二甲四氯胁迫对谷子幼苗叶片衰老特性和内源激素含量的...

奥鹏网院作业

二甲四氯胁迫对谷子幼苗叶片衰老特性和内源激素含量的影响
郭美俊，白亚青，高鹏，申洁，董淑琦，原向阳，郭平毅

（山西农业大学农学院/作物化学调控实验室，山西太谷 030801）

摘要：【目的】研究除草剂二甲四氯对谷子叶片衰老特性以及叶片内源激素含量的影响，探讨谷子幼苗对二甲四氯胁迫的生理反应，为谷子抗除草剂胁迫机制及除草剂的安全使用提供理论依据。【方法】采用盆栽试验方法，选用晋谷21号和张杂10号为试验材料，设置二甲四氯剂量分别为0.75、1.50、3.00和6.00 kg·hm-2 4个水平。处理后5和15 d，测定谷子幼苗株高、叶面积、叶绿素含量、光合参数、叶绿素荧光参数、丙二醛（MDA）含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性和内源激素含量的变化，并分析了二甲四氯处理下谷子叶片中内源激素含量与光合特性参数、抗氧化酶活性间的相关性。【结果】与对照相比，喷施不同剂量二甲四氯均抑制了谷子的株高和光合作用，谷子叶片的叶绿素含量、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）和电子传递速率（ETR）均出现不同程度降低；而非光化学猝灭（NPQ）的变化呈相反趋势。此外，二甲四氯对谷子植株光合特性的影响效应随着施药时间的延长逐渐减弱，表现为喷施除草剂15 d后，多数指标可恢复至对照水平。同时，不同剂量二甲四氯处理后均提高了谷子叶片SOD、POD、CAT活性及MDA含量，且随着施药时间的延长呈先升高后降低的趋势。二甲四氯胁迫提高了谷子叶片中脱落酸（ABA）和生长素（IAA）含量，降低了谷子叶片中赤霉素（GA）和玉米素（Zt）含量。ABA含量与叶绿素含量、Pn、Fo和ETR均表现为极显著负相关，与Gs显著负相关；除NPQ外，Zt含量与叶绿素含量和ETR均表现为极显著正相关，与Fo显著正相关。相关分析结果表明，叶片内源激素ABA含量与SOD、POD活性呈显著相关；IAA含量与CAT呈显著正相关；GA含量与POD活性呈显著相关。【结论】二甲四氯处理后，谷子通过提高内源激素Zt含量来降低ABA含量，一方面影响光合速率及光合电子传递等其他光合生理过程；另一方面通过调节内源激素IAA、GA和ABA含量，进而调控SOD、POD和CAT活性，增强对除草剂胁迫的耐性。

关键词：谷子；二甲四氯；抗氧化酶；光合特性；内源激素

0 引言
【研究意义】谷子是中国北方干旱、半干旱地区的重要粮食作物，但苋科、藜科等阔叶杂草和稗草、马唐等禾本科杂草，已成为阻碍谷子规模化生产的主要难题之一。化学除草是现代农业生产中控制杂草危害最高效的措施，目前，市场上在谷田大面积应用和推广的除草剂却很少。因此，研究除草剂胁迫下谷子叶片衰老特性以及减弱除草剂胁迫伤害的生理机制，对谷子抗除草剂胁迫机制及除草剂的安全合理应用具有重要的理论价值和实践意义。【前人研究进展】二甲四氯（2-methyl-4-chlorophenoxy acetic acid，MCPA）是一种激素型选择性内吸和传导除草剂，由于其价格低廉、除草速度快、药效持久且杂草不易产生抗性等优点，广泛用于小麦、水稻和玉米田防除杂草[1-2]。刘瑞芳等[3]研究发现，喷施不同剂量的50%二甲四氯，在1 050 g·hm-2处理下对谷子有一定增产效应；曹晓宁等[4]研究发现，喷施二甲四氯对张杂5号田间杂草有明显防效，1 500 g·hm-2处理增产效果最佳。环境胁迫会影响植物包括光合作用在内的生理过程，而作物的生物产量90%—95%来自光合作用；同时，除草剂最容易影响作物叶片，其症状表现为萎蔫、褪绿、脱落、生长速率下降等。前人研究表明，喷施二甲四氯会一定程度降低谷子的光合色素质量分数和光合作用，且随着施药时间的延长对谷子植株光合特性的影响效应逐渐减弱[5]；王正贵等[6]研究表明，苯磺隆、使它隆、异丙隆、骠马、绿麦隆5种除草剂均能引起小麦叶片褪绿，显著降低气孔导度和光合速率；薛思嘉等[7]研究表明，叶片抗氧化酶活性、叶绿素、内源激素含量等生理指标可以反映叶片衰老特性。内源激素作为调控作物生长发育的物质，在逆境条件下起着非常重要的作用，一方面能够调控和影响植物的生长发育；另一方面能调节植物与环境互作关系，诱导作物防御基因的表达，提高作物的抗逆性[7-10]。除草剂胁迫下，植物体内的激素水平发生显著变化，多种内源激素协同作用参与并调节了包括光合作用在内的多个生理过程。Mansour等[11]研究发现，氟草隆和氟乐灵处理导致玉米和大豆组织中IAA、ZR和ABA降低；Locher等[12]研究发现，5 μmol·L-1氟乐灵处理增加了玉米根系中ABA含量，而对绿豆根系中ABA含量无影响；Li等[13]研究发现，玉米幼苗根和茎中ABA含量、羟自由基（·OH）积累与阿特拉津使用浓度成正比；陶波等[14]研究发现，作保灵能促进水稻IAA、GA和ZR含量增加，抑制ABA含量上升，协调内源激素的平衡，提高水稻对氯嘧磺隆的适应性。进一步证明了内源激素与生理过程之间的关系既密切又复杂，表现出交互作用和耦合发生的生理效应[15]。【本研究切入点】二甲四氯对谷田杂草防除效果的研究已有报道，但关于二甲四氯处理下谷子叶片内源激素含量与叶片衰老、光合性能变化之间关系的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究通过分析不同剂量二甲四氯对谷子抗氧化酶活性、光合特性和内源激素含量的影响，阐明内源激素含量与光合特性、抗氧化酶活性变化间的关系，深入认识谷子在二甲四氯胁迫下的抗氧化系统的反应及适应机理和内源激素调节的作用机制。

