幾種豆科作物對酸性土壤逆境因子適應(yīng)性研究

夏龍飛+呂嬌+趙尊康+黎曉峰+王永雄

摘要：采用水培法對三種豆科作物在不同介質(zhì)pH、磷水平、Al3+、Mn2+協(xié)迫條件下植株的生長、相關(guān)酶類活性、元素吸收及有機(jī)酸分泌及其差異性進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，三種豆科作物存低pH條件下的生物產(chǎn)量顯著降低，而根尖H+-ATPase活性顯著提高，低pH溶液對作物影響順序為：草木犀>苜蓿>大豆；低磷（0.05、0.10mmol/L）脅迫下三種豆科作物生物產(chǎn)量、植株磷含量均顯著下降而根尖H+-ATPase活性顯著提高，三種作物中苜蓿對低磷脅迫較敏感，而草木犀適應(yīng)性最強(qiáng)；鋁（3～10μmol/L）處理后苜蓿和草木犀根尖能被蘇木精染為紫色，且苜蓿的染色較草木犀的深，而鋁處理后的大豆根尖經(jīng)蘇木精染色后觀察不到明顯的紫色，且大豆根尖經(jīng)30μmol/L處理后根系分泌檸檬酸。錳（50、100μmol/LMnSO4）處理對三種植株的生物產(chǎn)量和錳含量的影響順序為大豆>苜蓿>草木犀。采用賦值法對三種豆科作物適應(yīng)酸性土壤中低pH、低磷、高鋁、高錳脅迫的適應(yīng)能力的綜合評價表明，三種豆科作物的綜合適應(yīng)能力順序為大豆>草木犀>苜蓿。

關(guān)鍵詞：豆科作物；酸性土壤；逆境；適應(yīng)性；差異

中圖分類號：S565.101+S551.01文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2015）04-0066-06

收稿日期：2014-11-04

基金項目：廣西自然科學(xué)基金“酸性土壤上甘蔗幼苗失綠黃化成因、機(jī)理及對策研究”（2012GXNSFDA053010）

酸性土壤分布廣泛，約占世界可耕地面積的40%[1]。酸性土壤中高酸度（低pH值）、過多的Al3+、Mn2+和缺磷問題突出。這些因子通常同存于土壤中[2]。低pH及過多的Al3+抑制土壤微生物活動、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及有效性、植物根的生長[3]，從而降低作物產(chǎn)量。另一方面，磷素是植物必需的營養(yǎng)元素，磷素缺乏可導(dǎo)致作物減產(chǎn)30%～40%[4]。因此，酸性土壤是世界上主要的低產(chǎn)土壤。而在長期的進(jìn)化過程中植物建立了一系列適應(yīng)酸性土壤不良環(huán)境的機(jī)制[2，5～7]，充分利用機(jī)制、合理布局抗性作物資源是酸性土壤資源高效利用的有效途徑。

作物對酸性土壤不良環(huán)境適應(yīng)性有明顯的基因型差異。草木犀、苜蓿是我國重要豆科牧草資源，而大豆是我國重要的油料作物。這些作物對酸性土壤中主要逆境因素的適應(yīng)性研究鮮有報道。為此，本試驗對不同豆科作物應(yīng)對酸性土壤低pH、磷缺乏、Al3+和Mn2+的毒害適應(yīng)性進(jìn)行了研究，以期為南方酸性土壤上豆科作物的生產(chǎn)和布局提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

試驗選用草木犀（采自來賓紅水河谷）、苜蓿（品種凱撒）、大豆（品種本地2號）為供試材料。

1.2試驗方法

1.2.1水培試驗試驗在廣西大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué)系光照培養(yǎng)室進(jìn)行，光照強(qiáng)度為8000lx，光黑交替（14L/10D），恒溫25℃。

