供鋁水平對平邑甜茶幼苗生長及葉片生理生化性質(zhì)的影響

于 波,劉晶晶,田 歌,王 芬,葛順峰,姜遠茂

山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院,作物生物學國家重點實驗室,山東 泰安 271018

由于氮、磷肥的投入過量及有機肥投入不足，果園土壤酸化現(xiàn)象嚴重。據(jù)報道，目前我國酸化土壤面積已占國土面積的20%以上，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，酸化面積和程度逐漸增加[1]。土壤酸化后，土壤中的H+與鋁發(fā)生置換，形成可溶性的活性鋁[2]，通常毫微摩爾濃度水平的鋁在短時間內(nèi)即可影響許多作物的生長[3]。鋁脅迫已成為公認的制約酸性土壤作物生產(chǎn)的主要因素之一[4]。

目前關于鋁脅迫影響農(nóng)作物的生長已有較多報道，如有研究表明，鋁脅迫會影響大豆、小麥和早稻的生物量、產(chǎn)量和吸氮量[5,6]，前期研究證實鋁脅迫使大豆積累了大量的脯氨酸、可溶性糖和丙二醛，且不同品種在鋁脅迫的表現(xiàn)性狀方面存在差異[7]。大量研究表明，鋁影響作物對磷的吸收和代謝，其與磷在根表或質(zhì)外體發(fā)生吸附—沉淀反應，減少了磷進入根內(nèi)以及向地上部的運輸[8]。農(nóng)作物受鋁脅迫后與脂肪、蛋白質(zhì)和核酸結(jié)合的磷顯著減少，己糖的磷酸化作用明顯受到抑制[9]。鋁脅迫通過抑制玉米根系對K+的吸收,降低根系和地上部鉀的含量[10]。有研究認為鋁脅迫通過促進小麥根尖細胞壁木質(zhì)素合成，加快細胞的木質(zhì)化，細胞壁延展性變小，從而抑制細胞的伸長，減小根的生長[11]。目前有關供鋁水平對植物生長發(fā)育影響的研究主要集中在玉米、水稻等對鋁敏感型作物上[12,13]，側(cè)重于從作物產(chǎn)量及作物養(yǎng)分含量角度進行闡述[14,15]，在果樹生長及對葉片生理生化性質(zhì)性質(zhì)影響的研究甚少，且在蘋果砧木上的研究鮮有報道。本試驗以一年生蘋果砧木平邑甜茶為試驗材料，研究不同供鋁水平下鋁對平邑甜茶幼苗根、葉生長及生理生化性質(zhì)的影響，測定不同供鋁水平下平邑甜茶幼苗的生物量、（根系長度、根系總面積、根尖數(shù)）根系形態(tài)指標、葉片中葉綠素含量、葉片凈光合速率、過氧化氫含量、根系氧化力及游離脯氨酸等指標，為揭示砧木生長與供鋁水平的關系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2015年3～8月在山東農(nóng)業(yè)大學園藝試驗站及國家蘋果工程技術研究中心實驗室進行。以一年生平邑甜茶幼苗為試材，在3月上旬將層積好的種子播于穴盤中，正常溫濕度管理，至幼苗長出三片真葉時，選取生長均勻一致的幼苗移栽到裝滿石英砂的盆中，石英砂用前已洗凈晾干。移栽后緩苗1周，期間澆灌去離子水。緩苗后采用Han等營養(yǎng)液配方作為基本營養(yǎng)液，先用1/2濃度Hoagland營養(yǎng)液預處理澆灌一周，之后用Hoagland完全營養(yǎng)液澆灌，每3 d 1次。緩苗生長1周后進行鋁處理，試驗所用的鹽為AlCl3，設置0、50、75、100、125、150、200 μmol/L7個Al3+濃度試液(分別以 T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6 表示)，每個處理重復10 盆，每盆 4株。其它大量元素(Ca(NO3)25 mmol·L-1、KNO35 mmol·L-1、KCl 5 mmol·L-1、MgSO42.5 mmol·L-1、EDTA-Fe 0.2 mmol·L-1)以及微量元素(MnSO4、CuSO4、H3BO3、H2MoO4)濃度與正常Hoagland營養(yǎng)液相同。每7 d更換1次營養(yǎng)液，處理3周后測定平邑甜茶幼苗根系和葉片的各項指標。

