肌醇和Ca2+對大白菜幼苗生長發育的協同作用研究

劉廷武+楊文杰+王鳳

摘 要：肌醇及鈣在植物生長發育中均起到重要作用，為了進一步分析兩者協同作用對作物生長發育的影響，以不同濃度的肌醇結合鈣處理大白菜幼苗，分析了其對大白菜生長的促進效果。試驗結果表明，不同濃度肌醇和鈣處理后，顯著提升大白菜的生物量，效果強于單一因子處理，地上部葉綠素含量及地下部根系活力也與外源肌醇及鈣濃度呈正相關，SOD活性在肌醇及鈣處理后也呈上升趨勢，且明顯促進了植株對鉀離子和鈣離子的吸收，但鎂離子含量無明顯變化。

關鍵詞：鈣；肌醇；生長發育；大白菜

中圖分類號：S634.1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-3547（2017）14-0065-07

肌醇即環己六醇，在人、動物等生長發育過程中具重要作用，同時，作為一種水溶性維生素在醫藥、食品飼料等行業內被廣泛使用[1]。在動物細胞內，肌醇常常是以磷脂酰肌醇的形式存在[2]，在植物細胞中肌醇是重要的小分子調節物質，參與植物生長發育的多個生理生化過程，如參與植物抗逆反應、促進生長素和細胞壁的形成，協助種子脫水等多個過程[3]。其形體與在動物中有所不同，常以六磷酸鹽的形式存在。有研究表明，在植物細胞中，肌醇在維持植物內膜系統的完整中起到重要作用，常作為底物用來合成磷脂酰肌醇和磷脂酰肌醇磷酸[4]。此外，其還參與到膜系統的物質運輸過程，從而進一步影響植物的正常生長發育、對應逆境脅迫的信號轉導進程[5]。

鈣作為胞內生理反應的重要第二信使，能通過與鈣調素結合而激活一系列的胞內生理生化反應，如激素合成、活性氧動態平衡[6]。鈣同時還是植物生長必需的礦質營養，通過穩定細胞壁、細胞膜結構及誘導特異基因的表達來提高植物對逆境的抗

性[7]，因此人們利用外施鈣的方法來提高植物的抗旱性，并且在苜蓿、玉米、龍眼和番茄等作物上得以應用[6～8]?？梢娂〈技扳}在植物正常生長發育和抗逆過程中均起到重要的作用，但將兩者聯合應用的研究目前還比較少見，大白菜是十字花科蕓薹屬的基本種之一，為我國乃至全球最重要的蔬菜作物之一， 有重要的經濟價值和植物分類學地位[9]。本研究擬通過外源肌醇結合鈣處理研究其對大白菜幼苗生長發育的作用，為進一步提高大白菜產量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為大白菜，品種為亮春（淮安市農業科學研究院蔬菜研究中心提供）。將大白菜根系泥巴洗盡，避免損傷，用蒸餾水培養一周后，挑選大小一致的參與試驗。設置6個處理，1個對照，3個重復，共21盆，每盆10株苗，用Hoagland 不完全營養液（不含Ca2+）澆灌，培養一周后，將如下不同濃度的肌醇和Ca2+混合液噴施于大白菜幼苗，具體處理濃度為：①CK：蒸餾水；②2.5 mg/L肌醇+200 mg/L Ca2+；③2.5 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+；④2.5 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+；⑤5.0 mg/L肌醇+200 mg/L Ca2+；

⑥5.0 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+；⑦5.0 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+。

處理后5 d，隨機抽取植株葉片進行生理生化指標的測定，并進行數據統計分析。

1.2 生物量的測定

將大白菜收獲后，從根頸將其分為地上部和地下部，對地上部分進行稱量；干質量測定需將鮮品置于105℃烘箱中殺青10 min，再于80℃烘干至恒重后稱量。

1.3 葉綠素含量的測定

采用丙酮浸提分光光度法測定[10]。將葉片用剪刀剪成細條，稱0.5 g 左右，放入刻度試管中，加丙酮乙醇混合提取液10 mL，密封于室溫暗處24 h 后取3 mL 在波長663、645 nm 下比色，測定3 次，根據葉綠素含量與光密度（OD）值的關系（葉綠素含量=8.02×OD663+20.2×OD645）計算樣品葉綠素含量。

