剂处理后竹节草叶片中叶绿素a含量随着处理时间的增加而下降。处理后1 d，相比对照，单独施用莠去津 280 g a.i./hm2比单独施用硝磺草酮和两者混合施用，叶绿素a含量下降最少；在处理后5、8 d，竹节草叶片中叶绿素a含量相比于对照下降约1倍。单独施用硝磺草酮竹节草叶片中叶绿素a含量显著低于单独施用莠去津(P<0.05)。正如预期，硝磺草酮和莠去津混合施用能够更有效地降低竹节草叶片中叶绿素a含量，处理后1、5、8 d分别比对照减少53%、69%、89%。

2.3 不同除草剂处理后竹节草叶片中叶绿素b含量的变化

由图3可知，和叶绿素a含量一样，喷施除草剂的竹节草叶片中叶绿素b含量相比对照随着处理时间的增加而减少。处理后 8 d，单独施用莠去津280 g a.i./hm2使竹节草叶片中叶绿素b含量比对照减少45%，单独施用硝磺草酮 140 g a.i./hm2使其含量比对照减少57%。2种除草剂的混合施用使竹节草叶片中叶绿素b含量减少得最明显。

2.4 不同除草剂处理后类胡萝卜素含量的变化

由图4可知，竹节草叶片中类胡萝卜素的含量相比于对照随着除草剂处理时间的增加而逐渐减少。单独施用硝磺草酮 140 g a.i./hm2比单独施用莠去津280 g a.i./hm2能更有效地降低竹节草叶片中类胡萝卜素含量。莠去津和硝磺草酮混合施用减少竹节草叶片中类胡萝卜素含量更为明显，处理后8 d，竹节草叶片中类胡萝卜素含量为0.024 mg/g。

2.5 不同除草剂处理后竹节草叶片中MDA含量的变化

由图5可知，除草剂处理后MDA含量相比对照均明显增加。单独施用莠去津280 g a.i./hm2，MDA含量比对照在处理1、5 d时分别增加5%、32%。处理后8 d，单独施用硝磺草酮 140 g a.i./hm2和单独施用莠去津280 g a.i./hm2MDA含量相似，相比对照分别增加了15%和13%。莠去津和硝磺草酮混合施用处理后竹节草的MDA含量显著高于单独施用莠去津时的MDA含量。

由图6可知，单独施用莠去津280 g a.i./hm2和单独施用硝磺草酮 140 g a.i./hm2，竹节草叶片中超氧阴离子产生速率相近。与对照相比，莠去津和硝磺草酮混合施用后5、8 d，超氧阴离子产生速率相比对照分别增加41%、37%，2种除草剂混合施用效果最为明显。

2.7 不同除草剂处理后POD活性的变化

除草剂处理后，竹节草叶片中POD活性相比于对照随着处理时间的增加而逐渐增强。处理后1 d，莠去津 280 g a.i./hm2和硝磺草酮140 g a.i./hm2混合施用使竹节草叶片中POD活性显著增强，比对照增加52%。处理后8 d，莠去津、硝磺草酮及其混合施用使竹节草叶片中POD活性分别增加50%、53%、60%。莠去津和硝磺草酮混合施用使竹节草叶片中的POD活性显著高于单独施用莠去津或硝磺草酮(P<0.05，图7)。

2.8 不同除草剂处理后竹节草叶片中SOD活性的变化

由图8可知，除草剂处理后竹节草叶片中SOD活性都高于对照。随着处理时间的延长，未处理竹节草叶片中SOD活性保持基本稳定，除草剂处理后竹节草叶片中SOD活性随之增强。处理后8 d，莠去津、硝磺草酮及其混合施用使竹节草叶片中的SOD活性分别增加44%、55%、63%，且SOD活性从大到小为莠去津和硝磺草酮混合施用>硝磺草酮单独施用>莠去津单独施用(P<0.05)。

2.9 不同除草剂处理后竹节草叶片中CAT活性的变化

由图9可知，单独施用莠去津或者硝磺草酮没有引起竹节草叶片中CAT活性的显著变化。处理后1、5、8 d，莠去津和硝磺草酮混合施用使竹节草叶片中CAT活性分别增加26%、21%、16%。

3 结论与讨论

在竹节草旺盛生长时期，喷施莠去津对其生长状态影响不大，硝磺草酮比莠去津对竹节草的伤害更大。在用硝磺草酮处理后，竹节草叶片中的叶绿素a和叶绿素b的含量比用莠去津处理后减少的幅度更大，这可能与缺少了类胡萝卜素保护植物抵御ROS有关。叶绿素a含量的减少可能与光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心的D1蛋白被ROS破坏相关。ROS通常能够被α-生育酚、类胡萝卜素和抗氧化酶抑制[22]。α-生育酚是最有效的抗氧化剂，能够迅速地和ROS包括单线态氧与脂质过氧化自由基产生反应[23]。β-胡萝卜素是除了单线态氧之外的三线态叶绿素有效淬光剂[1]。然而，硝磺草酮阻碍了这些保护物质的生成[24]，导致脂质过氧化作用的发生及色素和蛋白质被降解。

由于总类胡萝卜素含量的减少，过多的能量不能被有效地驱散，结果会产生三线态叶绿素，而电子被转移到分子氧上，从而生成ROS。相反，ROS会攻击类囊体膜和原生质体膜，导致脂质过氧化作用和细胞膜损伤[1]。细胞膜特别是类囊体膜，很容易发生脂质过氧化反应，因为它们含有高浓度的不饱和脂肪酸[22]，而不饱和脂肪酸能够被完全降解为乙烷和MDA。因此，MDA可以作为细胞膜结构完整性的良好标志[23]。在本研究中，脂质过氧化反应水平与除草剂处理后竹节草的敏感性是一致的。在以前的研究中，意大利黑麦草在用莠去津处理后，其嫩枝中的MDA含量显著增加，而在小麦中MDA含量则没有增加[25]。

SOD是细胞内清除ROS系统中的重要酶，对维持植物体内活性氧产生和清除的动态平衡起着重要的作用，从而使植物细胞免受伤害[26]。POD可有效地清除各种逆境胁迫下植物体内产生的过氧化产物，以降低其对植物自身的毒害，保证植物能够进行正常的生长代谢。CAT是调控H2O2含量最重要的酶[27]，而用硝磺草酮处理后的竹节草抗氧化活性(CAT、SOD和POD)还没有被报道过。笔者所在课题组的研究结果显示，莠去津与硝磺草酮处理影响了这些酶的活性。在温室试验中，内源性酶的活性通常表现出与植物损伤度相反的关系，表明抗氧化酶被激活，以抵消除草剂处理后的氧化胁迫。然而，严重的细胞损伤仍然会发生，因为ROS的形成超过了抗氧化防御系统的抵御能力。

硝磺草酮属于对HPPD抑制剂类除草剂，莠去津和硝磺草酮混合施用能够显著增加竹节草的损伤度，说明莠去津对HPPD抑制剂有增效作用。竹节草对莠去津耐受，但是对硝磺草酮敏感，因此可以选择莠去津来去除竹节草草坪中对莠去津敏感的杂草。

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