氯化鑭對鋁脅迫下大豆幼苗抗氧化能力及光合性能的影響

黃守程，高青海，舒英杰，何慶元，陸曉民，*(.安徽科技學(xué)院　生命科學(xué)學(xué)院，安徽　鳳陽　3300;.安徽科技學(xué)院　農(nóng)學(xué)院，安徽　鳳陽　3300)

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氯化鑭對鋁脅迫下大豆幼苗抗氧化能力及光合性能的影響

黃守程1，高青海1，舒英杰2，何慶元1，陸曉民1，*
(1.安徽科技學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，安徽鳳陽233100;2.安徽科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，安徽鳳陽233100)

摘要:目的:探究鑭對大豆鋁脅迫的緩解效應(yīng);方法:以鋁敏感大豆BD2為材料，進(jìn)行50 μmol/L鋁脅迫處理，然后添加不同濃度氯化鑭(10、100和1000 mgL/L)測定大豆幼苗抗氧化及光合指標(biāo);結(jié)果:與對照組相比較，鋁脅迫導(dǎo)致大豆幼苗根系伸長率、根冠比、鮮重及干重顯著降低，葉片SOD、POD活性顯著降低，且MDA含量顯著升高，葉綠素與類胡蘿卜素含量、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度也均顯著下降;而與鋁脅迫處理相比，不同濃度鑭處理對大豆幼苗根長、鮮重與干重、SOD與POD活性有不同程度地促進(jìn)作用，并顯著降低MDA含量，同時(shí)提高葉綠素與類胡蘿卜素含量，增強(qiáng)光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度，其中以10 mg/L鑭處理效果最好;結(jié)論:適宜濃度的鑭處理能夠通過增強(qiáng)大豆幼苗的抗氧化能力，提高其光合性能，提高大豆幼苗對鋁脅迫的適應(yīng)能力，有效緩解鋁對大豆幼苗生長的毒害。

關(guān)鍵詞:大豆;稀土元素;鑭;光合作用;抗氧化能力

土壤酸化導(dǎo)致可溶鋁含量增加，嚴(yán)重抑制作物的生長和發(fā)育［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球酸性土壤約占耕地面積的40%，而我國南方的酸性土壤也占全國土地面積的20%以上［2］。大豆［Glycine max (L.) Merr］是我國傳統(tǒng)的糧油作物，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。然而，我國南方的酸化土壤嚴(yán)重抑制大豆等作物的生產(chǎn)［3］。大豆雖是酸性土壤改良的“先鋒作物”，但其對鋁毒的耐性只是相對的，酸性土壤鋁毒害仍是限制大豆生產(chǎn)的主要因素［4］。研究表明，高濃度鋁脅迫降低大豆幼苗的株高、鮮重和干重［5］，同時(shí)降低葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度，進(jìn)而導(dǎo)致光合速率和蒸騰速率下降［6］。因此，如何緩解酸性土壤中的鋁毒害，增強(qiáng)大豆等農(nóng)作物生長性能，是亟待解決的問題。

稀土元素又稱鑭系元素，共17種，其中鑭的含量相對豐富。自上個(gè)世紀(jì)70年代以來，作為我國首創(chuàng)的稀土農(nóng)用技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大面積使用，且居世界領(lǐng)先水平［7］。稀土元素具有重要的生理活性，調(diào)節(jié)植物的生長和發(fā)育。適宜濃度的稀土能顯著改善植物的光合性能，增強(qiáng)植物的抗逆性，促進(jìn)植物生長［8］。研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素能夠增強(qiáng)植物對水分、鹽以及低溫等脅迫的抗性，維持較好的生長性能［9－11］;此外，稀土元素鑭還能夠有效緩解重金屬鎘對大豆、玉米的傷害，提高其光合能力［12－13］。然而，對于稀土元素能否改善鋁脅迫下大豆的生長性能，國內(nèi)外鮮見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以鋁敏感大豆為材料，研究不同濃度稀土鑭對鋁脅迫下大豆幼苗的抗氧化酶活性以及光合能力的影響，以期為施用稀土元素鑭緩解酸性土壤中大豆的鋁毒害提供理論依據(jù)。

