寧可真，袁學(xué)松，楊忠仁,2，郝麗珍，張鳳蘭，孫晶潔

(1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)野生特有蔬菜種質(zhì)資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011;2內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；3烏海市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化指導(dǎo)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

沙芥(Pugioniumcornutum(L.) Gaertn.)和斧形沙芥(PugioniumdolabratumMaxim.)為十字花科沙芥屬2年生草本植物[1]，分布于我國的內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅等地區(qū)[2-3]。沙芥為我國特有種，斧形沙芥為珍稀瀕危物種[4]。沙芥屬植物營養(yǎng)價(jià)值豐富，可食用[5-6]、飼用，抗逆性好[7]，可用于預(yù)防水土流失[8]，具有很高的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)價(jià)值，但由于環(huán)境惡化以及人為破壞[9]，其野生種逐年減少[10]。目前沙芥屬植物已開始人工種植，但連作產(chǎn)生的自毒作用會(huì)導(dǎo)致出苗率低、苗不整齊、生長不良以及減產(chǎn)等問題。自毒作用是植物通過淋溶、殘?bào)w分解、根系分泌等方式向周圍環(huán)境釋放自毒物質(zhì), 對植物生長起到阻礙作用的現(xiàn)象[11-14]，是連作障礙形成的主要原因之一。在自毒物質(zhì)脅迫下，植物幼苗的株高、根長等均受到抑制，同時(shí)體內(nèi)過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶活性下降，膜質(zhì)過氧化加重，表明自毒物質(zhì)會(huì)破壞植物保護(hù)酶系統(tǒng)，降低其生理抗性，不利于植物生長[15-16]。目前，人們已從果蔬等易發(fā)生連作障礙的作物根系分泌物中分離出鄰苯二甲酸、肉桂酸等10余種酚酸類自毒物質(zhì)[12-14]。有研究發(fā)現(xiàn)，鄰苯二甲酸可以影響茄子、黃瓜、辣椒等蔬菜[17-18]及小豆[19]、花生[20]等作物種子和幼苗的生長發(fā)育，且整體表現(xiàn)出“低促高抑”的效果。本課題組鮑紅春等[11,21]研究發(fā)現(xiàn)，沙芥浸提液具有自毒作用，其中含有的鄰苯二甲酸和肉桂酸對白菜種子萌發(fā)及幼苗生長均有不同程度的抑制作用。但關(guān)于鄰苯二甲酸和肉桂酸對沙芥屬植物的影響目前尚未見相關(guān)研究報(bào)道。為此，本研究用不同濃度鄰苯二甲酸和肉桂酸溶液處理沙芥和斧形沙芥的幼苗，觀測其生長和保護(hù)酶活性的變化情況，以期為沙芥屬植物自毒物質(zhì)作用的機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)，為更好地開發(fā)和利用沙芥屬植物提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

沙芥和斧形沙芥種子，均采自毛烏素沙地。鄰苯二甲酸由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，肉桂酸由天津博迪化工股份有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年在內(nèi)蒙古自治區(qū)野生特有蔬菜種質(zhì)資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室中進(jìn)行。沙芥和斧形沙芥種子經(jīng)消毒后在25 ℃恒溫箱內(nèi)催芽，將發(fā)芽一致的種子播于營養(yǎng)缽(高18 cm，直徑15 cm)中，培養(yǎng)基質(zhì)為蛭石和土壤配成的混合基質(zhì)(體積比1∶1)，待幼苗子葉展平后，分別用0(對照，CK)，0.01，0.1，1和10 mmol/L的鄰苯二甲酸、肉桂酸溶液處理幼苗,每缽澆灌100 mL，每隔3 d澆灌1次。待沙芥和斧形沙芥生長至6葉1心時(shí)，采集幼苗根和葉進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長指標(biāo) 用直尺測量葉長(葉柄基部至葉尖的長度)和根長(根莖底部至根尖的長度)；用千分之一電子天平分別稱葉和根鮮質(zhì)量；將葉和根置于105 ℃烘箱中殺青15 min后，于60 ℃烘干至恒質(zhì)量，用千分之一電子天平稱其干質(zhì)量。

1.3.2 抗氧化指標(biāo) 按照王春臺(tái)等[22]的方法測定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)活性。用愈創(chuàng)木酚法[23]測定過氧化物酶(POD)活性。用硫代巴比妥酸比色法[24]測定丙二醛(MDA)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，用Duncan’s進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥幼苗生長的影響

鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥生長的影響見表1。由表1可知，鄰苯二甲酸和肉桂酸對沙芥葉和根的生長均表現(xiàn)為低濃度(0.01 mmol/L)促進(jìn)高濃度抑制，且隨著濃度的增加抑制作用加強(qiáng)。當(dāng)鄰苯二甲酸濃度為0.01 mmol/L時(shí)，沙芥的根長、葉干質(zhì)量顯著高于其他處理(P<0.05)；當(dāng)肉桂酸濃度為0.01 mmol/L時(shí)，沙芥的葉長、根長、根鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量均顯著高于其他處理(P<0.05)。不同濃度鄰苯二甲酸和肉桂酸對斧形沙芥葉和根的生長均表現(xiàn)為抑制作用，且隨著濃度的增大抑制作用增強(qiáng)。結(jié)果表明，0.01 mmol/L鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥根生長的促進(jìn)作用強(qiáng)于葉，而同條件下斧形沙芥葉和根均受到抑制，且對葉生長的抑制作用強(qiáng)于根。

表1 鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥生長的影響Table 1 Effect of phthalic acid and cinnamic acid on growth of Pugionium cornutum (L.) Gaertn. and Pugionium dolabratum Maxim.

表1(續(xù)) Continued table 1

2.2 鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥保護(hù)酶活性的影響

2.2.1 SOD活性 由圖1可知，隨著鄰苯二甲酸和肉桂酸濃度的增大沙芥葉和根中SOD活性均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。0.1 mmol/L鄰苯二甲酸處理沙芥葉和根中SOD活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸處理沙芥葉中SOD活性最高，顯著高于對照(P<0.05)，0.1 mmol/L肉桂酸處理沙芥根SOD活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。

由圖1可見，隨著鄰苯二甲酸濃度的增大，斧形沙芥葉SOD活性呈逐漸降低趨勢，0.01～10 mmol/L鄰苯二甲酸處理均顯著低于對照(P<0.05)；斧形沙芥根SOD活性呈先升高后降低趨勢， 0.1 mmol/L鄰苯二甲酸處理SOD活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。肉桂酸處理斧形沙芥葉和根中SOD活性均呈逐漸降低趨勢，在10 mmol/L肉桂酸處理下最低，顯著低于對照(P<0.05)。

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示同種自毒物質(zhì)不同濃度處理對同種植物同一部位影響顯著(P<0.05)。下圖同Different lowercase letters indicate significant effects among concentrations (P<0.05).The same below圖1 鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥幼苗SOD活性的影響Fig.1 Effect of phthalic acid and cinnamic acid on SOD activity of seedling of Pugionium cornutum (L.) Gaertn.and Pugionium dolabratum Maxim.

2.2.2 POD活性 由圖2可知，隨著鄰苯二甲酸和肉桂酸濃度的增大，沙芥葉和根的POD活性均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。0.01 mmol/L鄰苯二甲酸處理沙芥葉和根中POD活性最高，但與對照差異不顯著(P>0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸處理沙芥葉和根中POD活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。

由圖2還可知，隨著鄰苯二甲酸和肉桂酸濃度的增大，斧形沙芥葉和根POD活性均呈現(xiàn)先升高后下降趨勢。0.01 mmol/L鄰苯二甲酸處理斧形沙芥葉和根中POD活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸處理斧形沙芥葉和根中POD活性最高，但與對照差異不顯著(P>0.05)。

圖2 鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥幼苗POD活性的影響Fig.2 Effect of phthalic acid and cinnamic acid on POD activity of seeding of Pugionium cornutum(L.) Gaertn.and Pugionium dolabratum Maxim.

2.2.3 CAT活性 由圖3可知，隨著鄰苯二甲酸和肉桂酸濃度的增大，沙芥葉和根CAT活性均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。0.01 mmol/L鄰苯二甲酸處理沙芥葉和根中CAT活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸處理沙芥葉和根中CAT活性最高，其中葉顯著高于對照(P<0.05)，而根與對照差異不顯著(P>0.05)。

圖3顯示，隨著鄰苯二甲酸與肉桂酸濃度的增大，斧形沙芥葉和根CAT活性均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。0.01 mmol/L鄰苯二甲酸處理斧形沙芥葉中CAT活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。0.01 mmol/L鄰苯二甲酸處理斧形沙芥根中CAT活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。0.01 mmol/L肉桂酸處理斧形沙芥葉和根中CAT活性最高，顯著高于對照(P<0.05)。

圖3 鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥CAT活性的影響Fig.3 Effect of phthalic acid and cinnamic acid on CAT activity of seeding of Pugionium cornutum(L.) Gaertn.and Pugionium dolabratum Maxim.

