硅對鋁脅迫下甘蔗幼苗的緩解效應(yīng)研究

盧穎林，陳迪文，江 永，黃 瑩，敖俊華，周文靈，黃振瑞，王亞彪

（1.廣州甘蔗糖業(yè)研究所/廣東省甘蔗改良與生物煉制重點試驗室，廣東 廣州 510316；2.廣東廣墾糖業(yè)集團有限公司，廣東 湛江 524022）

硅對鋁脅迫下甘蔗幼苗的緩解效應(yīng)研究

盧穎林1，陳迪文1，江 永1，黃 瑩1，敖俊華1，周文靈1，黃振瑞1，王亞彪2

（1.廣州甘蔗糖業(yè)研究所/廣東省甘蔗改良與生物煉制重點試驗室，廣東 廣州 510316；2.廣東廣墾糖業(yè)集團有限公司，廣東 湛江 524022）

鋁毒是酸性土壤地區(qū)普遍存在的實際問題，如何解決鋁毒對作物的傷害是一個難點。采用營養(yǎng)液培養(yǎng)法，通過測定分析鋁脅迫條件下不同濃度硅處理對甘蔗幼苗生長及生理指標的變化，研究硅對甘蔗幼苗鋁毒的緩解效應(yīng)。結(jié)果表明，鋁脅迫處理（T1）與空白對照相比，甘蔗株高和干物質(zhì)量顯著下降，根系形態(tài)參數(shù)包括根總長、根直徑、根體積和根表面積顯著減少，根系活力、葉片SPAD值和超氧化物歧化酶（SOD）顯著降低，丙二醛（MDA）含量和電導率顯著升高，說明鋁脅迫下，甘蔗植株的正常生長和生理活動均受到損害；而向營養(yǎng)液中添加1～2 mmol/L硅酸鈉處理（T2、T3），相比T1處理，甘蔗株高、干物質(zhì)量顯著增加，根系形態(tài)各項參數(shù)得到顯著改善，甘蔗根系活力和葉片SPAD值顯著提高，葉片丙二醛含量和電導率顯著降低，表明硅能有效緩解鋁對蔗苗的毒害。

硅；甘蔗；鋁脅迫；緩解效應(yīng)；根系形態(tài)

盧穎林，陳迪文，江永，等.硅對鋁脅迫下甘蔗幼苗的緩解效應(yīng)研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學，2016，43（5）：87-91.

鋁是土壤中含量最豐富的金屬元素，約占地殼的7.1%［1］，其形態(tài)主要以鋁硅酸鹽和鋁氧化物等形式存在，對植物和環(huán)境沒有毒害作用，但是當土壤酸化以后，土壤中的鋁可轉(zhuǎn)換為對植物有害的形態(tài)［2］。我國酸性土壤面積大，尤其是甘蔗主栽區(qū)，如廣西、廣東等蔗區(qū)為我國主要的強酸性土壤地區(qū)，因此，這類蔗區(qū)酸性土壤中的鋁毒對甘蔗生產(chǎn)的危害不可忽視。鋁毒害的最初反應(yīng)是抑制植物根的生長，并因而抑制水分、養(yǎng)分的吸收，長時間的鋁脅迫會引起地上部分生長受阻［3-4］。在農(nóng)作物上，國內(nèi)外關(guān)于其他離子與鋁毒關(guān)系的報道較多，而在甘蔗上的研究報道非常罕見。研究表明鈣對溶液中高濃度鋁（50 mg/L）的毒性有減輕作用，減少了桃枝梢中鋁的積累［5］。特別是高濃度的鈣離子能緩解鋁的毒害［6］。在鋁存在的培養(yǎng)基中加入足夠量的磷，將會使植物免受鋁的傷害［7］，且鎂與磷協(xié)同作用可增強植物的耐鋁性［8］，可能是因為鋁的存在導致植物根部的磷缺乏，進而影響植物的正常生長。也有報道，在鋁脅迫下，硼能明顯抑制小麥幼苗電解質(zhì)泄漏率、MDA含量的增加和多酚氧化酶活性的升高，表明硼對小麥鋁脅迫起到一定的緩解作用［9］。無機硫亦能緩解鋁對大麥生長發(fā)育的毒害，其中低濃度鋁處理時緩解效果更顯著［10］。

