丙酯草醚对甘蓝型油菜与白菜型油菜生长发育的影响及其耐性差异机理

摘要

本研究通过新型油菜田除草剂丙酯草醚(ZJ0273)处理,研究其对耐性油菜品种甘蓝型油菜浙双758(Brassica napus cv.Zheshuang758)和敏感性品种白菜型油菜小油菜(B.rapa cv.Xiaoyoucai)植株生长发育的影响。油菜幼苗用不同浓度的丙酯草醚[0、10、100 mg/L(田间推荐浓度)]进行处理,而大田则用(0、100、500和1000mg/L)进行处理,分别对油菜根系形态、根系细胞的细胞膜完整性、根系活力、根尖细胞亚显微结构以及对大田油菜植株各个生理生化指标、农艺性状、产量构成等进行研究,并创新性应用叶绿素荧光动力学和光谱技术,尝试构建油菜除草剂药害和耐性检测系统及其生理信息的光谱模型。
　　 试验结果表明,丙酯草醚对油菜生长具有一定的抑制作用,但100mg/L丙酯草醚对油菜大田生产安全。在不同浓度丙酯草醚(100、500和1000mg/L)处理下,两种敏感性不同油菜植株的株高与生物量积累均受到不同程度的抑制,尤其是处理7天时,随丙酯草醚处理浓度的上升,供试植株的株高与生物量积累的抑制越明显;但到了28天时,100 mg/L ZJ0273处理则已恢复到对照水平。经生理生化检测,我们发现植株叶片的丙二醛(MDA)含量在丙酯草醚的作用下显著升高,但乙酰乳酸合成酶(ALS)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性、可溶性蛋白、可溶性糖以及光合速率、SPAD值、叶绿素荧光等均随处理浓度的上升而显著下降,同样植株的农艺性状和产量构成也是如此。但低浓度丙酯草醚(100mg/L)胁迫下的植株均能恢复到对照水平;而高浓度丙酯草醚(1000mg/L)处理对白菜型油菜的抑制作用要比甘蓝型油菜明显。
　　 通过对油菜幼苗根系进行不同浓度丙酯草醚(0、10、100mg/L)处理,我们发现10mg/LZJ0273处理对甘蓝型油菜幼苗根系发育安全。而敏感性品种(白菜型油菜)根系的发育均受到了极显著的抑制作用,尤其是在100mg/L ZJ0273作用下,其有效根长、有效根表面积以及根尖数目等抑制率均达到了80％以上,同时其根系大部分已丧失活力,根系细胞大多凋亡。在根系元素吸收试验中,发现低浓度丙酯草醚(10mg/L)处理不同程度的提高了两种不同敏感性油菜根系对Fe元素的吸收能力,但显著抑制了供试植株对K、Ca、Mg等元素的吸收;而对B元素吸收的抑制作用,白菜型油菜表现更为显著。在根尖细胞亚显微结构方面,主要抑制作用体现在细胞壁的发育上,且白菜型油菜的根尖细胞亚显微结构受损较甘蓝型油菜严重。
　　 在供试植株叶片叶绿素荧光动力学方面的研究表明,油菜植株叶片的Fv/Fm、NPQ、Y(Ⅱ)和ETR等参数可用于除草剂药害检测系统和耐性品种筛选系统的构建。随供试植株叶片叶龄的增加和丙酯草醚处理浓度的上升,两种油菜叶片的叶绿素荧光参数最大光电子产量(Fv/Fm)、非光化学粹灭(NPQ)、实际光电子产量(Y(Ⅱ))以及快速光响应曲线(RLCs)等受到的抑制作用均逐步加剧,但甘蓝型油菜在处理5天后抑制作用显著缓解。通过电子传递速率(ETR)和Y(Ⅱ)的浓度抑制曲线,我们发现500mg/LZJ0273对甘蓝型油菜生长安全,但对白菜型油菜仍有20％左右的抑制效果。在除草剂处理下植株叶片的Fv/Fm、NPQ、Y(Ⅱ)和ETR等参数的抑制率变化趋势,均能准确表现植株的药害程度以及反映不同品种油菜的耐性差异,故对这些参数的研究有助于构建除草剂胁迫下植株药害和耐性检测系统。此外,研究还发现油菜植株第二片完全展开叶能有效、准确地反映植株所受药害程度的差异。
　　 通过对不同浓度丙酯草醚处理甘蓝型油菜植株的不同叶位叶片水解蛋白氨基酸的检测,我们发现供试植株叶片总氨基酸含量在15.86-20.59mg/100mg之间,并随处理浓度的上升和叶片的衰老而急剧下降;在三种支链氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)含量变化中同样出现相似的变化趋势。在整个试验中,我们还发现低浓度丙酯草醚(100mg/L)处理能有效提高供试植株的抗逆性,表现在丙酯草醚处理14天时,由于营养的缺失使对照植株的氨基酸含量显著低于7和28天的处理,但100mg/L ZJ0273处理却无相应的下降,与对照相比反而略高。
　　 另外在对其余水解蛋白氨基酸的分析中我们发现,应用近红外光谱的PLS模型可以快速、准确地预测除草剂胁迫下油菜叶片中除半胱氨酸外的16种基本氨基酸组分含量和总氨基酸含量,表明近红外光谱技术能够应用于油菜生理代谢系统在逆境胁迫下生理信息反馈的快速检测。同时研究还发现,油菜叶片经酸水解获得的17种蛋白质氨基酸含量在不同叶位间存在差异,总体表现为随叶位降低其含量下降的趋势,即在新叶中含量高于老叶。同时,在叶片蛋白水解所获得氨基酸中含量最高的是谷氨酸,最低的是半胱氨酸,而又因为半胱氨酸在总氨基酸含量中的比例较低,故在不同叶位间的变化差异最小。