木醋液对小麦幼苗生长、抗氧化特性及内源激素含量的影响

卢辛成，蒋剑春，何 静，孙 康，孙云娟

（1中国林业科学研究院林产化学工业研究所/生物质化学利用国家工程实验室/国家林业和草原局林产化学工程重点开放性实验室/江苏省生物质能源与材料重点实验室/江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，南京210042；2北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083）

0 引言

木醋液是生物质原料在高温绝氧条件下热解产生的气体经冷凝得到的混合物，是生物质热化学利用过程中一种重要的产物。木醋液成分复杂，主要由水(50%～80%)和有机物质(20%～50%)组成，其成分组成受热解原料和热解条件的影响[1]。研究表明，木醋液中的有机物质约有500余种，主要分为酸类、酚类、酮类、醇类、酯类及其衍生物等[2]。木醋液具有抑菌、抗氧化、调节植物生长、防腐等作用，被广泛应用于农业、林业、食品加工业、医药卫生业等诸多领域。农业是木醋液主要应用领域之一，主要用于改良土壤、防治病虫害、增产增收、促进植物生长等方面[3-4]。研究表明，木醋液叶面喷洒辣椒、番茄等可提高产量及改善品质[5-6]，木醋液浸种或培养西葫芦、赤豆能促进其发芽与幼苗生长[7-8]，并且木醋液对改善土壤性质及营养物质利用具有显著影响[9]。木醋液对植物生长的调节作用与其组成成分和浓度有关。一方面，木醋液中种类丰富的有机物质，如酚类、酸类、醇类等，是植物生长过程中的化感物质，产生化感作用影响植物光合作用、呼吸作用、酶系统以及激素代谢等，调节植物生长[10]。另一方面，木醋液中化感物质的浓度对植物生长产生不同胁迫效应，进而影响植物生长和发育。目前，木醋液对植物生长调节作用的研究主要集中于种子发芽、果实品质改良以及植株形态学变化等方面[11-13]，而基于木醋液对植物抗氧化性和内源激素含量影响进而探讨其生长调节机理的研究甚少。基于此，本研究以杉木木醋液为原料，小麦为模式植物，研究不同浓度木醋液对小麦幼苗生长的调节作用，旨在通过分析小麦幼苗形态指标、抗氧化特性以及内源激素含量变化，初步揭示木醋液对植物生长的调节机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料小麦品种为‘小偃22’。供试木醋液来源于杉木屑热解[14]。试验所用杉木屑取自江西玉山，经粉碎、过筛使其粒径为0.5～2 mm，在100℃烘箱干燥5 h。之后，将其置于自制固定床热解反应器在450℃下热解制备得到木醋液。木醋液经无菌水稀释不同的倍数（1000～5000倍），配制成浓度为0.20、0.25、0.33、0.50和1.00 mL/L的供试液待用。

1.2 小麦培养实验

1.2.1 小麦发芽实验 实验中使用的培养皿、滤纸等采用高压蒸汽灭菌器进行灭菌处理。灭菌后，在培养皿中放入2层滤纸，用一定量的无菌水使滤纸润湿。小麦种子经75%的乙醇溶液灭菌10 min后用无菌水冲洗2～3次。每个培养皿中放入经过灭菌处理的饱满小麦种子150粒，之后置于温度为(28±1)℃的恒温培养箱中培养。定期加入一定量的无菌水保持滤纸湿润，培养4天后进行小麦幼苗生长实验。

1.2.2 小麦幼苗生长实验 小麦幼苗植株生长实验采用水培法。选取发芽良好的种子20粒放入培养盒（直径60 mm，高30 mm），加入一定量的木醋液处理液后置于(28±1)℃的恒温培养箱中培养，每天光照12 h。以蒸馏水处理为对照组(CK)。每天恒重补充处理液保持小麦良好生长。培养7天后每个处理选择生长整齐度较好的幼苗15株测定相关指标。每组实验同时做3组重复。

1.3 小麦幼苗指标测定

1.3.1 形态指标测定 小麦植株苗重、根重通过将新鲜的植株按照地上、地下部分称重获得；最长苗苗长和幼苗苗总长采用直尺测定。

1.3.2 理化指标测定 丙二醛含量(MDA)、超氧化物歧化酶活性(SOD)和过氧化物酶活性(POD)采用上海索桥生物科技有限公司生产试剂盒测试，过氧化氢酶(CAT)采用南京建成生物工程研究所生产试剂盒测试。