1 材料与方法
1.1 材料与试剂
供试谷子品种为优质谷子晋谷21号（山西省农业科学院经济作物研究所）和杂交高产谷子张杂10号（河北省张家口市农业科学院）。

二甲四氯（56%，可湿性粉剂），由江苏健谷化工有限公司生产。

1.2 试验设计
试验于2017—2018年在山西农业大学田间试验基地进行。采用盆栽试验，谷子种子均匀播种于13 cm×15 cm装有基质的营养钵中，每个处理重复3次。种子萌发后，定植为每盆10株，待长到5叶期进行除草剂茎叶处理，除草剂使用剂量分别为0.75、1.50（推荐剂量）、3.00和6.00 kg·hm-2 4个水平，清水为对照。于处理后5和15 d，取参试材料的叶片保存于-80℃的超低温冰箱中，用于各项生理指标的测定。

1.3 测定项目及方法
1.3.1 农艺性状的测定 施药后5和15 d，选取长势一致的谷子幼苗，用直尺进行株高（植株基部到旗叶的高度）、叶长、叶宽的测定，叶面积计算公式为：叶面积＝叶长×叶宽×0.75。

1.3.2 抗氧化酶活性及MDA含量的测定 采用氮蓝四唑（nitro blue tetraolium，NBT）光化还原法[16]测定超氧化物歧化酶（superoxide，SOD），采用愈创木酚法[17]测定过氧化物酶（peroxidase，POD），参照Aeobi[18]的方法测定过氧化氢酶（catalase，CAT）。参照Guo等[19]方法测定叶绿素和丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量。

1.3.3 光合参数测定 于施药后5和15 d上午10：00—11：00使用便携式光合仪CI－340（思爱迪生态科学仪器有限公司）测定谷子叶片（倒二叶）的净光合速率（photosynthetic rate，Pn）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）和气孔导度（stomatal conductance，Gs）。

1.3.4 叶绿素荧光参数的测定 在除草剂胁迫5和15 d后，采用叶绿素荧光仪Dual-PAM-100（德国，Walz）进行谷子倒2叶的叶绿素荧光参数的测定。待谷子叶片暗适应30 min后（用锡纸包住待测定叶片），测得光系统Ⅱ（PSⅡ）的初始荧光（Fo）、最大光化学效率（Fv/Fm）、非光化学淬灭系数（non-photochemical quenching，NPQ）以及电子传递速率（electron transfer efficiency，ETR）。

1.3.5 内源激素含量测定 参照Zhao等[20]方法使用间接酶联免疫吸附法（ELISA）测定生长素（auxin，IAA）、赤霉素（gibberellin，GA）、细胞分裂素（zeatin，Zt，玉米素）、脱落酸（abscisic acid，ABA）含量。

1.4 数据统计与分析
采用Microsoft Excel 2010进行数据整理，SPSS19.0进行差异显著性分析，采用Duncan新复极差法进行不同处理间的多重比较。

2 结果
2.1 二甲四氯处理对谷子农艺性状的影响
两谷子品种的株高、叶面积在二甲四氯胁迫下变化趋势相似，均呈现不同程度的抑制作用，但抑制程度不同（表1）。在药后的5和15 d，二甲四氯处理显著降低了晋谷21号株高和叶面积。与对照相比，在1.50 kg·hm-2处理下，晋谷21号的株高和叶面积显著降低，分别降低16.41%和15.02%、15.30%和33.90%。与对照相比，在0.75 kg·hm-2处理下，张杂10号的株高和叶面积则无显著变化；在1.50 kg·hm-2处理下，张杂10号的株高和叶面积显著降低，分别降低16.35%和13.29%、25.89%和25.37%。

2.2 二甲四氯处理对谷子叶片抗氧化酶活性和MDA含量的影响
随着二甲四氯施用剂量的增加，两谷子品种叶片的SOD、POD和CAT含量均出现升高趋势（表2）。药后5 d，在≥0.75 kg·hm-2处理下，晋谷21号和张杂10号叶片的SOD含量显著高于对照。药后15 d，在0.75和1.50 kg·hm-2处理下，晋谷21号叶片中SOD含量无明显变化；在＞3.00 kg·hm-2处理下，则显著升高。在＞1.50 kg·hm-2处理下，张杂10号叶片中SOD含量显著高于对照。不同剂量二甲四氯处理对2种谷子叶片的POD和CAT活性影响各不相同。药后5 d，在0.75和1.50 kg·hm-2处理下，晋谷21号叶片中POD含量无明显变化。在0.75 kg·hm-2处理下，张杂10号叶片的POD含量比对照略高，随着二甲四氯剂量的增加叶片中POD含量显著升高。药后15 d，晋谷21号和张杂10号叶片的POD和CAT含量的变化趋势相似，在＞0.75 kg·hm-2处理下，POD和CAT含量均显著低于对照。