1.4 根系活力測定

采用四氮唑法（TTC法）測定[11]。稱取根尖樣品0.5 g，放入10 mL 燒杯中，加入0.4% TTC 溶液和磷酸緩沖液的等量混合液10 mL，把根充分浸沒在溶液內，在37℃下暗保溫1～3 h，此后加入1 mol/L 硫酸2 mL，終止反應。將根取出，吸干水分后與乙酸乙酯3～4 mL 和少量石英砂一起在研缽內磨碎，以提出三苯基甲腙（TTF）。將研磨液移入試管，并用少量乙酸乙酯把殘渣洗滌3 次，最后加乙酸乙酯至總量為10 mL，用分光光度計在波長485 nm 下比色，測定3 次。以空白試驗作參比測出吸光度。

1.5 超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定

采用氮藍四唑（NBT）還原法測定SOD活性，參照李合生等[12]方法，3 mL的反應體系中包含50 mmol/L PBS 7.8、13 mmol/L Met、75 μmol/L NBT、2 μmol/L核黃素、10 mmol/L EDTA以及30 μL酶粗提液。在

5 000 lx的光強下照射15 min后測定A560，其中以不照光管為空白對照管，以PBS代替酶液為對照管。SOD活性單位以抑制NBT光化還原的50%為一個酶活單位（U）。

1.6 離子含量的測定

稱取烘干后的葉片，每個樣1～2 g，于研缽中研磨成粉末，置于坩堝中。先用電爐加熱灼燒成灰，然后放入馬弗爐中，設置溫度為550℃，灰化4 h左右，以盡可能除去易揮發的基體和有機物[13]?；一瓿珊?，待溫度稍冷卻，將坩堝夾出，放在瓷盤里，趁熱加入1 mL硝酸。隨后在PET瓶中定容到20 mL左右，利用美國（Pekin-Elmer）LSSOB LS55 熒光分光光度計測定K、Ca、Mg離子含量。

2 結果與分析

2.1 不同濃度肌醇與鈣處理后對大白菜幼苗生物量的影響

如圖1所示，低濃度（2.5 mg/L）肌醇結合不同濃度Ca2+處理后對大白菜地上部鮮質量影響并不顯著，只在400 mg/L Ca2+濃度下略有上升，肌醇濃度增加到5.0 mg/L后，Ca2+對大白菜生長的促進作用進一步增加，且隨著Ca2+濃度的升高，5.0 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+處理后地上部鮮質量增加了50%以上。

與地上部相比，肌醇與鈣處理對大白菜地下部的影響更為明顯，2.5 mg/L肌醇即對地下部生長有明顯的促進作用，且隨著Ca2+濃度的增加，促進作用顯著增加，當Ca2+濃度達到800 mg/L后，地下部鮮質量為0.43 g，達到對照組鮮質量的2倍以上。但肌醇濃度增加到5.0 mg/L后，促生作用與2.5 mg/L時區別不大。不同處理組下大白菜地上部及地下部干質量的變化趨勢與鮮質量相類似，表明肌醇及Ca2+對植株含水量影響不大（圖2）。

2.2 不同濃度肌醇與鈣處理后對大白菜地上部葉綠素含量的影響

圖3結果表明，低濃度（2.5 mg/L）肌醇結合不同濃度鈣處理后對大白菜地上部葉綠素含量影響顯著，且隨著Ca2+含量的增加呈現先升高后降低的趨勢，在400 mg/L Ca2+濃度下葉綠素含量達到最大值，為2.84 mg/g（FW），較對照組處理增長了50%以上；5.0 mg/L肌醇處理對葉綠素的影響并不明顯，與對照組相比略有上升，上升幅度隨著Ca2+濃度的增加而增加，但均未達到顯著水平。

