生长素萘乙酸对甘蔗锰毒的调控

武 欣，陈杨明珠，凌桂芝，黎晓峰

（广西大学农学院/广西农业环境与农产品安全重点实验室/亚热带生物资源保护与利用国家重点实验室，广西 南宁 530004）

生长素（auxin）是一种重要的植物激素，广泛参与细胞分裂、伸长和分化的调控，对植物的生长发育有着极其重要的影响。重金属胁迫影响植物的激素平衡，有研究发现锰毒通过影响IAA的合成与极性运输来抑制拟南芥根尖伸长［1-2］。而植物激素也能影响重金属毒害的毒性，国内外现已有较多关于赤霉素、生长素等植物激素能影响植物在砷、镉、铅、铝等重金属胁迫下的生长状况，如外源生长素可增加镉的吸收、积累和镉的向上运输［3-5］。不同的生长素类物质对不同植物吸收和累积重金属的影响并不一样，但其促进植物生长的能力确实可以提高植物的重金属耐性，缓解植物的重金属毒害。因此，合理地使用生长素可减弱重金属对植物生理的不利影响，提高植物对重金属胁迫的抗性，促进植物恢复正常的生长发育。

甘蔗是我国重要的糖料作物，是广西的重要经济作物之一，由于广西的土壤多呈酸性，因此锰的毒害是广西主要蔗区上甘蔗生产的主要限制因子之一，会引起甘蔗幼苗黄化（尤其是宿根蔗）、甚至枯死，对其产量及品质的影响重大［6-8］。目前甘蔗锰毒的相关机制尚未明确，而植物激素对甘蔗锰毒的影响更鲜有报道。为些，我们通过水培试验，研究萘乙酸对锰毒胁迫下甘蔗锰含量、转运及分布的影响，为揭示甘蔗锰毒问题的解决提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年9～12月进行，供试材料为广西农业科学院甘蔗研究所培育的桂糖32号。种茎经12 h浸泡、1% NaClO溶液30 min消毒、水洗后置于潮湿毛巾上催芽。初生根长出约2 cm后，将蔗茎转移至塑料容器中，蔗根浸入0.5 mmol/L的CaCl2溶液（pH 5.5）中培养，培养8 d后，选择地上部及根长势一致的幼苗为供试材料。

1.2 试验方法

为探讨α-萘乙酸（NAA）对根系锰含量的影响，将培养8 d的甘蔗幼苗在含0、10、50、100、500 nmol/L的 NAA 及 MnCl2（500 μmol/L）的0.5 mmol/L的CaCl2（pH5.5）溶液中培养。处理2 d后，沿蔗兜基部剪下根系于0.5 mmol/L的CaCl2溶液、去离子水中清洗3次以去除根表吸着的锰后烘干、粉碎并采用HNO3-HClO4混合酸消解-原子吸收光谱法测定根系锰含量。

为探讨NAA对植株锰分布及其根系生长的影响，将上述长势一致的幼苗浸入含0（-NAA）、100 nmol/L（+ NAA）NAA和0（-Mn）、500 μmol/L（+ Mn）MnCl2的 1/5 霍格兰营养液中培养，每隔2 d更换一次培养液。处理15 d后收集伤流液（于上午7：00沿植株茎基部约2 cm处切断，弃最初15 min切口处流出的液滴，收集其后约3 h内切口处溢出的液体并测定其锰浓度）。收集伤流液后的蔗兜从根基部切断获根系样品。植株样品水洗后分未展开叶（幼叶）、+ 1叶、+ 2叶、根系测定铁锰含量。部分+ 1叶分叶鞘和叶片（去叶脉）两部分，参照Akimasa Sasaki方法分别提取质外体和共质体测定锰含量［9］。取部分根系提取锰膜（草酸提取法），分别测定锰膜及根内锰含量。取部分根系做根系扫描观察，用WinRHIZO根系分析软件获取单位根的根长、根表面积、根体积、根尖数、分叉数、交叉数以分析甘蔗根系的形态差异。