1　材料和方法

1.1材料培養(yǎng)與處理

以鋁敏感大豆(BD2)為材料，選取圓潤飽滿的種子，經(jīng)0.1%升汞表面消毒15 min，以蒸餾水清洗5次。置于25°C恒溫箱中浸種12h，然后播種于珍珠巖中暗處萌發(fā)。萌發(fā)后于光照培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)4 d，培養(yǎng)條件為:白天26°C/夜晚22°C，16h/8h光周期，光照強(qiáng)度為400 μmol/m/s，相對濕度為70%。4 d后取長勢一致的幼苗移植于塑料桶中(20cm×20cm)，采用溶液培養(yǎng)法進(jìn)行如下處理: CK(Hoagland營養(yǎng)液)，Al脅迫(Hoagland +50 μmol/L AlCl3) ;稀土鑭(La)處理: Al + La處理1(Hoagland +50 μmol/L AlCl3+10 mgL/L LaCl3)，Al + La處理2(Hoagland +50 μmol/L AlCl3+100 mgL/L LaCl3)，Al + La處理3(Hoagland + 50 μmol/LAlCl3+1000 mgL/L LaCl3)，分別簡稱為La1、La2、La3，上述溶液均用HCl調(diào)至pH 4.5。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每桶15株幼苗，單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，自然光照條件下培養(yǎng)10 d后測定相關(guān)形態(tài)及生理生化指標(biāo)。

1.2指標(biāo)測定

根系伸長率測定采用Jorge的方法［14］。以幼苗根系鮮重除以地上部分鮮重的比值作為根冠比。鮮重及干重采用常規(guī)稱量方法、SOD測定采用氮藍(lán)四唑法、POD測定采用愈創(chuàng)木酚法、MDA測定采用硫代巴比妥酸法進(jìn)行［15］;光合指標(biāo)測定:于晴天上午9～11時(shí)，待葉片光合穩(wěn)定之后，在自然光下采用TPS－2便攜式光合儀(美國PPSYSTEMS公司)測定倒數(shù)第一片真葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等光合參數(shù)［16］。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

上述指標(biāo)測定均3次重復(fù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)，數(shù)據(jù)差異顯著性分析運(yùn)用IBM SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行(LSD多重比較，α=0.05顯著水平)。

2　結(jié)果與分析

2.1氯化鑭對鋁脅迫下大豆幼苗生長的影響

如圖1所示，鋁脅迫下大豆幼苗根系生長受到抑制，其主根長度明顯低于對照。而鑭處理后根系的生長得以恢復(fù)，甚至優(yōu)于對照組。進(jìn)一步研究表明，鋁脅迫下大豆根系的伸長率也顯著降低，添加不同濃度鑭后根系伸長率均顯著高于鋁脅迫組，且10和100 mgL/L鑭處理后根系伸長率高于對照(表1)，表明適宜濃度的鑭處理能夠促進(jìn)鋁脅迫下根系的伸長，有效解除鋁對大豆幼苗根系的抑制作用。

鋁脅迫下大豆幼苗的根冠比、單株鮮重和干重分別比對照下降了30.8%、8.3%和22.7%，均達(dá)到顯著水平。不同濃度鑭處理后幼苗的根冠比分別較鋁脅迫組顯著增加了141.3%、122.2%和55.6%; 10 mgL/L鑭處理后幼苗的鮮重和干重均顯著高于鋁脅迫組，達(dá)到或略高于對照水平，但100 mgL/L和1000 mgL/L鑭處理后幼苗的鮮重和干重與鋁脅迫組差異不顯著。以上結(jié)果表明，鋁脅迫抑制大豆幼苗的生長，而適宜濃度的鑭處理能夠增加根冠比，提高幼苗生物量，有效緩解鋁毒害。

圖1　氯化鑭促進(jìn)鋁脅迫下大豆幼苗的根系生長Fig.1　 LaCl3promoted the root growth of soybean seedlings under Al3 +stress

表1　氯化鑭對鋁脅迫下大豆幼苗生長的影響Table 1　 Effects of lanthanum chloride on the growth of soybean seedlings under Al3 +stress

2.2氯化鑭對鋁脅迫下大豆幼苗葉片抗氧化能力的影響

圖2　氯化鑭對鋁脅迫下大豆幼苗抗氧化酶活性的影響Fig.2　 Effects of LaCl3on the antioxidant performance of soybean seedlings under Al3 +stress

