亞鐵脅迫對甜菜幼苗礦質元素積累的影響

董寅壯，王 堽，於麗華，耿 貴,

（1黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱 150080；2黑龍江大學現代農業與生態環境，哈爾濱 150080）

0 引言

干旱、鹽堿、高溫、重金屬等非生物脅迫會顯著抑制農作物的生長發育[1-2]。鐵元素(Fe)是植物生長發育過程中不可或缺的微量元素，植物能夠直接吸收土壤中的二價鐵(Fe2+)，適宜濃度Fe2+會促進植物的生長發育。在通氣良好的中性鈣質土壤中，鐵的有效性較低，往往以植物難以吸收利用的三價鐵形式存在[3]。但是在一些低洼淹水的土壤中，由于較低的氧化還原電位，Fe3+會被還原為植物能夠利用的Fe2+并不斷積累，最終對植物的生長產生負面作用[4]。

甜菜是黎科，甜菜屬，二年生草本植物，也是世界第二大糖料作物，在中國東北、西北和華北地區有著廣泛的種植區域[5]。鐵元素是甜菜生長過程中必須的微量元素，參與甜菜的葉綠素合成與細胞內的氧化還原反應和電子傳遞[6]，另外鐵元素還是植物中許多參與呼吸作用的酶的成分。適宜濃度的鐵能夠促進甜菜的生長，但是缺鐵會導致其葉片黃化、植株矮小等。同時，高濃度的Fe2+也會對其生長發育產生顯著的抑制作用。

研究發現，高鐵脅迫會影響豌豆葉綠體膜的脂肪酸組成，并且影響其光系統Ⅱ，增加了類囊體細胞色素b6/f的含量，導致光合速率下降[7]；另外，高濃度的Fe2+還會通過Fenton反應在植物組織中沉淀，導致活性氧(ROS)的積累，特別是羥自由基(·OH)[8]，從而不可逆地破壞植物的細胞結構、膜、DNA 和蛋白質[9]。同時，高濃度的Fe2+也會影響植物對其他礦質元素的吸收和利用[10-11]，而高鐵脅迫對甜菜礦質元素吸收的影響則鮮有報道。本研究采用水培方法，探究了高鐵脅迫下甜菜幼苗對鐵素及其他礦質元素的吸收規律，為后續研究高鐵脅迫下甜菜生理變化機制和高Fe2+土壤下甜菜的種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

甜菜種子購自德國KWS公司，品種為‘KWS1176’。種子在烘干蛭石中加適量水于光照培養室內使種子萌發，至子葉完全展開（7 天）后將萌發一致的幼苗轉移栽至1/2 倍Hoagland 營養液水培槽中，其中Fe2+以Fe(Ⅱ)-EDTA 形態供應。光培室氣候條件為：溫度：晝夜28±2℃、20±2℃；光強：450 mmol/(m2·s)，14h/10h（光照/黑暗）；相對濕度：60%～70%。6 天后將幼苗移至Fe2+濃度分別為0.12、0.24、0.48、0.96、1.92和3.84 mmol/L 的營養液中培養，對照組為1/2 Hoagland 營養液（Fe2+濃度0.06 mmol/L）培養的幼苗，（下文對照組和6 個處理組分別用CK、T1、T2、T3、T4、T5、T6表示）。每個處理組設置6 個重復，培養期間水培槽內24 h通氣，每7天更換一次培養液，幼苗處理14天后收獲，測定甜菜幼苗生物量、地上部和地下部全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)和鋅(Zn)含量。

1.2 甜菜植株礦質元素的測定

采用凱氏定氮法測定植株TN[12]，鉬銻抗比色法測定植株TP[13]，火焰光度計法測定植株TK[14]；采用原子吸收光譜法測定植株Fe、Mn、Cu和Zn元素含量[15]。

1.3 數據分析方法

數據采用Microsoft Office Excel 2019進行收集整理；用IBM SPSS Statistics 20.0專業軟件對數據進行方差和Duncan法顯著性檢驗(P＜0.05)；用Sigma Plot 14.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Fe2+對甜菜幼苗地上部和地下部鐵元素含量的影響