表1 二甲四氯处理对谷子农艺性状的影响

Table 1 Effect of MCPA on agronomic characters of foxtail millet


同一列中不同字母表示处理间差异达0.05显著水平。下同

Values within the same column followed by a different letter are significantly different at 0.05 probability level. The same as below

width=404.75,height=223.3
A、B：晋谷21号；C、D：张杂10号 A, B: Jingu 21; C, D: Zhangza 10

图1 二甲四氯对谷子幼苗的影响

Fig. 1 Effect of MCPA application on foxtail millet seedling

晋谷21号和张杂10号叶片的MDA含量在二甲四氯处理后呈不同程度的升高趋势（表2）。药后5和15 d，两谷子品种叶片的MDA含量随着施药剂量的增大呈逐渐升高的趋势，均在6.00 kg·hm-2处理下达到最高，其中在5 d时较对照显著升高了68.74%和38.78%，在15 d时较对照显著升高了40.02%和20.32%。而在5 d时，与对照相比，两品种谷子叶片的MDA含量均显著增加。

表2 不同二甲四氯处理谷子叶片抗氧化酶活性和MDA活性的比较

Table 2 Comparison of the superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT) activities and malonaldehyde (MDA) contents of foxtail millet leaves among treatments


2.3 二甲四氯处理对谷子叶绿素含量及光合性能的影响
随着除草剂二甲四氯施用剂量的增加，谷子的光合作用受到了显著的抑制作用；与张杂10号相比，晋谷21号受到的抑制程度较显著（表3和图1）。施药后第5天，随二甲四氯剂量的增加，晋谷21号叶绿素含量（Chl）和净光合速率（Pn）显著降低。与对照相比，在0.75 kg·hm-2处理下，晋谷21号的蒸腾速率（Tr）则无显著变化；在6.00 kg·hm-2处理下，晋谷21号的气孔导度（Gs）显著降低，降低了25.19%。药后15 d，各剂量处理后叶片的Chl、Pn、Tr和Gs均有所提高。与对照相比，在1.50 kg·hm-2处理下，晋谷21号Chl和Gs显著降低，分别降低了63.3%和9.65%；而各除草剂剂量处理后晋谷21号的Tr与对照相比则无显著变化。

随着二甲四氯剂量的升高，张杂10号叶片的Chl、Pn、Tr和Gs呈不同程度的降低趋势，且随着生育期的推进，降低幅度逐渐减弱（表3）。药后5 d，与对照相比，在1.50 kg·hm-2处理下，张杂10号Chl、Pn和Gs显著降低，分别降低了20.16%、13.24%和17.95%；而各除草剂剂量处理后张杂10号的Tr与对照相比则无显著变化。药后15 d，与对照相比，在3.00和6.00 kg·hm-2处理下，张杂10号的Chl、Pn、Tr和Gs均达到显著水平；在0.75和1.50 kg·hm-2处理下，张杂10号的Tr和Gs则无显著变化。

表3 二甲四氯处理对谷子叶绿素含量及光合参数的影响

Table 3 Effects of MCPA on chlorophyll content and photosynthetic parameters in foxtail millet leaves


2.4 二甲四氯处理对谷子叶绿素荧光特性的影响
两谷子品种叶片Fo随施药剂量的增加呈逐渐降低的趋势（图2和图3）。药后5 d，随二甲四氯剂量的增加，晋谷21号叶片Fo均无显著变化。药后15 d，在0.75 kg·hm-2处理下，晋谷21号叶片Fo无明显变化；在＞6.00 kg·hm-2处理下，晋谷21号叶片Fo则显著降低。与对照相比较，张杂10号叶片Fo在药后5和15 d均无显著差异。

喷施二甲四氯后，两品种叶片Fv/Fm变化趋势一致，在≤0.75 kg·hm-2处理下，二甲四氯处理后5 d时Fv/Fm降低，而在第15天恢复至对照水平，表明此浓度范围的二甲四氯对谷子幼苗表现出一定的光抑制，并未对PSⅡ产生光破坏。在6.00 kg·hm-2处理下，晋谷21号和张杂10号叶片Fv/Fm显著低于对照，分别降低5.45%、11.07%和4.02%、1.40%。

药后5 d，6.00 kg·hm-2处理下，晋谷21号叶片NPQ显著高于对照，比对照升高约17.53%；张杂10号，各剂量处理后叶片NPQ值与对照相比则无显著变化。药后15 d，与对照相比，晋谷21号叶片NPQ均无显著变化；在3.00和6.00 kg·hm-2处理下，张杂10号叶片NPQ则显著升高，分别升高11.71%和16.15%。

在药后5 d，在3.00和6.00 kg·hm-2处理下，晋谷21号叶片ETR显著降低，比对照分别降低21.99%和27.81%；各剂量处理后，张杂10号叶片ETR值与对照相比则无显著变化。药后15 d，与对照相比，晋谷21号叶片ETR均无显著变化；在3.00和6.00 kg·hm-2处理下，张杂10号叶片ETR则显著降低，分别降低17.63%和18.18%。

2.5 二甲四氯处理对谷子叶片内源激素含量的影响
随二甲四氯剂量增大，张杂10号叶片生长素（IAA）、玉米素（Zt）和脱落酸（ABA）含量的变化趋势相同，即二甲四氯处理后，IAA、Zt和ABA含量均与对照存在显著差异（表4）。张杂10号赤霉素（GA）含量随二甲四氯浓度升高而降低，药后5 d，在0.75 kg·hm-2处理下，张杂10号叶片GA含量无明显变化；在＞1.50 kg·hm-2处理下，则显著降低。与对照相比，药后15 d，在3.00和6.00 kg·hm-2处理下，张杂10号叶片GA含量显著降低，分别降低了9.36%和14.35%。

width=430,height=269.85
图2 二甲四氯处理对晋谷21号谷子叶绿素荧光参数的影响

Fig. 2 Effects of MCPA on chlorophyll fluorescence in ‘Jingu 21’ foxtail millet leaves

width=432.9,height=270.45
图3 二甲四氯处理对张杂10号谷子叶绿素荧光参数的影响

Fig. 3 Effects of MCPA on chlorophyll fluorescence in ‘Zhangza 10’ foxtail millet leaves

