甲基二磺隆对小麦药害的早期诊断

李 涛, 孟丹丹, 杨伟萍, 郭水良, 范洁群*,

(1. 上海市农业科学院，上海 201403；2. 上海师范大学 生命与环境科学学院，上海 200234；3. 上海市金山区张堰镇农业技术推广服务站，上海 201514)

随着化学除草面积、除草剂用量和残留的增大，除草剂引起的作物药害问题不容忽视[1-2]。发生除草剂药害后，人们可通过洗田排毒、追施速效肥、喷施生长调节剂及使用解毒剂等来减轻药害症状，降低产量损失[3]，但是，这些补救措施的效果依赖于尽早和有效诊断除草剂的药害程度[4-5]，因为作物受除草剂药害后，首先发生的是生理生化上的变化，后期才是形态的变化，当形态发生明显和肉眼可视的变化时作物已受到严重损伤，往往难以有效补救[6-7]。故如何有效地早期诊断除草剂对作物的药害，是当前农业生产中急需解决的问题。

除草剂药害对于作物而言是一种典型的逆境胁迫，因此其体内叶绿素、可溶性糖、丙二醛(MDA) 及脯氨酸 (Pro) 含量等指标会发生一定的变化[8-9]，这些变化能够通过便携式生理指标测定仪器、光谱技术以及专业分析软件等进行快速和定量检测。例如，沈诗钰等[10]利用近红外光谱技术测定白茶中可溶性糖含量；申晓慧[11]应用光谱技术估算大豆的叶绿素含量等。说明通过筛选快速响应除草剂胁迫的敏感指标，可实现对除草剂药害的早期诊断。

小麦田是除草剂药害发生的重灾区，其中被报道较多的是甲基二磺隆 (mesosulfuron-methyl)[12-13]。甲基二磺隆属磺酰脲类内吸型除草剂，通过抑制细胞分裂而导致敏感植物死亡，是当前仅有的能够有效控制小麦田节节麦Aegilops tauschiiCoss.危害的除草剂，对雀麦Bromus japonicusThunb. ex Murr.、早熟禾Poa annuaL.、黑麦草Lolium perenneL.、野燕麦Avena fatuaL. 及日本看麦娘Alopecurus japonicusSteud. 等麦田恶性禾本科杂草防效优异，已成为治理小麦田恶性禾本科杂草的特效药剂[14-16]，但在田间使用中，甲基二磺隆对小麦的安全性成为了制约其推广应用的重要因素。鉴于此，本研究以小麦为对象，考察了甲基二磺隆作用下小麦抗逆生理指标和根系指标的变化特点，以期筛选出能够快速指示甲基二磺隆对小麦药害的敏感指标，为甲基二磺隆药害的早期干预提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小麦Triticum aestivumL. 品种扬麦11，由上海市农业科学院作物研究所提供。

药剂：30 g/L 甲基二磺隆可分散油悬浮剂(mesoulfuron-methyl 30 g/L OD)，拜耳股份公司生产，推荐剂量9～15.8 g/hm2(有效成分剂量)。

主要仪器：ASS-4 型生测喷雾台，北京农业信息技术研究中心；DU-800 核酸蛋白分析仪，美国BECKMAN 公司；冷冻研磨仪，上海必盛生物科技有限公司；恒温水浴锅，上海精宏实验设备有限公司；5427 R 台式高速离心机，德国Eppendorf公司；MINI-PAM 便携式叶绿素荧光仪，德国WALZ 公司；V700Photo_V750Pro 扫描仪，日本EPSON 公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试材培养 采用温室盆栽试验。在10 cm ×10 cm × 8 cm 的黑色塑料盆钵内装入6 cm 深的过筛 (20 目，孔径0.85 mm) 消毒土，将盆钵置于装有水的搪瓷盘中吸足水分，每盆播种谷粒饱满的小麦种子15 粒，覆盖1 cm 的过筛细土，置于温室内培养。培养条件：温度15～20 ℃，相对湿度65%～85%。待小麦长至3～4 叶期时间去弱小苗，每盆定苗至10 株，备用。

1.2.2 剂量设置及喷药 30 g/L 甲基二磺隆OD 设有效成分9、18、27、36 和45 g/hm25 个供试剂量，以清水处理为对照，每个处理重复4 次。于小麦3～4 叶期，用生测喷雾台对小麦进行喷雾处理 (扇形喷头，压力275 kPa)，喷液量450 L/hm2。

