有机碳肥对酚酸胁迫下马铃薯开花期叶片抗逆性的影响

周少猛，马海艳，郑顺林，*，黄 强，熊 湖，顾文智，肖 睿，袁继超，何 卫

（1.四川农业大学农学院，农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130；2.农业部薯类作物遗传育种重点实验室，成都久森农业科技有限公司，四川新都 610500；3.四川省农科院作物所，成都 610066）

中国是世界上马铃薯种植、生产和消费的主要国家之一[1-2]。马铃薯具有高产、稳产和经济效益高等特点，随着国家马铃薯主粮化战略的实施，社会需求日益增加，生产经营高度集约化，连作现象普遍存在，导致产量降低、品质变劣、生长发育状况变差，出现连作障碍[3-4]。连作障碍的形成是由植物-土壤系统多种因素综合作用的结果[5]，根系分泌物和残茬分解物等引起的自毒作用是导致连作障碍的重要原因[6]。作物连作后的根系分泌物主要以酚酸类物质为主，它刺激某些有害微生物的生长和繁殖，对植物生长有严重的抑制作用[7]，说明酚酸类化感物质的自毒作用与连作障碍密切相关[8-9]。有机碳肥对增强作物的抗逆性、抗早衰有重要作用[10]，可以直接提高土壤的碳氮比[11]，有益于微生物的增长，提高土壤的生物肥力和物理肥力，进一步提高土壤中N、P、K 等矿质营养元素的利用率，从而提升了化肥利用率，改良土壤而产生综合效应的作用[12]。目前尚无研究通过施用有机碳肥来缓解马铃薯连作障碍中自毒物质酚酸危害的相关研究，本试验以马铃薯品种川芋117 为材料，通过在特殊配制土壤基质中添加不同含量的混合酚酸（质量比香草酸∶阿魏酸=1∶1）模拟马铃薯连作障碍的自毒物质胁迫下，施加液态有机碳肥对马铃薯花期叶片抗逆性进行分析，期望揭示酚酸类化感物质对马铃薯连作障碍效应及有机碳肥对酚酸胁迫的缓解效应，为实现马铃薯产业可持续健康发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

种植材料：用早中熟马铃薯品种川芋117（四川农科院选育）。为减少由于品种退化，切块导致切刀传播病毒及切块发芽势不一致带来的试验误差，试验材料选择30～50 g 的原种，用小整薯播种。

处理试剂：酚酸类物质选择Sigma 公司生产的香草酸、阿魏酸。酚酸处理采用混合酚酸（阿魏酸和香草酸依照等质量混合而成，简称MA）；液态有机碳肥(简称FC，云南七彩环保科技有限公司提供）

1.2 试验设计

采用两因素完全随机区组设计试验，混合酚酸（MA）浓度为A 处理，设4 个水平，A1、A2、A3、A4 分别为0、50、100、150 mg/kg；液态有机碳肥（FC）施用量为处理B，设B1、B2、B3、B4 4 个水平，分别为0、225、450、675 kg/hm2，每个处理3 次重复。

试验于2017 年在成都温江区实验室棚进行，采用盆栽试验。土壤基质灰潮土、珍珠岩、椰糠3 者体积比2∶1∶1 充分搅拌混匀，等量装入规格为长宽高（56 cm×32 cm×12 cm）的盆子中。将MA 用乙醇溶解后充分搅拌均匀在基质土中，有机碳肥稀释后在马铃薯出苗后均匀浇灌于试验盆栽中，每盆种植6 株马铃薯，各处理在种植前以复合肥N-P2O5-K2O（17-17-17）900 kg/hm2+尿素（N≥46.4%）150 kg/hm2作基肥一次性施入土壤中。

