龚束芳，刘 阳，速馨逸，姜童童，王金刚

(东北农业大学园艺园林学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

远东芨芨草(Achnatherumextremiorientale)为禾本科(Gramineae)芨芨草属多年生草本植物[1]，生长于林下，种子繁殖，管理粗放便于栽培管理，而且茎叶较茂密，直立茎秆在秋冬仍能保持直立的状态，具有一定的观赏性，在北方地区可露地越冬，是北方地区常见的野生观赏草资源，但一直以来未曾得到重视，因此也并未得到深入研究。目前，国内对于远东芨芨草及芨芨草属植物研究主要集中在盐胁迫处理方面，关于干旱胁迫[2-3]和逆境环境的适应性研究[4-5]较少，查阅相关文献得知施加硅肥可以提高植物的抗胁迫能力，通过前期研究发现外源纳米硅肥也会对干旱胁迫下远东芨芨草幼苗产生有益影响[6-7]。

外源纳米硅肥是含环氧基的硅烷偶联剂，由于纳米材料特有的属性，其优良稳定性和吸附性有利于植物对其持续性吸收，并能有效控制肥料的释放速率[8-9]，从而达到保肥长效的目的。为此，以远东芨芨草幼苗作为试验材料，观察分析其表型变化，对植物在干旱胁迫的生理反应进行分析，并深入研究施加纳米硅肥对干旱胁迫下其幼苗渗透调节物质MDA含量及抗氧化酶活性变化规律，探讨在远东芨芨草抗旱胁迫生理响应中施加纳米硅肥对渗透调节物质含量及相关酶类活性的意义，旨在探求纳米硅肥提高远东芨芨草抗干旱胁迫的生理生化机制，为远东芨芨草在降水量较小的北方地区推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

取样地点在黑龙江省哈尔滨市东北农业大学校园，以2016年10月采收的种子经有性繁殖2周得到幼苗作为试验材料，以含环氧基的硅烷偶联剂即Si-60作为外用硅制剂，PEG-6000作为模拟干旱胁迫条件的试剂。

1.2 试验设计

选取长至2～3 cm、生长一致的健壮幼苗，均匀分布培养盆中。试验设4个处理：1)对照(-Si/-PEG)；2)单独Si处理(+Si/-PEG)；3)单独PEG处理(-Si/+PEG)；4)联合处理(+Si/+PEG)。经过东北农业大学园林实验室前期研究发现，纳米硅肥的浓度设为0.075 mmol·L-1，PEG-6000的浓度为12%，处理液pH为5.8，培养环境为组培室，室温26 ℃，光照强度为2 500 lx，光照/黑暗时间为12 h/12 h，相对湿度为20%。每处理为5盆，试验期间每盆的处理液体积始终保持一致。待纳米硅肥处理2周后对渗透胁迫下的植株有明显的表型影响时结束试验处理，于各处理选取具有代表性的植株进行观察并进行相关数据测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1表型测定方法 采收试验处理的远东芨芨草幼苗，并对该批幼苗的整齐度进行详细的筛选,使用游标卡尺和直尺测量根长、株高；使用铝盒、恒温箱、分析天平测量鲜重、相对含水量，每个处理浓度测量20个数据，然后对比并计算平均值。

1.3.2生理指标测定方法 参照张治安和陈展宇[10]的方法，取各处理的远东芨芨草幼苗地上部分和地下部分，用蒽酮法测定可溶性糖含量和淀粉含量，考马斯亮蓝法测定蛋白质含量，茚三酮法测定游离脯氨酸含量；参考高俊凤[11]的硫代巴比酸法制备酶液，用于测定超氧物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量，分别在酶标仪中记录吸光值，并计算各个指标含量。

1.4 数据与统计分析方法

采用SPSS 24.0软件对所测数据统计分析，用平均值±标准误表示测定结果，用SAS 9.2软件对株高，根长，鲜重，相对含水量，可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸、淀粉含量，以及SOD、POD、CAT活性，MDA含量进行单因素方差分析；采用Excel 制图。

