高錳脅迫下空心蓮子草的生理生化特性和草甘膦耐性研究.pdf

1、空心蓮子草Alternanthera philoxeroides(Mart.)Griseb.是我國(guó)危害最為嚴(yán)重的外來入侵雜草之一。鑒于我國(guó)高錳脅迫趨勢(shì)不斷加劇，本論文采用水培方法以水生生態(tài)型空心蓮子草為試驗(yàn)材料，運(yùn)用ICP-MS、同位素示蹤等技術(shù)手段，較系統(tǒng)地研究了高錳脅迫對(duì)空心蓮子草生長(zhǎng)與繁殖的影響，高錳脅迫下空心蓮子草體內(nèi)離子吸收、光合與抗氧化酶系統(tǒng)響應(yīng)，和空心蓮子草對(duì)草甘膦的耐藥性以及草甘膦在雜草體內(nèi)的吸收、傳導(dǎo)與代謝。另外，還針

2、對(duì)該草的治理探討了草甘膦在空心蓮子草植株上的沉積規(guī)律。取得的初步研究結(jié)果如下： (1)溫室條件下空心蓮子草生物量調(diào)查結(jié)果表明，錳濃度在0.31～2.45mM范圍內(nèi)，培養(yǎng)100d后空心蓮子草莖葉生物量顯著高于常規(guī)濃度錳(0.0091mM，對(duì)照)培養(yǎng)的植株，錳濃度超過4.90mM后，空心蓮子草生物量隨錳濃度進(jìn)一步提高而下降。次高錳(0.31mM)條件下培養(yǎng)40、120、365d后從扦插主根莖上長(zhǎng)出的新根莖數(shù)是對(duì)照的2.3～2.6倍；

3、地下組織生物量比對(duì)照提高了24.1％～32.2％；一年的莖葉生物量之和比對(duì)照(17.5g/株)提高了18.4％，均存在顯著差異。高錳(2.45mM)條件下培養(yǎng)40、120、365d后新根莖數(shù)是對(duì)照的2.4～3.0倍；培養(yǎng)40d時(shí)地下組織生物量只有對(duì)照的82.2％，爾后逐步增加，培養(yǎng)365d時(shí)比對(duì)照增加了25.1％；但一年的莖葉生物量之和顯著下降，只有對(duì)照的71.8％。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空心蓮子草的入侵能力與土壤中有效錳含量密切相關(guān)，次高錳

4、促進(jìn)了空心蓮子草生長(zhǎng)和地下根莖形成：高錳有利于地下根莖形成，但抑制了地上部生長(zhǎng)。 (2)光合速率與熒光參數(shù)測(cè)定結(jié)果表明，不同濃度錳處理后120d，空心蓮子草的光飽和點(diǎn)不受影響，均在PPFD1000μmol/(m2·s)左右，氣孔導(dǎo)度也未受影響。次高錳處理后，空心蓮子草光合速率比對(duì)照提高了22.4％，胞間CO2下降；葉綠素b與總?cè)~綠素含量分別比對(duì)照提高了20.7％和17.9％，促進(jìn)了其天線色素的轉(zhuǎn)換效率與PSII電子傳遞速率，空心

5、蓮子草用于PSII光化學(xué)反應(yīng)的能量較多。高錳處理后光合速率顯著降低，比對(duì)照下降了11.8％，胞間CO2也下降。高錳處理下葉綠素含量以及葉綠素a和葉綠素b的比值與對(duì)照相當(dāng)，可能對(duì)原初反應(yīng)傷害不大，但是導(dǎo)致電子傳遞受阻，葉片實(shí)際光化學(xué)效率與電子傳遞速率降低，PSII開放的反應(yīng)中心比例與參與CO2固定的電子減少，也可能導(dǎo)致碳同化降低迫使葉片的PQ庫還原程度升高，通過熱耗散的能量增加。總體上，次高錳處理促進(jìn)了空心蓮子草的光合作用，而高錳處理一定

6、程度上抑制了空心蓮子草的光合作用。 (3)膜脂過氧化與抗氧化酶活性測(cè)定結(jié)果表明，次高錳處理后40d和120d，空心蓮子草體內(nèi)膜脂系統(tǒng)正常，葉片中膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量，以及超氧化物歧化酶(SOD)和抗壞血酸過氧化酶(APX)活性與對(duì)照無顯著差異。高錳處理后40d，MDA含量高于對(duì)照，SOD活性與對(duì)照相當(dāng)，APX活性提高為對(duì)照的216.5％；高錳處理后120d，MDA含量與對(duì)照無顯著差異，SOD活性比對(duì)照提高了69.0

7、％；APX活性下降為對(duì)照的59.0％。同時(shí)進(jìn)行草甘膦(68gae/ha)莖葉處理后，不同濃度錳處理間可溶性蛋白含量變化無顯著差異；對(duì)照空心蓮子草的SOD和APX活性在草甘膦處理后8d顯著下降，而草甘膦處理后2d次高錳條件下SOD活性即下降；高錳條件下SOD、APX活性也已下降，且MDA含量升高幅度比對(duì)照大。上述結(jié)果表明，次高錳條件下，空心蓮子草能啟動(dòng)抗氧化酶系統(tǒng)有效清除自由基，保護(hù)膜系統(tǒng)；高錳脅迫初期，SOD、APX等抗氧化酶系統(tǒng)無法有

