锰对甜菜幼苗形态及生理生化指标的影响

刘丹阳，刘 钰，於丽华，耿 贵，王宇光

(黑龙江大学 现代农业与生态环境学院, 哈尔滨 150080)

0 引 言

锰是植物生长必要的微量元素，在促进种子萌发、幼苗生长及刺激代谢等方面起到了重要作用。研究表明[1]，当植物缺锰时侧根完全停止生长，根中无液泡的小细胞数量增多，表明缺锰参与影响细胞伸长。同时适量的锰元素不仅能提高植物的结实率，对果实品质提高也有促进作用。李军等[2]研究发现，叶面喷施适宜浓度的锰能提高番茄果实番茄红素、可溶性糖、维生素C等含量，改善糖酸比。曾琦等[3]和尹文彦等[4]发现，当植物吸收过量锰时，苗期油菜各部位锰含量显著升高，生物量降低，根、茎和上部叶片中钙离子、铁离子含量显著降低。

甜菜是我国北方种植的主要糖料作物[5-6]，属2 a生草本植物，能耐受盐碱含量较高的土壤，但对酸性土壤敏感[7]。随着锰在多种工业领域中的广泛应用，产生的锰渣也日益增多，废弃锰渣渗透进土壤环境，加剧了土壤污染[8-9]。在污染土壤中，大量的锰、铝等金属离子会析出释放，导致植物生长受到锰、铝等金属离子胁迫[10-11]。目前，有关甜菜在不同浓度锰元素下的生理调节机制研究较少。吴旭红等[12]和冯建鹏[13]发现，随着锰含量的增加，甜菜幼苗叶片1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)含量下降，蛋白水解酶活性升高从而使叶片失绿。为进一步研究锰元素对甜菜生长的影响，本实验采用水培方法探索不同浓度的锰对KWS1176品系甜菜在形态和生理生化指标上的变化，旨在为进一步探究锰元素对甜菜的影响提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 供试材料

实验采用KWS1176品系甜菜种子为试验材料。在发芽盒中均匀播种进行蛭石培养，于光照培养室中进行发芽 (光照强度420 μmol·(m2·s)-1， 每天光照时间为6:00～20:00，昼夜温度为25 ℃/20 ℃，湿度为65%)。待种子萌芽后 (播种第6日)，选取长势均等的幼苗移入盛有2.5 L改良半倍霍格兰营养液的水槽中，缓苗7 d后，进行7个不同浓度氯化锰处理：0.003 7(T1)、0.007 4(T2)、0.014 8(T3)、0.029 6(T4)、0.059 2(T5)、0.118 4(T6)、0.236 8(T7)mmol·L-1，并调节pH=5.6。每个处理重复5次，定期更换新营养液，并在锰处理15 d后对甜菜叶片和根系进行收获，并测定相关指标。

1.2 测定方法

测量甜菜株高；运用WinRHIZO软件扫描仪扫描第一、二对真叶的叶面积和根系面积。采用硫代巴比妥酸显色反应法测定MDA含量；采用氮蓝四唑法测定SOD活性；采用愈创木酚法测定POD的活性；采用聚乙烯吡咯烷酮法测定CAT活性；采用乙二胺四乙酸法测定APX活性。参照文献[14-17]的方法测定脯氨酸和可溶性糖含量。

1.3 统计方法

利用SPSS 26. 0软件对数据进行处理和统计分析。用单因素试验统计分析方法，对不同处理的试验数据进行差异显著性检测(显著性水平为P≤0.05)。

2 结果与分析

2.1 锰元素对甜菜形态特性的影响

实验发现不同浓度的锰元素，导致甜菜幼苗长势出现明显差异(表1)。由表1可见，T2处理组时株高、叶面积和根面积均最大，同T1组相比，T2处理中甜菜叶及根面积分别增加了68.20%、48.02%。当锰浓度从T2提高至T7时，叶及根面积呈逐渐下降趋势，T7与T2相比分别下降了51.99%、44.09%，表明T2浓度锰元素最适宜甜菜幼苗的生长。

