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淡紫灰链霉菌除草活性物质对苘麻叶片生理生化的影响



全 文 : 2015,41(2):24-28  Plant Protection
研 究 报 告
Research Reports
收稿日期: 2014-02-25   修订日期: 2014-05-11
基金项目: 公益性行业(农业)科研专项(201303031)
联系方式 E-mail:songhongw125@163.com
淡紫灰链霉菌除草活性物质对苘麻叶片
生理生化的影响
魏松红, 杨亚飞, 李平生, 蔺丽文, 东 琴, 纪明山
(沈阳农业大学植物保护学院,沈阳 110866)
摘要 以苘麻成株叶片为材料,采用植物抗性生理分析测定技术研究了淡紫灰链霉菌除草活性物质D-13组分对苘
麻叶片细胞膜透性、叶片内MAD含量、SOD、CAT和APX酶活性变化的影响,以及对膜系统的影响。结果表明,苘
麻叶片经D-13组分处理后,细胞膜透性随着D-13组分浓度的增加而增加,MDA含量在D-13组分处理后,随着
D-13组分浓度的增加而升高。在电镜观察下,叶片细胞的膜系统随着D-13组分浓度的升高呈现出不同的受害情
况。随着D-13组分处理时间的延长,SOD、CAT、APX活性均出现了不同程度的下降,与对照相比,SOD、CAT、
APX在40h时活性达到最低,分别比对照活性降低超过了60%、30%和50%。可见,淡紫灰链霉菌除草活性物质
可严重降低苘麻叶片的生理生化活性。
关键词 除草活性物质; 膜透性; MDA; 酶活性; 超微结构
中图分类号: S 451,S 476  文献标识码: A  DOI: 10.3969/j.issn.0529-1542.2015.02.004
Physiological effects of the substances with herbicidal activity from
Streptomyces lavendulae on Abutilon theophrasti leaves
Wei Songhong, Yang Yafei, Li Pingsheng, Lin Liwen, Dong Qin, Ji Mingshan
(Colege of Plant Protection,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)
Abstract The effects of the substances with herbicidal activity,D-13 components,fromStreptomyces lavendulae
on membrane permeability,MDA content,SOD,CAT and APX activities in cels of Abutilon theophrasti Medi-
cus leaves were studied through analyzing the resistance physiology.The results showed that the cel membrane
permeability and the MDA content increased with the increase of D-13 concentration.Under the electron micro-
scope,leaf cel membrane system showed different symptoms with the increase of D-13 concentration.SOD,CAT
and APX activities declined to different degrees with the extension of processing time of D-13 components.Com-
pared with the controls,SOD,CAT and AXP activities were the lowest at 40 h,decreasing more than60%,30%
and 50%,respectively,compared with the control.It is concluded that D-13 components could effectively de-
pressed the physiological activities of A.theophrasti leaves.
Key words substance with herbicidal activity; membrane permeability; MDA; enzyme activity; ultrami-
crostructure