1.2.3 指标测定 参照文献方法[17]进行。于喷药后5 d，用叶绿素荧光仪测定小麦倒数第2 张叶片的最大光量子产量 (Fv/Fm)，测定前所有小麦暗适应30 min。Fv/Fm 测定完成后，采集小麦倒数第2 张叶片，分别测定丙二醛 (MDA)、脯氨酸(Pro)、可溶性糖和叶绿素含量。叶绿素采用95%乙醇提取，利用比色法测定。MDA、Pro 和可溶性糖含量采用苏州科铭生物技术有限公司生产的试剂盒测定。与此同时，每个盆钵随机选取4 株麦苗，连根取出后用流水将根部泥土洗净，用扫描仪以600 dpi 分辨率获取根系结构图像。于喷药后10 d 测量盆钵内小麦的株高，并称量地上部分鲜重，计算平均值。

1.3 数据处理

试验所得数据采用IBM SPSS Statistics 20 统计软件，利用Duncan 氏新复极差法在P＜0.05 水平进行差异显著性检验。扫描获得的根系结构图像，运用WinRHIZO 根系分析系统获得根尖数、根系平均直径、总根长度、总根表面积和总根体积等特征参数。

2 结果与分析

2.1 甲基二磺隆对小麦地上部分生长的影响

喷施30 g/L 甲基二磺隆OD 后5 d，目测可见小麦生长正常，株高、叶色无明显异常；喷药后10 d 调查发现，与清水对照相比，甲基二磺隆9～45 g/hm2各处理组小麦植株矮化，地上部分生物量减轻，生长受抑制。方差分析结果表明，喷施30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm2可显著抑制小麦的株高和地上部分鲜重 (图1、2)，与清水对照相比，小麦株高分别下降了12.1%、16.7%、17.1%、15.1%和21.1%，地上部分鲜重分别下降了20.6%、23.1%、40.8%、51.2%和54.2%。

图1 30 g/L 甲基二磺隆OD 对小麦株高的影响Fig. 1 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the individual height of wheat seedlings

2.2 甲基二磺隆对小麦MDA 含量的影响

图2 30 g/L 甲基二磺隆OD 对小麦地上部分鲜重的影响Fig. 2 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the fresh weight of wheat seedlings

施药后5 d 取样测定，结果表明：小麦中MDA 含量随着甲基二磺隆施用剂量的增加而逐渐上升。30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm2各处理组小麦中MDA 含量比清水对照分别增加了1.3%、30.9%、64.3%、67.8%和69.8%，当施药剂量达到27 g/hm2时，差异达显著水平。随着甲基二磺隆施用剂量进一步升高，小麦体内MDA 含量不再发生显著变化 (图3)。

图3 30 g/L 甲基二磺隆OD 对小麦MDA 含量的影响Fig. 3 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the MDA content of wheat seedlings

2.3 甲基二磺隆对小麦可溶性糖含量的影响

施药后5 d 取样测定，结果表明：喷施甲基二磺隆可显著提高小麦中可溶性糖含量。30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm2各剂量处理组小麦中可溶性糖含量比清水对照分别增加了25.3%、24.7%、39.3%、49.6%和53.4% (图4)。

图4 30 g/L 甲基二磺隆OD 对小麦可溶性糖含量的影响Fig. 4 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the soluble sugar content of wheat seedlings

2.4 甲基二磺隆对小麦Pro 含量的影响

施药后5 d 取样测定，结果表明：小麦中Pro 含量随着甲基二磺隆施用剂量的增加而逐渐升高。30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm2各剂量处理组小麦中Pro 含量比清水对照分别增加了21.0%、24.2%、25.7%、42.0% 和42.6%，当剂量达到27 g/hm2时，差异达显著水平。随着甲基二磺隆施用剂量进一步升高，小麦体内Pro 含量不再发生显著变化 (图5)。

图5 30 g/L 甲基二磺隆OD 对小麦Pro 含量的影响Fig. 5 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the proline content of wheat seedlings

2.5 甲基二磺隆对小麦叶绿素含量的影响

施药后5 d 取样测定，结果表明：喷施甲基二磺隆对小麦中叶绿素a、b 和总叶绿素含量影响不大，与清水对照相比无显著差异 (图6)。

图6 30 g/L 甲基二磺隆OD 对小麦叶绿素含量的影响Fig. 6 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on the chlorophyll content of wheat seedlings

2.6 甲基二磺隆对小麦Fv/Fm 的影响

由图7 可知，喷施甲基二磺隆显著降低了小麦的Fv/Fm，与清水对照相比，30 g/L 甲基二磺隆OD 9～45 g/hm25 个剂量处理组Fv/Fm 分别下降了1.7%、1.9%、2.8%、3.4%和3.6%。

图7 30g/L 甲基二磺隆OD 对小麦Fv/Fm 的影响Fig. 7 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on Fv/Fm of wheat seedlings