2 结果

2.1 纳米硅肥对远东芨芨草表型的影响

远东芨芨草幼苗经试验处理后，与-Si/-PEG(对照)相比，+Si/-PEG处理的植株表现在外观上差别不明显。虽然-Si/+PEG处理下和+Si/+PEG处理下均表现为叶边缘有轻微的卷曲，甚至有些叶片叶尖会有失绿，茎秆生长变细，支撑力下降；但相对于-Si/+PEG处理下，+Si/+PEG处理下的远东芨芨草幼苗则维持了功能叶片较长较宽的展开，除叶尖卷曲失绿外，叶片的其他部位仍可展开(图1)。

另外，Si处理下植株的须根更丰富；同等PEG-6000胁迫处理下，Si处理下的植株株高和根长有显著提高(P<0.05)，比同期不施加纳米硅肥处理下分别提高了0.52和0.43 cm(图2)。在无PEG-6000渗透胁迫时，Si处理和无Si处理下远东芨芨草幼苗鲜重分别为30.83和32.65 mg，两者间差异显著(P<0.05)；当进行PEG-6000渗透胁迫时，Si处理相比于无Si处理下其幼苗鲜重增加了1.83 mg，两者间差异显著(P<0.05)；同时，其植株相对含水量也有显著提高，比同期的不施加纳米硅肥处理提高了2.2个百分点，表现出纳米硅肥对渗透胁迫下的远东芨芨草有缓解作用。

图1 纳米硅肥对PEG-6000处理下远东芨芨草外观的影响Fig. 1 Effect of nano-silicon fertilizer on the exterior of Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

2.2 纳米硅肥对远东芨芨草渗透调节物质含量的影响

在无PEG-6000渗透胁迫处理时，与-Si/-PEG(对照)处理相比，+Si/-PEG处理下远东芨芨草幼苗地上、地下部分中的淀粉含量没有表现出显著差异(P>0.05)，而其地上部分的可溶性蛋白含量显著增加(P<0.05)，而可溶性糖含量、游离脯氨酸含量显著降低(P<0.05)；在有PEG-6000渗透胁迫处理时，Si处理下其植株地上部分和地下部分的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量都显著增加(P<0.05)，变化最显著的是地上部分的游离脯氨酸和可溶性糖，比同期不施加纳米硅肥处理下分别增加了2.09 μg·g-1和2.006 mg·g-1(图3)。

图2 纳米硅肥对PEG-6000处理下远东芨芨草表型的影响Fig. 2 Effect of nano-silicon fertilizer on the phenotype of Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

不同字母表示不同处理间显著差异(P<0.05)。下同。

Difference lowercase letters indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level; similarly for the following figures.

2.3 纳米硅肥对远东芨芨草抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响

在无PEG-6000渗透胁迫处理时，与-Si/-PEG(对照)处理相比，+Si/-PEG处理下远东芨芨草幼苗地上部分和地下部分的POD活性、CAT活性、SOD活性显著增加(P<0.05)，其中，CAT活性的变化最显著(P<0.05)，地上部分中CAT活性差异达到了1.01 U·g-1，地下部分中CAT活性差异达到了0.23 U·g-1；在PEG-6000渗透胁迫处理下，+Si/+PEG处理下和-Si/+PEG处理下相比，远东芨芨草幼苗地上部分和地下部分的POD活性、CAT活性和SOD活性也显著增加(P<0.05)，地下部分的CAT活性变化较小，比同期不施加纳米硅肥处理下仅提高了0.29 U·g-1，地上部分的POD活性变化最显著，提高了21ΔA470·(g·min)-1。

在无PEG-6000渗透胁迫时，+Si/-PEG处理的远东芨芨草的地上部分和地下部分的丙二醛(MDA)含量比-Si/-PEG处理的显著降低(P<0.05)(图4)，

图3 纳米硅肥对PEG-6000处理下远东芨芨草渗透调节物质含量的影响Fig. 3 Effect of nano-silicon fertilizer on the osmolytes content in Achnatherum extremiorientale under osmotic stress

图4 纳米硅肥对PEG-6000处理下远东芨芨草抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响Fig. 4 Effect of nano-silicon fertilizer on the antioxidant enzyme activity and malondialdehyde content of Achnatherum extremiorientales

远东芨芨草的地上部分和地下部分的MDA含量比同期的不施加纳米硅肥处理的分别降低了12和3.8 mmol·g-1；在PEG-6000渗透胁迫下，施加纳米硅肥(+Si/+PEG)远东芨芨草的地上部分和地下部分MDA含量比单独进行PEG-6000渗透(-Si/+PEG)处理显著降低(P<0.05)，远东芨芨草的地上部分和地下部分的MDA含量分别降低了4.7和6.7 mmol·g-1。

