鋁脅迫對(duì)刺槐幼苗光合色素和礦質(zhì)元素含量的影響

趙燕+李莎莎+柳晨意+黃勇+張文會(huì)+呂艷偉

摘要：以1年生盆栽刺槐幼苗為試材，采用溫室控制，研究0、0.5、1、2 mmol/L 鋁脅迫對(duì)刺槐幼苗光合色素和礦質(zhì)元素含量的影響，結(jié)果表明，0.5、1、2 mmol/L 3種鋁濃度脅迫的刺槐幼苗，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均顯著增加，且隨著鋁濃度增大而增加，葉綠素a/b顯著降低，且隨著鋁濃度增大而減小，刺槐幼苗根、莖中鋁元素含量均顯著高于未脅迫處理的;2 mmol/L鋁濃度脅迫的刺槐幼苗根、莖、葉，其碳元素含量均顯著低于未脅迫處理的，而1 mmol/L鋁處理僅葉片中碳元素含量顯著低于未脅迫處理的;除05、1 mmol/L鋁處理下的刺槐幼苗根氮元素含量沒有顯著變化外，3種鋁濃度脅迫處理的刺槐根、莖、葉氮元素含量均顯著低于未脅迫處理的;與未脅迫處理相比，0.5 mmol/L鋁脅迫處理的刺槐幼苗葉片碳氮比和0.5、1 mmol/L 鋁脅迫處理的刺槐幼苗莖碳氮比均顯著增加。刺槐能夠忍耐較低的鋁濃度脅迫，并能在高濃度脅迫下累積鋁，可通過栽植刺槐對(duì)一些鋁污染地區(qū)進(jìn)行植物修復(fù)。

關(guān)鍵詞：鋁脅迫;刺槐;光合色素;礦質(zhì)元素

中圖分類號(hào)： Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）04-0200-03

收稿日期：2014-07-07

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年基金（編號(hào)：31100456）;大學(xué)生科技創(chuàng)新（編號(hào)：SF2013280）。

作者簡介：趙 燕（1977—），女，山東聊城人，碩士，講師，從事植物逆境生理研究。Tel：（0635）8239967;E-mail：zhaoyan@lcu.edu.cn。

通信作者：呂艷偉，博士，副教授，從事植物逆境生理研究。Tel：（0635）8239910;E-mail：lvyanwei@lcu.edu.cn。

鋁是地殼中含量最豐富的金屬化學(xué)元素之一，占地殼所含金屬總量的7%。鋁并非植物礦質(zhì)營養(yǎng)中的必需元素，3～13 μg/mL微量的鋁可刺激一些植物的生長，但濃度偏高便會(huì)發(fā)生毒害[1]。隨著土壤酸性和工業(yè)環(huán)境污染的加劇，鋁已成為生物圈中嚴(yán)重的危害因子之一。鋁脅迫下，植物葉綠體膜往往會(huì)受到破壞，葉綠素合成減少，光合速率明顯降低[2]。同時(shí)，鋁脅迫還會(huì)影響植物對(duì)水分與營養(yǎng)成分的吸收，各種生理生化過程受到干擾，植物生產(chǎn)力下降[3]。目前，有關(guān)植物耐鋁毒的可能機(jī)理分為2類：一是植物外部抗性機(jī)理;二是植物內(nèi)部機(jī)理，即鋁離子進(jìn)入植物體后，植物通過解毒作用獲得抵抗力[4]。 刺槐（Robinia pseudoacacia L.）具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱、耐貧瘠、繁殖容易等特點(diǎn)，成為主要的水土保持和植被恢復(fù)的先鋒樹種之一[5]，可以通過固氮作用改善早期演替階段土壤的貧瘠，為演替后期階段植物的定居提供較好的生存環(huán)境。目前，有關(guān)刺槐幼苗在升高CO2濃度、水分脅迫及赤霉素噴施等處理下的研究[6-8]已有報(bào)道，但鋁脅迫對(duì)刺槐幼苗的影響尚開展較少。本試驗(yàn)通過研究刺槐對(duì)鋁脅迫的生理生化反應(yīng)，明確刺槐的耐鋁機(jī)制，對(duì)森林和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)及受損環(huán)境的生物修復(fù)都具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在聊城大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，以1年生刺槐幼苗為試材。大棚內(nèi)溫度控制在22 ℃左右，相對(duì)濕度為50%～60%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2014年3月份進(jìn)行，從培養(yǎng)的根生幼苗中，選擇健康、無病蟲害、高度基本一致的幼苗移栽到裝滿勻質(zhì)土壤的10 L塑料盆中，移栽前每盆施12 g緩效肥;枝條上幼葉展開前，每株幼苗均保留1個(gè)芽，分別采用由AlCl3·6H2O配制的 0（對(duì)照）、0.5、1.0、2.0 mmol/L 4種濃度鋁進(jìn)行脅迫處理，每個(gè)處理4株刺槐幼苗，重復(fù)5次;待生長季結(jié)束即9月底，進(jìn)行光合色素和礦質(zhì)元素含量測(cè)定。