二甲四氯处理增加了晋谷21号叶片IAA含量（表4）。药后5 d，在1.50 kg·hm-2处理下，晋谷21号叶片IAA含量显著增加，其余处理下则无显著变化；在3.00和6.00 kg·hm-2处理下两个处理下，晋谷21号叶片GA含量显著降低，分别降低了3.68%和12.78%。在药后15 d，晋谷21号叶片GA、Zt和ABA含量的变化趋势相同，即二甲四氯处理后，GA、Zt和ABA含量均与对照存在显著差异。与对照相比，晋谷21号叶片Zt含量药后5和15 d均显著降低。

2.6 谷子内源激素含量与光合特性参数的关系
除NPQ外，Zt含量与叶绿素含量和ETR均表现为极显著正相关，与Fo显著正相关（表5）。ABA含量与叶绿素含量、光合速率、Fo和ETR均表现为极显著负相关，与气孔导度显著负相关。IAA与叶绿素含量呈显著负相关，GA与光合速率、蒸腾速率和气孔导度呈显著负相关。可见，Zt对维持谷子光合作用具有更为积极的作用。

表4 二甲四氯处理对谷子叶片内源激素含量的影响

Table 4 Effects of MCPA on endogenous hormone content in foxtail millet leaves


表5 谷子叶片激素含量与光合参数的相关性

Table 5 Relationship between hormone contents and photosynthetic parameters in foxtail millet


IAA：生长素；GA：赤霉素；Zt：玉米素；ABA：脱落酸。*：在p＜0.05水平差异显著，**：在p＜0.01水平差异极显著

IAA: auxin; GA: gibberellin; Zt: zeatin; ABA: abscisic acid. *, **: significant differences at 0.05 and 0.01 levels

2.7 谷子叶片内源激素含量与抗氧化酶活性关系
相关分析结果表明，叶片内源激素ABA含量与超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性呈显著相关（图4和图5）；IAA含量与过氧化氢酶活性（CAT）呈显著正相关（图6）；GA含量与POD活性呈显著相关（图5）；Zt与SOD、POD、CAT活性不相关。由此说明，内源激素IAA、GA和ABA含量变化在植物抵抗逆境中起到重要作用。二甲四氯处理后，谷子通过调节内源激素IAA、GA和ABA含量，进而调控SOD、POD和CAT活性。

width=465,height=339.05
图4 叶片内源激素与超氧化物歧化酶活性的关系

Fig. 4 Relationship between the activity of SOD and the hormone concentrations in foxtail millet leaves

3 讨论
3.1 二甲四氯处理对谷子农艺性状的影响
植物生长状况通过植物的形态指标直观反映。株高和叶面积是判断植物生长状况的重要农艺指标，其中叶片是植物进行光合作用的主要器官，而叶面积大小能够对作物在光能的吸收、转化和碳水化合物的合成方面产生直接影响[5]。本研究发现，二甲四氯对两谷子品种的株高和叶面积均产生了一定的抑制作用，且喷施不同剂量对其影响程度也各有差异。随着施药剂量的增加，两谷子品种的株高和叶面积受抑制程度逐渐增大，且随着生育期的推进，除草剂对谷子叶面积的影响在逐渐缓解。喷施二甲四氯后，晋谷21号株高和叶面积的受抑制程度较张杂10号明显，表明张杂10号对二甲四氯的耐药性略高于晋谷21号。

3.2 二甲四氯处理对抗氧化酶活性的影响
除草剂胁迫影响植物体内的多种生理过程而破坏其活性氧代谢的动态平衡[21]。植物体内存在一个多种抗氧化酶（SOD、POD、CAT）相互协调作用的防御体系抑制活性氧对细胞产生的损害，其中SOD、POD、CAT三者协同作用组成植物抗氧化酶系统的重要部分，从而能够清除植物体内的活性氧，进而减轻逆境对植物的胁迫。SOD是生物抵御逆境的第一道防线，发挥着保护细胞免受氧自由基的毒害的重要作用[22-23]。本研究发现，低浓度二甲四氯处理时3种抗氧化酶活性均高于对照，表明谷子幼苗可通过提高自身抗氧化酶活性来适应中等强度二甲四氯胁迫；随处理时间的延长，二甲四氯处理后谷子叶片SOD、POD、CAT活性均有所降低，表明药后15 d除草剂对谷子抗氧化酶系统的影响逐渐减小，且晋谷21号的耐药性在一定程度上低于张杂10号。

width=419.9,height=279.15
图5 叶片内源激素与过氧化物酶活性的关系

Fig. 5 Relationship between the activity of POD and the hormone concentrations in foxtail millet leaves

width=415.75,height=284.15
图6 叶片内源激素与过氧化氢酶活性的关系

Fig. 6 Relationship between the activity of CAT and the hormone concentrations in foxtail millet leaves

膜脂过氧化的产物MDA，其含量可反映植物的受伤害程度。许多除草剂处理都会引起植物膜脂过氧化发生，烯草酮处理增加了玉米叶片中H2O2和MDA含量增加[24]，2,4-D诱导绿豆H2O2、O2·-产生和MDA含量增加[25]。本研究中，二甲四氯处理增加了谷子幼苗MDA含量增加，表明二甲四氯处理对谷子产生了膜脂过氧化，且随处理时间延长，二甲四氯处理的MDA含量有所降低，表明谷子幼苗的抗氧化系统可保护谷子免受低浓度二甲四氯引起的膜脂过氧化。

