常敏敏，梁莉燕，杨 曙，崔馨月，赵尊康，黎晓峰

(蔗糖产业省部共建协同创新中心/广西大学农学院，广西 南宁 530004)

【研究意义】甘蔗(SaccharumofficinarumL.)是食糖生产的主要原料，其在我国主要种植区位于广西、云南、广东和福建等南方省(自治区)[1]，这些区域属酸性土壤地区，酸性土壤中锰过多是限制作物生长的主要因素。多年来，我国甘蔗主产蔗区连年发生严重的甘蔗幼苗锰毒黄化问题，蔗农经济损失惨重[1-4]，解决甘蔗幼苗黄化问题迫在眉睫。【前人研究进展】甘蔗幼苗黄化发生在强酸性土壤中[1-2]，积累过多锰的幼苗出现黄化[2-4]。幼苗黄化受铁素营养的影响，外源铁可有效减缓甘蔗幼苗黄化[5-7]。不同基因型植物对锰毒抗性不同。如，Kneja 434和Kneja 605分别属于玉米耐锰和敏感基因型[8]。豇豆对锰毒的耐性也存在明显的基因型差异[9]。植物对过多锰影响的外部排斥或内部忍耐机制参与锰毒及抗性的调控[10]。阻碍过多锰吸收是柱花草抵御锰毒的排斥机制[11]。锰与细胞壁的结合则与豇豆耐锰密切相关[9]。【本研究切入点】选育耐锰新品种是解决甘蔗幼苗黄化问题的有效途径，而揭示甘蔗对锰毒黄化抗性的基因型差异是选育耐锰甘蔗新品种的基础。【拟解决的关键问题】分析过多锰对甘蔗幼苗黄化及叶片叶绿素含量影响的基因型差异及其与植株锰吸收、含量、分布的相关性，可为甘蔗幼苗黄化问题的解决提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

赣56-261、F175、粤糖70-129、粤农75-159和新台糖22等59个甘蔗基因型及斑233、斑231两个斑茅基因型。

1.2 田间试验

为比较酸性土壤上过多的锰诱导甘蔗幼苗黄化的基因型差异，于2014年3月在广西扶绥县渠黎镇某蔗地种植上述供试材料。历年来该蔗地的新台糖22宿根蔗幼苗均发生严重黄化。供试土壤为第四纪红土母质发育的赤红土，pH 5.14，活性锰41.67 mg/kg。甘蔗按照当地常规方法种植、施肥及管理。在甘蔗三叶期(5月7日)随机采集+1叶叶片(15叶/基因型)样品，3次重复，按下述方法测定叶绿素及锰含量。

甘蔗成熟期(2015年2月)砍收蔗茎。第一年宿根蔗幼苗萌发后，不施肥。4月25日观察宿根蔗幼苗生长情况，相机拍照记录幼苗长势。同时，观测单位面积幼苗数及黄化幼苗数，黄化率(%)=黄化苗数/总苗数×100。采用SPAD仪测定+1叶叶绿素含量。

1.3 培养试验

按照Yang等的方法[12]培养田间试验中宿根蔗幼苗黄化程度明显不同的典型基因型赣56-261、F175、粤糖70-129、粤农75-159、新台糖22、斑233及斑231幼苗15 d，验证甘蔗锰毒黄化的基因型差异并分析其成因。

将新台糖22的幼苗培养在0(对照)、0.5 mM MnCl2溶液中，基础培养液为1/5 Hoagland营养液(pH 5.5，下同)。各处理均重复3次(下同)。培养15 d后收获植株，称重。采集+1叶和植株样品，植株锰吸收量=锰含量×重量。

上述7个基因型的幼苗培养在0.5 mM MnCl2溶液中。15 d后用SPAD仪测定+1叶叶绿素含量。收获植株，拍照、记录幼苗黄化情况，称重。样品经洗涤、烘干、粉碎后，分别测植株、地上部、根系锰含量，计算植株锰的吸收量及转移系数(地上部/根系锰含量)。采集甘蔗+1叶样品，分析铁锰含量，计算锰的转移系数(叶片/叶鞘锰含量)。同时，分离+1叶片样品的细胞壁，测定锰含量。

另取上述7个基因型的甘蔗幼苗，以0.5 mM MnCl2溶液预处理15 d后从茎基部切除植株地上部。根系培养在0.5 mM的CaCl2溶液中。茎基部再次萌发的甘蔗幼苗继续培养10 d后，相机拍照记录其幼苗黄化情况。

1.4 测定项目及方法

锰、铁含量测定及细胞壁的分离参照Yang et al[12]的方法进行。叶绿素含量用便捷式叶绿素含量测定仪(SPAD 502-PLUS)或丙酮浸提-分光光度法[7]测定。