表1 锰元素对甜菜幼苗株高、叶面积及根面积的影响

研究发现，在不同浓度锰元素处理下，甜菜幼苗的鲜、干重呈现出先上升后下降的趋势(图1)。由图1(a)可见，在T2处理下，甜菜根、茎、叶的鲜重均达到最大值，与其他组间存在显著差异(P<0.05)，与T1相比分别上升42% 、50%、52%。随着锰元素浓度的增加，与T7相比，T2处理中根、茎、叶鲜重分别上升了54%、78%和54%。甜菜幼苗在不同浓度锰元素的影响下，其干重与鲜重的变化趋势相同。

图1 锰元素对甜菜幼苗鲜重(a)、干重(b)的影响Fig.1 Effect of manganese on fresh weight(a) and dry weight(b) of sugar beet seedlings

2.2 锰元素对甜菜生理变化的影响

2.2.1 锰元素对甜菜MDA含量的影响

在逆境条件下，植物器官会发生膜脂过氧化作用，其产物为MDA。研究发现，锰元素会影响甜菜幼苗内MDA含量(图2)。由图2可见，当浓度达到T2时，甜菜根、叶中MDA与其他组有显著差异(P<0.05)。T2比T1根、叶的MDA含量分别降低35%、57%。T7与T2处理相比，根、叶的MDA含量分别增加了38%、140%。且在甜菜叶片中MDA的积累量大于根系。

2.2.2 锰元素对甜菜CAT、APX、SOD、POD等活性的影响

图2 锰元素对甜菜幼苗细胞内MDA含量的影响Fig.2 Effect of manganese on MDA content in sugar beet seedling cells

CAT可促使H2O2分解为分子氧和水，避免植物细胞受到H2O2的毒害，是生物抗氧化防御体系的关键酶之一。由图3(a)可见，随着锰浓度的增加，CAT在甜菜中的活性呈先下降后上升的趋势。当浓度达到T4时，甜菜根、叶中所含的CAT活性最低，且与其他浓度处理有显著差异(P<0.05)。当浓度升高到T5时，CAT活性又呈上升趋势，叶片和根系中的CAT活性与T4相比增高37%、11%。

图3 锰元素对甜菜幼苗CAT含量(a)和APX含量(b)的影响Fig.3 Effect of manganese on CAT content(a) and APX content(b) of sugar beet seedlings

在植物抗氧化系统中，APX是清除H2O2的主要酶类之一，通过研究发现，锰元素对甜菜幼苗时期APX活性有影响。由图3(b)可见，T2组比T1叶片和根系内APX活性分别下降28%、6%。当浓度增加至T3时，较T2叶片和根系APX活性分别增高108%、23%。

SOD是植株内清除活性氧的首要物质，主要用来清除超氧阴离子，作为有害物质的超氧阴离子在SOD的作用下和氢离子反应，生成H2O2。由图4(a)可见，随着锰浓度的增加，甜菜幼苗中叶片、根系的SOD活性均呈上升趋势，而达到高浓度T7时，甜菜根系SOD活性有所降低。

POD可清除植物胁迫时产生的H2O2，POD酶活性是衡量植物在胁迫情况下的一个非常重要的生理指标。实验发现，不同浓度的锰元素，导致POD活性在甜菜叶片和根系中均呈现先上升后下降趋势(图4(b))，叶片POD活性具有显著差异性(P<0.05)，而根系POD活性均无明显差异性(P<0.05)。由图4(b)可见，在浓度达到T4时，甜菜叶片中的POD活性最高。

2.2.3 锰元素对甜菜渗透调节物质的影响

植物在遭受胁迫时，植株内的脯氨酸会大量积累，因此，脯氨酸也作为反映植株内水分含量的重要参考指标。研究发现，锰元素对甜菜中脯氨酸含量有一定的影响(图5)。由图5(a)可见，T1与T3相比，T3组叶片和根系的脯氨酸含量分别下降了25%、22%。T3与T5相比，T5组叶片、根系中脯氨酸的含量分别上升了58%、139%。且在T5叶片和根系的脯氨酸含量均达到最高。由图5(b)可见，不同浓度的锰元素会导致甜菜幼苗叶片和根系可溶性糖含量呈现先上升后下降趋势。在T4甜菜幼苗叶片和根系中的可溶性糖含量均为最高。