3.3 二甲四氯处理对光合和荧光特性的影响
光合作用是植物体内各种生理生化活动的物质基础，是绿色植物制造养料的主要生理生化过程[26]。除草剂对植物光合作用每个阶段都有影响，涉及气孔导度、色素合成、光合电子传递、碳同化等各个环节。植物体内光合色素的主要功能是吸收光能，并将其用于光合作用，而叶绿素含量能直接反映植物叶片光合作用的光能转化效率。前人研究发现，植物叶片中的光合色素含量在除草剂胁迫下会显著降低，刘阳等[5]研究表明不同浓度二甲四氯会使植物叶片的光合色素降低。本研究发现，二甲四氯处理后谷子叶片叶绿素含量均有不同程度降低，且净光合速率（Pn）与光合色素含量下降的趋势基本一致，表明光合色素的减少是导致Pn降低的重要原因之一[27]。

光合气体交换指标具有反映“表观性”的特点，而叶绿素荧光参数则反映叶片光系统的“内在性”[15]。Fo为初始荧光，有研究认为这部分光与光合作用的光反应无关，然而，它可以反映PSⅡ天线色素内的最初激子密度、天线色素之间以及天线色素到PSⅡ反应中心的激发能传递效率的结构状态[28]。Fv/Fm反映PSⅡ反应中心内光能转换效率，是评估作物光合机构是否受损和光能转化效率良好指标。本试验研究结果表明二甲四氯处理下，晋谷21号的Fo值低于张杂10号，且Fv/Fm的降低程度明显大于张杂10号，进一步证明了喷施二甲四氯降低了Fo和Fv/Fm，导致光合系统Ⅱ反应中心发生了一定程度的伤害[28]，使叶片类囊体膜受到损伤。NPQ为非光化学猝灭，代表激发能被用于非光化学反应如热耗散的程度，反应叶片对激发能利用的情况，也就是植物的光保护能力。已有研究表明，喷施不同浓度除草剂后，小麦和谷子叶片的Fv/Fm和qP均出现不同程度的降低，且浓度越高，降幅越大[5-6]。在本试验中，二甲四氯处理浓度≤1.50 kg·hm-2前5 d时，Fv/Fm、ETR及NPQ等荧光参数降低，而在第15天恢复至对照水平，表明此浓度范围的二甲四氯对谷子幼苗表现出一定的光抑制，并未对PSⅡ产生光破坏。

3.4 二甲四氯处理对内源激素含量的影响
植物激素系统能够影响植物的生长发育和调节植物对多变环境的适应性，这种影响作用往往是多种激素综合作用的结果。植物在除草剂胁迫下，其内源激素将发生很大变化，协调体内的胁迫反应[10,29]。有研究表明，低浓度氯磺隆和胺苯磺隆导致水稻和大豆幼苗叶片内ABA的含量下降，GA、Zt的含量显著升高，而高浓度处理后则使ABA的含量显著升高，GA、Zt的含量显著减少[30]。ABA和Zt是2种非常重要的根源信号物质，除草剂胁迫下ABA的合成受到促进，而Zt的合成则受到抑制[31-32]。本研究中，低浓度二甲四氯处理增加IAA、GA和Zt含量，对谷子幼苗的影响表现为促进作用；高浓度二甲四氯处理后IAA大理积累，诱发乙烯和ABA积累，Zt和GA含量降低，减弱其对ABA积累的拮抗作用，最终导致叶片衰老脱落，这种激素间的不平衡在处理后15 d有一定恢复，使谷子幼苗生长也趋于正常。

3.5 二甲四氯处理下内源激素的共同作用及光合参数、抗氧化酶活性的关系
二甲四氯通过诱导植物体内激素水平变化进而调控气孔行为。前人研究认为细胞分裂素影响植物光合器官的发育，并参与光合作用路径调控。本研究中，Zt含量与叶绿素含量和ETR均表现为极显著正相关，与Fo显著正相关。已有研究表明，内源激素含量可以影响植物叶片的气孔行为，杨建昌等[33]研究发现，叶片中ABA的含量与气孔导度呈极显著负相关。此外，各激素之间的平衡亦能影响植物叶片的气孔行为[34]，Wang等[35]发现ABA含量增加和玉米素核苷（Zt）含量下降共同作用导致叶片气孔的关闭和蒸腾的减弱。在本试验条件下，ABA含量与叶绿素含量、光合速率、Fo和ETR均表现为极显著负相关，与气孔导度显著负相关，这与前人研究结果一致。再者，由于GA与ABA有拮抗作用，低浓度二甲四氯处理下谷子GA含量降幅相对较小；同时，高浓度的Zt可以维持气孔的开张，这进一步证明了二甲四氯处理下ABA和GA共同作用调节谷子气孔导度的变化。ABA和GA除调节气孔的开闭外，还直接影响光合作用的过程。有研究认为ABA通过降低叶绿体细胞膜的电势[36]，从而降低了光合电子的传递[37]。本文中ABA和GA与光合特性参数的相关性也证明了上述观点。

SOD、POD、CAT三者协同作用清除活性氧，进而减轻逆境对植物的胁迫，共同组成植物抗氧化酶系统。已有研究表明抗氧化酶系统与激素信号通路之间是双向链接的关系，抗氧化酶系统依赖其浓度影响植物发育进程，而激素可反馈调控植物对抗氧化酶活性的清除和积累[38]。本研究发现叶片内源激素ABA含量与SOD活性、POD活性呈显著相关；IAA含量与CAT呈显著正相关；GA含量与POD活性呈显著相关，这表明内源激素IAA、GA和ABA含量变化在植物抵抗逆境中起到重要作用。二甲四氯处理后，谷子通过调节内源激素IAA、GA和ABA含量，进而调控SOD、POD和CAT活性。

4 结论
二甲四氯处理后，谷子幼苗可以通过多种途径相互协调作用，清除低浓度除草剂胁迫诱发产生的活性氧，减轻对细胞的伤害，使谷子幼苗保持较高的叶绿素含量、光合速率和光合系统Ⅱ的活性。推荐剂量（1.50 kg·hm-2）下的二甲四氯对谷子相对安全，且在该剂量下，除草剂对谷子植株抗氧化酶系活性、光合特性及内源激素的影响效应随着施药时间的延长而逐渐减弱，具体表现为喷施除草剂15 d之前较为显著，其后多数指标可恢复至对照水平。

References

[1] SCENCZUK W, POGORZELSKA H. Chemical structure and toxicodynamic properties of derivatives of phenoxy carboxylic acid. Roczniki Panstwowego Zakladu Higieny, 1981, 31(4): 373-377.