1.5 统计分析

数据采用Duncan 新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 锰毒胁迫下甘蔗幼苗黄化的基因型差异

种植在酸性锰毒土壤上的新植蔗及斑茅幼苗生长正常，未发现叶片明显黄化现象。叶片叶绿素含量均高于1.0 mg/g FW，而锰含量除个别基因型外均低于230 mg/kg DW，平均含量仅为149.4 mg/kg DW(图1)。这些结果说明，种植在酸性土壤中的新植蔗幼苗锰含量不高、未发生明显黄化。

新植甘蔗收获后，挑选宿根蔗幼苗黄化程度明显不同的典型基因型进行研究，一部分基因型的宿根蔗幼苗发生明显黄化(图2)。新台糖22宿根蔗幼苗黄化最严重，3叶期叶片已明显白化，黄化率达到100 %(表1)。粤农75-159宿根蔗幼苗黄化程度也较重(图2)，3叶期叶片黄化率达50.0 %(表1)。赣56-261、F175的黄化症状较轻(图2)，叶片SPAD值较高而黄化率较低(表1)。甘蔗近缘种斑茅中，斑231叶片SPAD值显著高于斑233，黄化率差异不大(表1)。这些结果初步说明，赣56-261、F175和斑231属锰毒黄化抗性基因型。

图1 不同基因型新植蔗+1叶叶片叶绿素(a)和锰含量(b)

0.5 mM Mn培养15 d后，不同基因型甘蔗的叶片叶绿素含量差异显著(表2)。新台糖 22、粤农75-159、粤糖70-129及斑233的叶绿素含量显著降低，仅相当于对照处理的66.9 %～79.8 %。赣56-261、F175及斑231的叶绿素含量降低不显著，是对照处理的90 %以上。锰处理后，新台糖22的生物量显著降低，仅相当于对照处理的67.9 %，而其他基因型减少不显著(表2)。结果进一步说明，赣56-261、F175和斑231为锰毒黄化抗性基因型，新台糖22、斑233为锰敏感基因型。

从培养在高锰溶液中的新植蔗茎基部再次萌发的甘蔗幼苗，经不加锰的溶液培养后的幼苗，不同基因型的黄化程度明显不同(图3)。新台糖22、斑233的叶色明显偏黄，而赣56-261、F175和斑231的叶色未发生明显改变，粤农75-159、粤糖70-129介于二者之间。这些结果进一步说明，赣56-261、F175和斑231为锰毒黄化抗性基因型，新台糖22、斑233为锰敏感基因型，而粤农75-159、粤糖70-129为中等抗性基因型。

图2 不同基因型宿根蔗幼苗

表1 宿根蔗幼苗的黄化率

Table 1 Chlorosis rate of sugarcane seedlings

基因型GenotypeSPAD黄化率(%)Chlorosis rate新台糖220.0 f100.0粤农75-15923.6±0.9 d50.0粤糖70-12927.9±1.2 c33.3赣56-26139.0±0.1 a33.3F17533.1±0.8 b35.7斑23318.5±0.9 e38.5斑23125.8±1.9 cd42.9

注: 同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference at the 0.05. The same as below.

2.2 锰吸收和分布的基因型差异

0.5 mM锰处理15 d后，叶片锰含量和植株的锰吸收量均极显著增加(图4)。锰胁迫下，不同基因型甘蔗的锰吸收量不同(图5)。抗性(F175)和中等抗性基因型(粤糖70-129、粤农75-159)的锰吸收量显著高于新台糖22，但另一抗性基因型赣56-261对锰吸收量与新台糖22的量相当。但斑233与斑231的锰吸收量差异不显著。可见，锰吸收是影响甘蔗锰毒黄化基因型差异的因素之一。

锰从根系向地上部的转移系数也存在明显的基因型差异(图6-a)。新台糖 22的锰转移系数显著高于其它基因型。与此相似，锰在叶片与叶鞘间锰转移系数新台糖 22也显著高于其它基因型(图6-b)。

图3 不同基因型宿根蔗幼苗

表2 甘蔗幼叶的叶绿素含量和生物量

锰胁迫下不同基因型甘蔗叶片的锰含量差异显著(图7)。新台糖22的幼叶片锰含量显著高于其它基因型。锰抗性基因型F175，叶片锰含量虽然与粤糖70-129相当，但显著低于敏感(新台糖22)的基因型。另一抗性基因型赣56-261，叶片锰含量显著低于粤糖70-129和新台糖22。可见，叶片锰含量也是决定甘蔗幼苗黄化的重要因素。

锰胁迫下，不同基因型甘蔗的幼叶片细胞壁锰含量差异不显著(图8)。抗性基因型F175、赣56-261的细胞壁锰含量与其它基因型的含量相当。斑233及斑231细胞壁锰含量差异也不显著。