不同濃度的Fe2+對甜菜不同部位鐵元素積累的影響如圖1所示。由圖1可知，所有處理組中，地下部鐵元素含量均高于其地在上部的含量。根據單因素方差分析，除T1處理組之外，T2-T6的所有處理組幼苗的地上部與地下部Fe 含量較CK 組均顯著上升；幼苗地上部中，T1處理組Fe 含量與對照組、T2與T3處理組之間沒有顯著差異；地下部中，T1處理組幼苗Fe含量較CK組略有升高，但未達到顯著水平。T2、T3和T4處理組的Fe含量在統計學方面差異不顯著，并且T4處理組較T3處理組略有降低。整體上，隨著鐵濃度的不斷提高，甜菜幼苗各部位的鐵元素含量呈現逐漸升高的趨勢，在T6處理組時達到最大，幼苗的地上部與地下部的Fe含量分別達到了4072 mg/kg DW 和11024 mg/kg DW。與CK 處理組相比，T6組幼苗地上部與地下部的Fe 含量分別上升了484%和198%。

圖1 不同濃度Fe2+對甜菜幼苗鐵元素積累的影響

2.2 不同濃度Fe2+對甜菜幼苗地上部和地下部大量元素含量的影響

不同濃度的鐵對甜菜幼苗氮素積累的影響如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，高濃度的鐵對甜菜幼苗的氮素吸收具有抑制作用，隨著Fe2+濃度的升高，幼苗植株中氮素的含量逐漸下降。在幼苗的地上部中，T1處理組的氮素含量與CK 組相比沒有顯著差異，之后所有處理組均依次下降并達到顯著水平，T6處理組幼苗地上部全氮含量較CK組下降了44%；在幼苗地下部中，T1處理組幼苗全氮含量較CK 組略有上升，T2、T3處理組略有下降，但是均未達到顯著水平。之后，隨著Fe2+濃度的不斷升高，植株地下部氮素含量呈顯著下降趨勢，T6處理組幼苗地下部氮素含量較CK 組下降了約55%。

不同濃度的鐵對甜菜幼苗磷素積累的影響如圖2(b)所示。由圖2(b)可知，隨著Fe2+濃度的升高，甜菜幼苗地上部和地下部植株全磷的含量均在T1處理組有所升高，但未達到顯著水平，T6處理組幼苗全磷含量最低。幼苗地上部磷素含量自T1處理組之后呈下降趨勢，但是根據單因素方差分析，T1-T5處理組地上部分的氮素含量與CK 組相比，均沒有顯著差異。T6處理組幼苗地上部分磷素含量下降與CK 組相比下降了26%。在幼苗地下部中，所有處理組的磷素含量均低于地上部。與地上部類似，T2處理組磷素含量較CK組略高，其他處理組都低于CK組。T4、T5、T6處理組磷素含量較CK 組顯著降低，T6組幼苗地下部磷素含量較CK組下降了約23%。

不同濃度的鐵對甜菜幼苗鉀素吸收的影響如圖2(c)所示。由圖2(c)可知，隨著Fe2+濃度的升高，幼苗地上部和地下部K元素含量均在T2處理組達到最高，分別為18.69 mg/g DW 和16.98 mg/g DW，較CK 組升高了57%和28%，隨后，K 元素含量逐漸降低，至T6組達到最小值。地上部中T1、T2、T3、T4、T5處理組的幼苗K元素含量均高于CK 組，并且T1-T4處理組均顯著高于CK組。T6組的幼苗地上部的鉀元素含量顯著低于CK組。地下部幼苗K 元素含量變化趨勢與地上部分相似，T2處理組幼苗K元素含量顯著高于CK組。但T1、T3-T6處理組的K元素含量較CK組相比均沒有顯著差異。

