全 文 ：植物生理学通讯 第 46卷 第 9期, 2010年 9月 923
收稿 2010-02-28 修定 　2010-04-28
资助 华南农业大学校长基金(4 20 0-K081 72 )。
* 通讯作者(E-mail: jtian@scau.edu.cn; Tel: 020-85280156)。
锰有效性对大豆锰、铁和磷吸收及其分布的影响
严炜 1,2, 刘国道 1, 田江 2,*
1中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所, 海南儋州 571737; 2华南农业大学资源与环境学院根系生物学研究中心,
广州510642
提要: 本文研究外源锰有效性对大豆生长和锰、铁、磷吸收及其分布影响的结果表明, 在锰缺乏和锰浓度超过50 μmol·L-1
的处理条件下, 大豆生长受到明显抑制。随着外源锰浓度增加, 大豆体内, 尤其在老叶中锰浓度显著增加。锰和铁之间存
在一定的拮抗作用。缺锰和锰毒不影响大豆对磷的吸收。但是, 缺锰显著影响磷在老叶和新叶中的分配。
关键词: 锰缺乏; 锰毒害; 磷; 铁; 大豆
Effects of Manganese Availability on Acquisition and Distribution of Manganese,
Iron and Phosphorus in Soybean [Glycine max (L.) Merr.]
YAN Wei1,2, LIU Guo-Dao1, TIAN Jiang2,*
1Tropical Crops Genetic Resource Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Danzhou, Hainan 571737, China;
2Root Biology Center, College of Natural Resources and Environment Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou
510642, China
Abstract: Effects of manganese availability on soybean (Glycine max) growth, acquisition of manganese, iron
and phosphorus were investigated. The results showed that soybean growth was significantly inhibited when
manganese was deficient or beyond 50 μmol·L-1 in the media. With increase of manganese concentration, more
manganese was accumulated in plants, especially in old leaves. Antagonistic effects were observed between
manganese and iron. Acquisition of phosphorus was not affected by manganese availability. However, distribu-
tion of phosphorus in old and young leaves was significantly influenced by manganese deficiency.
Key words: manganese deficiency; manganese toxicity; phosphorus; iron; soybean
锰是植物维持正常生命活动所必需的微量元
素之一。培养介质中锰过量或缺乏, 导致叶绿素合
成减少、光合作用受阻、活性氧累积和体内激素
平衡受到破坏, 造成植物生长, 尤其是叶部和根尖
分生区的生长受到明显的抑制(Santandrea等1998;
臧小平 1999)。在长期的进化过程中, 植物形成了
一系列适应锰毒害的机制, 包括抗氧化酶活性的提
高、有机酸分泌的增加、锰在叶部质外体和液泡
的分隔等(González等 1998; Santandrea等 2000; 徐
圣友等 2003; Fecht-Christoffers等 2003)。最近的
研究表明, 其它营养元素(如 Ca、Mg、P、Fe和
S i 等)的有效性可以影响植物对锰毒害的抗性
(Rogalla和Römheld 2002; Hauck等 2003; Sarkar等
2004; Dou等 2009)。由于 Ca、Mg、Fe与Mn存
在拮抗作用, 所以较高浓度的 Ca、Mg和 Fe可以
抑制植物对Mn的吸收, 缓解Mn毒害对植物生长
的抑制作用(臧小平 1999; Hauck等 2003; Dou等
2009)。对马铃薯和黄瓜的研究表明, 提高植物对
P和Si的吸收可以降低植株体内锰活性, 从而提高
植物抵御锰毒害的能力(Sarkar等 2004; Dou等
2009)。
大豆是重要的粮食、油料和饲料兼用作物。
土壤缺锰和锰毒害是限制大豆生产的重要障碍因子
之一(Heenan和 Campbell 1980)。但是, 关于外源
锰有效性影响大豆生长以及大豆耐锰毒害的研究甚
少。本研究以大豆品种 ‘华春 3号 ’为材料, 研究
了外源锰有效性对大豆生长和锰、铁、磷吸收和
分布的影响, 探讨了锰缺乏和毒害抑制大豆生长的
部分生理机制。
材料与方法
本次试验供试大豆[Glycine max (L.) Merr.]品
