10%氰氟草酯对‘张杂谷10号’叶片生理生化指标的影响

翟旭涛 胡春艳 董淑琦,* 温银元 宋喜娥 郭平毅 原向阳

(1.山西农业大学 植物保护学院,山西 太谷030801;2.山西农业大学 农学院,山西 太谷030801)

谷子(SetariaitalicaL.),又称粟,起源于中国,是世界上栽培最久的作物,也是我国北方主要栽培的旱作作物[1],谷子耐瘠、耐高温、耐存储,营养丰富,含有多种维生素、蛋白质、糖类等物质,其秸秆可作为牲畜饲料,是一种粮饲兼备的作物,在我国的种植面积和产量均居世界首位。随着我国居民对小杂粮需求量的增加,谷子作为主要杂粮[2],产业规模不断扩大,谷子种植在发展畜牧业、维持农业生态平衡以及旱作农业绿色发展中发挥着重要作用[3]。近年来,谷田杂草危害成为制约谷子现代化生产的关键问题,谷田杂草种类较多,包括禾本科杂草稗草(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv)、狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv)、马唐(Digitariasanguinalis(L.)Scop.)和阔叶科杂草反枝苋(AmaranthusretroflexusL.)、马齿苋(PortulacaoleraceaL.)、藜(ChenopodiumalbumL.)等,尤其是在降雨后,谷田杂草生长迅速,密度大,竞争力强,与谷子争夺生长所需的物质和养分,影响谷子幼苗的生长和发育,最终影响谷子产量和品质[4-5],严重时出现草荒甚至绝收。

谷子出苗时间多与北方干旱少雨时期重叠,土壤处理剂防除杂草效果不显著,茎叶除草剂种类少,杂草防除困难,人工除草的成本较高,化学除草经济高效[6-8],但谷田登记的除草剂仅有6种,多为土壤处理剂或防除阔叶杂草,防除禾本科杂草的除草剂仅烯禾啶1种。而研发新农药的时间及经济成本都很高[9],因此,选择谷田可使用的除草剂最快捷的方法是从其他禾本科作物田登记的除草剂中去筛选。而除草剂易对植物产生药害,为害植物的生长,对植物农艺性状、植物体内酶活性、光合色素等方面产生不利的影响,且谷子对除草剂较为敏感[10-12]。王正贵等[13]研究结果表明,5种除草剂处理导致小麦叶片受到胁迫,光合色素含量显著降低,叶片发生光抑制。李秉华等[14]研究表明,除草剂同剂量下苗后茎叶处理对‘豫谷18’谷子株高和鲜重的抑制程度均低于其土壤处理。因此,研究除草剂对谷田的安全性至关重要。

氰氟草酯(cyhalofop-butyl)是美国陶氏益农公司于1987年开发生产的一种芳氧苯氧丙酸类除草剂,也是内吸传导性除草剂,通过抑制乙酰辅酶A羧化酶(ACCase),使脂肪酸合成停止,细胞的生长分裂不能正常进行,膜系统等含脂结构破坏,最后导致植物死亡,能够有效防除水稻田稗草、千金子(Leptochloachinensis(L.) Nees)等杂草[15-16]。目前,关于氰氟草酯在谷田应用安全性的研究鲜见报道。本研究拟通过设置不同剂量10%氰氟草酯水乳剂处理‘张杂谷10号’幼苗,测定其对‘张杂谷10号’谷子苗期农艺性状及叶片的叶绿素荧光参数、光合色素含量、抗氧化酶活性、丙二醛(MDA)含量等指标,旨在探究氰氟草酯对‘张杂谷10号’生产的安全性,以期为谷田杂草防除提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为‘张杂谷10号’由河北省张家口市农业科学院提供。

1.2 试验设计

试验于2021年5—10月在山西省晋中市太谷区山西农业大学农作站(37°25′ N,112°34′ E)进行,在5月份播种前1～2 d撒播复合肥、整地,借墒播种,在试验基地通过播种机播种‘张杂谷10号’谷子,试验采用随机区组设计,每小区30 m2。喷施药剂为10%氰氟草酯水乳剂,设置225(1/4×)、450(1/2×)、675(3/4×)、900(1×,推荐剂量)和1 800 mL/hm2(2×)5个剂量,以喷施清水作为对照(CK),每处理重复3次。在谷子苗期第3—5叶期喷施药剂,分别于施药后5、10、15、20、25、30和45 d对谷子各生理指标进行测定。

