锰毒胁迫下甘蔗生长、膜脂氧化及叶绿素荧光特性

周攀 黎晓峰

(亚热带生物资源保护与利用国家重点实验室/广西大学农学院，南宁 530005)

作为主要的糖类作物，甘蔗在广西的种植面积和产糖占全国的60%以上。近年来在广西主产区出现甘蔗锰毒黄化问题已严重影响甘蔗生产、威胁着我国糖业的发展[1,2]。然而，甘蔗锰毒害的机制尚未完全明确。因此，对锰胁迫下甘蔗生长、叶片叶绿素荧光特性及膜脂氧化等变化进行了研究，旨在为甘蔗幼苗对锰毒机理研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料的准备和试验设计

试验在广西大学生物资源保护与利用国家重点实验室温室中进行。供试甘蔗品种为桂糖32。单芽种茎经饱和石灰溶液浸泡消毒、清洗后置于塑料框中催芽。种茎覆湿润珍珠岩保湿，塑料框架在内盛去离子水的塑料桶上。种根生长并伸入紧贴塑料框底部的水中后，将桶中水更换为0.5 mmol/L CaCl2溶液培养幼苗。溶液每隔3 d更换一次，每小时通气15 min。一周后以1/5 Hoagland营养液(pH 5.5，含8μmol/L FeCl3)，营养液每隔2 d换一次。

9日龄的幼苗分别加入0(NMn)、0.5(HMn)mmol/L MnCl2处理。锰处理的基础营养液为1/5 Hoagland营养液。每个处理设3次重复。处理0、4、8、12、16、20 d后测定第一片完全展开叶的叶绿素荧光参数。处理0、5、10、15、20 d后分别采集第一片完全展开叶样品，测定叶绿素含量和质膜透性。处理20 d后，采集新叶(第一片完全展开叶)样品测定的铜锌-过氧化物歧化酶(Cu Zn-SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)以及过氧化物酶(POD)活性；收获植株其余组织，分地上部和地下部，洗净、杀青(105 ℃ 30 min)、烘干(65 ℃)后称重，粉碎后测地上部Mn含量。

1.2 测定方法

叶绿素含量参照Amon的方法[3]、叶绿素荧光参数采用便携式调制叶绿素荧光仪(PAM-2500；德国WALZ公司)、 膜透性及CAT、PAX与 POD活性参照高俊凤方法[4]、Cu-Zn SOD则参照 S·Srivastava[5]进行测定。 Mn含量采用微波消解-原子吸收法测定。

1.3 差异性检验

差异性检验使用t检验法。

2 结果与分析

2.1 锰对幼苗生长和黄化的影响

各处理经0.5mmol/L Mn处理后，植株Mn含量(1206.17mg/kg DW)极显著增加，达到对照的15.3倍。随着锰含量的增加，地上部、根重、生物产量及根冠比均有所下降(详见表1)。

表1 Mn对甘蔗幼苗锰含量、生物产量及根冠比的影响(g/plant DW)

注：表中的数值为平均值±标准误，同列数值后的*表示处理间显著差异(p<0.05)，**表示处理间极显著差异(p<0.01),下同。

各处理经高锰(HMn)处理后5、10、15、20后，叶片叶绿素含量逐渐下降。虽然HMn处理5、10d叶绿素含量对对照处理间的差异不显著，但处理15d后叶片明显黄化、叶绿素含量显著低于对照。这说明，过多的锰可导致叶片黄化。

2.2 锰胁迫下甘蔗幼苗叶片细胞质膜透性

甘蔗幼叶质膜透性随着生长期的推移呈上升趋势。处理0、5 d时，HMN处理与对照处理间K+相对浓度比差异不大。然而，处理15 d后HMN处理的浓度透性显著高于对照(NMn)。这些结果说明，高锰引起细胞膜结构破坏、透性增加。

0.5mmol/L Mn处理虽然不影响幼叶POD、SOD酶活性，但Mn处理后CAT和APX酶活性显著下降，这说明过多的Mn引起的过氧化胁迫是质膜透性增加的重要原因。

2.3 锰对幼叶叶绿素荧光参数的影响

光系统II [PS(II)]的最大光化学量子产量(Fv/Fm)，是PS(II)原初光能转化效率，即PSII完全开放时的最大量子效率[6]，而Fv/Fo比值表现PS(II)的潜在的活性。0.5mmol/L Mn处理(HMn)4d、8d、12d后甘蔗叶片Fv/Fm和Fv/Fo与对照处理的相当。然而，HMn处理16 d后Fv/Fm和Fv/Fo值显著降低，这表明Mn胁迫降低甘蔗幼叶PSII的光能转换效率和潜在活力。

实际光合量子产额[Y(II)]是植物叶片光合中原初光能捕获效率或非环式电子传递效率[7]。ETR是指 PSII中实际的电子传递速率，表示植株用于光合电子传递的能量在所吸收的能量中占比[6,8]。光化学淬灭系数(qP)，指PS (II)的反应中心处于开放的比例，同时表示光合作用反应中心开放程度[8,9]。qP值是PSII原初电子受体QA的氧化还原状态和PSII开放中心的数目，其值越大，表明质体醌(PQ)还原程度小，PSII电子传递活性高[10]。HMn处理12和16d后，Y(II)、ETR和qP值显著升高，但HMn处理20 d后Mn处理间Y(II)、ETR参数值相当。结果表明，过多的Mn可能导致甘蔗光合系统氧化胁迫伤害。

非光化学淬灭系数(NPQ)是指在PS(II)中所吸收的却不能用于光合电子传递而经热能耗散形式耗散掉的光能[6]。虽然HMn处理4、8 d后幼叶的NPQ与对照处理的相当，但在处理后第12 、16 d 叶片的NPQ 显著下降，说明过多的锰可能降低甘蔗光能利用效率。

图1 Mn对叶绿素含量的影响经时变化

图2 Mn对甘蔗幼叶质膜透性的影响经过时间的变化

Mn浓度(mmol/L)PODCu Zn-SODCATAPX019.380±0.4490.965±0.0237.68±0.090*6.904.±0.218**0.520.273±0.0360.906±0.0034.986±0.2342.788±0.153

3 讨论与结论

光合作用是植物重要的代谢过程，关乎着植株的生长能力[11]。植物叶片的叶绿素含量与光能转化直接相关[12]，本研究中，HMn处理导致甘蔗幼叶的叶绿素含量、叶绿素Fv/Fm与Fv/F0下降(图1、图4a、b)而幼叶细胞质膜透性显著增加(图2)，说明过多的Mn可导致甘蔗膜结构破坏、抑制幼叶的光能吸收和幼叶黄化。

过多的Mn可导致活性氧积累、细胞膜脂的过氧化并改变酶活性[13]。过多的Mn激活甘蓝型油菜POD活性但抑制SOD和CAT活性[14]。过多的Mn也抑制水稻 CAT、SOD和GPX酶活性[15]。本研究发现，过多的锰虽然对SOD和POD活性的影响不显著，但显著抑制APX和CAT活性，说明甘蔗幼叶锰毒黄化可能是膜脂过氧化的结果。

逆境胁迫对植物光合作用的影响是多方面的，不仅直接引发光合机构的损伤，同时也影响光合电子传递及与暗反应有关的酶活性[16]。本研究结果显示HMn处理后幼叶的Y(II)ETR和qP值显著增加而NPQ值则相关，这表明Mn引起的叶绿素过氧化胁迫损伤及光能利用受阻可能也与甘蔗幼叶锰毒黄化有关。

图3 Mn对甘蔗叶绿素荧光参数的影响经时变化