  苘麻(Abutilon theophrasti Medicus),是锦葵
科(Malvaceae)苘麻属(Abutilon Miler)一年生亚灌
木状草本,主要危害玉米、棉花、豆类、蔬菜等作物,
荒地、路旁亦有生长[1]。由于其具有广泛的适生性
和较强的繁殖特性,已经成为普遍的危害物种。目
前,化学除草剂在杂草防治中占有较大比重,但化学
除草剂的大量使用也引发了一系列问题,诸如环境
污染日趋严重、耐药和抗药杂草种群的上升、对非杂
草生物的危害等。许多微生物寄主存在专一性,产
生的毒素首先渗入宿主杂草,破坏其内部结构,进而
41卷第2期 魏松红等:淡紫灰链霉菌除草活性物质对苘麻叶片生理生化的影响
使杂草产生病斑或枯萎,最终造成杂草的死亡。
Kim等[2]报道不等弯孢霉产生的棘壳孢素pyreno-
cine A和pyrenocine B均可引起百慕大草坪的电解
质渗漏和叶片尖端枯萎。从百日草链格孢(Alter-
naria zinniae)内分离到的毒素zinniol,可抑制番
茄、西瓜、柑橘和胡萝卜种子萌发,引起西瓜、西葫
芦、燕麦等植物幼苗的萎蔫,可以干扰细胞的钙素调
节过程而使细胞死亡[3]。据不完全统计,被研究的
生防真菌多达150余种[4]。本试验筛选出对苘麻具
除草活性的淡紫灰链霉菌(Streptomyces lavendu-
lae)[5],其次级产物 D-13组分可以使苘麻叶片萎
蔫、干枯,研究D-13组分对苘麻叶片伤害的生理生
化影响,能够为利用浅紫灰链霉菌的代谢产物作为
控制苘麻的生物源除草剂开发提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料
苘麻(Abutilon theophrasti Medicus)采自沈阳
农业大学实验基地,对种子进行自然风干处理,装入
牛皮纸袋中,放置于阴凉干燥处备用。
淡紫灰链霉菌株从土壤中分离筛选获得。将菌
种活化,接种到改良的高氏一号培养基上,培养5d。
用正丁醇混合萃取、合并有机相。减压浓缩,获得粗
提取物,提取物经一级、二级柱层析分离及生物测定
得到活性组分D-13。
1.2 细胞膜透性的测定
选取生长一致的露白苘麻种子在温室内培育,
至幼苗长出3~4对叶时,取幼苗倒数第3对叶片。
用流水冲洗30min,再用蒸馏水清洗3次,滤纸吸干
水分。切成0.5cm×0.5cm方块,称取0.5g,浸入盛
有浓度50、100、500、1 000μg/mL的D-13组分溶液
的试管中,真空减压处理30min,28℃光照下2h,每
个处理3次重复。取出叶片,用蒸馏水冲洗3次,用
滤纸吸干叶片表面水分,置于盛有10mL蒸馏水的
20mL试管中,用滤网使叶片完全浸入水中,于8、16、
24、32和40h后,在室温下用电导仪测定叶组织浸出
液的电导率,将各处理材料煮沸15min,冷却至室温
后测定叶片组织细胞膜彻底破坏后的最大电导率
值[6],计算D-13组分对叶片组织细胞膜的伤害率。
伤害率用相对电导率来表示。
1.3 丙二醛(MDA)含量的测定
叶片处理同1.2,用蒸馏水冲洗3次,用滤纸吸
干叶片表面的水分,加入5mL磷酸缓冲液(pH7.8,
内含1%PVP),冰浴研磨成匀浆,于2 500r/min离
心10min,取上清液2mL与2mL硫代巴比妥酸溶
液(内含20%三氯乙酸,0.5%硫代巴比妥酸)混合,
100 ℃ 水浴 30 min,冷却后于2 500r/min离心
10min,取上清液分别在450、532和600nm处测消
光度值A450、A532和A600,按公式Y532=-0.001 98+
0.088A450,MDA的消光度值D=A532-A600-Y532,
求出样品的 MDA含量[6]。
1.4 细胞叶绿体超微结构的观察
幼苗长出3~4对叶时,取幼苗倒数第3对叶片
叶脉附近叶肉组织,切成 1 mm×3 mm 长条。
2.5%戊二醛固定2h,蒸馏水清洗3次,1%锇酸固
定2h,PBS(二钾砷酸钠缓冲液配制)清洗2h。
50%、70%乙醇脱水各0.5h,80%、90%的丙酮脱水
各0.5h,100%的丙酮脱水3次各10min。Epon-
812#环氧树脂渗透过夜,Epon-812#环氧树脂包
埋。在35、45、60℃条件下依次聚合24h,LKB-5超
薄切片仪切片。醋酸双氧铀,醋酸铀与柠檬酸铅双
重染色[7]。H-7650型透射电镜观察。
1.5 酶活性的测定
超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)
活性测定[6]:取长势均匀,生长至3~4对叶的苘麻
叶片0.5g于预冷的研钵中,加1mL预冷的磷酸缓
冲液在冰浴上研磨成匀浆,加缓冲液使终体积为
5mL。在4℃条件下10 000r/min离心20min,上清
液即为SOD粗提液。取2.65mL SOD反应液(1.5mL
0.05mol/L磷酸缓冲液pH 7.8、0.3mL 130mmol/L
