銅脅迫對油菜葉片內源生長因子的影響

燕輝 楊秀霞 賴發英

摘要：為了揭示銅脅迫對油菜（Brassica napus L.）生理特性的影響，對銅脅迫下油菜葉片內源激素含量及相互關系進行了分析。結果表明，隨著銅離子濃度的增大和脅迫時間的延長，油菜葉片脫落酸（ABA）含量呈逐步升高趨勢；輕度銅脅迫下，生長素（IAA）的含量亦逐步升高，但隨著銅脅迫程度的加劇，生長促進型因子IAA、赤霉素（GA）與細胞分裂素（ZR）的含量最終均呈現出降低趨勢。進一步分析各內源生長因子間的關系發現，IAA/ABA、GA/ABA、ZR/ABA和（IAA+GA+ZR）/ABA的值均隨著脅迫加劇而逐步降低，這會限制細胞分裂與葉片伸長；但另一方面，逆境生長因子ABA含量的相對增加能夠啟動油菜體內的抗逆應激反應，從而增強油菜的抗逆性。

關鍵詞：油菜（Brassica napus L.）；銅脅迫；內源生長因子

中圖分類號：S565.4 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）20-0023-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.005 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： To reveal the effect of Cu stress on physiological characteristics in oilseed rape（Brassica napus L.），the content and interrelation of endogenous growth regulators under Cu stress were analyzed in this study. The results showed that，with the increase of treatment time and Cu concentration，abscisic acid（ABA） content in oilseed rape leaves showed a trend towards increasing. Meanwhile，the content of auxin（IAA） also increased with 1 day of Cu stress. However，with the increase of Cu stress，the growth promoting regulators，such as IAA，gibberellin（GA） and cytokinin（ZR），would showed a trend towards decreasing. Further analysis of the interrelation between endogenous hormones showed that，with the increase of Cu stress，the values of IAA/ABA，GA/ABA，ZR/ABA and（IAA+GA+ZR）/ABA increased gradually，which would restraint cell division and leaf elongation. But，with the increase of ABA，the anti-stress response would be started in oilseed rape and the adversity resistance would be enhanced.

Key words： oilseed rape（Brassica napus L.）； Cu stress； endogenous growth regulators

油菜（Brassica napus L.）是重要的油料作物，在保障食用油安全、增加農民收入、發展生態農業和循環經濟中發揮著不可替代的作用[1]。近年來，受銅礦開采與含銅污水大量排放的影響，中國部分地區較大面積的農田土壤遭受了銅污染[2]；另一方面，農業生產中含銅殺蟲劑和高銅有機肥（畜禽糞便）的頻繁使用，亦造成了農田土壤中銅元素的累積[3]。目前，銅已經成為導致中國土壤環境產生污染的主要重金屬元素[4]，土壤中銅含量過高會影響油菜生長發育，進而對其產量造成影響。

內源生長因子在調節作物細胞分裂伸長、器官生長成熟以及個體生理代謝過程中發揮著極其重要的作用，而作物對逆境條件的生理響應亦是通過其體內生長因子含量的變化來實現的[5]。同時，逆境條件下作物的生理反應往往不是一種生長因子在起作用，而是多種內源生長因子綜合平衡的結果[6]。目前，為了解土壤銅污染可能對油菜生長發育及產量帶來的不利影響，廣大學者對銅脅迫下作物生理特性的變化進行了大量研究，內容涉及光合碳同化[7]、自由基[8]、保護酶活性[9]等多個領域，但對銅脅迫下油菜體內生長因子變化規律的研究相對較少。為深入認識銅脅迫條件下油菜內源生長因子變化規律，本試驗分析了不同濃度的銅脅迫對油菜葉片內源生長因子含量及其綜合效應的影響，旨在為在銅污染地區開展油菜種植提供一定的參考與指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗在遮雨棚中開展。試驗前將油菜子播種于直徑為18 cm、高為20 cm的塑料桶中，每桶播種5粒，第三復葉出現后開始疏苗，定苗為1株。幼苗于每天上午8：00稱重并保持80%的田間持水量，以保持充足的水分供應。