1.3 指标测定及数据分析

马铃薯生长至花期，从各处理（3 次重复）中选取两株长势一致的植株，并选择植株相同部位的功能叶片（第4 片复叶），按照李合生[13]方法测定其各项生理指标：超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑（NBT）比色法[13]167-168测定；过氧化物酶（POD）采用愈创木酚法[13]164-165测定；过氧化氢酶（CAT）采用紫外吸收法[13]166-167测定；丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸法[13]260-261测定；O2-产生速率采用羟胺氧化法[13]151-152测定；细胞质膜透性采用电导仪法[13]114-116测定；干物质（取叶片干样）可溶性糖含量采用蒽酮比色法[13]195-196测定；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250方法[13]184-185测定。

采用Microsoft Excel2007、Graphpad-Prism5 软件对数据进行处理和绘图；采用DPS7.05 软件的最小显著差别法（LSD）对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片抗逆性酶活性的影响

2.1.1 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片SOD 活性的影响

FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片SOD 活性的影响见表1，在B1 和A1 条件下，即单一酚酸处理和单一有机碳肥处理下，SOD 活性随处理浓度的增加呈先降低后增高的趋势，对应A4 和B1 的SOD活性最高；在B2、B3 条件下，对应A3、A2 的SOD 活性最高，分别较A1 高8.68%、43.47%；在A2、A3 水平下，对应B3、B2 的SOD 活性最高，分别较B1 高9.49%、11.5%；在B4 水平下，对应A3 的SOD 活性最低；A4 水平下，对应B4 的SOD 活性最低。整体表明土壤中的酚酸浓度达到一定量时，SOD 活性提高，有效降低了氧自由基对马铃薯细胞组织的伤害，植物对酚酸胁迫产生抗性应答反应。而在酚酸胁迫下施加液态有机碳肥，SOD 活性降低，抗性应答反应减弱，说明逆性环境得到改善。

2.1.2 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片CAT 活性的影响

如表2 所示，在B1 水平下，对应A4 的CAT 活性最大，呈先降后增的趋势，A4 较A1 增加29.34%；B2、B3 两水平处理间无显著差异；B4 水平下对应的数值较其他水平均呈极显著差异，对应A4 的CAT活性最大；A1、A2 水平下，对应的B2、B3 的CAT 活性较B1 无显著差异，而A3、A4 水平下，对应的B2-B4 处理较B1 呈极显著差异，且B4 的CAT 活性最低；在低浓度酚酸下施加液态有机碳肥，抗性中CAT 活性变化规律不清晰，而高浓度的酚酸胁迫下，CAT 活性增加；表明马铃薯抗氧化的适应能力提高，施加液态有机碳肥，CAT 活性降低，说明有机碳肥能降低酚酸胁迫下造成的质膜过氧化反应。

2.1.3 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片POD 活性的影响

如表3 所示，在B1 水平下，POD 活性呈先降低后增高的趋势，对应A4 的POD 活性最高；B2、B3 水平下，对应的A4 的POD 活性均为最大，较A1 分别增加127.64%、67.12%；在A1 水平下，POD 活性呈先降低后增加的趋势，对应B1 的POD 活性最高；A3、A4 水平下，B1～B4 的POD 活性均呈降低趋势，且对应的B4 的POD 活性较B1 均呈极显著差异；可见施加液态有机碳肥能降低POD 活性，在高浓度的酚酸胁迫下POD 活性增强进一步反映了有机碳肥能增强马铃薯在酚酸胁迫下的逆境适应能力。

表1 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片SOD 活性的影响Table 1 Effect of FC on SOD activity at flowering potato leaves under MA stress U·g-1·min-1

表2 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片CAT 活性的影响Table 2 Effect of FC on CAT activity at flowering potato leaves under MA stress U·g-1·min-1

表3 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片POD 活性的影响Table 3 Effect of FC on POD activity at flowering potato leaves under MA stress U·g-1·min-1