草木犀種子先用濃H2SO41～2mL浸泡1～2min，用自來水將殘留在種子表面的酸液沖洗干凈，和苜蓿種子一起經(jīng)1%次氯酸鈉溶液浸泡消毒15min后，水洗至無氣味后浸泡5h，使種子充分吸脹。將浸泡后的草水犀、苜蓿種子用清水沖洗2～3次，平鋪于18目下0.5mmol/LCaCl2溶液的塑料篩上，CaCl2溶液的液面剛好接觸到塑料篩的底部，種子上覆蓋濕潤的濾紙，遮光育苗24h；大豆種子消毒浸種后，用清水沖洗干凈放在事先鋪有濕毛巾的托盤中，上蓋一塊濕毛巾。次日供試種子露白后將濾紙和毛巾移開，然后移栽至CaCl2溶液中培養(yǎng)，每天更換CaCl2溶液。三種豆科植物幼苗未長出側(cè)根之前（苗期的第3～4天），選取長較一致的幼苗移到黑色培養(yǎng)杯（約1.2L）中，改用營養(yǎng)液（pH6.5）進(jìn)行培養(yǎng)，板中央留通氣孔。營養(yǎng)液為1/5霍格蘭營養(yǎng)液。

1.2.2試驗處理上述10日齡的植株分別于pH為4.5、5.5、6.5（CK）的培養(yǎng)液中培養(yǎng)。10d后，每處理切取1cm根尖15條，測定根類H+-ATPase活性[8]。20d后，收獲植株，稱重

20日苗齡的供試植株分別于含0.05、0.10、0.20（CK）mmol/L磷培養(yǎng)液中培養(yǎng)20d，收獲植株，稱重，測定植株全磷含量[9]。

4日齡供試植株存0、3、5、10μmol/LAlCl3溶液（含0.5mmol/LCaCl2，pH4.5）中培養(yǎng)24h根尖經(jīng)0.1%蘇木精染色后觀察其染色程度并拍照。

20日苗齡的植株分別以含0.30μmol/LAlCl3的CaCl2溶液處理24h后，培養(yǎng)液中的有機(jī)酸采用HPLC（600，美國Waters公司）分析。植株收獲后稱重。

20日苗齡供試植株分別于2.5（Ck）、50、100μmol/LMnSO4處理水平培養(yǎng)20d后，收獲，稱重，測定錳含量[9]。

上述試驗均設(shè)置3次重復(fù)。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)采用新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗。相對生物產(chǎn)量（%）=處理后植株的生物產(chǎn)量/對照的生物產(chǎn)量×100

2結(jié)果與分析

2.1不同豆科作物對低pH環(huán)境適應(yīng)性差異

圖1表明，低pH條件下，三種豆科作物的相對生物產(chǎn)量均顯著下降，降幅達(dá)2.32%～33.16%。但是，低pH對不同豆科植物生長的影響有明顯的差異，草木犀和苜蓿經(jīng)pH值為5.5的培養(yǎng)液處理后，植株生物產(chǎn)量顯著低于對照處理（pH6.5），而pH5.5和6.5處理后的大豆生物產(chǎn)量的差異并不顯著。介質(zhì)的pH值降到4.5后，大豆的相對生物產(chǎn)量也顯著降低。這些結(jié)果表明，苜蓿和草木犀對低pH的敏感性明顯高于大豆。

在低pH脅迫下，根尖質(zhì)膜H+-ATPase活性會顯著提高。然而，低pH對三種豆科植物根尖質(zhì)膜H+-ATPase活性的影響強(qiáng)弱不同（圖2）。草木犀、苜蓿、大豆經(jīng)pH值4.5培養(yǎng)液處理后根尖質(zhì)膜H+-ATPase活性分別為對照（pH6.5）的7.70、1.99、1.29倍。低pH對草木犀根尖質(zhì)膜H+-ATPase活性的影響顯著高于苜蓿和大豆，且大豆受到的影響最小，表明大豆對低pH的抗性最強(qiáng)，而草木犀敏感性最強(qiáng)。endprint