如圖2所示，鋁脅迫10 d后，大豆幼苗葉片的SOD活性顯著降低22.4，POD活性顯著降低71.8%。10 mgL/L鑭處理顯著提高鋁脅迫下幼苗葉片的SOD活性，而100和1000 mgL/L鑭處理對鋁脅迫下SOD活性無顯著影響;不同濃度鑭處理均顯著提高鋁脅迫下幼苗葉片的POD活性。鋁脅迫下，大豆幼苗葉片的MDA含量顯著高于對照，10和100 mgL/L鑭處理能顯著降低葉片的MDA含量。以上結(jié)果表明，鋁脅迫造成大豆幼苗葉片的抗氧化酶活性下降以及MDA含量上升，而適宜濃度鑭處理能顯著提高其抗氧化能力，減輕氧化脅迫，從而緩解鋁毒害。

由圖3可知，與對照組相比，鋁脅迫導(dǎo)致大豆幼苗的總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量下降了18.6%和24.2%;與鋁脅迫組相比，10 mgL/L鑭處理則能顯著提高幼苗的總?cè)~綠素含量，而100和1000 mgL/L鑭處理后總?cè)~綠素含量有一定程度的增加，但不顯著;與鋁脅迫組相比，不同濃度鑭處理均能顯著提高幼苗的類胡蘿卜素含量，使其含量達(dá)到對照水平。

研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫下大豆幼苗的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度分別下降39.9%、17.6%、29.7%和8.6%，而10和100 mgL/L氯化鑭處理后大豆幼苗的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均顯著高于鋁脅迫組，與對照組水平相近; 1000 mgL/L氯化鑭處理不能提高鋁脅迫下幼苗的光合速率，但能顯著提高蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度。不同濃度鑭處理后幼苗胞間CO2濃度恢復(fù)至對照水平。以上結(jié)果表明，適宜濃度氯化鑭處理能夠提高鋁脅迫下大豆幼苗合色素含量，增強(qiáng)其光合能力，促進(jìn)鋁脅迫下大豆幼苗的生長，緩解鋁對幼苗的傷害。

圖3　氯化鑭對鋁脅迫下大豆幼苗光合性能的影響Fig.3　 Effects of LaCl3on the photosynthetic pigments and photosynthetic parameters of soybean seedlings under Al3 +stress

3　結(jié)論與討論

酸性土壤(pH≤5.5)中的活性鋁毒害是造成作物生長受抑、產(chǎn)量下降的主要因素之一［17］，而作為直接接觸土壤的器官，植物根系是受鋁毒害最為嚴(yán)重的部位［18］。鋁脅迫嚴(yán)重抑制大豆幼苗的根系生長并降低其根冠比，由于根系是植物吸收水分及礦質(zhì)養(yǎng)分的主要器官，根系生長受抑必然導(dǎo)致地上部分生長受阻，因此，鋁脅迫下大豆幼苗鮮重和干重均顯著低于對照，這與俞慧娜研究結(jié)果相吻合［19］。肖祥希等研究表明鋁脅迫導(dǎo)致葉綠素、類胡蘿卜素含量顯著下降［20］，此外，鋁脅迫下葉片光合速率、蒸騰速率以及氣孔導(dǎo)度也顯著減低［21］，這與本研究的結(jié)果也是一致的。研究表明，鋁脅迫下葉片胞間CO2濃度升高［21］，但也有研究發(fā)現(xiàn)胞間CO2濃度降低［22］，造成這種不一致可能與鋁脅迫的程度有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)鋁鋁脅迫下大豆幼苗胞間CO2濃度降低，而氣孔導(dǎo)度也顯著下降，表明氣孔因素和非氣孔因素均是限制光合作用的關(guān)鍵因子。

SOD和POD是植物體內(nèi)最重要的抗氧化酶類，參與活性氧的清除，其活性與機(jī)體所受的脅迫程度以及機(jī)體的抗逆性有關(guān)［23］。本研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫下大豆幼苗葉片的SOD和POD活性均顯著下降，而MDA含量顯著上升。當(dāng)機(jī)體遭遇逆境后，短期內(nèi)抗氧化酶活性的迅速升高是一種應(yīng)激性反應(yīng)，但當(dāng)超過一定的時(shí)間限度后，機(jī)體抗氧化防護(hù)系統(tǒng)受到破壞，抗氧化酶活性會顯著降低［24］。