为探讨生长素极性运输对植株锰含量的影响，将上述幼苗根系浸入于空白对照、1 000 nmol/L三碘苯甲酸（TIBA）、1 000 nmol/L萘基邻氨甲酰苯甲酸（NPA）的溶液中培养。培养液含500 μmol/L的MnCl2和0.5 mmol/L的CaCl2（pH 5.5）。处理5 d后收获植株，测定未展开幼叶铁锰含量及根系、完全展开叶、叶鞘及叶片锰含量。每个处理3次重复。

采用Excel和SPSS软件对数据进行整理及分析，差异显著性检验采用Duncan 新复极差法。

2 结果与分析

2.1 萘乙酸对根系锰含量的影响

根系是植物非常敏感脆弱的器官，也是植物感受生长介质中各种胁迫信号的主要器官。在锰毒胁迫下，甘蔗根部会作出快速的响应。在500 μmol/L MnCl2溶液中添加 0、10、50、100、500 nmol/L NAA 2 d后，根系锰含量（mg/g，DW）分别为 3.96a、3.62ab、2.81b、2.58b、2.53b（数据后小写英文字母不同者表示差异显著）。说明外源NAA显著降低了甘蔗根中的锰含量。

从表1可以看出，在高锰（500 μmol/L）胁迫条件下根系锰膜和根组织中Mn含量分别为436.29、961.39 mg/ kg（FW），经100 nmol/L NAA处理（+NAA）15 d后根系锰膜和根组织中Mn含量减少至340.58、772.49 mg/kg（FW），即NAA处理后，根系锰膜和根组织中锰含量有小于对照（-NAA）植株的趋势，但差异不显著。说明NAA处理有利于根组织及锰膜中锰含量的降低。NAA处理后根系中的Mn在锰膜中的相对量为32.52%，而对照的相对量为30.60% ，处理间锰膜中Mn相对量差异不显著。NAA处理后甘蔗伤流液Mn浓度为144.18 mg/L，与对照（146.35 mg/L）相当。说明NAA处理并不影响锰膜在根系的形成及向地上部分的运输。

表1 萘乙酸对根系锰膜的影响

2.2 萘乙酸对甘蔗叶组织锰含量及分配的影响

NAA处理对不同叶位叶组织锰含量的影响差异显著（图1）。对未完全展开叶（0叶），NAA的添加（+NAA）对锰含量无显著影响。而对+ 1叶和+ 2叶，即完全展开叶，NAA处理间锰含量分别为3.73、3.20 mg/kg（DW），均极显著低于对照锰含量（5.01、3.99 mg/kg，DW），表明外源添加NAA虽然对未完全展开叶锰含量的影响不大但显著减少最新完全展开叶组织中锰含量。

图1 萘乙酸对不同叶位叶组织中锰含量的影响

锰毒胁迫条件下，NAA对锰在植株叶组织中的分布有所影响。锰处理后叶片不同组分中锰含量高低依次为残渣>质外体>共质体。NAA处理后（+ NAA）残渣、共质体、质外体中锰含量与对照（-NAA）处理的相当（表2），叶片中质外体与残渣中的锰含量以及残渣与共质体中的锰含量比有下降趋势，但无显著差异。虽然NAA处理未显著影响叶鞘质外体中Mn含量但显著增加共质体和残渣中Mn含量。然而，NAA处理后Mn在残渣与共质体中的含量比与对照相当。说明NAA对锰叶片组织及叶鞘共质体和残渣间的分布影响不大。

表2 萘乙酸对叶片质外体、共质体中锰分布的影响

2.3 萘乙酸对甘蔗锰毒下根系生长的影响

生长素影响细胞分裂、伸长和分化，也影响植物器官的生长发育及侧根和不定根的形成［10］。从表3可以看出，在1/5霍格兰培养液中添加500 μmol/L Mn处理（+Mn）15 d后，植株根长、根表面积、根尖数、交叉数、分叉数都低于对照（-NAA-Mn），Mn 的添加使得各指标间分别减少227.16%、30.65%、67.26%、104.74%和316.60%。并且，+Mn处理的根系根长、根表面积和交叉数与对照间的差异达到显著水平，说明过多的锰显著抑制根系的生长。然而，在锰溶液中添加100 nmol/L NAA（+NAA+Mn）后，根长、根表面积、根尖数、交叉数、分叉数均高于+Mn的处理，其中+NAA处理的根表面积、根尖数、根交叉数等数值较+Mn处理高60%以上。说明过多的锰会影响根系的生长，但NAA能够在一定程度上缓解锰引起的根生长抑制。