1.3.3 内源激素的测定 以异丙醇/水/盐酸提取方法提取样品中内源激素吲哚乙酸(IAA)、脱落酸(ABA)和赤霉素(GA3)，以安捷伦1290高效液相色谱仪串联AB公司Qtrap6500质谱仪进行检测，测定方法采用高效液相色谱-电喷雾串联质谱联用技术(ESI-HPLC-MS/MS)[15]。

1.4 数据处理

实验数据采用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行处理和分析。化感效应指数(RI)计算如式(1)。

式中，R为实验组测定值，C为对照组测定值。RI＞0表示木醋液对测定指标具有促进效应，RI＜0表示具有抑制效应，RI=0表示无化感效应。RI绝对值表示化感效应强度，越大表示促进或抑制作用越显著。实验结果以3次实验的算术平均值表示，不同小写字母表示不同实验条件下各指标的显著性(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 木醋液对小麦幼苗形态指标的影响与化感效应

2.1.1 木醋液对小麦幼苗形态指标的影响 木醋液浓度对小麦幼苗形态指标的影响如图1所示。可以看出，当木醋液浓度＜0.50 mL/L时，小麦各形态指标（苗重、根重、最长苗苗长和总苗长）较对照组(CK)增加，并且随着木醋液浓度的增加呈先增加后减小的趋势。当木醋液浓度≥0.50 mL/L时，小麦各形态指标较CK降低，且浓度越高降低越显著。由图1可知，当木醋液浓度为0.25 mL/L时，小麦幼苗各形态指标均最高，苗重、根重、最长苗和苗总长分别为1.337 g、0.409 g、11.86 cm和156.78 cm。表明最适应小麦幼苗生长的木醋液浓度为0.25 mL/L。

图1 木醋液对小麦幼苗形态指标的影响

2.1.2 木醋液对小麦幼苗形态指标的化感效应 如图2所示，不同浓度的木醋液对小麦幼苗的形态指标具有不同化感效应。当浓度≥0.50 mL/L时，木醋液对小麦苗重、根重、最长苗和苗总长的化感指数(RI)小于0，表明为抑制作用；通过RI值的大小对比可以看出，抑制作用与木醋液浓度呈正比。而当浓度＜0.50 mL/L时，木醋液对小麦苗重、根重、最长苗和总苗长的RI＞0，表明为促进作用，促进作用随浓度的增加呈先增加后减少的趋势。木醋液浓度为0.25 mL/L时，对小麦幼苗的各形态指标RI＞0且数值最大，说明该浓度对小苗生长的促进作用最显著。同时，对比RI值可知，木醋液浓度对苗重和根重的影响较苗长的影响更为显著。由此可见，木醋液对小麦幼苗生长的调节作用与其浓度有关，不同浓度对小麦幼苗形态指标的影响不同，总体表现为低浓度促进生长、高浓度抑制生长。

图2 木醋液对小麦幼苗形态指标的化感效应

2.2 木醋液对小麦幼苗理化指标的影响与化感效应

2.2.1 木醋液对小麦幼苗理化指标活性的影响 木醋液浓度对小麦幼苗不同理化指标的影响有明显区别（图3）。随着木醋液浓度增加，MDA含量先减小后增加。当木醋液浓度为0.25 mL/L时，MDA含量最低为9.25 nmol/(g·FW)；而浓度为1.00 mL/L时，MDA含量最高为15.02 nmol/(g·FW)。对于SOD活性，在木醋液浓度≤0.25 mL/L较CK增加，而其他浓度下则低于CK，并且浓度越高SOD活性越低。当木醋液浓度为0.25 mL/L时SOD活性最高为725.25 U/(g·FW)。在木醋液浓度≤0.33 mL/L，POD活性较CK增加，与浓度呈正相关；当浓度≥0.50 mL/L时，POD活性降低，与浓度呈负相关。木醋液浓度为0.33 mL/L时，POD活性最高，较CK增加了18.33%。木醋液浓度对CAT活性的影响没有明显规律性，但木醋液培养降低了CAT活性。