1.3 测定指标

用直尺测量谷子的株高、叶长和叶宽,叶面积通过公式长×宽×0.75来计算[17],使用游标卡尺测量谷子茎粗。

使用便携式叶绿素荧光仪MINI-PAM-II/B,用叶片夹将叶片暗处理30 min,测定各叶绿素荧光参数最大光化学效率(Fv/Fm)、PSII实际光合效率(Y(II))、表观光合电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)等参数。

在试验田采集谷子倒二叶叶片后放入冰盒,带回实验室进行取样,取0.05 g进行光合色素含量测定[18],剩余放入-80 ℃冰箱备用,用作SOD、POD、CAT活性和MDA含量的测定。SOD活性测定采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法[19]进行测定,POD活性采用愈创木酚法[20]测定,CAT活性采用紫外吸收法[21],MDA含量采用硫代巴比妥酸法[22]。

1.4 数据分析

采用SPSS 23.0及Excel 2016进行数据统计与处理,应用Duncan新复极差法进行差异显著分析。

2 结果与分析

2.1 不同剂量氰氟草酯对谷子农艺性状的影响

由图1可知,随着氰氟草酯喷施剂量的增加,对‘张杂谷10号’谷子农艺性状的抑制作用不断增强。喷药后5 d,各处理谷子株高比CK降低2.07%～31.57%,2×与CK相比达到显著差异水平,各处理叶面积与CK相比降低22.83%～67.97%,各处理茎粗与CK相比下降11.17%～52.83%。喷药后第15—30天,谷子生长逐渐恢复。喷药后45 d,各处理谷子株高比CK降低-4.78%～14.54%,叶面积比CK减少5.01%～21.91%,茎粗比CK减少9.60%～25.13%,由此,谷子的株高、叶面积、茎粗呈现下降的趋势;随时间的延长,对谷子农艺性状的抑制作用逐渐减小,而3/4×、1×、2×的株高仍显著低于CK,但谷子幼苗生长正常。

2.2 不同剂量氰氟草酯对谷子叶片SOD活性的影响

由图2可知,喷药后 5 d,除1/4×外,其他各处理的谷子叶片的SOD活性与CK相比差异显著,分别比CK增加13.55%(1/2×)、36.76%(3/4×)、15.26%(1×)、20.56%(2×);喷药后10和20 d,各处理与CK间差异均未达到显著水平。喷药后25 d,各处理谷子叶片SOD活性再次升高,喷药后45 d,不同剂量处理与对照相比存在不同程度的升高或降低,2×的叶片SOD活性比CK降低25.06%。

2.3 不同剂量氰氟草酯对谷子叶片POD活性的影响

由图3可知,喷药后5 d,随喷药剂量的增加,各处理谷子叶片POD活性呈现先上升后下降的趋势,各处理叶片的POD活性均高于CK,1×的谷子叶片SOD活性最大,为209.17 U/g;喷药后10 d,1×比CK增加62.06%;喷药后15 d,1/4×、1/2×、1×、2×分别比CK增加65.95%、24.42%、29.28%、52.35%;喷药后20 d,谷子恢复生长,1/2×比CK降低17.85%,其他各处理与CK无显著差异;喷药后25 d,3/4×、1×、2×分别比CK增加22.19%、36.24%、123.58%;喷药后45 d,各处理与对照之间无显著差异。

图3 不同剂量氰氟草酯处理的‘张杂谷10号’谷子叶片POD活性Fig.3 POD activity in foxtail millet leaves of ‘Zhangzagu 10’ under different doses of cyhalofop-butyl

2.4 不同剂量氰氟草酯对谷子叶片CAT活性的影响

由图4可知,喷药后10 d,1×、2×的CAT活性分别比CK增高50.29%、53.47%;喷药后15和25 d,随喷药剂量的增加,谷子叶片CAT活性呈现先下降后上升的趋势,但各处理与CK无显著差异;喷药后30 d,CAT活性发生变化,3/4×、2×的谷子叶片CAT活性分别比CK降低22.28%、23.26%;喷药后45 d,各处理叶片CAT活性与CK均无显著差异。

图4 不同剂量氰氟草酯处理的‘张杂谷10号’谷子叶片CAT活性Fig.4 CAT activity in foxtail millet leaves of ‘Zhangzagu 10’ under different doses of cyhalofop-butyl

2.5 不同剂量氰氟草酯对谷子叶片MDA含量的影响

由图5可知,在氰氟草酯胁迫条件下,‘张杂谷10号’谷子叶片MDA含量均增高,喷药后5 d,MDA含量随着喷药剂量的增加而增加,2×比CK增加35.92%;喷药后10 d,各处理MDA含量与CK之间无显著差异;喷药后15 d,2×比CK增加29.32%;喷药后20 d,各处理与CK均无显著差异;喷药后25 d,3/4×、1×的MDA含量分别比CK增加38.75%和44.65%;喷药后30 d开始,各处理MDA含量与CK均无显著差异,谷子恢复正常生长。