圖2 不同濃度Fe2+對甜菜幼苗氮(a)、磷(b)和鉀(c)元素吸收的影響

2.3 不同濃度Fe2+對甜菜幼苗地上部和地下部微量元素含量的影響

不同濃度的鐵對甜菜幼苗植株錳元素(Mn)積累的影響如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，隨著Fe2+濃度的上升，幼苗地上部與地下部Mn 含量在T1-T3處理組呈下降趨勢。T4處理組的植株Mn含量較前兩個處理組急劇升高隨后又繼續下降并在T6處理組降至最低。在植株地上部中，T2和T5處理組之間的Mn 含量沒有差異。在地下部中T3處理組與T5處理組之間沒有顯著差異。

圖3 不同濃度Fe2+對甜菜幼苗錳(a)、銅(b)和鋅(c)元素吸收的影響

不同濃度的鐵對甜菜幼苗植株銅(Cu)元素積累的影響如圖3(b)所示。從圖3(b)可知，不同鐵水平處理下，幼苗地下部的Cu 含量普遍高于其在地上部的含量。隨著Fe2+濃度的提高，植株Cu濃度呈現出逐漸上升的趨勢。在幼苗地上部中，T1、T2處理組的Cu 含量較CK 組無顯著差異，T3、T4之間無差異但相對與CK組有了顯著的升高，至T6處理組達到最大值89.8 mg/kg DW 較CK 組上升了約101%；在幼苗地下部中，幼苗Cu含量從CK組至T4組緩慢上升，但未達到顯著水平。

不同濃度的鐵對甜菜幼苗植株鋅元素(Zn)積累的影響如圖3(c)所示。高鐵脅迫對植株地上部與地下部Zn 吸收的影響不同。由圖可知，在植株地上部中，T1和T2處理組植株地上部Zn的含量較CK組略有降低，之后隨著Fe2+不斷提高，植株地上部鋅元素含量逐漸上升。T1、T2和T3處理組的鋅元素含量與CK組沒有差異；在植株地下部中，T1和T4處理組的Zn含量與CK組相近，但是T2和T3處理組的Zn 含量顯著高于CK 組。之后，T4、T5、T6處理組又呈現出逐漸上升的趨勢。植株地上部和地下部中鋅元素的含量較CK組分別增加了約117%和84%。T5 和T6 組的Zn 含量急劇升高分別達到了131.0 mg/kg DW和226.7 mg/kg DW。

3 討論

鐵元素是植物需求量最大的一種微量元素之一，參與植物細胞的各種重要生理生化過程。但是當植物體內的鐵元素濃度過高時，會對植物的生長發育產生負面作用。研究表明，高濃度的二價鐵會對水稻的生長產生較強的抑制作用[16]。同樣的現象在對小麥的研究中被發現，高濃度的鐵降低了其株高和干鮮重并且對其光合機構造成了嚴重的破壞[17]。鐵蛋白對植物體內鐵離子平衡和鐵脅迫下植物的氧化應激十分重要[18]，有研究發現，高鐵脅迫能夠誘導多種植物體內的鐵蛋白基因過量表達[19-20]，以緩解高鐵脅迫對植物造成的傷害。但是，高濃度的鐵脅迫下，植物缺乏有效的應對策略。

較高濃度的Fe2+會對植物造成直接傷害，同時也能夠通過影響植株對氮(N)、磷(P)、鉀(K)等其他元素的吸收，從而對其產生間接傷害[21]。本研究中，不同濃度的高鐵脅迫會不同程度的影響甜菜幼苗對N、P 和K等大量元素的吸收。蔡妙珍和藺冬梅等人的研究發現[10,22-23]，過量的Fe2+會抑制水稻和豌豆對N、P 和K 元素的吸收，出現這種現象的原因可能是高濃度的Fe2+會降低植株的根系活力，從而降低其對其他元素的吸收能力[24]。本研究發現，隨著Fe2+濃度的提高，甜菜幼苗植株N、P元素逐漸下降，這與之前的研究一致。有趣的是，幼苗植株內K元素含量隨著鐵濃度的升高呈現出先升高后降低的趨勢。有研究表明，K+能夠緩解高鐵對水稻產生的毒害作用[25]。本研究中，在中等水平的鐵脅迫下，幼苗通過吸收外部K+提高其在體內的含量用于緩解高鐵脅迫產生的負面影響，但是隨著Fe2+濃度的提高，幼苗根系的膜系統受到嚴重破壞從而喪失了其對K+的吸收能力，因此甜菜幼苗體內的K+含量在較高程度的亞鐵脅迫下較對照組呈下降趨勢。

