铁、锰对广西宿根甘蔗幼苗黄化的影响

摘要：【目的】明確铁、锰对宿根甘蔗幼苗黄化的影响，为有效解决广西宿根甘蔗幼苗黄化病问题提供科学依据。【方法】以新台糖22号为试验材料，采集其宿根甘蔗幼苗黄化叶片和正常叶片，通过成对数据t检验和相关分析法对比分析21组样品的叶绿素、全铁、活性铁、全锰、活性锰、铁和锰亚细胞组分含量及活性铁/锰比值的差异。【结果】宿根甘蔗幼苗黄化叶片的叶绿素含量（0.42 mg/g）极显著低于正常叶片（2.20 mg/g）（P<0.01，下同），活性铁含量（5.94 mg/kg）极显著低于正常叶片（13.42 mg/kg），但黄化叶片全铁含量（323.36 mg/kg）、全锰含量（572.59 mg/kg）和活性锰含量（92.47 mg/kg）均极显著高于正常叶片。相关分析结果表明，甘蔗幼苗叶片的叶绿素含量与活性铁含量呈极显著正相关性，与活性锰含量呈极显著负相关性;活性锰含量与活性铁含量呈极显著负相关性，黄化叶片的活性铁/锰比值（7.89）极显著低于正常叶片（61.68）。黄化叶片亚细胞器中铁含量排序依次为：细胞壁>细胞核>线粒体>叶绿体>可溶性部分，而正常叶片的叶绿体中铁含量仅次于细胞壁。宿根甘蔗黄化叶片的亚细胞组分铁含量（63.30 mg/kg）虽略高于正常叶片（62.97 mg/kg），但叶绿体中铁含量（3.24 mg/kg）显著低于正常叶片（7.82 mg/kg）（P<0.05）。宿根甘蔗黄化叶片亚细胞组分锰总量（93.04 mg/kg）是正常叶片的3.95倍，但黄化叶片89.01%的锰主要分布在细胞壁和可溶性组分，只有10.99%的锰存在于生理活性区。【结论】叶片活性铁/锰比值低，高锰抑制铁的活性，铁向叶绿体运输受阻是宿根甘蔗幼苗生理性缺铁黄化的主要原因之一，过量的锰贮存在细胞壁和可溶性部分可能有利于宿根甘蔗幼苗对锰毒的忍耐。

关键词： 宿根甘蔗;幼苗黄化;铁;锰;活性铁/锰比值

中图分类号： S566.1                               文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2020）08-1939-07

Effects of iron and manganese on ratoon sugarcane

seedlings chlorosis in Guangxi

LONG Guang-xia1，2

（1Hezhou Soil-fertilizer Workstation， Hezhou， Guangxi  542800， China; 2College of Agriculture，

Guangxi University， Nanning  530004， China）

Abstract：【Objective】The effects of iron and manganese on ratoon sugarcane seedlings chlorosis were clarified to provide scientific basis for solving the chlorosis disease of ratoon sugarcane seedlings in Guangxi. 【Method】Using 21 pairs of chlorotic leaves and normal leaves of ratoon sugarcane seedlings（Xintaitang 22） as materials，the differences of chlorophyll， total iron， available iron， total manganese， available manganese， iron and manganese subcellular components content and the ratio of available iron/manganese ratio were compared and analyzed by paired data t-test and correlation analysis. 【Result】Chlorophyll content（0.42 mg/g） in the chlorotic leaves of ratoon sugarcane seedlings was extremely significantly lower than normal（2.20 mg/g）（P<0.01，the same below），and available iron content （5.94 mg/kg） was extremely significantly lower than normal（13.42 mg/kg），but total iron content（323.36 mg/kg），total manganese content（572.59 mg/kg） and available manganese content（92.47 mg/kg） in the chlorotic leaves were extremely significantly higher than normal leaves. The correlation analysis results showed that chlorophyll content exhibited extremely significant positive correlation with available iron content and extremely significant negative correlation with available manganese content in the leaves of ratoon sugarcane seedlings. Available manganese content exhibited extremely significant positive correlation with available iron content in the leaves，and available iron/manganese ratio（7.89） in the chlorotic leaves was extremely significantly lower than normal leaves（61.68）. The sequence of iron content in subcelluar organelles of chlorotic leaves was cytoderm>karyon>mitochondrion>chloroplast>soluble fraction，while iron content in the chloroplast of normal leaves was second only to cytoderm. The total iron content of the subcellular component in the chlorotic leaves（63.30 mg/kg） was slightly higher than normal leaves（62.97 mg/kg），but the iron content（3.24 mg/kg） in the chloroplast was significantly lower than normal leaves（7.82 mg/kg）（P<0.05）. The total manganese content of the subcellular component in the chlorotic leaves（93.04 mg/kg） was as 3.95 times as that of normal，but 89.01% manganese content of chlorotic leaves were stored in cytoderm and soluble fraction，while only 10.99% manganese content had physiological active zones. 【Conclusion】Available iron/manganese ratio is low，overactive manganese inhibits iron activity，the transport of iron to chloroplast is blocked，which is one of the main causes of physiological iron deficiency on ratoon sugarcane seedlings chlorosis，and excess manganese is stored in cytoderm and soluble fraction，which can be beneficial to tolerance of ratoon sugarcane seedlings to manganese toxicity.