1.3 測(cè)量指標(biāo)及方法

光合色素含量采用丙酮法[9] 進(jìn)行測(cè)定：稱取當(dāng)年生完全展開的葉片0.2 g，加80%丙酮和少量石英砂研磨至勻漿，用分光光度計(jì)分別測(cè)定470、646、663 nm下的吸光度，即可計(jì)算得到葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量。礦質(zhì)元素含量測(cè)定：將刺槐植株浸泡在0.2% EDTA 2 h，用去離子水徹底清洗干凈，去除殘留在植株表面的化學(xué)元素;將植株分為根、莖、葉，分別于烘箱中80 ℃烘干48 h至恒重;將烘干的植物根、莖、葉干樣研磨成粉，以直徑為1 mm 的篩子過篩;準(zhǔn)確稱取0.4 g粉末，采用凱氏滴定法測(cè)定總氮（N）、熱氧化法測(cè)定總碳（C）[10]、原子吸收光譜法測(cè)定鋁元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 11.5軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Turkeys進(jìn)行處理間多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁脅迫對(duì)刺槐幼苗光合色素含量的影響

由表1可見，0.5、1.0、2.0 mmol/L 3種鋁濃度脅迫的刺槐幼苗，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量均較對(duì)照顯著增加，且隨著鋁元素濃度的增大而增加，葉綠素a/b較對(duì)照顯著降低，且隨著鋁濃度的增大而減小;鋁濃度升高對(duì)類胡蘿卜素與總?cè)~綠素的比值影響較小，僅在0.5 mmol/L

表1 鋁脅迫對(duì)刺槐幼苗光合色素含量的影響

鋁濃度

（mmol/L） 葉綠素a

（μg/mg） 葉綠素b

（μg/mg） 總?cè)~綠素

（μg/mg） 葉綠素a/b 類胡蘿卜素

（μg/mg） 類胡蘿卜素/總?cè)~綠素

0 4.42±0.11a 0.73±0.04a 5.15±0.12a 7.32±0.55c 0.92±0.04a 0.18±0.00aendprint

0.5 7.37±0.71b 2.51±0.14b 9.88±0.82b 4.91±0.43b 2.26±0.10b 0.23±0.05b

1.0 10.69±0.22c 3.37±0.10c 14.06±0.32c 4.69±0.11b 2.50±0.07b 0.18±0.01a

2.0 13.51±0.82d 3.92±0.23d 17.43±1.05d 2.65±0.36a 3.48±0.47c 0.20±0.01ab

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示各處理在0.05水平上有顯著性差異。

鋁脅迫處理時(shí)較對(duì)照有顯著升高。

2.2 鋁脅迫對(duì)刺槐根、莖、葉中礦質(zhì)元素含量的影響

由圖1可見，0.5、1、2 mmol/L 3種鋁濃度脅迫的刺槐幼苗，其莖和根中的鋁元素含量均顯著高于對(duì)照;2 mmol/L鋁濃度脅迫的刺槐幼苗，其葉片中的鋁元素含量顯著高于對(duì)照;與莖和葉片中的鋁元素相比，根中的鋁元素含量相對(duì)較高。

由圖2可見，2 mmol/L鋁濃度脅迫處理的刺槐幼苗，其根、莖、葉中的碳元素含量顯著低于對(duì)照;1 mmol/L鋁濃度脅迫處理的刺槐幼苗，其葉片中碳元素的含量顯著低于對(duì)照，莖和根中碳元素的含量與對(duì)照沒有顯著性差異;0.5 mmol/L鋁濃度脅迫處理的刺槐幼苗，其3個(gè)器官中碳元素含量與對(duì)照均沒有顯著性差異;與葉和莖相比，根中的碳元素含量較低。

由圖3可見，0.5、1、2 mmol/L 3種鋁濃度脅迫的刺槐幼苗，其莖和葉中的氮元素含量均顯著低于對(duì)照;2 mmol/L鋁濃度脅迫的刺槐幼苗，僅根中氮元素含量顯著低于對(duì)照;與莖和根相比，葉片中氮元素含量相對(duì)較高。