1.2 試驗設計

幼苗在遮雨棚中生長30 d后，分別用100 mL加入0（對照）、100、200 μmol/L CuSO4的Hoagland營養液對油菜進行1、10、20 d的銅脅迫處理；脅迫后各處理分別選取3株油菜的葉片，用液氮收獲并研磨成粉末后進行內源激素含量的測定。

1.3 測定指標及方法

采用酶聯免疫法（ELISA）[10]測定油菜葉片中的生長素（IAA）、赤霉素（GA）、細胞分裂素（ZR）、脫落酸（ABA）等內源生長因子的含量，測定所使用試劑盒由中國農業大學作物化學控制研究中心提供，所使用酶標儀為Thermo Multlskan FC全自動酶標儀。

1.4 數據處理

應用SPSS軟件（16.0版本）及Origin 7.5分別對試驗數據進行統計分析并繪圖。

2 結果與分析

2.1 銅脅迫下內源生長因子含量變化

ABA是作物體內重要的能夠感知脅迫的逆境生長因子，它能夠在逆境條件下發生變化，進而有效地調控作物生命活動[5]。由圖1可知，200 μmol/L Cu2+脅迫1 d后，油菜葉片ABA含量較對照顯著升高；且隨著銅脅迫程度的加劇，ABA含量呈逐漸增加的趨勢。Ghanem等[11]對逆境番茄的研究也得到了相似的結論，這應該與逆境刺激ABA的合成有關[12]。

IAA亦是作物體內重要的內源生長因子，在細胞伸長、分裂和分化的調控過程中發揮著重要作用[13]。由圖1可知，銅脅迫1 d后，油菜葉片IAA含量較對照顯著升高，這有助于促進葉肉細胞的伸長與分裂，從而加速同化物的積累，減輕脅迫可能對油菜葉片造成的生理傷害[5]。但隨著銅離子濃度的增大與脅迫的加劇，油菜葉片IAA含量在200 μmol/L Cu2+脅迫10 d后較對照顯著降低。

GA是促進作物節間伸長與植株生長的內源生長因子[14]，ZR則主要起到促進細胞分裂與擴大、促進細胞內營養物質轉移、延緩細胞衰老等作用[15]。由圖1可知，銅脅迫1 d后，油菜葉片GA與ZR均未發生顯著變化；但隨著脅迫時間的延長，銅脅迫10 d后，GA與ZR均呈現出降低的趨勢。類似的結論亦在對甘薯的逆境生理研究中得到證實[16]，GA與ZR含量的降低應該與銅脅迫下這兩種內源生長因子生物合成受抑制有關[17，18]。

2.2 銅脅迫下內源生長因子的拮抗與平衡

2.2.1 銅脅迫下各內源生長因子間的拮抗與平衡

作物體內已證實的內源生長因子包括生長素類、赤霉素類、細胞分裂素類、脫落酸等[19]。在這些生長因子中，一部分能有效促進作物生長，而另一部分則可能對細胞伸長與作物生長起抑制作用；因此，對作物生理活動的調控，往往不是某一種內源生長因子在起作用，而是多種內源生長因子綜合平衡的結果。

為探明銅脅迫對內源生長因子的影響，進一步對銅脅迫下各內源生長因子間的比值進行了分析。由圖2可知，200 μmol/L Cu2+脅迫10 d后，油菜葉片GA/ABA顯著降低；且隨著銅脅迫的加劇，GA與ABA的比值呈降低趨勢。GA能夠促進細胞分裂與伸長，而ABA則會起到抑制細胞生長的作用，GA與ABA比值的降低表明油菜葉片的內源生長因子平衡被打破，油菜葉片的生長發育受到了銅的抑制。

油菜葉片IAA/ABA與ZR/ABA的變化趨勢與GA/ABA基本相同。伴隨著銅脅迫程度的加劇，IAA/ABA與ZR/ABA較對照顯著降低（圖2）。與GA類似，IAA與ZR主要起刺激細胞分裂與伸長，促進作物生長與節間伸長的作用；與ABA比值的相對降低，會減弱IAA與ZR的生理作用，進而抑制油菜葉片的伸展與植株的生長。但另一方面，ABA含量的相對升高是油菜對逆境脅迫的適應性反應，能夠有效地提高油菜的抗逆性[20]。