Key words： ratoon sugarcane; chlorosis seedlings; iron;manganese; available iron/manganese ratio

Foundation item： National Nature Science Foundation of China（31660593）

0 引言

【研究意义】甘蔗（Saccharum officinarum L.）属禾本科甘蔗属作物，是我国主要制糖原料之一，其副产物还是轻工业的重要原料。广西是我国最大的糖料蔗生产基地，甘蔗种植面积、蔗糖产量已连续9年占全国60%以上，涉及蔗农2000多万，甘蔗产业已成为广西农业经济发展的支柱产业（王春华，2018）。随着广西甘蔗生产的发展，制约广西甘蔗产业发展的新问题也不断凸显出来。广西是全国高锰区之一，具有丰富的锰矿资源，同时地处热带亚热带，土壤多属酸性的赤红壤和红壤，存在因活性锰含量过高而诱发植物生长障碍的现象（陈桂芬，2001）。近年来，广西蔗区开始出现宿根甘蔗幼苗黄化的现象，发病率高达20%～30%，且有逐步加重趋势，严重影响宿根甘蔗的产量和品质（陈桂芬等，2012）。因此，探究宿根甘蔗幼苗黄化的影响因素，对于有效解决广西宿根甘蔗幼苗黄化病具有重要意义。【前人研究进展】铁和锰是植物生长发育的必需营养元素，二者存在着拮抗关系，比例失衡会直接影响植物的正常生长发育。刘铮（1991）研究指出，甘蔗植株铁/锰比值小于10时，铁的活性受到高锰的抑制，从而表现出缺铁失绿的锰毒症状。黎晓峰等（1995，1996）研究指出，水稻叶片黄化程度随体内活性铁含量、活性铁/锰比值的下降而加重，叶面喷施铁肥和土施石灰、硅酸盐均能提高水稻叶片活性铁/锰比值，有效缓解水稻叶片黄化;此外，还发现水稻在锰毒胁迫下根系的铁沉积量增加，不仅减少对铁的吸收量，还改变水稻体内的铁分配及降低铁的生理活性，引起水稻叶片因缺铁而导致的叶绿素含量下降。植物吸收过量的锰会干扰铁、镁、钙、磷等其他元素在体内吸收、转运和再利用过程，从而导致植物营养失调（Alam et al.，2002）。陈桂芬等（2012）研究指出，宿根甘蔗黄化病主要发生在酸性较强的土壤上，甘蔗体内活性铁含量低、活性锰含量高，导致植株体内铁锰营养不平衡。甘蔗吸收过量的锰能阻碍对铁的吸收与活化，最终宿根甘蔗幼苗因缺铁而出现黄化（李贤宇等，2016）。铁不是叶绿素的组成成分，但叶绿素的合成需要铁的参与，植物缺铁时叶绿体结构会被破坏而导致叶绿素不能正常形成。姚宇洁和姜存仓（2017）研究指出，植物缺铁胁迫条件下，柑橘砧木的叶绿体长度和厚度较对照降低。周攀和黎晓峰（2018）研究指出，甘蔗幼苗黄化与体内过多的锰导致光合系统受损及光能利用受阻有关。【本研究切入点】目前，对于甘蔗幼苗黄化问题多侧重病因探讨和大中量营养元素丰缺状况分析，而针对宿根甘蔗幼苗叶片铁、锰元素含量及亚细胞分布情况的研究较少。【拟解决的关键问题】通过对比分析宿根甘蔗幼苗黄化叶片与邻近正常叶片中叶绿素含量、全铁含量、活性铁含量、全锰含量、活性锰含量、活性铁/锰比值及铁和锰的亚细胞分布，研究铁、锰对宿根甘蔗幼苗黄化的影响，为有效解决广西宿根甘蔗幼苗黄化病问题提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 样品采集