甲硫氨酸溶液、0.3mL 750μmol/L氮蓝四唑溶液、
0.3mL 100μmol/L EDTA-Na2 溶液、0.25mL蒸
馏水)于10mL试管中,加入50μL酶提取液,再加
入300μL核黄素溶液,混匀(以pH7.8磷酸缓冲液
代替酶液做对照)。在4 000lx日光下反应20min,
黑暗终止反应,于560nm下测吸光值。SOD活性
以1g鲜重样品1min抑制氮蓝四唑光化还原的
50%(即酶单位)来表示。
过氧化氢酶(catalase,CAT)酶活性测定[8]:取
各处理的苘麻叶片0.5g置研钵中,加2~3mL
4℃下预冷的pH=7.8的磷酸盐缓冲液和少量石
英砂研磨成匀浆后,转入25mL容量瓶中,并用缓
冲液冲洗研钵数次,合并缓冲洗液,并定容到刻度。
混合均匀,将容量瓶置5℃静置10min,取上部澄清
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2015
液在4 000r/min下离心15min,上清液即为过氧
化氢酶粗提液,5℃下保存备用。取2.5mL酶液
于50mL三角瓶中(对照加煮死酶液2.5mL),再
加入2.5mL 0.1mol/L H2O2,同时计时,于30℃
恒温水浴中保温10min,立即加入10% H2SO4
2.5mL用0.1mol/L KMnO4 标准溶液滴定,至出
现粉红色(在30min内不消失)为终点。CAT酶
活性用1g鲜重样品1min内分解 H2O2 的毫克数
表示。
抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,
APX)活性的测定:将各处理的苘麻叶片0.5g加入
提取液,研磨匀浆,15 000r/min离心15min,上清
液定容至5mL,取部分上清液经适当稀释后用于酶
活测定。在3mL的反应体系中,加入50mmol/L
pH=7.0PBS 1.8mL,15mmol/L AsA 0.1mL,酶
液0.1mL,0.3mmol/L H2O21mL(以不加酶液为
对照),记录A290变化。以1min内A290变0.01定义
为1个酶活性单位(U)。
2 结果与分析
2.1 D-13组分对苘麻叶片细胞膜透性的影响
D-13组分对苘麻叶片细胞膜透性的影响见图
1。浸出液的相对电导率随D-13组分浓度和处理时
间的变化而增强。D-13组分溶液浓度在50~
100μg/mL的范围内时,随着时间的延长涨幅较小,
曲线较为平缓。当D-13组分浓度超过100μg/mL,
相对电导率显著增加时间出现在24h左右。当
D-13组分浓度达到500μg/mL时,细胞液渗出率比
对照增加35%。结果表明D-13组分对苘麻叶片细
胞膜透性有影响,能够明显地引起叶片组织电解质
的外渗。
图1 D-13组分对苘麻叶片细胞膜透性的影响
Fig.1 Influences of D-13on the permeability of cel
membrane of A.theophrasti leaves
2.2 D-13组分对细胞内丙二醛(MDA)含量的影响
用D-13组分处理苘麻叶片后,细胞内 MDA的
含量见图2,结果表明D-13组分处理能增加叶片组
织MDA的含量,当D-13组分浓度在100μg/mL以
下时,MDA的含量上升不明显,而D-13组分浓度
在100μg/mL以上时,MDA的含量随D-13组分浓
度的增加而上升,当D-13组分浓度达到1000μg/
mL时 MDA的含量比对照增加237%。试验结果
表明D-13组分能引起苘麻叶片细胞组织内膜脂过
氧化作用,导致 MDA的大量渗漏。
图2 D-13组分对苘麻叶片细胞内 MDA含量的影响
Fig.2 Influences of D-13on MDA
content of A.theophrasti leaves
2.3 D-13组分对苘麻叶片细胞叶绿体超微结构的
影响
  未经D-13组分处理的苘麻叶片细胞叶绿体分
布均匀(图3a),排列整齐,多成不规则椭圆形,基质
分布均匀,膜结构清晰,基粒类囊体排列整齐紧密。
经100μg/mL D-13组分处理后,叶片的超微结构发
生变化(图3b),壁间偶有不明物质,叶绿体发生扭
曲变形,基粒片层排列正常。经500μg/mL D-13组
分处理后(图3c),可见细胞质壁分离严重,叶绿体膜
变形受损变得模糊不清,偶有空泡化,大部分叶绿体
的基 质 片 层 排 列 紊 乱,且 嗜 锇 颗 粒 增 多。经
1 000μg/mL D-13组分处理后(图3d),叶绿体空
泡化加剧,叶绿体膨胀较严重,基粒片层排列不规
则且肿胀分解,嗜锇颗粒进一步增多。未经 D-13
组分处理的苘麻叶片细胞线粒体、质膜结构正常
(图3e),线粒体基质、脊清晰可见,质膜双层结构
清晰。经500μg/mL D-13组分处理后(图3f~g)
线粒体变形、脊数量减少,质膜出现局部破裂,内
含物外流。