表3 萘乙酸对根系生长的影响

2.4 生长素极性运输抑制剂对甘蔗锰含量的影响

生长素极性运输是以载体为媒介的主动运输过程，是生长素特有的一种运输方式，三碘苯甲酸（TIBA）与萘基邻氨甲酰苯甲酸（NPA）为生长素输出抑制剂，TIBA和NPA分别通过与生长素输出载体竞争性结合或与载体的调节位点结合抑制生长素输出。在Mn（500 μmol/L）胁迫下，甘蔗幼苗分别经1 000 nmol/L的TIBA和NPA 处理后，幼叶中锰含量分别为76.64、73.45 mg/kg（表4），显著高于对照（38.3 mg/kg）。但成熟叶组织的锰含量TIBA、NPA处理与对照间差异不显著，且在根中，NPA处理与对照的锰含量相当，而TIBA则显著增加了根锰含量。表明阻碍生长素的输出能显著增加幼叶及根系的锰水平。

表4 生长素极性运输抑制剂对甘蔗锰含量的影响

2.5 外施萘乙酸对甘蔗铁营养的影响

如表5所示，NAA处理后，500 μmol/L MnCl2溶液中培养的甘蔗植株根系、幼叶、完全展开叶中的铁含量与对照（-NAA）的含量无显著差异。NAA处理后幼叶的亚铁含量差异也不显著，说明外源生长素并不影响锰毒胁迫甘蔗对铁的吸收及利用。

表5 生长素对甘蔗植株铁含量（mg/kg，FW） 的影响

3 结论与讨论

生长素是植物生长发育过程中不可缺少的的生长激素，在提高植物抵御重金属的抗性能力方面，已有大量有关生长素影响植物镉、铅、铝等毒害及其抗性的报道。然而，国内外少有报道生长素对甘蔗锰毒的调控。本研究发现萘乙酸处理显著降低甘蔗根、叶的锰含量，暗示生长素减少了甘蔗对锰的吸收，有利于减轻锰对甘蔗的毒害。这与陈晶等在镉吸收的结果相似：NAA处理抑制了玉米对镉的吸收［3］，但也有与之研究结果迥异的：如外源IAA促进重金属在滇苦菜叶片中积累［11］，IBA促进东南景天镉在地上部的积累［12］，外源IAA还有利于玉米吸收与积累镉并减轻镉对玉米的毒害［3］。

本研究还发现，NAA处理并不改变锰在根系的分布、伤流液中锰含量和叶片组织中锰的分布，甘蔗锰毒条件下根系生长受到抑制，NAA的添加在一定程度上有着缓解作用，但差异不显著，这种类似现象在其他植物中也有表现，重金属阻碍植物体内的IAA合成及极性运输［13］，而外源施加IAA可以促进植物在重金属胁迫下主根伸长及根毛、侧根和不定根发育［14-16］，甘蔗体内的生长素的极性运输受阻时幼叶及根系的锰含量显著增加。因此，外源NAA可能通过抑制根系吸收锰来降低植株锰含量以缓解锰的毒害，本研究结果可为通过外源施加生长素克服甘蔗锰毒害问题提供理论参考，甘蔗是广西的主要经济作物之一，本研究具有鲜明的地域性特征，更适用于当地的特色作物。

生长素和锰毒对植物的影响都是多样且复杂的，而且在某些作用机理有相似之处，其对植物的膜脂氧化、细胞壁及离子转运等相关机理已有报道［5，10，17-18］，还有根系分泌物、液泡区隔化等方面，研究两种因子共同的作用点，也许是将来深入研究生长素对植物锰毒害效应的一个有效的切入点。