图5 不同剂量氰氟草酯处理的‘张杂谷10号’谷子叶片MDA含量Fig.5 MDA content in foxtail millet leaves of ‘Zhangzagu 10’ under different doses of cyhalofop-butyl

2.6 不同剂量氰氟草酯对谷子叶片光合色素含量的影响

由表1可知,‘张杂谷10号’谷子经氰氟草酯处理5 d后,Chla含量从0.688升至0.600 mg/g再升高到0.924 mg/g,最终降低到0.674 mg/g,Chlb含量从0.233升至0.222 mg/g再升高到0.386 mg/g,最终降低到0.280 mg/g,Car含量从0.281升至0.243再升高到0.393 mg/g,最终下降到0.305 mg/g,均在1/4×后达到最低值,在1×下达到最高,呈现下降-上升-下降的趋势;喷药后10和15 d,Chla、Chlb、Car与CK均无显著差异;喷药后20 d,3/4×和2×的Chla含量均显著高于CK,但Chlb和Car与CK均无显著差异,谷子已基本恢复生长,喷药后25 d,除2×外,其余各处理的Chla、Chlb、Car含量与CK均无显著差异,2×的Chla、Chlb、Car含量分别降低12.84%、14.54%和10.29%;喷药后30 d光合色素含量再次产生了变化,随氰氟草酯剂量增加,光合色素含量呈现先下降后上升再下降的趋势,在1/2×达到最低值,但与CK差异不显著,3/4×的Chla、Chlb、Car含量分别比CK提升27.18%、35.96%和16.52%;喷药后45 d,1/4×和1/2×叶片的光合色素含量与CK均无显著差异,高浓度处理(3/4×、1×、2×)的光合色素含量均高于对照,但3/4×与1×与CK相比也未达到显著差异水平,2×的Chla、Chlb、Car和Chla+b含量却显著高于CK,分别提高29.69%、32.66%、20.17%和30.52%。

表1 不同剂量氰氟草酯处理的‘张杂谷10号’谷子叶片光合色素含量Table 1 Photosynthetic pigment content in foxtail millet leaves of ‘Zhangzagu 10’ under different doses of cyhalofop-butyl mg/g

2.7 不同剂量氰氟草酯对谷子叶片叶绿素荧光参数的影响

由表2可知,喷药后5 d,Fv/Fm、ETR、Y(II)、qP均呈现先升高后下降的趋势,1/4×处理时达到最大值,但与CK相比无显著差异,2×的谷子叶片Fv/Fm比CK降低了19.72%,Y(II)比CK降低30%,1/4×的谷子叶片qP比CK增高22.03%;喷药后10 d,1×和2×谷子叶片的Fv/Fm比CK分别降低6.25%和5.00%,3/4×的ETR比CK增加36.77%,1×的Y(II)和qP分别比CK增加25.00%和57.14%;喷药后15 d,1/4×的Fv/Fm比CK降低2.56%,2×比CK增加2.56%,2×的谷子叶片的ETR比CK降低24.68%,1×和2×谷子叶片的qP均比CK降低28.57%,1/4×的NPQ比CK增加25.80%;喷药后20 d,各处理叶片的Fv/Fm和Y(II)与CK之间均无显著差异,2×的ETR和qP分别比CK增加21.96%和18.18%,NPQ比CK降低19.67%;喷药后25 d,2×的谷子叶片Fv/Fm比CK降低2.53%,1/2×、1×、2×的叶片Y(II)分别比CK下降5.76%、3.85%、3.85%;喷药后30 d,3/4×叶片的Fv/Fm比CK降低7.50%,1/2×的ETR比CK降低5.85%;喷药后45 d,谷子叶片的Fv/Fm、ETR、Y(II)、qP恢复至与CK无显著差异的水平,而2×的NPQ比CK升高19.50%。

表2 不同剂量氰氟草酯处理的‘张杂谷10号’谷子叶片叶绿素荧光参数Table 2 Chlorophyll fluorescence parameters of foxtail millet leaves of ‘Zhangzagu 10’ under different doses of cyhalofop-butyl

2.8 不同剂量氰氟草酯对谷子产量及产量构成的影响

由表3可知,不同剂量氰氟草酯处理谷子的穗长、千粒重、产量与CK相比均无显著差异。1/2×、3/4×的穗粗与CK相比分别降低24.26%、15.85%,1.0×与CK相比增加2.05%;2.0×的穗重与CK相比降低27.09%;3/4×、1.0×的穗粒重与CK相比分别增加37.73%、43.12%。