2.2.2 銅脅迫下（IAA+GA+ZR）/ABA的變化 在作物內源生長因子中，IAA、GA、ZR為促進生長型因子，能夠促進作物生長發育[21]；而ABA則被稱為抑制生長型因子，能夠起到抑制作物細胞分裂與伸長、誘導葉片氣孔收縮、加速葉片脫落與衰老的作用[22]。為研究兩種不同類型的生長因子在銅脅迫下的拮抗與平衡規律，進一步對銅脅迫下促進生長型因子與抑制生長型因子的比值（IAA+GA+ZR）/ABA進行了分析。結果（圖3）發現，100 μmol/L Cu2+脅迫10 d后，油菜葉片（IAA+GA+ZR）/ABA的值較對照顯著降低；且在200 μmol/L Cu2+脅迫20 d后降至最低值，表明銅脅迫打破了促進生長型因子與抑制生長型因子之間的平衡，與促進生長型因子IAA、GA與ZR相比，抑制生長型因子ABA相對比例升高，油菜葉片細胞分裂與伸長受到了抑制。

3 小結與討論

逆境會導致作物體內生長因子含量發生變化。分析銅脅迫下油菜葉片內源生長因子ABA、IAA、GA及ZR的變化規律發現，隨著銅離子濃度的增大和脅迫時間的延長，內源生長因子ABA的含量逐步升高。作為抑制生長型生長因子，ABA含量的升高能夠誘導葉片氣孔收縮、降低蒸騰作用、延緩離子隨蒸騰流的運輸[23]；同時，作為應激生長因子，ABA亦能夠通過逆境信號的轉導，啟動油菜體內的應激反應，從而提高油菜體內SOD、POD和CAT等抗氧化酶的活性，加速油菜體內活性氧自由基的清除[24，25]，從而減輕銅脅迫對油菜的生理傷害。但另一方面，作為抑制細胞分裂與伸長的內源生長因子，ABA含量的升高會抑制作物生長，進而加速作物衰老與葉片脫落[26]。與ABA不同，生長促進型生長因子IAA在輕度脅迫后升高，這有助于加速光合產物積累，減輕銅脅迫可能造成的生理傷害。隨著銅脅迫的加劇，IAA、GA與ZR的含量均隨著脅迫程度的增大而減少，且脅迫時間越長，減少越顯著。IAA、GA與ZR含量的減少會減緩油菜細胞分裂、限制油菜生長與節間伸長，表明油菜的生理特性受到了銅脅迫的不利影響。

由于作物的生長發育并非單一生長因子在起作用，而是多種內源生長因子共同作用的結果。因此，逆境條件下作物體內各生長因子間的拮抗與平衡能更好地反映出其生理適應性。對銅脅迫下油菜葉片各內源生長因子間的比值進行分析發現，IAA/ABA、GA/ABA、ZR/ABA和（IAA+GA+ZR）/ABA均隨著脅迫加劇而減小，表明銅脅迫打破了油菜葉片各內源激素間的動態平衡，且生長抑制型因子含量相對促進型因子增加。這會限制油菜細胞的分裂伸長及植株的生長發育；但另一方面，生長抑制型因子ABA含量的相對增加會啟動作物體內一系列應激反應（如氣孔收縮并抑制銅離子運輸，提高SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性，增加脯氨酸含量等），從而提高油菜的抗逆性[25，26]。

參考文獻：

[1] 楊紹群，劉新穩，柯興盛.贛北油棉套栽油菜的播期與密度試驗[J].棉花科學，2011，33（6）：38-40.

[2] 林世滔，李 琳，盧志紅，等.基于GIS的江西省耕地土壤重金屬污染評價研究[J].江西農業大學學報，2014，36（5）：1167-1172.

