鋁脅迫對草本植物生理的影響機(jī)制

黃玉婷，吳 亞，劉大林，張衛(wèi)紅

(揚(yáng)州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，其中人類排放的大量二氧化硫、氮氧化物等物質(zhì)溶解在雨中形成酸雨，酸雨落入土壤中,再加上生理酸性肥料的大量施用以及工廠排污對土壤的直接酸蝕，加快了土壤酸化，致使酸性土壤占世界可耕地土壤面積的50%[1]，而我國酸性土壤占據(jù)了全國土地總面積的22.7%[2]。鋁(Aluminum，Al)是地殼中含量最豐富的金屬，約占其總質(zhì)量的7.1%[3]。由于許多植物對微摩爾濃度的鋁敏感，所以土壤可能具有鋁毒性[4]，而鋁在土壤中通常以難溶性沉淀物的形式存在，對植物無毒，但當(dāng)土壤呈酸性甚至pH低于5時，鋁的活性增加，結(jié)合態(tài)鋁轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子態(tài)，鋁離子釋放到土壤，對土壤中的植物產(chǎn)生毒害，并且隨著pH的降低，高活性鋁的含量迅速上升，植物生長受到嚴(yán)重制約，鋁脅迫是限制酸性土壤上的草本植物生產(chǎn)的最主要因素[5]。

鋁毒通過土壤進(jìn)入植物體，再由食物鏈進(jìn)入到人體中，人體攝入過多后會在機(jī)體中蓄積，難以迅速排出體外。所以鋁對人體神經(jīng)、骨組織、免疫系統(tǒng)等有影響[6]。草本植物生長快，生物學(xué)產(chǎn)量高，不僅是人類和畜禽的食物來源，還具有美化環(huán)境、防風(fēng)固沙、制造氧氣等作用。為此，綜述鋁脅迫對草本植物的農(nóng)藝性狀、光合呼吸作用、活性氧和抗氧化酶系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及根系活動和次生代謝物的影響，并提出應(yīng)對鋁脅迫的對策，以期為減緩鋁毒對草本植物甚至整個生物圈的各種危害提供幫助。

1　鋁脅迫對草本植物農(nóng)藝性狀的影響

鋁對植物的地上部分和地下部分都有毒害作用，但相對而言，鋁對植物地上部分的毒害作用一般滯后于根部[7]。Rengel等Ribubsib[8]指出，在鋁脅迫下一年生黑麥草(Loliummultiflorum)根系吸收的鋁大部分殘留在根系組織中，而向莖中運(yùn)輸?shù)匿X則為極少部分。此外，植物對鋁的敏感性與鋁在植物根尖的積累有關(guān)，根系伸長率隨根尖鋁的積累量的增加而減少[9]。

鋁對植物的毒害作用主要表現(xiàn)在根上，根是植物吸收水分和養(yǎng)分的器官[10]，而鋁毒阻斷了細(xì)胞分裂機(jī)制，導(dǎo)致根不能通過細(xì)胞分裂而伸長，使得根變得干而脆，主根粗短，根毛發(fā)育不良，根尖腫脹、顏色變褐[5]。崔雪梅等[11]對油菜(Brassicanapus)的研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫下油菜幼苗的相對根長顯著減小，并且隨著鋁濃度上升，相對根長減小趨勢更明顯。Ryan等[12]研究表明，根尖是鋁毒害的關(guān)鍵部位。根尖的分生區(qū)和伸長區(qū)對鋁高度敏感，鋁容易在此積累，因此分生區(qū)和伸長區(qū)的物理損傷遠(yuǎn)多于成熟區(qū)[13]。有研究指出，鋁毒干擾根尖和側(cè)根的細(xì)胞分裂，通過交聯(lián)果膠增加細(xì)胞壁剛性，以及通過增加雙螺旋的剛度來減少DNA復(fù)制，在土壤和植物根表面固定少量磷，降低根呼吸和一些酶的功能，減少細(xì)胞壁多糖的沉積，干擾細(xì)胞分裂素的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)運(yùn)，同時改變質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能，從而使根生長受抑制[14]。