由圖4可見，0.5 mmol/L鋁濃度脅迫下葉片中的碳氮比和0.5、1 mmol/L鋁濃度脅迫下莖中的碳氮比均顯著高于對(duì)照，但其他處理下根、莖、葉中的碳氮比與對(duì)照沒有顯著性差異;與根和葉相比，莖中的碳氮比相對(duì)較高。

3 結(jié)論與討論

本研究中，鋁脅迫下刺槐幼苗的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量顯著增加，可能是由于脅迫刺激了葉綠素合成，以彌補(bǔ)由于鋁脅迫造成的葉綠素功能降低的損傷[11]，在其他脅迫因素下的相似研究結(jié)論[12-13]也有發(fā)表。但是，在鋁脅迫對(duì)柑橘幼苗影響的研究中，卻發(fā)現(xiàn)鋁脅迫顯著降低了柑橘幼苗的葉綠素含量[14]。目前，有關(guān)鋁脅迫對(duì)葉綠素a/b的影響因作物不同而不同，鋁脅迫使龍眼幼苗的葉綠素a/b增加[15]，卻使得高粱幼苗的葉綠素a/b降低[16]。鋁脅迫下刺槐幼苗葉綠素a/b減小，可能是由于葉綠素a的生成速率小于葉綠素b。類胡蘿卜素含量高低與植株本身的光保護(hù)能力有關(guān)，鋁脅迫下類胡蘿卜素含量增大是對(duì)逆境的一種適應(yīng)。

土壤中的鋁濃度較低時(shí)，對(duì)植株的鋁積累和毒害是有限的，但當(dāng)土壤中鋁濃度足夠高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致植物中積累較多的鋁，這在紅果云杉和其他樹種已有報(bào)道[17]。本研究僅在高濃度即2 mmol/L鋁濃度脅迫下對(duì)鋁元素有明顯積累，而在較低濃度下對(duì)刺槐幼苗幾乎沒有影響。高濃度的鋁處理使刺槐幼苗根、莖、葉中的碳含量顯著降低，而較低的碳“庫”會(huì)使光合作用過程中伴隨的碳水化合物的累積增強(qiáng)[18]，因此，高鋁濃度引起的葉片碳含量下降應(yīng)主要?dú)w因于較低的凈光合速率，這與鋁脅迫對(duì)龍眼幼苗碳水化合物的影響結(jié)果[19]基本一致。

本試驗(yàn)中，葉片中的氮含量與莖和根相比，都處于一個(gè)較高水平，這可能是由于刺槐的根和莖能量消耗較大，從而氮含量較低，這與Lu等在楊樹上的研究結(jié)論[20]較為一致。本研究中，碳、氮在不同器官中分布的顯著相關(guān)性或許可以通過功能平衡模型來解釋[21]，該模型的內(nèi)容包括：在逆境狀況下，植物自身會(huì)將不同的器官劃分“等級(jí)”，并且將碳更多地分配到根部以增加其滲透調(diào)節(jié)功能達(dá)到克服脅迫的效果。葉片和莖中的氮含量同莖中的碳含量顯著相關(guān)，這可能是由于共同的中間產(chǎn)物而使碳氮代謝聯(lián)系在一起，同時(shí)，也存在碳氮的交互作用[22]，但具體機(jī)制目前尚不明確。

目前，碳氮比是一個(gè)用來衡量植物長期氮利用效率的有力指標(biāo)。研究結(jié)果表明，碳氮比在控制植物基因表達(dá)方面具有重要的信號(hào)作用[23]。本研究中，鋁脅迫顯著增加刺槐葉片和莖中的碳氮比，并能夠引起一系列代謝水平的變化。

總之，刺槐能忍耐較低的鋁濃度脅迫，并能在高濃度脅迫下累積鋁，可通過栽植刺槐對(duì)一些鋁污染地區(qū)進(jìn)行植物修復(fù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Rout G，Sanantaray S，Das P. Aluminium toxicity in plants：a review[J]. Agronomic，EDP Sciences，2001，21（1）：3-21.

[2]應(yīng)小芳，劉 鵬. 鋁脅迫對(duì)大豆葉片光合特性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（1）：166-170.

[3]趙會(huì)娥，賀立源，章愛群，等. 鋁脅迫對(duì)植物光合作用的影響及其機(jī)理的研究進(jìn)展[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（1）：155-160.

[4]胡 彥，何虎翼，何龍飛. 高等植物鋁脅迫研究新進(jìn)展[J]. 文山師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2006，19（1）：74-78.

[5]李洪建，王孟本，陳良富，等. 刺槐林水分生態(tài)研究[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，20（2）：151-158.