供试宿根甘蔗品种为新台糖22号，植株样品为宿根甘蔗幼苗黄化叶片和正常叶片，采自南宁、崇左和来宾等宿根甘蔗幼苗黄化病高发区，随机挑选黄化宿根甘蔗幼苗和邻近正常宿根甘蔗幼苗30～60株，每株采集顶端正一位叶片混合成甘蔗植株样品，并将采集的宿根甘蔗幼苗黄化叶片与正常叶片组成21份植株样品。

1. 2 样品预处理

将采集的宿根甘蔗幼苗叶片先用自来水冲洗干净，再用0.1% HCl清洗，以去离子水洗涤拭干后测定鲜样指标，置于105 ℃恒温箱中杀青30 min后于75 ℃烘干，用不锈钢植株粉碎机粉碎叶片，待测叶绿素、全铁、活性铁、全锰、活性锰及铁和锰的亚细胞组分含量，并计算活性铁/锰比值。

1. 3 测定项目及方法

叶绿素含量：样品以丙酮∶乙醇=2∶1混合浸提剂浸提24 h后，在663和645 nm波长下测定其吸光值，Ca=12.7A663-2.69A645，Cb=22.9A645-4.68A663，C叶绿素=Ca+Cb。

全铁和全锰含量：采用HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法测定（刘凤枝和刘潇威，2007）。

活性铁和活性锰含量：采用1 mol/L HCl浸提-原子吸收分光光度法测定（鲍士旦，2000）。

铁、锰亚细胞组分含量：用0.25 mmol/L蔗糖-50 mmol/L Tris-HCl 缓冲液（pH=7.5）4 ℃低温研磨离心连续提取，其中在300 r/min离心30 s后沉淀为细胞壁组分;上清液在600 r/min下离心10 min后沉淀为细胞核部分;继续在2000 r/min下离心15 min后沉淀为叶绿体组分;接着在10000 r/min下离心20 min后沉淀为线粒体组分;上清液为含核糖体的可溶性部分（于方明等，2010）。5个亚细胞组分提取完毕后分别用原子吸收分光光度法测定各细胞组分含量。

1. 4 统计方法

检测数据采用Excel 2010进行整理、计算和制图等，黄化叶片和正常叶片数据间的比较采用成对数据t检验的统计分析方法。

2 结果与分析

2. 1 宿根甘蔗幼苗叶片的叶绿素含量

如图1所示，宿根甘蔗幼苗黄化叶片的叶绿素含量极显著低于正常叶片（t=10.23>t0.01）（P<0.01，下同）;黄化叶片的叶绿素含量介于0.20～1.23 mg/g，平均含量（0.42 mg/g）僅为正常叶片平均含量（2.20 mg/g）的19.09%。叶绿体是植物进行光合作用的重要场所，叶绿素含量低最直接表现为光合产物数量减少，对甘蔗幼苗生长不利，间接导致甘蔗产量下降。