2.2不同豆科作物對低磷脅迫適應(yīng)性差異

2.2.1低磷脅迫對不同作物生長及磷含量的影響及作物間的差異性由圖3可知，低磷脅迫極顯著抑制了豆科作物的生長。0.05、0.10mmol/L磷處理后，供試作物的生物產(chǎn)量降低17.2%～45.5%。低磷脅迫對苜蓿生長的影響最大，0.05、0.10mmol/L磷處理后的生物量僅為對照的54.5%和73.8%。大豆、草木犀的生長受低磷脅迫的影響較小，低磷脅迫條件下的相對生物產(chǎn)量均高于80%。由此可知，苜蓿對低磷脅迫較敏感，而大豆與草木犀對低磷環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。

如圖4所示，隨著磷濃度的降低，地上部全磷含量極顯著降低。在0.10和0.05mmol/L磷脅迫下，大豆、草木犀、苜蓿地上部全磷含量相比對照分別減少了22.2%、35.1%、21.6%和35.0%、56.0%、76.4%。低磷脅迫下大豆、草木犀和苜蓿根系中磷含量也顯著減少，而草木犀根系中磷含量在低磷處理間差異不顯著。以上結(jié)果暗示苜蓿對極低磷脅迫環(huán)境最敏感。

2.2.2低磷脅迫下根尖H+-ATPase活性及作物間的差異性如圖5所示，低磷脅迫下，大豆、苜蓿、草木犀根尖質(zhì)膜H+-ATPase活性均顯著提高，分別為對照的1.66、2.33、7.91倍，三種作物根尖質(zhì)膜H+-ATPase活性增加量大小的順序為草木犀>苜蓿>大豆。由于根系質(zhì)膜H+-ATPase活性提高常常伴隨著H+分泌，從而有利于介質(zhì)中無機(jī)磷的溶解，上述研究結(jié)果暗示草木犀在低磷脅迫下活化溶解和利用土壤中難溶性無機(jī)磷或有機(jī)磷磷的能力可能較強(qiáng)。

2.3不同豆科作物對鋁毒的敏感性

銷毒害的原初反應(yīng)部位為根尖，由圖6可知，隨著鋁濃度的增加，根尖染色變深，且不同豆科作物問根尖染色存在差異。草木犀、苜蓿在3μmol/LAlCl3溶液處理下，植株根尖呈現(xiàn)明顯紫色，隨著AlCl3濃度的升高，染色加深，而大豆在3～10μmol/LAlCl3處理后根尖均未染色（圖6）。以上結(jié)果表明，大豆耐鋁性明顯強(qiáng)于草木犀和苜蓿。

根系分泌有機(jī)酸是植物抵御鋁毒害的有效機(jī)制。大豆經(jīng)30μmol/LAlCl3溶液處理后，根系分泌物的HPLC圖譜上有一檸檬酸峰（圖7）。而草木犀和苜蓿根系分泌物中未檢測出蘋果酸或者檸檬酸等有機(jī)酸。這些結(jié)果進(jìn)一步暗示，大豆對鋁的抗性較強(qiáng)。

2.4錳毒對不同豆科作物生長的影響

由表1可知，隨著錳脅迫的加重，大豆和苜蓿的地上部、根系生物量均顯著降低，而草木犀無顯著變化。由圖8可知，隨著錳處理濃度的增大，大豆、草木犀、苜蓿地上部和根系的錳含量均顯著增加，且地上部明顯高于根系。50μmol/L錳脅迫下，地上部錳含量約為對照的9.62～12.24倍，根系錳含量為對照的4.95～10.03倍。100μmol/L錳脅迫下，地上部錳含量為對照的15倍以上，其中大豆增加幅度最大，為對照的22.84倍。錳毒脅迫下，三種供試作物中大豆錳含量最高，草木犀次之，苜蓿最低。綜上可知，錳毒對大豆、苜蓿的生長有顯著的抑制作用，而對草木犀的影響較小。