[6]Feng Z，Dyckmans J，F(xiàn)lessa H. Effects of elevated carbon dioxide concentration on growth and N2 fixation of young Robinia pseudoacacia[J]. Tree Physiology，2004，24（3）：323-330.endprint

[7]Ranney T G，Whitlow T H，Bassuk N L. Response of five temperate deciduous tree species to water stress[J]. Tree Physiology，1990，6（4）：439-448.

[8]Park S，Han K H. An auxin-repressed gene （RpARP） from black locust （Robinia pseudoacacia） is posttranscriptionally regulated and negatively associated with shoot elongation[J]. Tree Physiology，2003，23（12）：815-823.

[9]Wellburn A R. The spectra determination of chlorophylls a and b，as well as total carotenoids，using various solvents with spectrophotometers of different resolution[J]. Journal of Plant Physiology，1994，144（3）：307-313.

[10] Nelson D W， Sommers L E. Total carbon， organic carbon and organic matter[M]//Page A L， Miller R H， Keeney D R. Methods of soil analysis：Part 2. Madison：American Society of Agronomy and Soil Science，1982：539-579.

[11]Schurr U，Heckenberger U，Herdel K，et al. Leaf development in Ricinus communis during drought stress：dynamics of growth processes，of cellular structure and of sink-source transition[J]. J Exp Bot，2000，51（350）：1515-1529.

[12]Renaut J，Hoffmann L，Hausman J F. Biochemical and physiological mechanisms related to cold acclimation and enhanced freezing tolerance in poplar plantlets[J]. Physiologia Plantarum，2005，125（1）：82-94.

[13]Jiang H X，Chen L S，Zheng J G，et al. Aluminum-induced effects on photosystem Ⅱ photochemistry in citrus leaves assessed by the chlorophyll a fluorescence transient[J]. Tree Physiology，2008，28（12）：1863-1871.

[14]Chen L S，Qi Y P，Smith B R，et al. Aluminum-induced decrease in CO2 assimilation in citrus seedlings is unaccompanied by decreased activities of key enzymes involved in CO2 assimilation[J]. Tree Physiology，2005，25（3）：317-324.

[15]肖祥希. 龍眼（Dimocarpus longana Lour.）對(duì)鋁脅迫的生理生化反應(yīng)及其矯治[D]. 福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2002：77-78.

[16]Peixoto P H，Da Matta F M，Cambraia J. Responses of the photosynthetic apparatus to aluminum stress in two sorghum cultivars[J]. Journal of Plant Nutr，2002，25（4）：821-832.

[17]Borer C H，Schaberg P G，Dehayes D H，et al. Accretion，partitioning and sequestration of calcium and aluminum in red spruce foliage：implications for tree health[J]. Tree Physiology，2004，24（9）：929-939.

[18]Neales T F，Incoll L D. The control of leaf photosynthesis rate by the level of assimilate concentration in the leaf：a review of the hypothesis[J]. The Botanical Review 1968，34（2）：107-125.

[19]萬 泉. 鋁脅迫對(duì)龍眼幼苗碳水化合物含量的影響[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)，2007，28（4）：10-14.

[20]Lu Y W，Duan B L，Zhang X L，et al. Differences in growth and physiological traits of Populus cathayana populations as affected by enhanced UV-B radiation and exogenous ABA[J]. Environmental and Experimental Botany，2009，66（1）：100-109.

[21]Poorter H，Nagel O. The role of biomass allocation in the growth response of plants to different levels of light，CO2，nutrients and water：a quantitative review[J]. Australian Journal of Plant Physiology，2000，27：595-607.

[22]Coruzzi G，Bush D R. Nitrogen and carbon nutrient and metabolite signaling in plants[J]. Plant Physiology，2001，125（1）：61-64.

[23]Martin T，Oswald O，Graham I A. Arabidopsis seedling growth，storage lipid mobilization and photosynthetic gene expression are regulated by carbon：nitrogen availability[J]. Plant Physiology，2002，128（2）：472-481. 更正：《江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)》2015年第43卷第2期396-399頁所刊論文《高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)分區(qū)研究——以湖北省赤壁市為例》中，396頁前言第1段的“2013年國務(wù)院批復(fù)的《高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)總體規(guī)劃》提出：在2020年高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田面積要達(dá)到5 333.33萬hm2……”，應(yīng)更正為“2013年國務(wù)院批復(fù)的《全國高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)總體規(guī)劃》提出：在2020年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積要達(dá)到5 333.33萬hm2……”。

特此更正，并向讀者致歉。

《江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)》編輯部endprint