2.3 不同濃度肌醇與鈣處理后對大白菜地下部根系活力的影響

如圖4所示，肌醇結合不同濃度鈣處理對大白菜地下部根系活力影響極顯著，低濃度（2.5 mg/L）肌醇處理下，對根系活力的促進作用，隨著Ca2+濃度的增加而增加，尤其在800 mg/L Ca2+處理下，根系活力由對照組的0.18 μg·g-1·h-1上升到1.23 μg·g-1·h-1，增加了近6倍；肌醇濃度增加到5.0 mg/L后，Ca2+對大白菜生長的促進作用進一步增加，3個不同濃度的Ca2+處理對根系活力均有明顯的提升效果。

2.4 不同濃度肌醇與鈣處理后對大白菜地上部及地下部SOD酶活性的影響

結果表明（圖5），低濃度（2.5 mg/L）肌醇結合不同鈣濃度處理后對大白菜地上部SOD活性的影響隨著Ca2+濃度的升高而增加，400、800 mg/L Ca2+處理后SOD活性較對照組增加了85%左右，差異達到顯著水平，5.0 mg/L肌醇處理下SOD活性進一步增加，且在3種不同Ca2+濃度處理組之間無明顯區別，與對照組SOD活性相比，均提升了90%以上。

與地上部相比，肌醇結合不同濃度鈣處理對地下部的影響有明顯的不同，表現為在低濃度肌醇處理后，鈣的濃度效應并不顯著，各鈣濃度處理組之間無顯著差異，對SOD的活性普遍增加了60%左右，但在5.0 mg/L肌醇處理下，不同Ca2+濃度處理組差異明顯，隨著Ca2+濃度的增加，SOD活性也顯著升高，在800 mg/L Ca2+離子處理下，活性達到最大值。

2.5 不同濃度肌醇與鈣處理后對大白菜地上部及地下部K+、Ca2+、Mg2+含量的影響

肌醇及外源鈣處理后對地上部及地下部K+、Ca2+含量產生明顯的影響，由表1可知，無論地上部及地下部，肌醇及鈣處理后都促進了植株對K+、Ca2+的吸收，且促進效果隨著肌醇及鈣濃度的增加而增強，其中5.0 mg/L肌醇結合800 mg/L鈣處理后，地下部對K+的吸收提高了約50%，對Ca2+的吸收提高了近2.5倍；地上部對K+、Ca2+的吸收均提高了2倍以上。與K+、Ca2+相比肌醇與鈣處理對Mg2+吸收則無明顯效果，各處理組之間無顯著差異。

3 討論與結論

3.1 肌醇及鈣處理對大白菜生物量、葉綠素含量及根系活力的影響

關于外源鈣施加后能夠提高作物生長發育水平及提升抗逆能力的研究已有廣泛報道[7～9，14]，但結合肌醇后的協同作用的研究較為少見。本研究表明，與單獨的鈣或肌醇處理相比，二者復合后對作物的促生效果更加明顯。

一定濃度的外源肌醇處理有助于保護葉綠體膜結構，維持植株中較高的葉綠素含量，從而維持鹽脅迫下的光合速率[1]，這與本研究的結果一致。鈣能促進葉綠素合成已在多個研究中被報道[15，16]，而鈣離子作為植物體重要的營養元素和信號分子，能緩解外界脅迫對植物葉綠素的損傷，從而緩解多種逆境環境對植物的為害[17]。本研究表明，通過復合肌醇及外源鈣處理后能夠顯著增加大白菜植株地上部葉綠素含量。作為植物養分吸收和水分轉用的主要器官，根系同時還負責多種物質的合成和轉運。本研究發現，肌醇結合鈣處理后對大白菜根系活力有顯著的提升效果，且提升能力與鈣和肌醇濃度呈正相關，這與關昕昕等[7]以小白菜為材料的研究結果頗為一致。

葉片光合色素及根系活力與整體植株生長發育具有密切的關系[18]，多項研究均報道外源鈣的施加能夠通過促進光合色素及根系活力等指標，從而提高植物的生物量[19，20]。本研究發現植株干質量及鮮質量在外源肌醇及鈣的共同作用下呈上升趨勢，與根系活力和葉綠素含量變化趨勢一致。