植物根系能夠通過其細胞膜表面的鐵調節轉運蛋白(IRTs)將外界的鐵元素轉運至細胞內[6,26]。當外界Fe2+濃度較高時，較多的鐵被轉運至植物細胞內。中低濃度的亞鐵脅迫下，雖然植物體內的鐵元素含量不斷升高，但是其能夠通過產生鐵儲存蛋白、提升液泡內鐵離子濃度等方法維持細胞內的鐵離子穩態[27]。但是，當植株體內Fe2+超過一定濃度，其體內的鐵離子穩態被打破，幼苗就會喪失其維持鐵穩態的能力，這也是T5、T6處理組幼苗體內Fe2+濃度急劇上升的主要原因；Mn參與植物的許多生理過程，并且參與一些蛋白質和磷酸化酶的構成[28]。研究發現，高濃度的鐵元素會抑制水稻和小白菜對Mn 元素的吸收[29-30]。本研究中，隨著鐵濃度的提高，甜菜幼苗中的Mn 元素含量整體呈不斷下降的趨勢，這與之前的研究一致。出現這種顯現的原因可能是，Fe 元素與Mn元素原子大小相近，兩種元素之間會產生拮抗作用，鐵元素占據轉運蛋白中心從而抑制植株對Mn 的吸收。白紅紅[29]研究發現，錳元素能夠緩解鐵元素對水稻的毒害作用。本實驗中T4處理組幼苗植株的Mn 元素含量較T3組含量顯著升高，這可能是因為較高鐵元素濃度下，植株需要通過增加Mn 元素的吸收量來維持其體內的鐵離子平衡；Cu 元素是氧化還原過程中某些氧化酶的組成成分，參與氮代謝，是葉綠素中質體藍素的組成成分。Zn 元素既是某些酶的組成成分，又可作為某些脫氫酶激酶的活化劑[31]。大量研究發現，高濃度的Fe 元素會抑制植物對Cu元素和Zn 元素的吸收[11,23-24]。有趣的是，本研究結果與上述研究相反，隨著Fe2+濃度的不斷提高，植株地上部和地下部的Cu 和Zn 含量整體呈現逐漸上升到趨勢。有研究發現，較高的Cu 離子濃度會造成植物葉片的失綠，這可能與高鐵脅迫下甜菜幼苗葉片發黃萎蔫有關?，F有研究對高鐵脅迫下植株Cu、Zn 元素含量升高的研究較少，需要進一步探討此方面的機制。

本研究探討了不同濃度的亞鐵脅迫下，甜菜幼苗對大量元素和主要微量元素的吸收和不同組織中積累的規律，豐富了甜菜幼苗對亞鐵脅迫響應機制的研究。但是本研究未探討更低層次下（如木質部、韌皮部等組織水平和液泡、葉綠體等細胞器水平）的元素轉運和積累機制，礦質元素在植株不同組織和細胞器中的含量各不相同，深入探究不同組織和細胞器內礦質元素的轉運和積累機制，能進一步豐富關于亞鐵脅迫下植物的相應機制和亞鐵脅迫對植物的損傷機制的研究。

4 結論

本研究發現：隨著Fe2+濃度的上升，幼苗植株地上部與地下部的鐵元素濃度不斷提高，與CK 處理組相比，T6組幼苗地上部與地下部的Fe 含量分別上升了484%和198%。高濃度的鐵又影響幼苗對其他礦質元素元素的吸收，植株地上部和地下部N 元素和P 元素的濃度呈下降趨勢，其K元素濃度在中等程度的脅迫下升高而在較高程度的脅迫下又相對對照組顯著下降；另外，高鐵脅迫下甜菜幼苗植株中Mn元素含量下降，Cu、Zn元素的含量較CK組上升。