2.2 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片细胞膜透性和渗透调节的影响

2.2.1 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片细胞膜透性的影响

如表4 所示，在B1 水平下，对应A4 的电导率最大，较A1 增加40.01%；B2、B3、B4 水平下，对应的A3、A2、A3 的电导率最大，较对应的A1 分别增加48.10%、56.48%、26.47%；在A1 水平下，对应的B4 处理较其他处理呈极显著差异；A2、A3 水平下，对应B1 的电导率均为最低，较其他处理呈极显著差异；A4 水平下，电导率呈降低趋势；表明高浓度的酚酸浓度下，马铃薯叶片细胞质膜透性增加，细胞和细胞内稳定的生理生化环境遭到破坏，阻碍马铃薯植株生长发育；施加液态有机碳肥使其膜透性降低，维持胞内环境以及细胞结构稳定，保持植株的正常生长。

2.2.2 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片可溶性蛋白含量的影响

如表5 所示，在施加液态有机碳肥的处理水平下，可溶性蛋白含量的整体水平呈逐渐增加的趋势，在酚酸浓度处理水平下，对应的处理内变化无规律，在A2、A3 水平下，对应的B3 可溶性蛋白含量最大；表明酚酸浓度的增加促使马铃薯叶片可溶性蛋白含量增加，增加细胞内可溶物浓度，降低渗透势，维持细胞膜稳定；施加液态有机碳肥对酚酸作用下马铃薯叶片可溶性蛋白含量影响不明显。

2.2.3 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片干物质可溶性糖含量的影响

如表6 所示，在B1 水平下，可溶性糖含量随酚酸浓度呈先降低后增高的趋势，对应A4 的数值最高；B2、B3、B4 水平下，对应的A1、A2、A2 数值最高；在A1水平下，A1 数值最低，较B1 降低了14.68%；A2 水平下各处理内无显著差异；A4 水平下各处理内呈极显著差异且对应的B3 数值最小；表明高浓度的酚酸促使可溶性糖含量显著增加，有利于维持马铃薯叶片细胞渗透势，在酚酸浓度的作用下施加液态有机碳肥使可溶性糖含量降低，说明逆境效应得到了减弱。

表4 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片细胞膜透性的影响Table 4 Effect of FC on membrane permeabilityat flowering potato leaves under MA stress μs·cm-1

表5 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片可溶性蛋白的影响Table 5 Effect of FC on soluble protein content at flowering potato leaves under MA stress mg·g-1

表6 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片干物质可溶性糖含量的影响Table 6 Effect of FC on dry matter soluble sugar content at flowering potato leaves under MA stress%

2.3 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片MDA 含量和O2-产生速率的影响

如图1 所示，在A1 水平条件下，施加FC 显著（P＜0.05）降低马铃薯叶片MDA 含量，O2-产生速率在B3、B4 分别最高和最低，较B1 分别提高6.5%和降低了4.2%；在A2 水平条件下，随着FC 的增加，B2-B4 处理间较B1 处理MDA 含量逐渐下降，B4显著低于B1，O2-产生速率变化无规律，B3 显著低于B1；在A3 水平条件下，增施FC，MDA 含量处理间差异不显著，O2-产生速率均有所降低，B2、B4 较B1差异显著，分别降低了15.1%、19.3%；在A4 水平条件下，随着FC 施量增加MDA 含量和O2-产生速率呈逐渐降低的趋势，增量越大，差异越显著；在B1 水平条件下，MDA 含量随着MA 浓度的增大呈先降低后增加的趋势，而O2-产生速率随着MA 浓度的增大而增加；表明随着酚酸浓度的增加，O2-产生速率增大，活性氧的积累量增加，加快了质膜过氧化，施加液态有机碳肥能降低MDA 含量，防止细胞质膜过氧化，保证马铃薯植株正常发育生长。

图1 FC 对MA 胁迫下马铃薯花期叶片MDA 含量和O2-产生速率的影响Figure 1 Effect of FC on MDA content and O2-rate of production at flowering potato leaves under MA stress