3 讨论

3.1 纳米硅肥对PEG-6000处理下远东芨芨草幼苗表型影响

禾本科植物体内沉积的硅大部分分布于地上部分，对植株生长有明显的促进作用[12]，这是因为当硅肥浓度在一定范围内时，通常会诱导植物根系向垂直、水平方向扩展，并分生出大量侧生毛细根，扩大根系吸收水分的范围[13]，显著提高植物株高[14-15]，增加植物相对含水量[16-18]，从而改变植物的鲜重。本研究证实，当在PEG-6000处理中施加纳米硅肥后，受渗透胁迫影响的远东芨芨草幼苗长势会有好转，植株高度、根系生长量以及茎秆健壮程度都会好于单纯PEG-6000处理的远东芨芨草幼苗；同时，远东芨芨草幼苗的生物量会有明显的增加，相比于单纯PEG-6000处理的远东芨芨草幼苗株高增加了0.52 cm，相对含水量提高2.2%，根长增长了0.43 cm，植株鲜重增加了1.875 mg，纳米硅肥的施加对其影响差异显著，从而提高植株的抗旱能力。

3.2 纳米硅肥对PEG-6000处理下远东芨芨草幼苗生理指标影响

渗透胁迫是影响远东芨芨草观赏性的重要因素之一，渗透胁迫影响的生理指标变化有很多种，是一个复杂的生理变化过程。

植物抗旱性的强弱可通过渗透调节物质的累积和弹性调节能力的大小直接反映[19-21]，而通过施加外源硅可以缓解干旱胁迫下植物体中的渗透调节物质的降解[22]，促进植物体内的渗透调节物质的积累[23]，从而改善植株体内的水分状况。本研究证实，相比于PEG-6000处理的远东芨芨草幼苗，在PEG-6000处理中施加纳米硅肥后，其叶片和根系中的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量会显著的增加，这是因为纳米硅肥会促进远东芨芨草幼苗叶片和根系通过积累渗透调节物质而进行渗透调节，从而维持植株正常生长；而淀粉含量变化则不显著，可能是渗透胁迫显著抑制了淀粉合成途径[24]，导致淀粉含量保持稳定状态[25]，也可能与胁迫持续时间有关[26]。

SOD、POD、CAT等酶类是细胞抵御活性氧伤害的重要保护酶系统，它们在清除超氧自由基、过氧化氢和过氧化物以及阻止或减少羟基自由基形成等方面起着重要作用，当植物受到干旱胁迫时，活性氧产生相对增多，与其相适应的体内活性氧清除酶类活性和抗氧化物含量也相应增加[27]，而外源硅的施加则提高了逆境胁迫下植物叶片的抗氧化酶活性[28]。本研究证实，相比于单纯PEG-6000处理，纳米硅肥的施加促进远东芨芨草地上部分和地下部分中SOD、POD、CAT酶活性显著提高，缓解了PEG-6000胁迫处理对远东芨芨草幼苗的损害。MDA是逆境胁迫引起膜质过氧化的重要指标[29]，研究证实外源硅可降低干旱胁迫下植物[30]的MDA含量，缓解氧化损伤。本研究亦证实，PEG-6000处理下远东芨芨草地上部分和地下部分中的MDA含量显著增加，而施加纳米硅肥后，其地上部分和地下部分中的MDA含量则有所降低。

4 结论

通过外源纳米硅肥对远东芨芨草幼苗进行PEG-6000共处理，结果显示，施加0.075 mmol·L-1的外源纳米硅肥可使其幼苗株高和根长比同期的不施加纳米硅肥处理下分别提高了0.52和0.43 cm，同时增加了可溶性糖含量，改变了地上部分中CAT活性，减少了地下部分的MDA含量，推测外源纳米硅肥的施加可以减少远东芨芨草幼苗渗透失水情况，促进其渗透调节的正常工作，激活和维持抗氧化系统的正常运转，缓解对其幼苗的生长抑制，显著缓解胁迫损害，使之在模拟干旱胁迫下保持正常的植株体态。因此，施加0.075 mmol·L-1的外源纳米硅肥对12% PEG-6000模拟干旱下的远东芨芨草幼苗有显著缓解作用。