柱状图上**表示差异极显著Different letters on the same parameter indicates significant difference between the treatments at P<0.01 (**)

2.3 植株铁素营养的基因型差异

铁是影响植物锰毒黄化的重要因素，增加铁的供应是缓解锰毒的主要措施[6-7]。0.5 mM锰处理15 d 后，赣56-261 、F175叶片铁含量显著高于其它基因型，说明甘蔗对锰毒黄化的抗性与植株较高的铁水平有关。然而，两个斑茅基因型的叶片铁含量差异不显著，说明斑茅对锰毒黄化抗性的差异不是植株铁素水平不同所致。

植物正常生长发育需要维持体内正常的铁锰平衡。锰处理甘蔗15 d后，不同基因型甘蔗叶片的铁锰比差异显著(表3)。赣56-261的叶片铁锰比显著高于其他基因型的甘蔗。2个斑茅基因型间的铁锰比无差异。

3 讨 论

酸性土壤中甘蔗幼苗黄化是锰过量的毒害问题[3-4]。筛选和培育耐锰品种是解决锰毒问题的有效途径。本研究结果表明，甘蔗对锰毒黄化抗性存在明显的基因型差异。新台糖22属锰敏感基因型，种植在酸性土壤的宿根蔗幼苗及锰过量溶液中的甘蔗茎基部再次萌发的幼苗均发生明显黄化，叶绿素含量、叶片黄化率显著低于其它基因型，且锰胁迫下生物产量显著降低；相反，F175和赣56-261为锰黄化抗性基因型，种植在酸性土壤的宿根蔗幼苗及锰过量的水培溶液中的茎基部再次萌发的幼苗均观察不到幼苗明显黄化，且锰胁迫下叶片叶绿素含量较高；粤农75-159、粤糖70-129为中等抗锰基因型；斑231的抗性也强于斑233。

图例中柱状图上的不同字母表示在P<0.05差异显著，下同Columns with different letters indicate significant difference at P<0.05. The same as below

图6 锰从根系向地上部的转移系数(a)及幼叶中叶片与叶鞘间的转运系数(b)的基因型差异

阐明植物抗锰机制是培育抗性新品种的前提。阻止锰过量吸收是一些植物基因型抵御锰毒的外排机制[13]。本研究发现，敏感基因型新台糖22，对锰的吸收最低。抗性基因型赣56-261的锰吸收量虽然与新台糖22相当，但显著低于抗性中等的基因型。可见，抵御锰的过量吸收是甘蔗抵御锰引起的幼苗黄化的机制之一。

地上部是锰毒害的主要部位[15]。锰引起的甘蔗幼苗黄化首先发生在幼叶上[6-7]。幼叶的锰含量与叶片的黄化关系密切[5]。本研究发现，锰胁迫下幼叶Mn含量极显著增加。敏感基因型(新台糖22)的锰含量显著高于抗性基因型。虽然新台糖22对锰的吸收量显著低于其它基因型，但锰向地上部的转移系数和叶鞘向叶片的转移系数均显著高于其它基因型。这些结果说明，减少锰向地上部，特别是减少锰向幼叶片的运输，可能是甘蔗幼苗黄化抗性基因型差异的原因之一。

图7 叶片锰含量的基因型差异

表3 叶片的铁含量及铁锰比

Table 3 Iron content and iron-manganese ratio in the leaf of sugarcane seeding

基因型Genotypes铁含量(mg/kg DW)Fe contentFe/Mn新台糖 2247.33±0.48 b0.019±0.000 bc粤农75-15947.64±3.80 b0.020±0.002 bc粤糖70-12951.23±3.89 b0.016±0.001 c赣56-26171.54±1.10 a0.026±0.001 aF17567.93±0.67 a0.020±0.001 bc斑23352.08±1.00 b0.019±0.001 bc斑23157.58±5.98 b0.023±0.003 ab

图8 叶片细胞壁锰含量的基因型差异

植物生长发育需要维持正常的铁锰平衡，植物铁素营养及铁锰比影响锰毒害发生[7]。甘蔗叶片的活性铁含量随锰浓度的增加而显著降低，铁锰含量比值在锰胁迫下也呈下降趋势[6]。抗性基因型(F175、赣56-261)铁含量显著高于敏感和中等敏感的基因型。

斑茅是甘蔗的近缘种，但在锰胁迫下植株对锰吸收量、叶片及其细胞壁中锰的含量及叶片铁含量均差异不显著，相关机制有待阐明。

4 结 论

甘蔗对过多锰引起的幼苗黄化抗性存在明显的基因型差异，F175和赣56-261是抗锰基因型，新台糖22是锰敏感基因型，粤农75-159、粤糖70-129是中等抗锰基因型。这些差异与锰含量、吸收、分布及植株的铁素营养水平密切相关。