鋁毒也會抑制地上部分的生長。蕭鳳迴等[15]研究表明，鋁脅迫下綠豆(Vignaradiata)的上胚軸長度和重量均受到抑制，從而其株高降低，總生物量減少。此外鋁脅迫抑制了植物營養(yǎng)物質(zhì)的積累，使其葉面積變小[16]。但也有研究表明，低濃度鋁對植物生長具有促進(jìn)作用，只有當(dāng)鋁濃度超過植物耐受臨界值之后才會表現(xiàn)出毒害作用[17]。劉影[5]研究發(fā)現(xiàn)，扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa)在低濃度鋁處理時，其根長相對伸長率、相對株高、相對葉長和相對葉寬較未經(jīng)鋁處理組都有所增加，但在高濃度鋁脅迫下，其根長相對伸長率、相對株高、相對葉長和相對葉寬則呈現(xiàn)下降趨勢。陳振等[18]也有研究表明，狗牙根(Cynodondactylon)在低濃度鋁處理對其生長具有促進(jìn)作用，而在中等濃度和高濃度對其生長則表現(xiàn)出抑制作用，且狗牙根受毒害程度與鋁離子濃度及脅迫時間均呈正相關(guān)關(guān)系(表1)。

2　鋁脅迫對草本植物光合呼吸作用的影響

2.1　鋁脅迫對葉綠素含量的影響

葉綠素是衡量植物光合能力強(qiáng)弱最重要的一類色素，其含量的高低與光合作用密切相關(guān)，而光合作用(photosynthesis)是植物生長最重要的途徑，也是植物合成有機(jī)物并獲得能量的根本來源。研究表明，鋁毒害破壞了植物葉綠體被膜，導(dǎo)致葉綠素含量降低[19]，其中葉綠素a和葉綠素b下降幅度較大，且葉綠素a比葉綠素b較敏感，所以葉綠素a/b的比值也大幅度下降，而葉綠素a/b比值的降低抑制了植物的收集并轉(zhuǎn)化光能能力，降低了光合效率[20-21]。但李淮源等[22]研究表明，短期內(nèi)鋁脅迫使烤煙(Nicotianatabacum)煙苗中葉綠素含量顯著增加，長期的鋁脅迫對其含量沒有明顯影響；楊振德等[23]對桉樹(Eucalyptusspp.)幼苗的研究也得出相同結(jié)果。該結(jié)果可能是煙苗以及桉苗對鋁毒的抗逆性反應(yīng)，也可能是與試驗(yàn)材料等外在因素有關(guān)，還需進(jìn)一步研究證實(shí)。

表1　不同鋁濃度對草本植物的影響Table 1　Effect of different aluminum concentrations on herbaceous plants

2.2　鋁脅迫對氣孔特性的影響

光合速率和氣孔導(dǎo)度存在一定的線性關(guān)系。氣孔作為植物葉片中空氣和水蒸氣的通路，直接控制著CO2的進(jìn)入和葉片的蒸騰作用[24]，也間接地對葉片的光合作用產(chǎn)生了影響。Wong等[25]提出光合速率受氣孔導(dǎo)度影響，同時光合速率對氣孔導(dǎo)度具有反饋調(diào)節(jié)作用，即在正常光合作用時，氣孔導(dǎo)度增大，光合作用受阻礙時，氣孔導(dǎo)度減小，因此光合速率與氣孔導(dǎo)度之間遵循嚴(yán)格的線性關(guān)系[19,21]。

逆境環(huán)境脅迫下，光合作用的限制因子分為氣孔因子和非氣孔因子[26]。李淮源等[22]研究表明，鋁脅迫主要通過調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度或氣孔開關(guān)從而影響光合作用。低濃度鋁脅迫下，烤煙葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度以及蒸騰速率反而升高；而在高濃度鋁脅迫下，各項(xiàng)指標(biāo)才明顯降低。該研究結(jié)果在高濃度鋁脅迫下由于煙苗氣孔導(dǎo)度下降導(dǎo)致其光合速率下降，即受氣孔因素影響。然而在肖宜安等[27]研究中，高鋁脅迫下的車前(Plantagoasiatica)光合速率和蒸騰速率明顯降低，氣孔導(dǎo)度下降，胞間CO2濃度升高，嚴(yán)重抑制了葉片的光合作用。該種隨著胞間CO2濃度升高，氣孔限制值降低的結(jié)果從Farquhar和Sharkey[26]的觀點(diǎn)(由胞間CO2濃度降低的同時氣孔限制值增大推測出光合速率降低的起因是氣孔導(dǎo)度降低)推測是非氣孔因素抑制了葉片光合作用，即光合速率下降是由光合機(jī)構(gòu)活性的降低所引起的，李亞敏等[28]對黃芩(Scutellariabaicalensis)的研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)(表2)。