3.2 肌醇及鈣處理對大白菜SOD活性的影響

研究發現，外源施加適宜濃度的肌醇還可以促進細胞產生更多的脯氨酸，增加細胞膜的滲透性，在滲透調節水平上協同緩解低溫對玉米的傷害[5]；此外，鈣也能減少自由基對植物細胞膜系統的傷害，例如外源Ca2+處理可以提高植物胞內超氧化物歧化酶（SOD）的活性，降低膜脂化物——丙二醛的含量，從而保護膜結構的完整性等[21]?？梢?，肌醇及外源鈣對植物膜系統均有一定的保護作用，本研究的結果也表明在二者的復合作用下，大白菜植株地上部及地下部SOD酶活性呈現明顯的上升趨勢?？寡趸甘侵参矬w內清除ROS的重要酶類，其中SOD是清除ROS的第一道防線，催化超氧陰離子自由基O2·-發生歧化反應生成H2O2和O2，從而清除細胞內過量的O2·-[21]。

3.3 肌醇及鈣處理對大白菜離子吸收的影響

鉀在植物細胞中含量非常豐富，其在細胞內對維持細胞的電化學平衡，催化多個酶促反應等過程，同時與其他陽離子相互作用，調節細胞的滲透平衡等方面具有重要作用[22]。鈣離子在植物內參與植物的生長、發育以及對環境刺激的響應等多個生命過程[23]，本研究發現外源肌醇及鈣處理后能夠顯著促進大白菜地上部及地下部鉀離子和鈣離子的吸收，從而進一步促進作物生長。有研究表明，培養基質中鈣離子濃度的提高能夠促進植株對鈣、鉀離子的吸收[24]，與本研究的結果頗為一致。有報道發現鈣過量時則會拮抗其他元素的吸收進而影響植物的生長[25]，可見外源鈣的施加需注意劑量效應。鎂在植物的生長發育中扮演重要角色，參與植物多個生理反應過程中，同時鎂還是葉綠素形成及進行光合作用的主要成分[26]，直接影響植物內糖及蛋白質的合成，它在植物體生長過程中至關重要，缺少會給植物生長帶來不可彌補的為害。有趣的是，本研究發現大白菜地上部及地下部在鈣與肌醇的復合處理后對其含量均無明顯的影響，推測可能與鈣離子的競爭性吸收有關，但仍需進一步深入研究。

參考文獻

[1] 郭元飛，甘立軍，朱昌華，等.肌醇對水稻幼苗抗寒性的影響[J].江蘇農業學報，2014，30（6）：1 216-1 221.

[2] 高亢，杜娟，侯名語，等.肌醇磷脂信號組分調節花粉發育和花粉管生長的研究進展[J].植物學報，2013，48（2）： 210-218.

[3] 于明艷，王璽，張葳葳，等.低溫逆境下肌醇包衣對玉米種子的萌發及幼苗生長的影響[J].玉米科學，2009，17（3）：80-82.

[4] 姚慧，夏凱.肌醇對玉米幼苗低溫脅迫傷害的緩解效應[J].作物雜志，2014（4）：133-138.

[5] 袁紅梅，文棟，趙麗娟，等.外源肌醇對玉米耐鹽性的影響[J].黑龍江農業科學，2014（1）：17-20.

[6] 廉潔，谷建田，張喜春.氯化鈣對低溫脅迫下番茄幼苗的影響[J].中國農學通報，2015，31（16）：47-51.

[7] 關昕昕，嚴重玲，劉景春，等.鈣對鎘脅迫下小白菜生理特性的影響[J].廈門大學學報：自然科學版，2011，50（1）：132-137.

[8] 鄭青松，王仁雷，劉友良.鈣對鹽脅迫下棉苗離子吸收分配的影響[J].植物生理學報，2001，27（4）：325-330.

[9] 林嘯，高素萍，雷霆，等.鎘脅迫下外源鈣對白菜氧化應激和NO含量的影響[J].農業環境科學學報，2014，33（9）：1 699-1 705.

[10] 董守坤，趙坤，劉麗君，等.干旱脅迫對春大豆葉綠素含量和根系活力的影響[J].大豆科學，2011，30（6）：949-953.