[2] 宋喜娥, 王宏富, 郭平毅, 姚满生, 来改英. 几种不同茎叶处理除草剂对谷子的安全性研究. 山西农业科学, 2010, 38(4): 65-67, 96.

SONG X E, WANG H F, GUO P Y, YAO M S, LAI G Y. Safety to millet by herbicide treatments during seedling stage. Journal of Shanxi Agricultural Science, 2010, 38(4): 65-67, 96. (in Chinese)

[3] 刘瑞芳, 刘金荣, 王素英, 宋中强, 路志国, 闫宏山, 刘海萍. 苯磺隆、2甲4氯防除谷田杂草的药害与增产效果. 杂草科学, 2010, 1: 59-60.

LIU R F, LIU J R, WANG S Y, SONG Z Q, LU Z G, YAN H S, LIU H P. Effects of Tribenuron-methly and MCPA on weed control and yield in foxtail millet. Journal of Weed Science, 2010, 1: 59-60. (in Chinese)

[4] 曹晓宁, 王君杰, 刘思辰, 陈凌, 王海岗, 田翔, 乔治军. 二甲四氯钠不同用量对谷子田间杂草的防除效果. 山西农业科学, 2016, 44(8): 1172-1174, 1191.

CAO X N, WANG J J, LIU S C, CHEN L, WANG H G, TIAN X, QIAO Z J. Control effect of different dosage of MCPA-Na on field weeds of foxtail millet. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2016, 44(8): 1172-1174, 1191. (in Chinese)

[5] 刘阳, 郭平毅, 原向阳, 高贞攀, 王斌强, 宋惠洁, 黄蕾, 余凯凯. 叶面喷施二甲四氯对‘张杂谷10号’光合特性及产量构成的影响. 西北农业学报, 2016, 25(9): 1311-1318.

LIU Y, GUO P Y, YUAN X Y, GAO Z P, WANG B Q, SONG H J, HUANG L, YU K K. Effects of foliar application of MCPA on photosynthetic characteristics and yield of ‘Zhangzagu 10’. Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2016, 25(9): 1311-1318. (in Chinese)

[6] 王正贵, 周立云, 郭文善, 朱新开, 李春燕, 彭永欣, 封超年. 除草剂对小麦光合特性及叶绿素荧光参数的影响. 农业环境科学学报, 2011, 30(6): 1037-1043.

WANG Z G, ZHOU L Y, GUO W S, ZHU X K, LI C Y, PENG Y X, FENG C N. Effects of herbicides on photosynthesis and chlorophyll fluroxypyr parameters in wheat leaves. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(6): 1037-1043. (in Chinese)

[7] 薛思嘉, 杨再强, 朱丽云, 李军. 黄瓜花期高温胁迫对叶片衰老特性和内源激素的影响. 生态学杂志, 2018, 37(2): 409-416.

XUE S J, YANG Z Q, ZHU L Y, Li J. Effects of high temperature stress on senescence and endogenous hormone of cucumber during flowering period. Chinese Journal of Ecology, 2018, 37(2): 409-416. (in Chinese)

[8] PELEG Z, BLUMWALD E. Hormone balance and abiotic stress tolerance in crop plants. Current opinion in plant biology, 2011, 14(3): 290-295.

[9] 杨东清, 董文华, 骆永丽, 宋文挺, 蔡铁, 李勇, 尹燕枰, 王振林. 外源6-BA对两种氮素水平下小麦幼苗叶片光合性能及内源激素含量的影响. 中国农业科学, 2017, 50(20): 3871-3884.

YANG D Q, DONG W H, LUO Y L, SONG W T, CAI T, LI Y, YIN Y P, WANG Z L. Effects of exogenous 6-BA on photosynthetic characteristics and endogenous hormone content in wheat leaves under two nitrogen application levels at seedling stage. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(20): 3871-3884. (in Chinese)

[10] KLAUS G. Auxin herbicides: current status of mechanism and mode of action. Pest Management Science, 2010, 66(2): 113-120.

[11] MANSOUR F A, BADAWAY A M, NEMAT A M. Comparative effects of alachlor-metolachlor-atrazine-fluometuron and trifluralin on the endogenous phytohormones in maize and soybean. Agrochimica, 1994, 38(2): 118-131.

[12] LOCHER R, PILET P E. Trifluralin uptake and its effect on ABA content in growing maize and pea roots. Journal of plant physiology, 1995, 146(4): 569-571.

[13] LI X Y, TONG W, HUANG H L. Atrazine accumulation and toxic responses in maize (Zea mays). Journal of environmental sciences, 2012, 24(2): 203-208.

[14] 陶波, 向文胜, 王萍, 苏少泉. 作保灵(TNA)对水稻的保护作用及作用机理研究. 农药学学报, 2000, 2(1): 53-57.

TAO B, XIANG W S, WANG P, SU S Q. Protective action and mechanism of TNA on rice. Chinese Journal of Pesticide Science, 2000, 2(1): 53-57. (in Chinese)

[15] 周宇飞, 王德权, 陆樟镳, 王娜, 王艺陶, 李丰先, 许文娟, 黄瑞冬. 干旱胁迫对持绿性高粱光合特性和内源激素ABA、CTK含量的影响. 中国农业科学, 2014, 47(4): 655-663.