2.3　鋁脅迫對呼吸作用的影響

呼吸作用(respiration)是新陳代謝的基礎(chǔ)，它不僅能產(chǎn)生各種中間產(chǎn)物和能量，用以合成多種有機(jī)物，還有利于物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸。線粒體是呼吸作用的主要反應(yīng)場所，是生物體的能量供應(yīng)站。大量研究表明，鋁脅迫下植物總呼吸速率降低[29]，并且鋁可以進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)[30]和線粒體，進(jìn)入線粒體的鋁量占根系勻漿中鋁的10%～20%[31]。鋁抑制呼吸作用的原因可能是由于鋁進(jìn)入植物細(xì)胞的線粒體，從而抑制了己糖磷酸激酶活性，阻礙了己糖磷酸化作用；也可能首先是線粒體膜上H+-ATP酶和H+-PP酶活性受抑制，跨線粒體膜電化學(xué)勢梯度下降，呼吸底物進(jìn)入線粒體減少的結(jié)果[32]。

研究表明，鋁抑制植物根系伸長的主要原因是由于植物細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)的過度積累[33-34]。細(xì)胞色素呼吸和交替呼吸組成了植物的呼吸作用，植物細(xì)胞線粒體電子傳遞至O2的末端氧化酶分別為細(xì)胞色素氧化酶(COX)和交替氧化酶(AOX)。由于其電子不易泄露致使細(xì)胞色素呼吸成為呼吸電子傳遞的主要方式，而在逆境條件抑制了細(xì)胞色素呼吸，因此阻礙了呼吸鏈電子傳遞，致使電子泄露程度較高并與O2結(jié)合形成活性氧。交替呼吸則是細(xì)胞色素呼吸的競爭途徑，逆境條件導(dǎo)致細(xì)胞呼吸速率升高，過剩電子通過交替氧化酶傳遞給O2形成水，能有效減少線粒體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生[35-36]。劉強(qiáng)等[37]的研究顯示，鋁脅迫致使煙草葉片呼吸作用下降，其中細(xì)胞色素的呼吸速率明顯下降，而活性氧的含量顯著上升，證實(shí)了鋁脅迫下煙草呼吸鏈電子傳遞受阻與體內(nèi)ROS的產(chǎn)生以及鋁毒害密切相關(guān)。

表2　鋁脅迫對草本植物光合作用的影響Table 2　Effect of aluminum stress on the photosynthesis of herbaceous plants

3　鋁脅迫對草本植物活性氧和抗氧化酶系統(tǒng)的影響

活性氧即氧的某些代謝產(chǎn)物以及一些反應(yīng)的含氧產(chǎn)物。植物細(xì)胞能夠通過多種如分子氧單電子還原過程、某些酶催化過程和某些低分子氧化物的自動氧化的途徑，不斷產(chǎn)生·O2-、H2O2和·OH等活性氧。正常條件下，活性氧的產(chǎn)生與清除平衡，不會對植物細(xì)胞產(chǎn)生傷害[38]。而逆境脅迫打破了這種平衡，使植物體內(nèi)活性氧濃度升高，導(dǎo)致膜脂過氧化，產(chǎn)生毒害作用，嚴(yán)重時導(dǎo)致細(xì)胞死亡。近年來對豇豆(Vignaunguiculate)[39]、大豆(Glycinemax)[40]、小麥(Triticumaestivum)[41]、黑麥(Secalecereal)[42]以及煙草[43]等的研究都表明鋁脅迫促使活性氧濃度上升(表3)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)活性氧還能作為逆境信號，由信號傳導(dǎo)促使植物對逆境作出反應(yīng)，增強(qiáng)抗逆性[42,44]。

表3　草本植物中的活性氧對鋁脅迫的響應(yīng)Table 3　Response of active oxygen to aluminum stress in herbaceous plants

抗氧化酶是植物體內(nèi)清除活性氧的重要酶類，它能維持活性氧的產(chǎn)生和清除平衡，保護(hù)細(xì)胞免受傷害。在一定的鋁濃度內(nèi)，活性氧濃度的升高可以提高抗氧化酶活性，清除活性氧物質(zhì)，增強(qiáng)抗氧化脅迫能力[45]?？寡趸赴ǔ趸锲缁?SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)及谷胱甘肽還原酶(GR)等。植物細(xì)胞內(nèi)的SOD在各種酶促活性氧清除系統(tǒng)中處于第一道防線，催化·O2-發(fā)生歧化反應(yīng)生成相對穩(wěn)定的H2O2和O2，清除·O2-。CAT和POD則是主要將H2O2變成H2O，從而清除H2O2。通過SOD、CAT以及POD三者協(xié)調(diào)一致的作用，可以降低活性氧濃度，使之維持在一個較低的水平，減少對植物的傷害。GR則是葉綠體中清除H2O2的重要酶之一[46]。張爭艷[47]對大豆的研究以及陳志剛等[48]對多花黑麥草(L.multiflorum)的研究都表明，隨著鋁濃度的升高，SOD、POD和CAT的活性先增后減。這些酶活性的維持和提高是植物在鋁脅迫下抵御逆境傷害機(jī)制的體現(xiàn)[38,48](表4)。