图3 木醋液对小麦幼苗理化指标的影响

2.2.2 木醋液对小麦幼苗理化指标的化感效应 从图4可以看出，当浓度≤0.50 mL/L时，木醋液对MDA的RI＜0；但浓度为1.00 mL/L时RI＞0。MDA是植物受到环境胁迫时产生的物质，反映了细胞膜脂过氧化程度和对胁迫环境的反应强度。低浓度木醋液抑制MDA产生，是轻微逆境胁迫；高浓度木醋液促进MDA产生，是严重逆境胁迫。对比RI绝对值大小可知，木醋液对小麦幼苗胁迫效应随浓度升高先减小后增大。当木醋液浓度≤0.25 mL/L时，SOD活性的RI＞0，而其他浓度处理时RI＜0。对于POD活性，当木醋液浓度＜0.50 mL/L时RI＞0，当浓度为≥0.50 mL/L时RI＜0。木醋液培养对小麦幼苗CAT活性的RI＜0，表明木醋液培养抑制了小麦幼苗的CAT活性。上述结果表明，低浓度木醋液对小麦幼苗产生轻微逆境胁迫，MDA含量减少，SOD和POD活性增加；高浓度木醋液产生严重逆境胁迫，MDA含量增加，SOD和POD活性降低。

图4 木醋液对小麦幼苗理化指标的化感效应

2.3 木醋液对小麦幼苗内源激素含量的影响与化感效应

2.3.1 木醋液对小麦幼苗内源激素含量的影响 木醋液对小麦幼苗内源激素IAA、ABA和GA3含量的影响如图5。随着木醋液浓度增加，IAA含量先增大后减小。木醋液浓度为0.20、0.25、0.33 mL/L时，IAA含量从CK的2.79 ng/(g·FW)增加到2.84、3.57、3.17 ng/(g·FW)。之后，随着浓度进一步增加，IAA含量降低。浓度为0.25 mL/L时IAA含量最高，而浓度为1.00 mL/L时IAA含量最低。GA3含量随木醋液浓度变化趋势与IAA含量一致，随浓度升高先增加后减小，当浓度为0.25 mL/L时最高为0.10 ng/(g·FW)。木醋液浓度对ABA含量的影响不同于其对IAA、GA3的影响。ABA含量随着木醋液浓度增加呈递增趋势。同时，当木醋液浓度低于1.00 mL/L时，ABA含量低于CK；当浓度为1.00 mL/L时，ABA含量高于对照组。木醋液浓度对不同内源激素含量影响不同，随着木醋液浓度增加，IAA和GA3含量先增加后减少，ABA含量则逐渐增加。

图5 木醋液对小麦幼苗内源激素含量的影响

2.3.2 木醋液对小麦幼苗内源激素的化感效应 图6为不同浓度木醋液对内源激素的化感效应。对IAA来说，木醋液浓度为 0.20、0.25、0.33 mL/L 时，RI为0.02、0.28和0.13，表现为促进效应；当浓度为0.50和1.00 mL/L时，RI为-0.20和-0.44，表现为抑制效应。木醋液对GA3的化感效应与其对IAA相似。当浓度≤0.50 mL/L时，木醋液对GA3的RI＞0，表现为促进效应；浓度为1.00 mL/L时，RI＜0，表现为抑制效应。对于ABA来说，木醋液对其化感效应与IAA和GA3不同。木醋液浓度≤0.50 mL/L时，RI＜0，为抑制效应；浓度为1.00 mL/L时，RI＞0，为促进效应。表明不同浓度木醋液对植物内源激素含量的影响不同。对于IAA和GA3，低浓度木醋液表现为促进效应，而高浓度木醋液表现为抑制效应，木醋液浓度为0.25 mL/L时促进作用最强。ABA则相反，低浓度木醋液表现为抑制效应，高浓度表现为促进效应，随浓度的升高抑制作用减弱促进作用增强。不同内源激素对化感物质的敏感性和环境胁迫的耐受力不同，存在不同阈值。因此，木醋液对不同内源激素表现为不同的化感效应。

图6 木醋液对小麦幼苗内源激素含量的化感效应

3 结论

木醋液对小麦幼苗生长的调节作用与其浓度有关，总体表现为低浓度木醋液促进小麦幼苗生长、高浓度木醋液抑制小麦幼苗生长。木醋液浓度对小麦幼苗生长的影响是逆境胁迫效应下抗氧化酶活性和内源激素含量变化的共同结果。低浓度木醋液引起轻微逆境胁迫，使小麦幼苗中的抗氧化酶（SOD和POD）活性以及内源激素含量（IAA和GA3）增加，有助于小麦幼苗生长；高浓度木醋液引起严重逆境胁迫，使SOD和POD活性以及IAA和GA3含量降低，不利于小麦幼苗生长。