2.3 鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥MDA含量的影響

由圖4可知，沙芥和斧形沙芥葉和根MDA含量均隨鄰苯二甲酸與肉桂酸濃度的升高而增大，均在10 mmol/L下達(dá)到最大，顯著高于對照(P<0.05)；葉片中的MDA含量高于根。

圖4 鄰苯二甲酸、肉桂酸對沙芥和斧形沙芥MDA含量的影響Fig.4 Effect of phthalic acid and cinnamic acids on MDA content of Pugionium cornutum (L.) Gaertn.and Pugionium dolabratum Maxim.

3 討論與結(jié)論

自毒作用通過多種方式對植物生長發(fā)育產(chǎn)生影響[25]。張重義等[26]研究發(fā)現(xiàn)，自毒物質(zhì)的作用由其濃度決定，低濃度自毒物質(zhì)對植物生長具有促進(jìn)作用，而高濃度則表現(xiàn)為抑制作用或無作用。番茄植株水提液對生菜、蘿卜、白菜、豇豆和水稻等受體植物株高表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)而高濃度抑制的效應(yīng)[27]。本研究結(jié)果表明，經(jīng)鄰苯二甲酸與肉桂酸處理后沙芥幼苗葉長、葉鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、根長、根鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，并且存在劑量效應(yīng)，在濃度為0.01 mmol/L時(shí)有促進(jìn)效果，濃度繼續(xù)增大時(shí)生長指標(biāo)均下降，這與Jefferson等[27]的研究結(jié)果一致。而斧形沙芥經(jīng)鄰苯二甲酸和肉桂酸處理后其幼苗生長均受到抑制作用，這與曹光球等[28]對杉木的研究結(jié)果有一定差異，原因可能是斧形沙芥抗逆性較弱，對外源抑制物更加敏感。

自毒物質(zhì)會(huì)誘導(dǎo)活性氧累積，對植物造成傷害，而植物會(huì)通過增強(qiáng)保護(hù)酶活性來應(yīng)對這種氧化損傷[29-31]。植物在受到自毒物質(zhì)的脅迫后保護(hù)酶開始發(fā)揮作用，POD、SOD、CAT是有效的保護(hù)酶系統(tǒng)[32]，能使植物細(xì)胞中活性氧的產(chǎn)生和清除保持動(dòng)態(tài)平衡，防止膜脂過氧化，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性[33]。保護(hù)酶活性越高，一定程度上表明植物抗氧化和清除毒害物質(zhì)的能力越強(qiáng)，但是當(dāng)自毒物質(zhì)繼續(xù)積累，保護(hù)酶活性下降，膜功能損害，植株生長受到抑制。MDA是細(xì)胞膜脂過氧化作用的產(chǎn)物，其含量高低反映了質(zhì)膜受傷害的程度[31]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)鄰苯二甲酸與肉桂酸濃度為0.01 mmol/L時(shí)，沙芥和斧形沙芥幼苗的保護(hù)酶活性增強(qiáng)，此時(shí)植株可以有效清除活性氧自由基并維持平衡，抗逆性增強(qiáng)；但隨著二者濃度繼續(xù)增大，沙芥屬植物酶活性下降，脂膜過氧化作用增強(qiáng)，MDA含量隨之升高，細(xì)胞膜被破壞，這與張志忠等[34]的研究結(jié)果一致。

綜上所述，高濃度的外源鄰苯二甲酸和肉桂酸通過影響沙芥屬植物幼苗內(nèi)抗氧化酶活性、破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能，從而抑制沙芥屬植物的生長發(fā)育。0.01 mmol/L鄰苯二甲酸和肉桂酸可以促進(jìn)沙芥幼苗的生長，但抑制了斧形沙芥幼苗的生長發(fā)育，這說明在相同濃度鄰苯二甲酸與肉桂酸處理下，沙芥和斧形沙芥的響應(yīng)不同，斧形沙芥對外源物更敏感，沙芥的抗逆性強(qiáng)于斧形沙芥。同時(shí)，鄰苯二甲酸與肉桂酸的自毒效應(yīng)存在一定的差異，鄰苯二甲酸促進(jìn)MDA產(chǎn)生的作用大于肉桂酸，表明其在沙芥屬植物中的自毒作用強(qiáng)于肉桂酸。