硅是地殼和土壤中位居第二位的富集元素，在植物礦質(zhì)營養(yǎng)中被列入植物生長的有益元素行列，土壤中硅、鋁的化學反應(yīng)是最普遍的土壤化學過程，因此應(yīng)用硅來緩解鋁對植物的毒害作用是一種可能。硅可提高作物對鋁毒和重金屬脅迫抗性的機制已有較多的報道，梁永超等研究表明硅可以提高大麥的耐鹽性［11］；王永銳等研究發(fā)現(xiàn)硅能抑制鈉對水稻幼苗的毒害［12］，同時硅對鎘、鉻毒害水稻幼苗可起緩解或抑制作用［13］。在甘蔗方面，國外研究表明硅可以通過減少甘蔗對鈉離子的吸收來緩解鹽脅迫，從而提高甘蔗產(chǎn)量［14］，譚貴良研究了鋁對甘蔗初生根的脅迫及鈣、硼、鎂的緩解效應(yīng)［15］，而硅對甘蔗鋁毒的緩解作用研究很少。本試驗以國內(nèi)種植面積最大的甘蔗品種新臺糖22號為研究對象，采用營養(yǎng)液培養(yǎng)方式，通過分析介質(zhì)中高濃度鋁對甘蔗毒害處理下，添加外源硅后，解析甘蔗在形態(tài)特征、抗逆生理生化等指標的變化，從生理角度揭示硅緩解甘蔗鋁毒害的生理機制，為甘蔗科學施肥及蔗區(qū)土壤改良等方面研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試甘蔗材料為新臺糖22種莖苗。鋁源采用分析純無水氯化鋁（AlCl3），硅源采用分析純無水硅酸鈉（Na2SiO3）。

1.2 試驗方法

試驗于2015年5月份在廣州玻璃溫室內(nèi)進行。先將健康的甘蔗種莖砍成單芽苗，經(jīng)消毒、催芽后，用泥炭土育苗，待苗長至20 cm高左右拔出洗凈根系移入裝有純水的培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)1周后，轉(zhuǎn)入1/2霍格蘭營養(yǎng)液中再培養(yǎng)1～2周，待幼苗長出新根后，摘除原種莖繼續(xù)培養(yǎng)1周后開始進行處理。

試驗設(shè)4個處理：不加鋁不加硅的空白對照，0.1 mmol/L AlCl3脅迫處理（T1），0.1 mmol/L AlCl3+1 mmol/L Na2SiO3處理（T2），0.1 mmol/L AlCl3+2 mmol/L Na2SiO3處理（T3）。每個處理4次重復，采用霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)，營養(yǎng)液pH控制在3.0～4.0，每隔3 d完全更換1次營養(yǎng)液。利用通氣泵進行間斷性通氣。處理3周后進行收獲測定各項指標。

1.3 測定指標及方法

蔗苗株高用直尺測量假莖基部至正1葉葉鞘頂端，收獲后將植株分為地上部和根系兩部分。70℃烘干至恒重，用電子天平分別稱干重。

根系生理指標測定：根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）顯色，分光光度計測定；超氧化物岐化酶（SOD）采用氮藍四唑（NBT）顯色，分光光度計測定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）顯色，分光光度計測定［16］。

根系形態(tài)參數(shù)測定：采用根系掃描分析系統(tǒng)（WinRHIZO-LA2400，Canada）對根系進行掃描，并對根系長度、體積、表面積等參數(shù)進行測量分析。

葉片生理指標測定：在天氣晴朗情況下，于上午9：00～11：00取同一部位上部葉片為材料，鮮葉用蒸餾水洗凈后用濾紙吸干揩凈，所有樣品及時放入冰盒帶回實驗室，除去中脈，剪碎、混勻。測定正數(shù)第3片葉SPAD值，采用SPAD-502儀器測定葉片中部值。

相對電導率的測定：取生長一致的同部位幼苗葉片，用自來水沖洗后用蒸餾水漂洗l～2次，再用重蒸水沖洗1～2次，用紙巾吸干葉片表面水分；避開葉脈，用打孔器打取等量圓片，混勻后分3份，分別放入內(nèi)有20 mL重蒸水的三角瓶中，浸沒樣品，室溫放置15 h后，用電導儀（DDs～IIAGA型）測定浸泡液電導率（R）；蓋上瓶蓋，煮沸25 min，冷卻至室溫后在同樣條件下測定各瓶溶液的電導率（R0）。計算電解質(zhì)滲出率，表示該樣品經(jīng)低溫處理后的相對電導率：

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進行統(tǒng)計，采用SPSS 19.0進行差異顯著性（LSD）分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對鋁脅迫下蔗苗株高和生物量的影響

從表1可以看出，在鋁脅迫下，未添加硅的T1處理蔗苗株高比CK顯著降低，而添加硅的處理T2、T3株高雖然仍顯著低于CK，但卻顯著高于T1處理，且T2與T3處理無顯著差異，表明鋁脅迫下甘蔗生長受到抑制，而添加硅可以降低這個風險。T1處理蔗苗地上部和根系干重及總干重比CK均顯著減少，添加硅的兩個處理T2、T3，蔗苗地上部和根系干重及總干重均顯著高于T1處理，且T2與T3處理差異不顯著，其中T2的根系干重與CK無顯著差異。說明添加1～2 mmol/L硅酸鈉，緩解了鋁對甘蔗的毒害作用，進而促進了植株的生長，提高生物量。

