鋁脅迫對木槿生理及光合光響應(yīng)特性的影響

張錦弦 施欽

摘要 采用盆栽木槿澆灌不同濃度硫酸鋁鉀溶液模擬Al3+脅迫，對0（CK）、1.0 mmol/L（T1）、2.0 mmol/L（T2）、4.0 mmol/L（T3）、6.0 mmol/L（T4）Al3+脅迫下木槿生長特性、光合熒光特性、抗氧化酶系統(tǒng)變化和葉片養(yǎng)分變化進行了研究。結(jié)果表明，經(jīng)過45 d的Al3+脅迫，處理T4木槿株高、地徑、生物量和根冠分別較CK降低了49.2%、33.7%、33.9%和36.8%。處理T1、T2中，木槿能有效維持光合作用，保持光反應(yīng)中心正常能量轉(zhuǎn)化；處理T3、T4的凈光合速率分別較CK降低了46.2%和61.4%，同時最大光化學(xué)效率顯著降低。木槿通過保持相對較高的酶促抗氧化劑活性清除活性氧，抵御Al3+造成的脂膜過氧化毒害?？梢娔鹃饶艿钟欢ǔ潭鹊腁l3+脅迫，但是在園藝栽培種實踐中仍要對木槿進行適當(dāng)?shù)腁l3+毒害防治。

關(guān)鍵詞 木槿；鋁脅迫；光合參數(shù)；生理特性

中圖分類號 Q945.79 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）19-0166-03

鋁作為地殼中最豐富的金屬元素，通常情況下以穩(wěn)定的鋁硅酸鹽形式存在于土壤中，對植物無毒害作用。但當(dāng)土壤pH<5時，難溶性鋁會轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄凿X離子[1]。酸性土壤遍布我國南方15個省區(qū)，總面積達203萬km2，約占耕地面積的21%[2]。近年來，隨著全球環(huán)境的日益惡化，酸雨頻繁沉降，在加速了土壤酸化的同時也活化了土壤中大量的鋁。有研究表明，當(dāng)土壤交換性鋁含量過多時，植物會表現(xiàn)出明顯的鋁毒害癥狀，主要表現(xiàn)為阻礙植物根系、葉片生長，抑制其對營養(yǎng)元素的吸收，導(dǎo)致植物內(nèi)部生理代謝失紊亂，光合效率降低，對植物正常生理活動至關(guān)重要的酶的活性降低，最終造成作物減產(chǎn)[3]。鋁毒害已成為酸性土壤中限制作物生長的最重要因素之一。許多亞熱帶重要的用材樹種受鋁毒害的影響已有諸多報道[4-6]。

木槿（Hibiscus syriacus）屬錦葵科木槿屬，落葉灌木或小喬木。木槿的花與嫩葉含有豐富的蛋白質(zhì)和粗纖維，是一種營養(yǎng)豐富的木本蔬菜。木槿在盛夏季節(jié)開花，花色豐富，具有很好的園林美化效果。不僅如此，木槿還具有清熱解毒、止癢化痰等較高的藥用價值[7-8]。目前，有關(guān)木槿的研究多集中于繁殖方法、經(jīng)濟利用等方面，均取得了一定進展；但有關(guān)其抗逆性，尤其是鋁脅迫下光合特性的響應(yīng)研究不多[9-11]。

植物光合特性是衡量一種植物能否在鋁脅迫下定植的關(guān)鍵指標(biāo)，其生理特性對植物生長發(fā)育具有重要生態(tài)指示性。木槿作為一種集觀賞、綠化、食用、藥用價值于一體的植物，后期有必要進行耐鋁品種選育。因此，本試驗研究不同程度鋁脅迫下木槿光合、葉綠素?zé)晒狻⒖寡趸赶到y(tǒng)生理等變化，揭示鋁脅迫對木槿的影響，為進一步研究木槿在鋁脅迫下的響應(yīng)及耐鋁品種選育提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的木槿來源于南京中山植物園實驗苗圃，選擇百花木槿（H. syriacus ‘Totus Albus）二年生扦插苗，每盆（直徑25 cm、高度35 cm）栽植1株，置于自然光照下，并每周充分灌溉2次，前期適應(yīng)4個月。栽培基質(zhì)由黃土、泥炭土、珍珠巖按體積比3∶1∶1混合而成。2017年9月選取生長良好、長勢均勻的木槿移放至溫室進行鋁脅迫處理。