1.2 指標測定

1.2.1 植株解析樣品測定方法 將植株解析成根、莖、葉三部分，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，用千分之一電子天平稱量各器官的干物質(zhì)量。

1.2.2 根系形態(tài)指標的測定 根系經(jīng)清水沖洗后用透射掃描儀(ESPON Perfection V750)對根系樣品進行掃描，獲取平邑甜茶整株根系圖像，再利用WinRHIZO根系分析軟件進行根系長度、根系總表面積、根尖數(shù)分析。

1.2.3 葉片及根生理生化指標的測定 葉片葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素采用分光光度法，葉片中過氧化氫含量采用硫酸鈦分光光度法，葉片游離脯氨酸用酸性茚三酮顯色法，根系氧化力α－萘胺法

1.2.4 凈光合速率（Pn）的測定 用CIRAS-1便攜式光合儀測定系統(tǒng)（PPSystems，英國）直接測定凈光合速率，參數(shù)設定參照梁芳等（2010）。每次測定3次重復，取平均值。測定時設定內(nèi)源光強450 μmol·m-2·s-1，CO2濃度 360 μL·L-1，溫度 25 ℃。測定時間為 9:00～11:00。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理，用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)單因素試驗統(tǒng)計分析方法進行顯著性和相關性分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供鋁水平下平邑甜茶生物量

不同濃度鋁處理對平邑甜茶生物量的影響由表1所示，T0（0 μmol/L）處理時，平邑甜茶生物量最高，其根、莖、葉分別為2.12 g、1.83 g、2.95 g；T6（200 μmol/L）處理時，平邑甜茶生物量最低，分別為1.35 g、1.26 g、2.05 g，僅為T0（0 μmol/L）處理的0.64倍、0.69倍、0.71倍。從T0處理到T6處理，隨著鋁濃度的遞增，平邑甜茶的生物量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，且不同濃度鋁處理平邑甜茶各器官生物量均呈現(xiàn)出葉＞根＞莖的趨勢。

2.2 不同供鋁水平下平邑甜茶根系形態(tài)指標

如表2所示，平邑甜茶幼苗根系總長度、根系總表面積及根尖個數(shù)受供鋁水平的影響較為顯著。其中在低鋁（T0-T1）水平下，平邑甜茶幼苗根系長度、根系總表面積較大，且根尖數(shù)較多；隨著鋁濃度的增加，平邑甜茶根系生長受到抑制，其根系長度、根系總表面積及根尖數(shù)均顯著下降，且在T6（200 μmol/L）處理時達到最低，其根系長度、根系總表面積及根尖數(shù)分別是T0處理時0.54倍、0.34倍、0.14倍。

表1 不同供鋁水平對平邑甜茶各器官生物量的影響Table 1 Effect of different aluminum supply level on the biomass of different organs in Malus hupehensis Rehd

表2 不同供鋁水平下平邑甜茶根系形態(tài)指標Table 2 Root morphology indexes of Malus hupehensis Rehd seedlings on different aluminum supply level

2.3 不同供鋁水平對平邑甜茶幼苗葉片葉綠素含量的影響

不同濃度鋁水平對平邑甜茶幼苗葉片葉綠素含量的影響由表3所示，從表3可以看出，T0（0 μmol/L）處理下，葉片中的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量最高，分別為0.748 mg/g、0.612 mg/g、1.36 mg/g，T6（200 μmol/L）處理時，葉片中的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量最低，僅為T0（0 μmol/L）處理的0.46倍、0.39倍、0.43倍，T0～T6處理下，隨著鋁處理濃度的增加，葉片中的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均呈現(xiàn)下降趨勢，且各處理間差異較為顯著。鋁處理濃度越大，葉片中的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素含量與T0（0 μmol/L）相比下降越明顯。