表1 硅對鋁脅迫下蔗苗株高和干物質(zhì)量的影響

2.2 硅對鋁脅迫下蔗苗根系形態(tài)參數(shù)與根系活力的影響

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，根系活力反應(yīng)根系的吸收、合成、氧化和還原能力等，根系形態(tài)參數(shù)及根系活力直接影響植物對養(yǎng)分的吸收利用、植物個體的生長和發(fā)育、營養(yǎng)水平和產(chǎn)量品質(zhì)。從表2可以看出，在鋁脅迫下，T1處理甘蔗根系總根長、根平均直徑、根表面積和跟總體積均比CK顯著減少，說明鋁脅迫影響了根系的正常生長，根系受到了損害；而添加硅處理T2、T3的各項根系形態(tài)參數(shù)均比T1處理顯著提高，其中除根總體積外，根總長、根平均直徑和根表面積與CK無顯著差異；同時，T1處理的根系活力在鋁脅迫下顯著低于CK，而加硅處理T2、T3的根系活力比T1處理顯著提高，說明添加硅緩解了鋁毒對甘蔗根系的傷害，從而根系生長更好，具有更好的活力。

表2 硅對鋁脅迫下蔗苗根系形態(tài)參數(shù)與根系活力的影響

2.3 硅對鋁脅迫下蔗苗葉片生理特性的影響

SPAD值是反映植物葉片葉綠素含量多少的最直觀參數(shù)，SAPD值越大，葉綠素含量越高。從表3可以看出，蔗苗在鋁脅迫下（T1），葉片SPAD值比CK顯著降低，而在添加硅的兩個處理T2、T3，SPAD值顯著提升，與CK相當，無顯著差異，說明甘蔗葉片葉綠素含量受到介質(zhì)中鋁脅迫的影響而顯著降低，添加一定量的硅（1～2 mmol/L Na2SiO3）可顯著提高鋁脅迫下蔗苗葉片葉綠素含量。

丙二醛（MDA）是自由基進行細胞膜脂過氧化傷害的最終產(chǎn)物之一，它可使蛋白質(zhì)和核酸變性，導致膜流動性下降、透性增強，進而導致細胞死亡，一般將其作為反映細胞膜脂過氧化傷害水平的重要指標。從表3可以看出，T1處理蔗苗葉片MDA含量比CK處理顯著增加，說明在0.1 mmol/L鋁脅迫下，蔗苗受到了嚴重傷害，才使得葉片MDA含量顯著增加。而添加硅處理T2和T3葉片的MDA含量比T1處理顯著降低，而與CK無顯著差異，說明在鋁脅迫下，在介質(zhì)中硅可緩解甘蔗所受的毒害。

超氧化物岐化酶（SOD）是一種抗氧化酶，是植物自我保護系統(tǒng)中非常重要的一種酶。從表3可以看出，T1處理蔗苗葉片SOD含量比CK顯著下降，說明在0.1 mmol/L鋁脅迫下，使蔗苗抗氧化系統(tǒng)受到損害，降低了SOD含量；而添加硅處理T2 和T3葉片的SOD含量比T1處理顯著提高，但仍顯著低于CK，說明在鋁脅迫下，在介質(zhì)中添加硅可在一定程度上緩解甘蔗所受的抗氧化系統(tǒng)傷害。

相對電導率是反映植物膜系統(tǒng)狀況的一個重要的生理生化指標，植物在受到逆境或者其他損傷的情況下細胞膜容易破裂，膜蛋白受傷害因而使胞質(zhì)的胞液外滲而使相對電導率增大。從表3可以看出，甘蔗葉片在鋁脅迫下的電導率比CK顯著升高，表明鋁脅迫下葉片細胞膜收到了傷害；在鋁脅迫下添加硅后，T2、T3處理的電導率比T1顯著降低，但仍高于CK，表明硅在一定程度上緩解了鋁脅迫對甘蔗葉片細胞膜的傷害。