2.5不同豆科作物酸性土壤逆境適應(yīng)性綜合評價

低pH值、缺磷、鋁毒和錳毒是酸性土壤中植物生長的主要限制因子，且?guī)追N脅迫均阻礙植株的生長。假定酸害、低磷、鋁毒及錳毒等脅迫在協(xié)同毒害作用中影響所占比重一樣，將大豆、草木犀、苜蓿對單一逆境脅迫的忍耐性分為高、中、低三個等級，分別賦值3、2、l，最后將各項得分相加，根據(jù)分值的高低綜合評價大豆、草木犀、苜蓿對酸性土壤逆境的適應(yīng)能力，結(jié)果如表2所示。三種豆科作物酸性土壤逆境綜合適應(yīng)性順序為：大豆>草木犀>苜蓿。這些結(jié)果為進(jìn)一步研究豆科植物對酸性土壤逆境的抗性機(jī)制和酸性土壤豆科作物的布局提供了參考。

3結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，不同豆科作物對酸性土壤環(huán)境的適應(yīng)性有明顯差異，三種作物對低pH值、鋁毒、錳毒及缺磷的適應(yīng)性大小依次為：大豆>草木犀>苜蓿。

缺磷脅迫下三種豆科作物的生物產(chǎn)量均顯著降低，其中苜蓿的降幅居三者之首，說明苜蓿生長對缺磷脅迫最敏感，而草木犀對低磷脅迫抗性最強(qiáng)。結(jié)合三種豆科植物的地上部和根系磷含量結(jié)果可推測，苜蓿對低磷脅迫最敏感，主要表現(xiàn)在對磷的吸收及利用能力均最低，而草木犀主要表現(xiàn)在對磷的利用能力最強(qiáng)。許多研究報道，大豆、菜豆等植物在低磷脅迫下能分泌質(zhì)子、小分子有機(jī)酸、氨基酸等物質(zhì)提高磷的有效性[10，11]。本研究顯示，低磷脅迫下三種豆科植物根尖H+-ATPase活性均有很大程度的提高，且草木犀根尖H+-ATPase活性提高最多，這暗示植株根尖分泌質(zhì)子能力的差異可能是三種豆科植物應(yīng)對低磷脅迫的抗性/敏感性具有顯著差異的主要原因。

鋁毒也是酸性土壤中主要限制因子，植株受到鋁毒害的原初部位是根系，根系對鋁的忍耐性指示著植物耐鋁性的強(qiáng)弱[12]。本研究表明，草木犀、苜蓿在3μmol/L鋁脅迫下，根尖積累了大量Al3+，根生長受到嚴(yán)重影響。且隨著鋁處理濃度的增大，草術(shù)犀根尖鋁含量顯著增加，而苜蓿根尖鋁增加趨勢稍緩慢，只在10μmol/L鋁處理下，根尖鋁含量才顯著增加。而大豆根尖吸收鋁很少而未受到傷害，且通過有機(jī)酸測定發(fā)現(xiàn)唯有大豆明顯分泌有機(jī)酸。這些結(jié)果顯示三種供試作物中大豆具有較強(qiáng)的鋁毒抗性，而根尖分泌檸檬酸可能是大豆具有較強(qiáng)耐鋁能力的一種有效機(jī)制。

錳是植株生長必需的微量元素之一，它的缺少或者過量都會對植物產(chǎn)生危害[3]，酸性土壤上常發(fā)生錳中毒。錳毒害癥狀最先在地上部較老器官中觀察到，不同的豆科作物出現(xiàn)錳毒害的時間和癥狀有差異。過量的錳不同程度抑制植株生長，在Mn2+濃度為50～100μmol/L時，大豆、苜蓿的生長受到顯著抑制，且錳對地上部的抑制作用更大，而草木犀對錳的過量有著較強(qiáng)的抵抗能力，生長沒有受到顯著抑制。錳脅迫下植株錳含量顯著升高，且主要累積在地上部，50、100μmol/L錳條件下大豆根系錳含量顯著高于草木犀、苜蓿。這些結(jié)果表明植株地上部、根系對錳的吸收、分布和累積決定了過量的錳對植株生物性狀和生長的影響，根系大量積累錳可能是植株適應(yīng)酸性土壤中錳毒害的一種途徑。endprint