植株活性铁/锰比值在表述铁锰间拮抗作用时较活性铁或活性锰含量的效果更佳。刘铮（1991）研究指出，甘蔗植株铁/锰比值小于10时，铁活性受到高浓度锰的抑制，从而表现出缺铁失绿的锰毒病症。黎晓峰等（1995）研究表明，水稻叶片黄化程度随体内活性铁含量、活性铁/锰比值下降而加重。曾琦等（2004）研究表明，锰毒不仅使油菜生物量减少，茎和叶片的铁、钙含量也显著减少，与其相应铁/锰、钙/锰比值也显著降低。在本研究中，宿根甘蔗幼苗叶片活性锰含量与活性铁含量呈极显著负相关，黄化叶片的活性铁/锰比值（7.89）极显著低于正常叶片（61.68），说明宿根甘蔗叶片活性铁/锰比值低，高锰抑制铁的活性，进而诱发宿根甘蔗幼苗出现生理性缺铁黄化，与李贤宇等（2016）研究指出甘蔗吸收过量的锰会导致体内铁锰比例失衡，能阻碍对铁的吸收与活化，最终宿根甘蔗幼苗因缺铁而出现黄化的研究结果基本一致，均表明甘蔗体内活性铁含量低、活性锰含量高导致的植株体内铁锰营养不平衡可能是宿根甘蔗幼苗黄化的主要原因。

缺铁会对植物的光合系统产生影响。植物铁缺乏会对叶绿体结构产生极大影响（Moseley et al.，2013）。汪李平（1995）研究表明，缺铁易导致植物叶绿体结构破坏，叶绿体基粒数目减少，基粒类囊体片层数目下降，基粒类囊体和基质类囊体排列混乱，严重缺铁时叶绿体被解离或液泡化，从而影响叶绿素合成。洪剑明等（1999）研究指出，缺铁会引起玉米叶绿体片层的垛叠。姚宇洁和姜存仓（2017）研究表明，在缺铁胁迫条件下，柑橘砧木的叶绿体长度和厚度较对照降低。本研究结果表明，宿根甘蔗幼苗黄化叶片的铁含量在亚细胞器中排序依次为细胞壁>细胞核>线粒体>叶绿体>可溶性部分，而正常叶片的叶绿体中铁含量仅次于细胞壁，黄化叶片亚细胞组分的铁总量虽略高于正常叶片，但叶绿体中铁含量（3.24 mg/kg）显著低于正常叶片（7.82 mg/kg），说明宿根甘蔗幼苗黄化与铁向叶绿体的运输受阻有关。

植物对锰的忍耐有两条基本途径：一是植物对锰的排斥性，锰被植物吸收后以某种形式排出体外或在植物体内运输过程中受阻;二是锰积累，锰被植物吸收进入体内后以无生理活性的形式存在，以此来减轻其对植物的毒害作用，如固持于细胞壁、储存液泡中、与有机酸或蛋白质结合成无效态等（廖红和严小龙，2003）。重金属的细胞区域化贮存是植物忍耐重金属能力的表现。张玉秀等（2010）研究认为，植物对锰的耐性或累积机制包括区域化作用，有机酸的螯合、限制吸收和外排作用，抗氧化作用及离子交互作用等。本研究中，宿根甘蔗黄化叶片亚细胞组分的锰总量（93.04 mg/kg）是正常叶片的3.95倍，但黄化叶片89.01%的锰主要分布在细胞壁和可溶性组分，只有10.99%的锰存在于生理活性区，说明过量的锰贮存在细胞壁和可溶性部分可能有利于甘蔗抵御锰的毒害。

酸性土壤中锰毒和铝毒是植物生长的重要障碍因子，本研究仅侧重分析了铁和锰对宿根甘蔗幼苗黄化的影响，今后还需进一步深入研究锰、铝、铁相互作用对宿根甘蔗幼苗黄化的影响及防治宿根甘蔗黄化的措施，为宿根甘蔗幼苗解决黄化病问题提供科学指导。

4 结论

叶片活性铁/锰比值低，高锰抑制铁的活性，铁向叶绿体运输受阻是宿根甘蔗幼苗出现生理性缺铁黄化的主要原因之一，过量的锰贮存在细胞壁和可溶性部分可能有利于宿根甘蔗幼苗对锰的忍耐。在广西甘蔗实际生产过程中，可采取提高土壤pH来降低甘蔗对锰的吸收，或通过叶面喷施液体铁肥等措施来防治宿根甘蔗幼苗黄化问题。

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（責任编辑 王 晖）

收稿日期：2019-12-30

基金项目：国家自然科学基金项目（31660593）

作者简介：龙光霞（1985-），主要从事土壤肥料与植物营养研究工作，E-mail：lgxbig@126.com