本研究考察了木醋液浓度对小麦幼苗生长的调节作用，探讨了调节机理。但是，对于木醋液中主要作用成分及其作用机制等尚未作相关研究。因此，日后需要进一步深入研究木醋液中不同活性组分对植物生长调节作用。

4 讨论

植物生长与发育是生长环境、营养物质、抗氧化酶系统、内源激素等因素共同作用的结果。当生长环境变化时（逆境胁迫），植物体内抗氧化酶系统和内源激素感知环境变化并做出适应性的反应，影响植物生长和发育。化感物质引起植物生产环境变化，对植物生长形成逆境胁迫进而产生化感作用[16]。抗氧化酶系统保证植物体内对其具有伤害作用的自由基动态平衡[17]。正常生长条件下，植物体内自由基的产生与消除在抗氧化酶系统的作用下保持着动态平衡。但是，逆境胁迫会使自由基大量增加。轻微胁迫可以刺激植物抗氧化酶系统活性，使其清除多余自由基有助于植物生长；而严重胁迫会打破抗氧化酶系统与自由基之间平衡，不利于植物生长[18]。内源激素是植物体内合成的对其代谢和生长具有调控作用的微量物质。植物体内内源激素主要有生长素(auxins)、赤霉素(gibberenllins，GA)、脱落酸(abscisic acid，ABA)等。IAA是生理作用最重要的一种生长素，具有促进不定根形成、促进生长和果实发育、维持顶端优势等作用；GA3是生理活性最强、研究最多的一种GA，可以促进种子萌发和茎伸长、诱导植物开花、抑制器官衰老等；ABA也称为休眠素，抑制植株生长、影响性分化、促进休眠以及增加抗逆性等[19-21]。研究表明，内源激素对植物生长的调控作用不仅是通过内源激素水平调控，而且也通过不同内源激素间相互作用进行调控[22]。

本实验中，木醋液浓度对植物生长产生不同的逆境胁迫效应。木醋液浓度较低时，MDA含量减少；而当浓度升高时，MDA含量增加。MDA含量是植物逆境胁迫的重要指标，其值越大表明逆境胁迫越严重[23]。说明低浓度木醋液对小麦生长产生轻微逆境胁迫，而高浓度木醋液则引起严重逆境胁迫。轻微逆境胁迫刺激抗氧化酶活性提高，严重逆境胁迫抑制抗氧化酶活性。这导致了植物体内的SOD和POD活性在低浓度下增加、高浓度下降低。SOD、POD和CAT是抗氧化酶系统的重要参与者，研究表明抗氧化性酶活性越高，植物受到逆境胁迫的损害越小、越有利于植物生长，而抗氧化酶活性降低则不利于植物生长[24]。本研究结果也证实了这一点。同时，IAA含量和GA3含量随木醋液浓度升高而先增加后减少，并且在高浓度木醋液胁迫下含量急剧降低。而ABA含量随着木醋液浓度的升高逐渐升高，这也表明了植物对逆境胁迫的应激反应和抗逆性。IAA和GA3含量的增加促进植物生长，但ABA含量增加则抑制植物生长[25]。当浓度为0.25 mL/L时，小麦幼苗中SOD活性、IAA含量和GA3含量最高，POD活性较高，而ABA含量最低。这说明该浓度木醋液引起的逆境胁迫有助于提高小麦幼苗抗氧化性酶活性以及IAA和GA3含量，促进小麦幼苗生长。这与木醋液浓度对小麦植株的形态指标影响结果一致。从理化指标与小麦生长形态指标分析可知，SOD活性、POD活性、IAA含量和GA3含量与形态指标呈正相关。综上所述，木醋液浓度主要是通过逆境胁迫改变小麦幼苗植株内抗氧化酶活性和内源激素含量来影响其生长。低浓度木醋液引起轻微逆境胁迫，使小麦幼苗中POD和SOD活性以及IAA和GA3含量增加，ABA含量降低，进而促进小麦幼苗生长；高浓度则产生严重逆境胁迫，降低POD和SOD活性以及IAA和GA3含量，增加ABA含量，抑制小麦幼苗生长。