表4　草本植物中抗氧化酶對鋁脅迫的響應(yīng)Table 4　Response of antioxidant enzymes to aluminum stress in herbaceous plants

4　鋁脅迫對草本植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

滲透調(diào)節(jié)指的是植物在逆境條件下通過主動增加溶質(zhì)，提高細(xì)胞液濃度，降低滲透勢，以有效地增強(qiáng)吸水和保水能力[49]。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括兩大類：一是由外界進(jìn)入的無機(jī)離子，如K+、Cl-、Na+、Mg2+等；二是細(xì)胞自身合成的有機(jī)溶質(zhì)，包括可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿等。在各類逆境條件下，植物的有機(jī)和無機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)都起著重要作用[50]。

可溶性蛋白指可以以小分子狀態(tài)溶于水或其他溶劑的蛋白，測定其含量也可以衡量植物在某種條件下是否會發(fā)生重金屬脅迫，其含量的增加能維持植物細(xì)胞正常的滲透勢[51]。肖祥希等[52]研究結(jié)果表明，鋁脅迫下，龍眼的可溶性蛋白含量下降。馬麗和楊盛昌[53]對海蓮(Brugierasexangular)的研究也得出相似結(jié)果，導(dǎo)致該結(jié)果的主要原因有：蛋白酶活性提高加劇了蛋白質(zhì)的水解；鋁毒致使活性氧濃度上升，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)的合成受抑制[38]。然而張華寧等[54]對大麥(Hordeumvulgare)的研究結(jié)果表明，鋁毒導(dǎo)致大麥葉片中的可溶性蛋白含量先升高后降低，這可能是鋁脅迫下植物細(xì)胞的相關(guān)基因得以表達(dá)，使植物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成量增加[55]，此外，鋁脅迫促使抗性蛋白的產(chǎn)生[56]，鋁濃度的上升降低了蛋白質(zhì)合成酶的活性，提高了分解酶的活性，降低了可溶性蛋白含量[54,57]。

可溶性糖是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物體內(nèi)，其含量會受鹽脅迫、水分脅迫、冷脅迫影響而產(chǎn)生顯著變化[58]。胡雪華等[59]研究表明，在短期高濃度的鋁作用下，車前的可溶性糖含量上升；而在長期高濃度鋁的作用下，車前的可溶性糖含量明顯下降。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是植物在脅迫初期通過積累可溶性糖來增強(qiáng)抗逆性，但高濃度長期作用導(dǎo)致葉片受損，光合作用系統(tǒng)受到破壞，致使植物對CO2的固定減少，光合作用受到抑制，從而阻礙了可溶性糖的合成和正常運(yùn)輸，最終導(dǎo)致其含量下降。

作為有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，脯氨酸能通過保護(hù)膜和酶并清除自由基來維持逆境中植物的正常生長；當(dāng)植物液泡中的鉀離子濃度過高時，脯氨酸又能調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)滲透平衡[60]。在土壤試驗(yàn)中，彭嘉桂等[61]發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫下大豆和玉米(Zeamays)葉片中脯氨酸的含量顯著增加，植物葉片中游離脯氨酸含量的上升是適應(yīng)逆境的表現(xiàn)。韋冬萍等[62]在油菜上以及李朝蘇等[63]在蕎麥(Fagopyrumesculentum)上也得到了證實(shí)。而胡雪華等[59]對車前的研究表明，在低濃度鋁脅迫下車前脯氨酸沒有顯著變化，在中高濃度鋁脅迫下脯氨酸含量先增加后減少?，F(xiàn)階段該方面的研究結(jié)果差異較大，所以鋁脅迫與脯氨酸含量的關(guān)系還不是非常明確，仍需進(jìn)一步探索研究(表5)。

表5　鋁脅迫對草本植物有機(jī)溶質(zhì)的影響Table 5　Effect of aluminum stress on organic solutes in herbaceous plants

5　鋁脅迫對草本植物根系活力和次生代謝物的影響

根系不僅是植物吸收水分和養(yǎng)分的器官，也是多種物質(zhì)的同化、轉(zhuǎn)化或合成的重要器官，它還是最先感受土壤逆境脅迫因子信號的器官[64]。