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种为 ‘华春 3号 ’。种子经 3% H2O2消毒后, 播入
石英砂中在 25 ℃暗室催芽, 发芽后搬入大棚进行
培养, 温度为 25 ℃/18 ℃ (昼 /夜), 湿度为 75%, 光
照强度为 800 μmol·m-2·s-1。待第 1片三出复叶展
开时选取生长一致的幼苗, 移栽至 14 L塑料盆中
进行水培, 塑料盆长 40 cm×宽 30 cm×高 12 cm。
水培营养液为 1/2Hoagland溶液, 每 7 d更换 1次营
养液, 每 2 d用KOH或H2SO4调节 pH值至 5.8。
幼苗培养 1周后, 待第 2片三出复叶完全展开
时, 对大豆幼苗进行锰处理, 即采用 1/2Hoagland+
硫酸锰(MnSO4)的营养液进行水培, 设 7个锰浓度
梯度, 分别为 0、5、10、50、100、200和 400
μmol·L-1。营养液 pH值每天用KOH或H2SO4调至
5.0。锰处理 5 d后, 待锰浓度为 0 μmol·L-1的大豆
新叶(从上往下数第1片完全展开叶)出现黄褐色缺
锰斑块(老叶无明显症状), 锰浓度 50 μmol·L-1的大
豆老叶(从下往上数第1片完全展开叶)出现褐色斑
点(新叶无明显症状)后(图 1), 收获大豆植株, 测定
各种指标。
大豆植株在 75 ℃下烘至恒重后, 称取干重。
老叶上锰氧化斑数目的测定采用方格法(Horst等
1999), 即用 1 cm2的透明薄膜在待测叶片前段、中
段、后段各数 3个方格的斑点数目, 取其平均值。
植株地上部和根部锰、铁含量的测定采用电感耦
合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法。磷的测定
采用钼锑抗比色法(Murphy和 Riley 1962)。
结果与讨论
1 不同锰浓度处理对大豆生长的影响
外源锰有效性对大豆叶片的性状有着明显的
影响。锰缺乏(0 μmol·L-1)时大豆新叶出现黄褐色
缺锰斑块。当外源锰浓度为 50 μmol·L-1时, 大豆
老叶出现褐色斑点(图 1)。外源锰有效性对大豆生
长也具有明显的影响。在锰缺乏的处理条件下, 大
豆地上部(除根以外的茎和叶部分)和根部干重受到
明显的抑制(图 2)。大豆地上部干重在锰浓度为 5
μmol ·L - 1时达到最高, 当锰浓度为 5、10、5 0
μmol·L-1时, 大豆根部干重达到最高。大豆地上部
干重在锰浓度为 10 μmol·L-1时即开始出现缓慢下
降, 锰浓度为 100 μmol·L-1时, 与锰浓度为 5 μmol·L-1
相比, 干重出现显著下降, 而根部干重在锰浓度为
200 μmol·L-1时才显著下降, 显示大豆地上部生长
对锰毒害的反应比根部敏感。
2 不同锰浓度处理下大豆老叶锰氧化斑数目的变化
植株老叶出现锰氧化斑是植物受锰毒害的症
状之一。当锰浓度为 0、5、10 μmol·L-1时, 老
叶没有发现明显锰氧化斑。但是, 当锰浓度为 50
μmol·L-1时, 老叶出现明显的锰氧化斑, 而且随着锰
处理浓度的提高, 锰氧化斑数目显著增加,在 400
μmol·L-1 Mn处理下达到 69个 ·cm-2 (图 3)。而从图
2看出, 锰浓度为 50 μmol·L-1时植株地上部和地下
部的生物量并没有受到显著的抑制, 说明锰毒的症
状表现与植株生物量的受抑制作用并不同步。此
图 1 大豆老叶和新叶在不同锰浓度处理下的性状
Fig.1 Characters of old and new soybean leaves at different manganese levels
A: 新叶; B: 老叶。
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外, 锰浓度为50 μmol·L-1时植株体内锰浓度显著提
高(表 1)。这表明大豆 ‘华春 3号 ’的锰毒临界处
理浓度为 50 μmol·L-1。
3 不同锰浓度处理对大豆地上部和根部锰、铁和
磷浓度的影响
外源锰浓度显著影响植株地上部锰浓度、铁
浓度以及锰铁比(表 1)。当外源锰浓度为 50 μmol·L-1
时, 其地上部锰浓度显著增加, 并且随着外源锰浓
度的增加而显著提高。与锰浓度变化趋势不同, 植
株地上部的铁浓度随着外源锰浓度的提高而降低,
尤其当锰浓度从 0 μmol·L-1提高到 5 μmol·L-1及从
10 μmol·L-1提高到 50 μmol·L-1时, 其铁浓度分别降
低了30％和28％, 说明锰与铁之间存在一定的拮抗
作用, 这与前人的研究结果相符(莫尔维德特等
1984; 邹邦基和何雪晖 1985; Hauck等 2003)。虽
然锰浓度的提高显著增加了锰铁比(Mn/Fe), 但是对
地上部磷的浓度没有明显的影响。
图 2 不同锰浓度处理对大豆地上部和根部干重的影响
Fig.2 Effects of different manganese levels on dry weight of shoots and roots in soybean
A: 地上部; B: 根部。不同字母代表在 0.05 水平差异显著, 下图同此。
表 1 不同锰浓度处理对地上部和根部锰、铁、磷浓度和锰铁比率的影响
Table 1 Concentrations of manganese, iron, phosphorus and the ratio of manganese to iron in the shoots and
roots at different manganese levels