图4 锰元素对甜菜幼苗SOD含量(a)和POD含量(b)的影响Fig.4 Effect of manganese on SOD content(a) and POD content(b) of sugar beet seedlings

图5 锰元素对甜菜幼苗脯氨酸含量(a)和可溶性糖含量(b)的影响Fig.5 Effect of manganese on the proline content(a) and soluble sugar content(b) of sugar beet seedlings

2.2.4 锰元素对甜菜叶片光合色素含量的影响

由图6可见，随锰浓度升高，总叶绿素、叶绿素A、叶绿素B和类胡萝卜素含量均呈先升高后降低的趋势，且在T4各指标均达最大值。其中，T1和T7叶绿素A含量分别比T4降低了23%、22%。T1和T7叶绿素B含量分别比T4降低了23%、22%。T1和T7总叶绿素含量分别比T4降低了23%、22%。类胡萝卜素既是光合色素，又是内源性抗氧化剂，可淬灭活性氧从而防止膜过氧化，在T1和T7处理下与T4组相比类胡萝卜素含量分别降低了25%、28%。说明锰浓度为T4时，甜菜光合色素含量最高。在高浓度锰元素处理的情况下，叶片中的光合色素含量会受到影响。

图6 锰元素对甜菜幼苗总叶绿素(a)、类胡萝卜素(b)、叶绿素A(c)和叶绿素B(d)含量的影响Fig.6 Effect of manganese on the contents of total chlorophyll(a),carotenoid (b),chlorophyll A(c) and chlorophyll B(d) of sugar beet seedlings

3 讨 论

锰元素是直接参与在植物生长过程中的矿质元素之一，不同浓度会使植物产生不同的生理变化[17]。当锰浓度为T1时锰元素为缺乏状态，会直接影响甜菜株高、鲜重、干重等一系列表型特征，甘功勋等[19]研究得出相同结论 。刘京萍等[20]研究表明，锰元素过量会对甜菜叶片有一定的胁迫作用。本实验表明，在T2处理时为适锰状态，可以显著降低甜菜叶片中MDA的含量。

抗氧化酶是抗氧化系统的重要组成部分，用于清除植物体内的活性氧。APX是清除植物体内超氧阴离子自由基 (O2-) 的重要酶类[21]，可提高植物的抗逆性，维持其正常的生长发育。曾小英等[22]研究发现，植物在吸收过多重金属后，会造成其植物根系生长严重受阻。当植物受到此胁迫时，会产生H2O2，POD会将H2O2氧化，分解成酚类、芳香胺、抗坏血酸，从而保护酶蛋白，促进植物细胞木质素的形成，研究发现，SOD可以消耗植物在受到胁迫时产生的超氧阴离子自由基[3]，同时，在高浓度T7处理中，甜菜植株内SOD活性最高。在高浓度锰元素处理下，甜菜产生膜脂过氧化作用，其中会产生出脂质自由基，它能连续诱发一系列膜脂过氧化反应，从而使细胞受到损伤，同时调节甜菜根系和叶片的抗氧化酶能力清除活性氧。

脯氨酸和可溶性糖都能通过改变细胞液浓度和细胞渗透势来防止细胞脱水。实验中，在锰浓度为T4时可溶性糖含量最高，T5处理下脯氨酸含量最高，可提供能源物质，维持一定细胞内渗透压。说明脯氨酸和可溶性糖可缓解锰胁迫损伤。

4 结 论

不同浓度的锰元素处理下对甜菜幼苗的形态和生理生化特性的影响不同。实验得出当锰元素浓度为T2时，对甜菜幼苗生长的促进作用最明显，提高了甜菜幼苗的株高和根、叶面积以及干、鲜重且有效降低甜菜植株中MDA含量。此外，在锰元素的浓度为T4时，影响甜菜叶片生长，且光合效率较高。高浓度锰元素能影响抗氧化酶活性以及渗透调节物质的含量，从而缓解锰胁迫损伤。