2.4 不同供鋁水平對平邑甜茶幼苗葉片凈光合速率的影響

由表3可見，不同供鋁水平顯著影響了平邑甜茶幼苗葉片凈光合速率。T0（0 μmol/L）和T1（50 μmol/L）處理葉片凈光合速率較高，隨著供鋁水平的提高，葉片凈光合速率顯著降低。T6（200 μmol/L）處理葉片凈光合速率最低，僅為T0（0 μmol/L）處理的0.45倍。

表3 不同供鋁水平下平邑甜茶葉片葉綠素含量及葉片凈光合速率Table3 Chlorophyll content and leaf net photosynthetic rate ofMalus hupehensisRehd at different aluminum supply levels

2.5 不同供鋁水平對平邑甜茶幼苗葉片脯氨酸含量的影響

由表4可見，供鋁水平顯著影響了平邑甜茶幼苗葉片脯氨酸的含量，T0（0 μmol/L）和T1（50 μmol/L）處理葉片的脯氨酸含量較低，隨著供鋁水平的進一步升高，平邑甜茶幼苗葉片的脯氨酸含量顯著增加，且供鋁水平越高，增加的幅度越大，T6處理的脯氨酸含量為T0處理的4.98倍。

2.6 不同供鋁水平對平邑甜茶幼苗根系氧化力的影響

采用α－萘胺法檢測根系氧化力，用α－萘胺氧化量來檢測根系氧化力，結(jié)果見表4。由表4可見，不同供鋁水平下平邑甜茶幼苗根系氧化力存在顯著差異，T0（0 μmol/L）處理時平邑甜茶幼苗根系氧化力最高，為 49.15(μg·g-1·h-1）。隨著供鋁水平的提高，根系氧化力逐漸降低，T6（200 μmol/L）處理下根系氧化力最低，僅為T0（0 μmol/L）處理的0.21倍。

表4 不同供鋁水平下平邑甜茶葉片脯氨酸含量及根系氧化力Table 4 Proline content and root oxidizing power of Malus hupehensis Rehd at different aluminum supply levels

3 討 論

由于物種本身遺傳特性和抗逆境脅迫能力不同，每個物種對其生存環(huán)境的要求均有差異，只有在最適生存環(huán)境下植株的各項生理機能才會處于最佳狀態(tài)，有研究發(fā)現(xiàn)水稻在pH6.0的條件下生長最好[16]，而金銀花在pH8.3的條件下才能正常生長[17]。本研究結(jié)果表明，不同供鋁水平顯著影響平邑甜茶幼苗的生長，各器官生物量隨供鋁水平的提高呈現(xiàn)下降的趨勢，且供鋁濃度越高，各器官的生物量下降幅度越明顯。一方面，高鋁環(huán)境下根系生長受到抑制，且根系活力和硝酸還原酶活性下降，根系吸收功能降低，不利于根系對礦質(zhì)元素的吸收，進而影響地上部的生物合成[18,19]；另一方面，高鋁濃度條件下體內(nèi)機能受損，營養(yǎng)物質(zhì)消耗速度高于合成速度，也是導致地上部生物量的降低的原因之一[20]。

根系構型作為植株地下部器官的關鍵形態(tài)特征，是指同株植物不同功能、不同特征的根在外界環(huán)境中的空間結(jié)構，其通過復雜的交錯分布決定了植株整個根系在外界環(huán)境中的吸收面積[21]。根系是吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，較好的根系分布是保障植株地上部營養(yǎng)器官正常生長的關鍵因子[22]。在本試驗中，供鋁水平對平邑甜茶幼苗根系長度、根系總表面積及根尖個數(shù)的影響較為顯著，且隨著供鋁水平的提高，平邑甜茶幼苗的根系長度、根系總表面積及根尖個數(shù)均顯著降低。前人研究證實在供鋁水平較高條件下根系生長受到抑制，根系形態(tài)發(fā)生改變，根系活力降低，從而造成根對水分及養(yǎng)分吸收能力變?nèi)?，最終導致植物生長發(fā)育受限制[11]。