地上部 根部
锰处理浓度 /
μmol·L-1 锰浓度 / 铁浓度 / 锰铁比 磷浓度 / 锰浓度 / 铁浓度 / 锰铁比 磷浓度 /
mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW) mg·g-1(DW)
0 0.02±0e 0.47±0.01a 0.04±0e 7.87±0.30a 0.03±0f 2.08±0.03a 0.01±0f 12.78±0.59a
5 0.04±0e 0.33±0.01b 0.13±0.01e 7.91±0.18a 0.24±0.01ef 1.40±0.08b 0.17±0.01ef 11.81±0.28a
1 0 0.06±0e 0.32±0.03b 0.20±0.01e 7.45±0.45a 0.38±0.03e 1.31±0.13b 0.29±0.02e 12.15±0.83a
5 0 0.17±0d 0.23±0.01c 0.75±0.02d 7.76±0.31a 1.10±0.09d 1.49±0.12b 0.74±0.04d 13.25±0.43a
100 0.29±0.02c 0.24±0.02c 1.23±0.06c 7.95±0.47a 1.55±0.24c 1.43±0.05b 1.08±0.06c 12.05±0.52a
200 0.52±0.01b 0.26±0.01c 1.98±0.07b 8.54±0.48a 2.43±0.37b 1.35±0.06b 1.78±0.05b 12.89±0.24a
400 0.87±0.03a 0.27±0.01c 3.22±0.10a 8.64±0.48a 2.86±0.07a 1.41±0.17b 2.09±0.20a 11.72±1.00a
　　表中同列不同小写字母表示差异显著(P<0.0 5),下表同此。
图 3 不同锰浓度处理下大豆老叶锰氧化斑数
Fig.3 Amount of the oxydic speckles in old leaves of
soybean at different manganese levels
植物生理学通讯 第 46卷 第 9期, 2010年 9月926
与地上部锰浓度、磷浓度和Mn/Fe变化相似,
外源锰浓度的增加显著提高根部锰浓度和Mn/Fe。
没有影响根部磷的浓度(表 1)。但地下部的铁浓度
并没有出现显著差异, 而地上部铁浓度显著降低, 暗
示了锰可能主要抑制了铁从地下部往地上部运输的
过程。
4 不同锰浓度处理对大豆老叶和新叶锰、铁和磷
浓度的影响
进一步研究外源锰浓度为 0、5、50 μmol·L-1
时老叶和新叶中锰、铁、磷浓度及锰铁比率的变
化的结果(表2)表明, 外源锰浓度的提高显著增加了
老叶锰的浓度和Mn/Fe。锰处理显著降低了老叶
的铁浓度, 50 μmol·L-1锰处理显著降低了老叶的磷
浓度。
与老叶的变化趋势相似, 外源锰浓度的提高增
加了新叶锰的浓度和Mn/Fe, 并在 50 μmol·L-1锰处
理时与对照有显著提高。锰处理显著降低了新叶
铁和磷的浓度(表 2)。但与老叶不同的是, 随着锰
处理浓度的提高, 新叶铁的浓度显著下降, 说明在
锰胁迫下, 新叶不仅受到锰的直接毒害作用, 而且
还面临铁缺乏的胁迫。
锰在植株组织内分布不均和移动性差可能是
造成缺锰与锰毒症状在新叶和老叶表现差异的重要
原因。在缺锰处理下, 新叶锰浓度显著低于老叶,
缺锰时新叶先出现症状(图1-A), 说明老叶中的锰难
以移动到新叶维持其正常生长。在锰处理下, 锰毒
症状首先在老叶上出现(图1-B), 老叶的锰浓度也显
著高于新叶(表 2)。说明了锰处理条件下, 老叶和
新叶中锰的分配不均, 老叶过多的累积锰, 导致锰
毒害的症状比新叶明显。此外, 在缺锰的处理下,
明显提高了叶部, 尤其是新叶磷浓度(表2), 且缺锰
时新叶磷的浓度是老叶的 1.9倍, 说明缺锰可以影
响磷在不同部位的分布。缺锰处理条件下, 新叶磷
浓度的显著提高, 可能是新叶比老叶出现明显缺锰
症状的原因之一。因为, 植株体内的磷酸盐有固定
锰的作用, 磷浓度的提高降低了锰的有效性, 导致
了锰缺乏的加重(Hauck等 2002; Shao和 Sun
2007)。
表 2 不同锰浓度处理下新叶和老叶的锰、铁、磷浓度及锰铁比率
Table 2 Concentrations of manganese, iron, phosphorus and the ratio of manganese to iron in the new and old leaves at different
manganese levels
老叶 新叶
锰处理浓度 /
μmol·L-1 锰浓度 / 铁浓度 / 锰铁比 磷浓度 / 锰浓度 / 铁浓度 / 锰铁比 磷浓度 /
mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW) mg·g-1 (DW)
0 0.02±0c 0.29±0.01a 0.06±0c 5.18±0.34a 0.01±0b 0.27±0.02a 0.04±0b 9.76±0.48a
5 0.06±0.02b 0.22±0.02b 0.28±0.09b 4.56±0.11ab 0.04±0.01b 0.18±0b 0.21±0.07b 5.69±0.50b
5 0 0.34±0.01a 0.24±0b 1.38±0.04a 4.33±0.13b 0.22±0.01a 0.11±0.01c 2.05±0.17a 5.81±0.63b
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