[11] 董雅致，徐克章，崔喜艷，等.不同年代大豆品種根系活力的變化及其與植株生物量的關系[J].植物生理學報， 2015，51（3）：345-353.

[12] 許力，李姣，宋文強，等.水楊酸通過提高抗氧化酶活性及基因表達緩解番茄低鉀脅迫[J].華北農學報，2016，31（1）：96-101.

[13] 丁能飛，傅慶林，劉琛，等.外源氯化鈣對鹽脅迫下西蘭花抗氧化酶系統及離子吸收的影響[J].中國農學通報，2010，26（6）：133-137.

[14] 李青云，葛會波，胡淑明.NaCl脅迫下外源腐胺和鈣對草莓幼苗離子吸收的影響[J].植物營養與肥料學報，2008，14（3）：540-545.

[15] 劉小龍，李霞，錢寶云.外源Ca2+對PEG 處理下轉C4型PEPC基因水稻光合生理的調節[J].植物學報，2015，50（2）：206-216.

[16] 申加枝，張新富，王玉，等.鈣過量對茶樹幼苗葉綠素組成及鈣、鎂吸收的動態影響[J].山東農業科學，2014，46（6）：85-88.

[17] 張會慧，秀麗，許楠，等.外源鈣對干旱脅迫下烤煙幼苗光系統Ⅱ功能的影響[J].應用生態報，2011，22（5）：1 195-1 200.

[18] 楊傳杰，羅毅，孫林甘，等.水分脅迫對覆膜滴灌棉花根系活力和葉片生理的影響[J].干旱區研究，2012，29（5）：802-810.

[19] 李琰，崔蕾，雷嘉敏，等.不同濃度有機物對雷公藤不定根生長和次生代謝產物含量的影響[J].植物科學學報，2014，32（2）：174-180.

[20] 嚴蓓，孫錦，束勝，等.外源鈣對NaCl脅迫下黃瓜幼苗葉片光合特性及碳水化合物代謝的影響[J].南京農業大學學報，2014，37（1）：31-36.

[21] 李萍，韓濤，李麗萍，等.超聲波結合鈣處理對桃果實采后活性氧代謝的影響[J].林業科學，2007，43（8）：36-40.

[22] 趙昕，楊小菊，石勇，等.鹽脅迫下荒漠共生植物紅砂與珍珠的根莖葉中離子吸收與分配特征[J].生態學報， 2014，34（4）：963-972.

[23] 魏翠果，陳有君，蒙美蓮，等.鈣對NaCl脅迫下馬鈴薯脫毒苗離子吸收、分布的影響[J].植物營養與肥料學報， 2015，21（4）：993-1 005.

[24] 劉靜，趙海濤，盛海君，等.鐵對太湖常見藻類生長及Ca2+、Mg2+離子吸收的影響[J].環境科學與技術，2011，34（1）：59-64.

[25] 鐘曼茜，黃綿佳，張史青，等.熱處理和鈣處理對番木瓜果實保鮮效果的比較研究[J].中國食物與營養，2016，22（6）：55-59.

[26] 侯佩臣，王成，王曉冬，等.稻瘟病菌誘導的感病和抗病水稻品種根系離子吸收變化研究[J].中國水稻科學，2014，28（6）：659-664.

Abstract： Inositol and calcium both play important roles in the growth and development of plant. In order to further

analyze the synergy effects of the two factors， the study set up different concentrations of inositol and calcium treatments with Chinese cabbage seedlings， by analyzing the promoting effect on Chinese cabbage growth. The results showed that the different concentrations of inositol and calcium treatments could significantly improve the biomass of Chinese cabbage， and the effect was better than that of single factor treatment. The chlorophyll content of shoot and root activity were also associated with exogenous inositol and calcium concentrations. SOD activity showed an increasing trend after inositol and calcium treatment. Further， ion （K， Ca） contents were significantly promoted under different concentrations of inositol and calcium treatment. However， there was no significant change in the content of magnesium ion.

Key words： Calcium； Inositol； Growth； Cabbage