根系活力包括根系的吸收能力、合成能力和還原能力等。俞慧娜[65]研究表明，鋁脅迫抑制了大豆的根系活力，隨著鋁濃度的升高，其根系活力先上升后下降。該結(jié)果與謝國生等[66]對水稻(Oryzasativa)的研究相同。李朝蘇等[63]對蕎麥的研究表明，鋁脅迫對根系活力有抑制作用，并且鋁濃度越高，抑制作用越強(qiáng)?？梢?，鋁脅迫抑制草本植物根系生長，并導(dǎo)致其根系活力下降。

根系分泌物是植物根系向生長介質(zhì)中溢泌或分泌的質(zhì)子、離子和大量的有機(jī)物質(zhì)，主要包括有機(jī)酸[67]、氨基酸、碳水化合物等。其中鋁脅迫導(dǎo)致根系分泌大量有機(jī)酸，被認(rèn)為是重要的植物耐鋁機(jī)制之一。分泌出的有機(jī)酸與鋁螯合，不僅緩解了鋁對植物根系的毒害作用，還減少了根系對鋁離子的吸收，Ma等[68]對蕎麥的研究結(jié)果證實(shí)了該結(jié)論。之后，Ma[69]又將鋁誘導(dǎo)根系有機(jī)酸分泌分成兩種模式：模式Ⅰ中，鋁脅迫下根系能迅速做出反應(yīng)分泌有機(jī)酸，即鋁處理與根系開始釋放有機(jī)酸之間沒有明顯的延緩期；模式Ⅱ中，鋁處理與根系開始分泌有機(jī)酸之間存在明顯的滯后期。有機(jī)酸的分泌對鋁具有高度的特異性，分泌位點(diǎn)定位于根尖，而鋁對植物的毒害作用主要作用于根尖，所以有機(jī)酸在植物根系緩解鋁毒過程中起重要作用。檸檬酸、蘋果酸和琥珀酸都能與鋁離子結(jié)合，其中檸檬酸與鋁離子結(jié)合程度最高，并且有研究表明，通過表達(dá)植物或細(xì)菌來源的檸檬酸合成酶或蘋果酸脫氫酶基因能夠提高油菜、擬南芥(Arabidopsisthaliana)、煙草和紫花苜蓿(Medicagosativa)中有機(jī)酸的合成率[70]。

6　小結(jié)與展望

鋁是酸性土壤上對植物產(chǎn)生毒害作用的主要因素。根系是與鋁離子直接接觸的部位，正常情況下，鋁毒進(jìn)入線粒體，抑制線粒體中酶的活性或細(xì)胞色素呼吸從而抑制植物呼吸作用，同時阻斷細(xì)胞分裂機(jī)制，使得根系伸長以及根系活力受到抑制，而植物根系分泌出的有機(jī)酸與鋁螯合，減少根系對鋁離子吸收的同時還緩解了鋁對植物根系的毒害作用。鋁脅迫下葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度降低抑制了植物光合作用，從而阻礙了可溶性糖的合成與正常運(yùn)輸，并使植物地上部分生長受阻，但鋁毒對地上部分的毒害一般滯后于根部。高濃度的鋁脅迫使抗氧化酶活性下降，破壞活性氧產(chǎn)生與清除的平衡，使植物細(xì)胞中活性氧大量累積，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)等生物大分子受到氧化損傷，抑制可溶性蛋白的合成，此外，鋁脅迫促使抗性蛋白產(chǎn)生并加劇蛋白質(zhì)分解致使可溶性蛋白含量下降，破壞滲透平衡，從而破壞植物細(xì)胞的吸水和保水能力。但鋁脅迫與脯氨酸含量的關(guān)系還不是非常明確，還需后人進(jìn)一步研究。

隨著環(huán)境破壞的加深，酸性土壤已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約因素，植物應(yīng)對鋁脅迫的形勢也越來越嚴(yán)峻，緩解酸鋁脅迫對土壤和植物的毒害作用成為亟待解決的問題。目前，改良酸性土壤主要有兩種方法，一是利用化學(xué)改良劑，除了傳統(tǒng)的施用石灰改良外，人們又發(fā)現(xiàn)施加白云石、磷石膏、粉煤灰等礦物和工業(yè)副產(chǎn)物也能起到改良酸性土壤的效果[71]。另一種即是采取一定的生物措施來治理酸性土壤污染，例如，利用某些特定的動植物和微生物較快地吸走或降解土壤中的污染物質(zhì)[72-73]；利用植物自身分泌的有機(jī)酸來緩解鋁毒也成為近幾年研究的熱點(diǎn)[74]，與傳統(tǒng)物理化學(xué)修復(fù)相比，生物措施不僅綠色環(huán)保，還對土壤環(huán)境擾動較小[75]。此外，鑒定并篩選出耐鋁草本植物野生種質(zhì)資源也能適當(dāng)緩解鋁毒帶來的危害[76]。