8、效清除高錳濃度的氧化毒害，膜脂過氧化增加，但適應(yīng)120d后能有效清除自由基。此外，草甘膦處理后次高錳與對(duì)照植株的自由基清除能力相當(dāng)，但高錳處理空心蓮子草自由基清除能力低于對(duì)照。 (4)空心蓮子草植株不同部位9種元素測(cè)定結(jié)果表明，空心蓮子草根系吸收錳后向地上部運(yùn)轉(zhuǎn)，過量的錳主要積累在地下組織和葉片中。對(duì)照植株培養(yǎng)120d，葉片、莖與地下組織中錳含量分別為0.13、0.042和0.15mg/g，而次高錳與高錳處理葉片中錳含量分別為對(duì)

9、照的5.2倍和44.6倍，地下組織中分別是對(duì)照的5.0倍與45.3倍。對(duì)照植株葉片中鐵、銅、鋅、硼與鉬的含量分別為163.0、15.7、74.0、0.7和34.4μg/g，次高錳處理葉片中五種元素的含量顯著提高，分別比對(duì)照提高了21.2％、17.1％、5.0％、47.9％和33.9％，高錳處理葉片中五種元素的含量分別比對(duì)照提高了12.5％、25.3％、7.9％、73.1％和43.4％，也均顯著高于對(duì)照。對(duì)照植株地下組織中鈣、鎂和鉀的含量

10、分別為30.1、3.4、30.1mg/g，次高錳處理地下組織中僅鉀含量比對(duì)照降低了25.0％，高錳處理地下組織中三種元素含量分別比對(duì)照降低了44.7％、31.1％和19.0％，均為顯著差異。上述結(jié)果表明，次高錳和高錳條件下促進(jìn)了空心蓮子草對(duì)鐵、銅、鋅、硼與鉬的吸收，但高錳處理抑制了空心蓮子草對(duì)鈣、鎂和鉀的吸收。 (5)高錳脅迫下空心蓮子草對(duì)草甘膦產(chǎn)生了耐藥性，且隨著錳濃度提高耐藥性增強(qiáng)，次高錳與高錳培養(yǎng)120d，草甘膦(68ga

11、e/ha)處理后20d，莖葉鮮重抑制率分別比常規(guī)濃度錳處理(90.9％)下降了17.4與44.6個(gè)百分點(diǎn)，草甘膦處理后50d存活的地下主根莖數(shù)分別是對(duì)照(25.0％)的3.0和3.6倍。次高錳與高錳條件下，草甘膦對(duì)空心蓮子草地下根莖的ED50值分別是對(duì)照(48.1gae/ha)的1.5和2.4倍。同位素示蹤結(jié)果表明，在空心蓮子草頂端往下第四對(duì)葉進(jìn)行14C-草甘膦點(diǎn)葉處理后3d，次高錳與高錳脅迫下空心蓮子草葉片的藥劑吸收未減少。次高錳條件

12、下14C-草甘膦被葉片吸收后輸導(dǎo)至植株其它部位的量比對(duì)照(處理劑量的14.7％)提高了53.1％，14C-草甘膦在點(diǎn)藥處理葉以上莖葉與根莖中的濃度分別比對(duì)照提高了59.7％與37.5％。高錳條件下14C-草甘膦處理后積累在處理葉中未向外輸導(dǎo)的藥劑量比對(duì)照增加了50.0％，但未減少在地下組織的積累。藥劑處理后7d，放射性成像圖顯示，次高錳與高錳條件下處理葉以下葉片中14C-草甘膦的積累量比對(duì)照少。在14C-草甘膦處理后14d，采用薄層層析

13、法從地下組織中提取分離到的14C-草甘膦殘留量約為每株雜草10ng左右，占14C-草甘膦處理劑量的0.8％左右，14C-草甘膦代謝產(chǎn)物氨甲基磷酸(AMPA)未檢出。上述結(jié)果表明，次高錳條件下14C-草甘膦在空心蓮子草中的傳導(dǎo)量增加，地下根莖中的14C-草甘膦含量提高；高錳條件下空心蓮子草根莖與根系中的草甘膦積累未減少；草甘膦在不同錳濃度下培養(yǎng)的空心蓮子草體內(nèi)的代謝速度無顯著差異。 (6)改進(jìn)草甘膦的使用技術(shù)是治理耐藥性空心蓮子草

14、的重要措施之一。草甘膦藥液在空心蓮子草植株上的沉積試驗(yàn)結(jié)果表明，用體積中徑(VMD)149.5～233.7μm的霧滴噴霧，草甘膦在空心蓮子草葉片的沉積量在VMD157.3μm時(shí)較多，隨著霧滴體積中徑進(jìn)一步增大，沉積量顯著減少，VMD157.3μm處理的草甘膦沉積量比VMD233.7μm處理的沉積量提高35.1％。相同草甘膦劑量，用較小霧滴(VMD157.3μm)與較少施藥液量(339L/hm2)處理的沉積量比較大霧滴(VMD233.4μ