表3 不同剂量氰氟草酯处理的‘张杂谷10号’谷子产量构成及产量Table 3 Yield components and yield of foxtail millet ‘Zhangzagu 10’ under different doses of cyhalofop-butyl

3 讨 论

杂草危害谷子生长是限制谷子高产稳产的关键问题,化学除草仍然是农业生产中最快捷、经济、有效的杂草治理措施,而除草剂在进行田间杂草防除的同时,也会对作物造成一定伤害,影响作物的正常生长发育。农艺性状能直观地反映作物受到胁迫之后的影响,同时除草剂胁迫会影响作物光合色素含量、生理代谢过程[23-24],除草剂应用到谷田,不仅要达到防除杂草的目的,还需要考虑对谷子生长的安全性,因此,明确除草剂对谷子的安全性至关重要。

黄蕾[25]研究发现,除草剂‘阔世玛’显著影响‘张杂谷10号’的株高、叶面积,刘丹等[26]研究发现,喷施高剂量‘烯禾啶’也显著抑制‘张杂谷10号’谷子的株高、叶面积。本研究结果显示,随着氰氟草酯用量的增加,对‘张杂谷10号’谷子的株高、叶面积、茎粗的抑制作用逐渐增强,随着喷药后时间的增加,药后20 d,谷子的农艺性状得到缓解,药后30 d,谷子生长完全得到恢复,1/4×的株高、叶面积分别比CK升高9.15%、18.81%,1/2×的茎粗比CK升高28.23%。氰氟草酯不同剂量处理后,‘张杂谷10号’谷子叶片光合色素含量与CK相比无显著差异,高剂量处理的谷子叶片光合色素含量反而高于CK。

植物体内的酶系统可以清除代谢过程中产生的自由基和活性氧,保护细胞免受伤害[27]。植物体内的SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性受到除草剂胁迫后会发生一定的变化,以减轻除草剂胁迫产生的药害[28],黄蕾[25]研究显示,喷施‘阔世玛’使谷子叶片的SOD活性、POD活性、MDA含量显著升高,王雅情等[29]研究显示,‘使它隆’处理初期,谷子叶片的SOD、POD、CAT活性均显著高于对照。本研究结果显示,喷施氰氟草酯后,进入谷子体内,诱导酶活性升高以保护谷子免受侵害,使谷子叶片SOD、POD、CAT活性与CK相比有不同程度的升高,随着喷药时间的延长,抗氧化酶活性开始下降,在15～20 d后逐渐恢复。MDA含量是植物细胞膜质过氧化程度的体现,逆境胁迫程度越高,膜质过氧化越严重,MDA含量就越高,本研究中,喷施氰氟草酯后,对谷子叶片产生药害,随喷施剂量增加,MDA含量逐渐上升,随喷药时间的延长,在药后30 d逐渐恢复,与CK间无显著差异。

叶绿素荧光参数是衡量植物叶片光化学活性高低的重要指标之一,反映了叶片光系统的“内在性”[30],保证了光合电子的高效运转和协调传递,Fv/Fm代表PSⅡ反应中心内的光能转换效率,一般植物遭受胁迫时Fv/Fm下降[31]。喷药后5 d开始,‘张杂谷10号’谷子叶片的Fv/Fm低于CK,2×叶片的Fv/Fm显著低于CK(表2),表明喷药后谷子叶片发生一定的光抑制作用。在喷药后前10 d,ETR、Y(II)、qP呈现先升高后下降的趋势,喷药后45 d,除2×的NPQ高于CK,其余各处理谷子叶片的Fv/Fm、ETR、Y(II)、qP不再受到氰氟草酯的影响,生长得到恢复,达到与CK无显著差异的水平。

产量及产量构成是衡量除草剂安全性的重要指标,使用不当会造成粮食减产[32],直观地反映出该除草剂能否应用到实际生产中。本研究结果显示,1×的穗粒重显著高于CK,谷子穗长、千粒重、产量与CK相比无显著差异。可见,各处理对最终产量无较大影响,可进一步结合田间杂草防除效果确定合适用量。

4 结 论

喷施氰氟草酯后,谷子株高、叶面积、茎粗受到强烈的抑制作用,SOD活性、CAT活性和MDA含量均显著增加,Fv/Fm、Y(II)、qP降低,光化学活性也受到抑制;喷药后45 d,2×的仍对谷子株高、叶面积有抑制作用,产量与CK间无著差异,但其产量最低。因此,推荐使用900 mL/hm2(推荐剂量)氰氟草酯除草剂应用于‘张杂谷10号’谷田生产。