植物進行光合作用不僅為自身的生長發(fā)育提供能量，光合產(chǎn)物也可以轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)等儲存。葉綠素含量下降對植物最大的影響就是降低光合作用速率和質(zhì)量[19]。植物葉片直接處于逆境脅迫時會發(fā)生膜脂過氧化[23,24]，改變?nèi)~片葉綠素熒光參數(shù)，破壞植物光合系統(tǒng)，導致葉片光合速率下降[25,26]。本試驗中不同供鋁水平顯著影響了平邑甜茶葉片葉綠素含量及葉片凈光合速率，隨著鋁濃度的升高，葉片的凈光合速率顯著下降，在T6處理時，葉片凈光合速率僅為T0處理的0.45倍，且與對照相比，在同一供鋁水平下，葉綠素a比葉綠素b下降趨勢更為明顯，說明葉綠素a比葉綠素b對鋁更為敏感，這種敏感性與肖祥希等[27]的研究結(jié)果一致。這種隨著鋁濃度的升高，平邑甜茶葉片葉綠素含量及葉片凈光合速率呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢與李春雷等[28]研究茶樹葉綠素含量對鋁脅迫的響應結(jié)果，程永生等[29]研究鋁脅迫下鳶尾的葉綠素和類胡蘿卜含量影響結(jié)果以及鄭陽霞等[30]研究鋁脅迫對西瓜幼苗葉片葉綠素的影響結(jié)果類似。葉綠素含量下降可能有兩方面原因造成：一是鋁毒抑制根系對鎂離子的吸收，導致葉綠素合成受阻[31]；二是鋁毒脅迫下細胞質(zhì)中自由基的大量累積破壞葉綠體膜結(jié)構，加速葉綠體的分解[32]。

植物葉片中脯氨酸含量的高低通常作為植物受到脅迫的一種信號，可以通過脯氨酸含量的變化來判斷植物是否受到干旱、重金屬、高溫等逆境的毒害。當植物受到各種逆境脅迫時，自身就會產(chǎn)生抗脅迫的機制，脯氨酸可以通過調(diào)節(jié)植物細胞的滲透勢來提高植物的抗脅迫能力[2]。與此同時，植物在逆境下植物根系氧化力降低，導致根系各種氧化反應的不能順利進行，不利于根系自身的生長和發(fā)育，從而影響地上部營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)化，進而對植株生長產(chǎn)生危害[33]。在本試驗中，葉片中脯氨酸的含量隨著供鋁水平的提高而增加，且不同處理間差異顯著，表明鋁脅迫使平邑甜茶幼苗葉片中脯氨酸積累，脯氨酸提高的幅度隨著鋁脅迫濃度的增加而上升，表明供鋁水平越高，對葉片的毒害作用越大。用α－萘胺氧化量來表示根系氧化力，在本試驗中，供鋁水平的提高使得平邑甜茶幼苗根系氧化力呈現(xiàn)明顯下降趨勢，且降低幅度隨鋁處理濃度的增加而增大，嚴重影響根系對水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進而影響整個植株的生長。

綜上所述，不同供鋁水平顯著影響了平邑甜茶幼苗的生長及葉片理化性質(zhì)，通過抑制根系的生長，削弱砧木對養(yǎng)分的吸收，從而影響砧木的生長；同時葉片中葉綠素含量與光合速率的下降，導致光合產(chǎn)物在地上部和地下部之間的交換能力減弱，從而減少了根系生長發(fā)育所需的碳水化合物，進而影響砧木的生長。砧木作為蘋果嫁接技術中的關鍵因素，試驗明確了平邑甜茶幼苗生長及葉片理化性質(zhì)對供鋁水平的響應機制，為后續(xù)果樹耐酸鋁生理生化機制和砧木遺傳改良研究提供依據(jù)。