ZHOU Y F, WANG D Q, LU Z B, WANG N, WANG Y T, LI F X, XU W J, HUANG R D. Effects of drought stress on photosynthetic characteristics and endogenous hormone ABA and CTK contents in green-stayed sorghum. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(4): 655-663. (in Chinese)

[16] BEAUCHAMP C, FRIDOVICH I. Superoxide dismutase: improved assays and an assay applicable to acrylamide gels. Analytical Biochemistry, 1971, 44(1): 276-287.

[17] CASTILLO F I, PENEL I, GREPPIN H. Peroxidase release induced by ozone in Sedum album leaves: Involvement of Ca2+. Plant Physiology, 1984,74(4): 846-851.

[18] AEOBI H. CATALASE//Bergmeyer H U. Methods of Enzymatic Analysis. Weinheim, Germany: Verlag Chemie/Academic Press, 1974: 673-680.

[19] GUO M J, WANG Y G, YUAN X Y, DONG S Q, WEN Y Y, SONG X E, GUO P Y. Responses of the antioxidant system to fluroxypyr in foxtail millet (Setaria italic L.) at the seedling stage. Journal of Integrative Agriculture, 2018, 17(3): 554-565.

[20] ZHAO J, LI G, YI G X, WANG B M, DENG A X, NAN T G, LI Z H, LI Q X. Comparison between conventional in direct competitive enzyme-linked immunosorbent assay (icELISA) and simplified icELISA for small molecules. Analytica Chimica Acta, 2006, 571(1): 79-85.

[21] 晁雷, 周启星, 陈苏, 崔爽. 乙草胺对小麦生理机能的影响与生物标记物识别. 环境科学, 2007, 28(4): 4866-4871.

CHAO L, ZHOU Q X, CHEN S, CUI S. Effects of herbicide acetochlor on physiological mechanisms in wheat and biomarkers identification. Environmental Science, 2007, 28(4): 4866-4871. (in Chinese)

[22] 温银元, 郭平毅, 尹美强, 闫晗, 王玉国. 扑草净对远志幼苗根系活力及氧化胁迫的影响. 生态学报, 2012, 32(8): 2506-2514.

WEN Y Y, GUO P Y, YIN M Q, YAN H, WANG Y G. Effect of prometryne on root activity and oxidative stress of Polygala tenuifolia Willd. seedling roots. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(8): 2506-2514. (in Chinese)

[23] 王国骄, 王嘉宇, 马殿荣, 苗微, 赵明辉, 陈温福. 不同耐冷性杂草稻和栽培稻抗氧化系统对冷水胁迫的响应. 中国农业科学, 2015, 48(8): 1660-1668.

WANG G J, WANG J Y, MA D R, MIAO W, ZHAO M H, CHEN W F. Responses of antioxidant system to cold water stress in weedy and cultivated rice with different chilling sensitivity. Scientis Agricultura Sinica, 2015, 48(8): 1660-1668. (in Chinese)

[24] ELDEEN D M R. Salicylic acid induced alleviation of oxidative stress caused by clethodim in maize (Zea mays L.) leaves. Pesticide biochemistry and physiology, 2012, 102(2): 182-188.

[25] KARUPPANAPANDIAN T, WANG H W, PRABAKARAN N. 2, 4- dichlorophen-oxyacetic acid-induced leaf senescence in mung bean (Vigna radiata L. Wilczek) and senescence inhibition by co-treatment with Sliver nanoparticles. Plant physiology and biochemistry, 2011, 49(2): 168-177.

[26] GUO M J, WANG Y G, DONG S Q, WEN Y Y, SONG X E, GUO P Y. Photochemical changes and oxidative damage in four foxtail millet varieties following exposure to sethoxydim. Photosynthetica, 2018, 56(3): 820-831.

[27] 卢从明, 张其德, 匡廷云. 水分胁迫对小麦光系统Ⅱ的影响. 植物学报, 1994, 36(2): 93-98.

LU C M, ZHANG Q D, KUANG T Y. The effects of water stress on photosystem II in wheat. Acta Botanica Sincia, 1994, 36(2): 93-98. (in Chinese)

[28] 葛江丽, 石雷, 谷卫彬, 唐宇丹, 张金政, 姜闯道, 任大明. 盐胁迫条件下甜高粱幼苗的光合特性及光系统Ⅱ功能调节. 作物学报, 2007, 33(8): 1272-1278.

GE J L, SHI L, GU W B, TANG Y D, ZHANG J Z, JIANG C D, REN D M. Photosynthetic characteristics and the regulation of photosystem II function in salt-stressed sweet sorghum seedlings. Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(8): 1272-1278. (in Chinese)

[29] DODD I C. Hormonal interactions and stomatal responses. Journal of Plant Growth Regulation, 2003, 22(1): 32-46.

[30] YUAN S Z, YUAN S, ZHOU W Y. Effects of ethametsulfuron on protective enzymes and endogenous hormones of rice seedling. Agricultural Science & Technology, 2012, 13(1): 173-176.

[31] 梁建生, 张建华. 根系逆境信号ABA的产生和运输及其生理作用. 植物生理学通讯, 1998, 5: 329-338.

LIANG J S, ZHANG J H. Production, transport and physiological functions of stress signal abscisic acid in roots. Plant Physiology Communications, 1998, 5: 329-338. (in Chinese)

[32] 魏道智, 宁书菊. 玉米素、脱落酸处理对小麦叶片光合性能的影响. 华北农学报, 2002, 17(S1): 23-28.

WEI D Z, NING S J. Effects of hormone treatment on photosynthetic function of wheat leaf. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2002, 17(S1): 23-28. (in Chinese)

[33] 杨建昌, 乔纳圣·威尔斯, 朱庆森, 彭智勇.水分胁迫对水稻叶片气孔频率、气孔导度及脱落酸含量的影响. 作物学报, 1995, 21(5): 533-539.