表3 硅對鋁脅迫下蔗苗葉片生理特性的影響

3 討論

在酸性和強酸性土壤上，植物的鋁毒害是一個最常見的生產(chǎn)實踐問題。硅和鋁是地殼中含量僅次于氧的兩種元素，而且廣泛存在于植物體中，但并不是植物所必需的元素。大部分植物對鋁是很敏感的，只有在低鋁濃度下才對生長有某些刺激作用。龍光霞等發(fā)現(xiàn)甘蔗幼苗失綠可能與強酸性土壤中過多的活性鋁、錳及高效整合鐵有關(guān)［17］。本試驗發(fā)現(xiàn)在鋁脅迫下甘蔗葉片SPAD值下降，說明葉綠素含量減少，從而可能會導致葉片失綠。本課題組前期研究表明施用適量硅肥，可提高酸性土壤甘蔗幼苗葉片葉綠素含量，增強甘蔗葉片光合作用能力，進而促進了甘蔗幼苗的生長［18］。黃昌勇等［19］研究表明，鋁脅迫下施硅后大麥幼苗的地上部莖、葉和地下部根的生物量均比不施硅明顯增加，施硅消除或緩解鋁毒的可能機理是鋁與硅形成無毒的鋁硅酸復合離子（HAS），降低活性鋁的濃度。姚昕等［20］研究表明花生在鋁脅迫條件下，施硅處理后可以降低鋁的吸收，改善花生根系生長發(fā)育情況，降低抗氧化酶活性和膜脂過氧化作用，從而為硅緩解鋁脅迫提供了理論依據(jù)。

郭天榮［21］采用營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗研究了葉面噴施不同濃度抗壞血酸（AsA）對大麥幼苗鋁毒害的緩解效應(yīng)，結(jié)果表明AsA 對鋁脅迫大麥幼苗有較好的緩解作用，大麥幼苗株高、生物量和葉綠素含量等均提高，功能葉丙二醛（MDA）活性等顯著低于單獨鋁處理，這些結(jié)果與本研究中的結(jié)果相似。鋁脅迫直接影響這根系的生長發(fā)育和根系分泌有機酸［22］，本試驗中鋁脅迫下甘蔗根系的生長受到嚴重抑制，無論是根系形態(tài)參數(shù)還是根系活力均受到影響，已有的研究表明鋁脅迫抑制水稻［23］和花生［24］根的形成和生長，本試驗通過硅的加入緩解了鋁的毒害作用，有利于根系生長。此外，加入外源有機酸［25］、外源多胺［26］也對鋁脅迫下對作物根系生長具有緩解作用。

本試驗是在水培中進行的，通過分析甘蔗植株葉片和根系生理及形態(tài)指標表明添加硅1～2 mmol/L到營養(yǎng)液中能夠減輕鋁的毒害作用，其原因之一可能是由于形成了植物不可利用的鋁硅酸復合物，但形成這些復合物的環(huán)境條件仍然需要進一步明晰。同時，在土壤系統(tǒng)中鋁和硅的交互作用非常復雜，它們之間的作用關(guān)系尚不十分清楚。因此，還需進一步研究在土壤系統(tǒng)中硅對緩解甘蔗鋁毒作用的機理。

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（責任編輯 鄒移光）

Alleviating effects of silicon on sugarcane seedlings under aluminum stress

LU Ying-lin1，CHEN Di-wen1，JIANG Yong1，HUANG Ying1，AO Jun-hua1，ZHOU Wen-ling1，HUANG Zhen-rui1，WANG Ya-biao2
（1.Guangzhou Sugarcane Industrial Research Institute/Guangdong Key Lab.of Sugarcane Improvement & Bio-refinery，Guangzhou 510316，China 2.Guangdong Guangken Sugar Group Co.，Ltd.，Zhanjiang 524022，China）

Aluminum （Al） toxicity is a practical problem in the acid soil area of Southern China，and is not easy to solve it for crops.In this paper，the effects of silicon on the growth and physiological indexes of sugarcane seedlings with different SiO32-treatments under Al3+stress were studied by using the nutrient solution culture.Results showed that under the Al stress （T1），compared with the normal （CK），all of the plant height，dry weight，root length，root diameter，root volume and root surface area decreased significantly.Similarly，root activity，leaf SPAD value and superoxide dismutase （SOD） decreased significantly.But the content of malondialdehyde （MDA） and electrical conductivity increased significantly.It indicated that the normal growth and physiological activity of sugarcane plants were damaged under aluminum stress.While with a range of 1-2 mmol/L sodium silicate solution added to the nutrient solution，compared to T1，both the plant height and dry matter weight increased，root morphology parameters were significantly improved，and root activity and leaf SPAD value also increased significantly，yet MDA content and electric conductivity decreased significantly.It indicated that silicon could effectively relieve aluminum toxicity on sugarcane seedling.

silicon；sugarcane；aluminum stress；alleviating effect；root morphology

S566.1

A

1004-874X（2016）05-0087-05

10.16768/j.issn.1004-874X.2016.05.017

2015-08-14