3 讨论与结论

植物体内存在着一套负责清除活性氧产生的抗氧化防御系统，该系统维持着活性氧的产生和清除的动态平衡[14]，其中抗氧化酶是一类对氧化还原反应具有催化作用，能够清除或代谢氧化物质的酶类，是抗氧化防御系统重要组成部分。在植物逆境的适应和生存中，起着至关重要的作用[15-16]。在正常情况下，植物通过其抗氧化作用，有效清除植物体内过多的活性氧（自由基）类高活性分子，防止质膜过氧化等进一步的侵害，保证植物的正常生长发育[17-18]。本研究中，在0～50 mg/kg MA 处理中，植株叶片中SOD、CAT、POD 活性均降低，抗氧化酶的抗氧化反应受到抑制，膜脂过氧化产物MDA 含量的降低和O2-产生速率增加，反映了抗氧化防御系统未得到响应，则未产生逆境生理；在100～150 mg/kg MA 处理中，100 mg/kg MA 时，较50 mg/kg MA 比较，O2-产生速率增加，抗氧化酶（除SOD 活性外）活性增加，MDA含量降低；对此抗氧化防御系统因MA 胁迫而产生了应答，马铃薯植株体内O2-浓度增加，诱导抗氧化酶活性增加并清除O2-，防止膜脂过氧化，增强植株的抗逆性，从而产生逆境生理。单一施加FC，抗氧化酶活性均降低，随着有机碳肥的增加，MDA 含量呈降低趋势，O2-产生速率无差异显著性；在150 mg/kg MA 水平下，施加FC 中抗逆性酶、O2-产生速率、MDA含量均低于施量为0 kg/hm2的处理，施量675 kg/hm2的处理中各指标显著低于施量为0 kg/hm2的处理，说明施加FC 能降低MA 胁迫的逆境生理，改善马铃薯植株的生长环境，消减逆境环境，促进植株的生长发育。

植物在逆境胁迫条件下，植物会受到危害，发生一系列生理变化，导致植物无法维持正常的生命活动。同时，植物经过长期的逆境锻炼生成了一系列抵制不良环境的机制，即植物的逆境适应性[19]。其中植物细胞的渗透调节直接调节细胞的渗透压，维持膜透性的稳定，促进植物适应外部环境，增强抗逆性[20]。本研究中，随着MA 浓度的增加，细胞质膜透性的变化与渗透调节物质可溶性糖呈正相关性，可溶性蛋白持续增大，杨淑红等[21]研究发现渗透调节物质与细胞质膜透性呈正相关有利于提高植株的逆境抗逆性，即提高马铃薯的抗酚酸毒害作用的能力。单一施加FC 下，FC 施量为675 kg/hm2的处理膜透性显著高于对照施量0 kg/hm2的处理，可溶性糖呈下降趋势；说明了高量的FC 施肥能使马铃薯叶片膜透性增大，膜结构不稳定，胞内可溶性物质外流，造成可溶性糖含量的降低；在150 mg/kg MA水平下，细胞质膜透性随着FC 的施量增加而降低，可溶性蛋白处理间无显著差异，可溶性糖处理间差异显著；即马铃薯叶片膜透性降低，膜结构趋向稳定，细胞内对于渗透调节物质的生物合成量有所降低，表明FC 对MA 胁迫下的逆境有消减作用。

马铃薯在MA 超过100 mg/kg 浓度时呈逆境生理，O2-产生速率增加，质膜过氧化加剧，MDA 积累，膜透性增大，诱导抗氧化酶活性增加，胞内渗透调节物质可溶性蛋白和可溶性糖合成量增加；施加FC能降低MDA 含量，抗氧化酶的活性降低，过量施加FC 不利于马铃薯生长发育。在MA（150 mg/kg）胁迫下，施加FC，MDA 含量降低，质膜过氧化减弱，抗氧化酶活性降低，膜透性降低，渗透调节减弱，逆境生理减弱，表明FC 一定程度上缓解了MA 胁迫引起的逆境环境。