稀土元素促進(jìn)植物生長發(fā)育的作用已經(jīng)眾所周知。李靖梅等研究表明20 mgL/L CeCl3處理能顯著提高大豆幼苗的光合能力。劉冰等研究發(fā)現(xiàn)20 mgL/L鑭處理能提高鎘脅迫下玉米幼苗的根長、根重、根系面積等生物量指標(biāo)，緩解鎘對玉米的傷害［13］。同樣地，張治安研究表明適量施鑭能一定程度上緩解大豆幼苗鎘脅迫所致的葉綠素含量及光合速率的下降，同時(shí)提高SOD和POD活性，降低活性氧水平［12］。本研究結(jié)果顯示，與鋁脅迫相比，低濃度鑭(10 mgL/L)能夠顯著提高幼苗根冠比及生物量，這可能是由于葉綠素及類胡蘿卜素含量的提高，促進(jìn)了光能的吸收和轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)了光合能力，從而促進(jìn)有機(jī)物的積累所致;此外，10 mgL/L鑭處理能夠提高幼苗葉片的SOD和POD含量，降低MDA水平，從而增強(qiáng)了機(jī)體的抗氧化能力，減輕了鋁脅迫下活性氧對細(xì)胞膜的損傷。

綜上所述，鋁脅迫顯著降低抗氧化酶活性，降低其光合色素含量及光合性能，進(jìn)而抑制大豆幼苗的生長，而適宜濃度的鑭能夠顯著增強(qiáng)鋁脅迫下的幼苗葉片的抗氧化能力，促進(jìn)其光合作用，從而有利于大豆幼苗的生長，有效緩解鋁對大豆幼苗生長的毒害作用。

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(責(zé)任編輯:馬世堂)

Effects of LaCl3on the Photo－synthesis and Anti－oxidant Capacity of Soybean Seedlings Under Aluminum Stress

HUANG Shou－cheng1，GAO Qing－h(huán)ai1，SHU Ying－jie2，HE Qing－yuan1，LU Xiao－min1，*
(1.College of Life Science，Anhui Science and Technology University，F(xiàn)engyang 233100，China;
2.College of Agriculture，Anhui Science and Technology University，F(xiàn)engyang 233100，China)

Abstract:Objective: To investigate the alleviation effects of trace earth element on soybean seedlings under aluminum stress.Methods: Aluminum(Al) sensitive soybean cultivar BD2 was exposed to 50μmol/L Al3 +stress and determined the antioxidant performance and photosynthesis parameters after the addition of different concentrations of lanthanum chloride (LaCl3，10、100、1000 mgL/L).Results: Compared with the control，Al stress led to significant decrease of root elongation rate，root－shoot ratio，fresh and dry weight as well as the SOD and POD activities，but caused the increase of MDA content of soybean seedlings.Al3 +stress also resulted in the decrease of chlorophyll and carotenoid contents，leaf photosynthetic rate，transpiration rate，stomatal conductance and intercellular CO2concentration.However，comparing with the Al stress treatment，addition of La can not only promote the root elongation，root－shoot ratio，fresh and dry weight as well as SOD and POD activities while reduced the MDA content of soybean seedlings in varied degrees，but also enhance chlorophyll and carotenoid contents，photosynthetic rate，transpiration rate，stomatal conductance and intercellular CO2concentration.And 10 mgL/L La was found to be the most effective concentration.Conclusions: Appropriate addition of LaCl3，therefore，can enhance the antioxidant capacity and the photosynthetic performance of soybean，through which enhances its tolerance to Al3 +stress，and finally alleviates Al toxicity on the growth of soybean seedlings.

Key words:Soybean; Rare earth elements; Lanthanum; Photosynthesis; Antioxidant capacity

中圖分類號:Q945.78

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1673－8772(2016) 02－0010－06

收稿日期:2016－01－20

基金項(xiàng)目:安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)項(xiàng)目(KJ2016A172) ;安徽省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)－蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(AHCYTX－13) ;安徽科技學(xué)院蔬菜學(xué)重點(diǎn)學(xué)科(AKZDXK2015C05) ;安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1608085MC69)，安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(gxyqzd2016216)。

作者簡介:黃守程(1980－)，男，安徽省六安市人，碩士，講師，主要從事植物抗性生理研究。*通訊作者:陸曉民，教授，E－mail: luxm@ ahstu.edu.cn。