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41卷第2期 魏松红等:淡紫灰链霉菌除草活性物质对苘麻叶片生理生化的影响
图3 D-13组分对苘麻叶片细胞超微结构的影响
Fig.3 Influences of D-13on cel ultrastructure of A.theophrasti leaves
2.4 D-13组分对苘麻叶片酶活性的影响
D-13组分对苘麻叶片中SOD、CAT和APX酶活
性的影响分别见图4~6,结果表明浓度在500μg/mL
时,苘麻叶片中CAT、APX和SOD 3种抗氧化酶活性
的变化大小和变化趋势各不相同。作为植物抗氧化
系统第一道防线的SOD,处理16h时对其活性没有
明显的影响,活性仅略有降低。随着处理时间的延
长,SOD 活性迅速下降,40h时降低超过60%。
CAT活性在D-13组分处理的过程中其检测值缓慢
降低,前期CAT活性没有太大波动,但在24h时
CAT活性大为降低,比对照降低32%。APX活性
在处理16h后略有升高,随着处理时间的延长,
APX的活性大幅下降,处理时间为40h时活性大幅
度降低,比对照降低51%。
图4 D-13组分对苘麻叶片超氧化物歧化酶活性的影响
    Fig.4 Influences of D-13on SOD activity
       of A.theophrasti leaves
   
图5 D-13组分对苘麻叶片过氧化氢酶活性的影响
  Fig.5 Influences of D-13on CAT activity
      of A.theophrasti leaves
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图6 D-13组分对苘麻叶片抗坏血酸
过氧化物酶活性的影响
Fig.6 Influences of D-13on APX activity of
A.theophrasti leaves
3 结论与讨论
活性物质主要的作用方式有:破坏寄主细胞膜
的结构、影响寄主体内正常的生理代谢等[9]。淡紫
灰链霉菌D-13组分是病原生物代谢过程中产生的,
在生理浓度范围内干扰植物正常生理功能的化合
物,可以引起苘麻叶片萎蔫、坏死。
细胞膜是活细胞和环境之间的屏障,各种不良
环境对细胞的影响往往首先作用于细胞膜。试验结
果表明:在喷施D-13组分后细胞质膜受到破坏,膜
透性增加,细胞内部分物质外渗,MDA含量升高。
MDA含量变化趋势与膜透性相似,在D-13组分浓
度低于100μg/mL时,对细胞膜脂过氧化及膜透性
的影响相对较小;当D-13组分浓度高于500μg/mL
时,膜脂过氧化及 MDA含量大大增加。李荣金和
强胜[10]的研究表明,细胞膜脂质过氧化,MDA含量
上升会导致植物细胞变性、降解和功能失常。细胞
膜透性和 MDA含量的变化是反映细胞膜脂质过氧
化程度的重要指标。可能由于O-2 、H2O2 的过量积
累而致使膜脂过氧化等一系列生理生化变化,致病
毒素引起细胞膜的伤害,造成膜功能的紊乱。
细胞超微结构改变是植物一系列生理活动异常
的细胞学基础,研究植物受D-13组分毒害后细胞超
微结构的变化,可以从细胞水平上揭示D-13组分毒
害植物的机理[11],张云霞等[12]报道,用莲子草假隔
链格孢毒素处理空心莲子草叶片后,叶肉细胞超微
结构发生改变,具体表现为叶绿体、质膜、线粒体等
细胞器结构受到伤害。用D-13组分处理苘麻叶片
后叶肉细胞超微结构发生改变,表现为叶绿体、线粒
体、质膜等细胞器结构受到伤害。这些结果表明
D-13组分对苘麻叶片细胞膜结构具有破坏作用。
SOD是植物体内第一道防线[13],试验中SOD
活性在低D-13组分浓度处理下只稍有波动,但随着
D-13组分浓度增大,SOD 活性明显受到抑制。
CAT是清除高等植物叶绿体内 H2O2 的重要防御
酶[14],但在应对D-13组分处理中酶活性持续下降,
这可能是D-13组分作用于叶绿体时产生过多的活
性氧,活性氧破坏了膜系统,进而抑制了CAT的活
性。APX酶在处理初期虽有短暂上升,但随着时间
延长酶活性也大幅降低。这一结果与姜述君等[15]
(用狭卵链格孢菌毒素细交链孢菌酮酸处理稗草)及
李荣金和强胜[10](用百日草链格孢菌毒素处理加拿
大一枝黄花叶片)所做研究叶片细胞生理生化特性
的变化趋势相似。
综上所述,D-13组分对苘麻叶片细胞膜系统和
抗氧化酶系统伤害的顺序为:D-13组分处理下,苘
麻叶片细胞内产生的活性氧远大于抗氧化酶系统的
清除能力,活性氧积累,进而破坏膜系统,膜透性增
大,胞质外渗(表现为受害叶片呈水浸状),胞内正常
的生理代谢被打乱,最终导致细胞受到不可逆伤害,
所以D-13组分对苘麻伤害的实质是对苘麻膜系统
的破坏。
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