YANG J C, JONATHAN WEYERS, ZHU Q S, PENG Z Y. Effect of water deficit stress on the stomatal frequency, stomatal conductance and abscisic acid in rice leaves. Acta Agronomica Sinica, 1995, 21(5): 533-539. (in Chinese)

[34] 刘瑞显, 郭文琦, 陈兵林, 周治国. 氮素对花铃期干旱及复水后棉花叶片保护酶活性和内源激素含量的影响. 作物学报, 2008, 34(9): 1598-1607.

LIU R X, GUO W Q, CHEN B L, ZHOU Z G. Effects of nitrogen on the antioxidant enzyme activities and endogenous hormone contents of cotton leaf under drought stress and after soil re-watering during the flowering and boll-forming stage. Acta Agronomica Sinica, 2008,34(9): 1598-1607. (in Chinese)

[35] WANG Y Y, ZHOU R, ZHOU X. Endogenous levels of ABA and cytokinins and their relation to stomatal behavior in dayflower (Commelina communis L.). Journal of Plant Physiology, 1994, 144(1): 45-48.

[36] 魏道智, 江力, 张荣铣, 宁书菊. ABA和ZT对小麦叶细胞质膜某些生理特性的影响. 西北植物学报, 2002, 22(6): 80-84.

WEI D Z, JIANG L, ZHANG R X, NING S J. Effects of ABA and ZT on some physiological characteristics of cell membrane in wheat leaf. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2002, 22(6): 80-84. (in Chinese)

[37] WARD J M, PEI Z M, SCHROEDER J I. Role of ion channels in initiation of signal transduction in high plants. ThePlant Cell, 1995, 7(7): 833-844.

[38] ZHANG X H, LIU Y H, LIU Q, ZONG B, YUAN X P, SUN H E, WANG J, ZANG L, MA Z Z, LIU H M, HE S B, CHU X T, XU Y F. Nitric oxide is involved in abscisic acid-induced photosynthesis and antioxidant system of tall fescue seedlings response to low-light stress. Environmental and Experimental Botany, 2018, 155: 226-238.

Effect of MCPA on leaf senescence and endogenous hormones content in leaves of foxtail millet seedlings

GUO Meijun, BAI Yaqing, GAO Peng, SHEN Jie, DONG Shuqi, YUAN Xiangyang, GUO Pingyi

(College of Agronomy, Shanxi Agricultural University/Laboratory of Crop Chemical Regulation and Chemical Weed Control, Taigu 030801, Shanxi)

Abstract:【Objective】The objective of the experiment was to investigate the effect of MCPA on the senescence characteristics of leaves and contents of endogenous hormones in leaves of foxtail millet, and explore the physiological response of foxtail millet seedlings to MCPA stress, which provided a theoretical basis for the mechanism of herbicide resistance and the safe use of herbicide during cultivation.【Method】A pot-grown experiment was conducted with Jingu 21 and Zhangza10 as materials with four dosages (0.75, 1.50, 3.00, 6.00 kg·hm-2) of MCPA. After treatment for the 5 d and 15 d, the plant height, leaf area, chlorophyll content, photosynthetic parameters, chlorophyll fluorescence parameters, malondialdehyde (MDA) content, superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT) activity and endogenous hormone content of foxtail millet were determined. In addition, the correlation between endogenous hormone content and photosynthetic characteristics and antioxidant enzyme activity under MCPA stress were analyzed.【Result】Compared with the control, the chlorophyll content, net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), stomatal conductance (Gs), PSⅡ maximum photochemical efficiency (Fv/Fm), and electron transfer rate (ETR) in foxtail millet leaves were decreased with different MCPA dosages treatment; however, the change tendency of non - photochemical quenching (NPQ) is opposite. In addition, the effect of MCPA on the photosynthetic characteristics of foxtail millet gradually decreased with the extension of application time, which showed that most indexes could be restored to the control level after MCPA treatment 15 d. At the same time, SOD, POD, CAT activity and MDA content of foxtail millet leaves were increased with MCPA treatment at different dosages, which showed the trend of increasing first and then decreasing with the extension of application time. MCPA treatment increased abscisic acid (ABA) and auxin (IAA) content in foxtail millet leaves and decreased gibberellin (GA) and zeatin (Zt) content in foxtail millet leaves. ABA content was significantly negatively correlated with chlorophyll content, Pn, Fo and ETR, and significantly negatively correlated with Gs. Except NPQ, Zt content was significantly positively correlated with chlorophyll content and ETR, and significantly positively correlated with Fo. Correlation analysis showed that ABA content was significantly correlated with the activity of SOD and POD. IAA content was positively correlated with CAT. GA content was significantly correlated with POD activity.【Conclusion】 After MCPA treatment, Zt content was increased and ABA content was decreased in foxtail millet leaves. On the one hand, MCPA affected photosynthetic rate, photoelectron transfer and other photosynthetic physiological processes; while, MCPA regulated endogenous hormone contents including IAA, GA and ABA, which further influence the activity of SOD, POD and CAT and eventually leaded to enhance the tolerance to herbicide stress.

Key words: foxtail millet (Setaria italica L.); MCPA; antioxidant enzyme; photosynthetic characteristics; endogenous hormone

收稿日期：2019-06-06；

接受日期：2019-07-23

基金项目：国家谷子高粱产业技术体系（CARS-06-13.5-A28）、山西省重点研发项目（2015-TN-09）、山西农业大学青年拔尖创新人才支持计划（TYIT201406）

联系方式：郭美俊，E-mail：guomeijun1989@126.com。白亚青，E-mail：2227670621@qq.com。高鹏，E-mail：910347588@qq.com。郭美俊、白亚青和高鹏为同等贡献作者。通信作者原向阳，Tel：13593100936；E-mail：yuanxiangyang200@163.com

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：width=42.5,height=42.5

（责任编辑 李莉）