2.7 甲基二磺隆对小麦根系形态的影响

根系图像分析结果表明，喷施甲基二磺隆5 d后，小麦根尖数、总根长、总根表面积和总根体积均受到抑制，但对根系平均直径影响较小。方差分析结果表明，当甲基二磺隆剂量 ≥9 g/hm2时，小麦根尖数和总根长显著低于清水对照；当剂量 ≥27 g/hm2时，小麦总根表面积显著低于清水对照；当剂量 ≥36 g/hm2时，小麦总根体积显著低于清水对照 (表1)。由图8 也可清晰看出，随甲基二磺隆施用剂量增加，小麦根尖数、总根长度、总根表面积和总根体积均明显下降。

图8 30 g/L 甲基二磺隆OD 对小麦根系形态的影响Fig. 8 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on root morphology of wheat seedlings

表1 30 g/L 甲基二磺隆OD 对小麦根系形态的影响Table 1 Effect of mesosulfuron-methyl 30 g/L OD on root morphology of wheat seedlings

3 讨论与结论

已有研究表明，即使是常规剂量使用除草剂，对作物也存在一定的胁迫作用[18]。大量文献资料表明，在逆境胁迫下，植物体内的MDA、Pro、可溶性糖、叶绿素含量以及株高、地上部分生物量、根系形态等会发生变化，这些变化目前已作为评价逆境伤害程度的指标而被广泛应用[8-9]。其中，MDA 是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量反映了植物遭受逆境伤害的程度[19]。小麦MDA 含量随着甲基二磺隆施用剂量的增加而升高，当剂量≥27 g/hm2时，达显著水平，表明高剂量的甲基二磺隆对小麦生长造成了较大的影响。Pro 是调节细胞质渗透性的物质之一，具有维持细胞正常功能和清除活性氧的作用，植物在逆境条件下通过增加Pro 含量来维持渗透平衡，是一种抗逆机制[20]。本研究中Pro 含量随着甲基二磺隆施用剂量的增加而升高，当剂量≥27 g/hm2时，达显著水平，表明喷施高剂量的甲基二磺隆对小麦造成了较为严重的胁迫。而当甲基二磺隆施用剂量达到27 g/hm2时，小麦中MDA 和Pro 含量不再随着施用剂量的增加而出现明显变化，这可能是因为27 g/hm2已经临近甲基二磺隆对小麦的致死剂量，此时，即使进一步提高甲基二磺隆的施用剂量，对小麦的胁迫压力也不再明显变化。可溶性糖是植物在逆境条件下积累最多的具有渗透调节功能的物质，植物通过自身主动积累可溶性糖来适应外界环境条件的变化，是一种自我保护调节机制[21]。本研究中，可溶性糖对于响应甲基二磺隆对小麦的胁迫非常敏感，各供试剂量处理组小麦的可溶性糖含量均显著高于清水对照。Fv/Fm反映了植物对光能的潜在最大利用效率，在逆境胁迫下，植物对光能的利用效率会降低[22]。本研究中，Fv/Fm 随着甲基二磺隆施用剂量的提高而显著下降，表明喷施甲基二磺隆降低了小麦对光能的潜在最大利用效率。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量的多少是衡量植物抗逆性的重要指标[23]。本研究中，叶绿素对于响应甲基二磺隆对小麦的胁迫不敏感，与清水对照之间没有显著差异。根作为植物的重要器官，含有大量的分生组织细胞，能够敏感地感知逆境信号，并在形态上产生一系列变化。本研究中，喷施甲基二磺隆降低了小麦根尖数、总根长、总根表面积和总根体积，当剂量≥36 g/hm2时，与清水对照差异均达显著水平。甲基二磺隆是乙酰乳酸合成酶 (ALS) 抑制剂，通过抑制植物体内ALS，使细胞分裂受抑制。本研究中甲基二磺隆对小麦根尖和根系的影响，可能正是ALS 抑制剂抑制细胞分裂的具体体现。

作物受除草剂药害后首先会引起生理变化，随后才出现形态变化[6-7]，本研究结果与这一结论一致。本研究中，喷施甲基二磺隆10 d 后，小麦植株才表现出肉眼可见的矮化、生物量减少等受抑制症状，但MDA、Pro、可溶性糖等指标在施药后5 d 就已经表现出明显的变化。孟丹丹等[17]研究发现，喷施异丙隆后，小麦可溶性糖含量变化较小，但叶绿素含量变化显著，本研究结果与之不同，表明小麦对不同品种除草剂胁迫反应的敏感指标不同。筛选能够快速指示不同品种除草剂药害的敏感指标，是构建药害早期诊断技术体系的基础。本研究中，MDA、Pro、可溶性糖、Fv/Fm和根系形态均能快速指示甲基二磺隆对小麦的药害，可作为早期诊断甲基二磺隆对小麦药害的敏感指标。基于不同剂量下小麦生理指标和根系的变化，下一步可以建立小麦药害程度-生理指标(根系) 之间的函数关系，以期早期预警除草剂对小麦的药害情况，并开展田间试验实践。