[3] 劉洪濤，鄭國砥，陳同斌，等.農田土壤中銅的主要輸入途徑及其污染風險控制[J].生態學報，2008，28（4）：1774-1785.

[4] 周建軍，周 桔，馮仁國.我國土壤重金屬污染現狀及治理戰略[J].中國科學院院刊，2014，29（3）：315-320，350.

[5] 燕 輝.西北旱區兩種典型沙生植物對鹽脅迫響應的研究[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2012.

[6] 柯學莎.沉水植物內源激素的變化與環境響應研究[D].武漢：中國科學院研究生院（武漢植物園），2006.

[7] 楊麗麗.銅脅迫對甜菜幼苗生長和光合特性的影響[D].濟南：山東師范大學，2013.

[8] 吳 燕，萬永紅，謝明吉.銅脅迫下兩種來源野胡蘿卜的膜脂過氧化水平比較[J].湖北大學學報（自科版），2006，28（3）：313-316.

[9] 李永杰，李吉躍，方曉娟，等.銅脅迫對國槐幼苗生長及葉片生理特性的影響[J].生態科學，2010，29（1）：35-38.

[10] 何鐘佩.農作物化學控制實驗指導[M].北京：北京農業大學出版社，1993.60-68.

[11] GHANEM M E，ALBACETE A，MART？魱NEZ-AND■JAR C， et al. Hormonal changes during salinity-induced leaf senescence in tomato （Solanum lycopersicum L.）[J]. Journal of Experimental Botany，2008，59（11）：3039-3050.

[12] 楊洪強，接玉玲.高等植物脫落酸生物合成及其信號轉導研究進展[J].華中農業大學學報，2001，20（1）：92-98.

[13] 徐新然，陳向東，張薇薇，等.生長素調節藥用植物生長發育的研究進展[J].中國現代中藥，2016，18（12）：1675-1678.

[14] 吳建明，李楊瑞，楊 柳，等.赤霉素誘導甘蔗節間伸長與內源激素變化的關系[J].熱帶作物學報，2009，30（10）：1452-1457.

[15] 賈瑞豐，楊曾獎，徐大平，等.干旱脅迫對降香黃檀幼苗生長及內源激素含量的影響[J].生態環境學報，2013，22（7）：1136-1140.

[16] 張明生，謝 波，談 鋒.水分脅迫下甘薯內源激素的變化與品種抗旱性的關系[J].中國農業科學，2002，35（5）：498-501.

[17] ITAI C，BIRNBAUM H. Synthesis of plant growth regulators by roots[A].WAISEL Y，ESHEL A，KAFKAFI U，et al. Plant Roots（The Hidden Half）[C].New York：Marcel Dekker，Inc，1991.163-177.

[18] 周述波，林 偉，蕭浪濤.植物激素對植物鹽脅迫的調控[J].瓊州大學學報，2005，12（2）：27-30.

[19] 武維華.植物生理學[M].第二版.北京：科學技術文獻出版社，2008.

[20] 代碌碌.AM1處理提高油菜抗旱性的機理研究[D].北京：中國農業科學院，2016.

[21] 周紅兵，王迎春，石松利，等.NaCl脅迫對鹽生植物長葉紅砂幼苗內源激素的影響[J].內蒙古大學學報（自然科學版），2010， 41（5）：531-535.

[22] 張 敏.不同小麥品種耐鹽差異的生理生化機制研究[D].山東泰安：山東農業大學，2007.

[23] 張云霞.胡楊對初始低鹽脅迫的響應機制與耐鹽性研究[D].北京：北京林業大學，2007.

[24] YAN H，FILARDO F，HU X，et al. Cadmium stress alters the redox reaction and hormone balance[J]. Environmental Science and Pollution Research，2016，23：3758-3769.

[25] 周玉堂，李擁軍.植物葉片衰老的研究綜述[J].湖北工程學院學報，2016，36（3）：55-59.

[26] JIANG M，ZHANG J. Water stress-induced abscisic acid accumulation triggers the increased generation of reactive oxygen species and upregulates the activities of antioxidant enzymes inmaize leaves[J].Journal of Experimental Botany，2002，53：2401-2410.