1.2 試驗設(shè)計

采用澆灌不同濃度硫酸鋁鉀溶液模擬不同程度Al3+脅迫，試驗根據(jù)Al3+濃度不同設(shè)5個處理，處理T1、T2、T3、T4分別用Al3+濃度為1.0、2.0、4.0、6.0 mmol/L的硫酸鋁鉀溶液澆灌，對照組（CK）采用自來水澆灌。為防止Al3+脅迫下的應(yīng)激效應(yīng)，前3次澆灌先用各處理1/2濃度的對應(yīng)硫酸鋁鉀溶液澆灌500 mL，使基質(zhì)完全浸透。隨后正式開始試驗之后每隔2 d于16：00澆1次，每盆澆100 mL，共連續(xù)澆灌45 d。4次重復(fù)，隨機排列。

1.3 指標(biāo)測定

在試驗第45天的9：30—11：00，選擇受光方向一致、位于枝條中間且大小相同的葉片，用Li-6400光合系統(tǒng)（Li-Cor，美國）測定其光合參數(shù)。以光強為1 000 μmol/（m2·s）的紅藍光為光源，葉室CO2濃度為380 μmol/mol。儀器同步記錄凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）。隨后，利用調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x（PAM-2100，德國）測定經(jīng)0.5 h暗適應(yīng)后每個處理植株葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)，首先測定初始熒光（F0）和飽和脈沖光8 000 μmol/（m2·s）下的最大熒光（Fm），之后持續(xù)利用500 μmol/（m2·s）光強照射葉片，得到穩(wěn)態(tài)熒光Fs，再用0.7 s飽和脈沖照射得到光下最大熒光F′m，然后關(guān)閉光化學(xué)光，加遠紅光測量光下初始熒光F′0。計算以下參數(shù)：光合系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率=Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm，光化學(xué)量子產(chǎn)額φPSⅡ=（F′m-Fs）/F′m，非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ=（Fm-F′m）/F′m。測定結(jié)束后，選擇位于枝條中央、成熟且充分展開的葉片采樣、編號并包入錫箔紙，放入液氮中迅速冷凍，然后保存于-80 ℃超低溫冰箱中，用于其他生理指標(biāo)的測定。

葉綠素（Chl）含量采用95%乙醇提取法測定，脯氨酸（Pro）采用酸性茚三酮染色法測定，葉片相對含水量（RWC）采用飽和稱量法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，超氧化物歧化酶（SOD）采用氮藍四唑光還原法測定，過氧化物酶（POD）采用愈創(chuàng)木酚法測定，過氧化氫酶（CAT）采用紫外分光光度法測定。

在第45天完成采樣后，從CK組與處理組收獲木槿，測定株高、地徑。株高相對生長率（%）=（試驗后株高-試驗前株高）/試驗前株高。然后分成根、莖和葉3個部分，采用烘干法測定各部分干物質(zhì)質(zhì)量，并計算總生物量與根冠比（根干重/莖葉總干重）。最后，采用H2SO4-H2O2法消煮，稱取粉碎的葉片干樣0.1 g，加入5 mL濃H2SO4放置過夜后消煮，消煮液中全氮（TN）采用凱氏定氮法測定、全磷（TP）采用鉬銻抗比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件進行原始數(shù)據(jù)的整理及處理，通過SPSS 19.0對木槿各個處理間的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用Duncan法（P<0.05）進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 Al3+脅迫下木槿生長特性變化

經(jīng)過45 d的Al3+脅迫，各處理木槿均存活。從表1可以看出，Al3+脅迫對木槿的生長產(chǎn)生抑制作用，隨著Al3+脅迫程度的加劇，處理T1、T2的木槿生長指標(biāo)沒有發(fā)生顯著變化，處理T3下木槿根冠比顯著低于CK，處理T4木槿株高、地徑、生物量和根冠比分別較CK降低了49.2%、33.7%、33.9%和36.8%。

2.2 Al3+脅迫下木槿光合熒光特性變化

從表2可以看出，處理T1、T2、T3木槿的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均無顯著差異，但是處理T3、T4所有參數(shù)都顯著（P<0.05）降低，其中處理T3、T4木槿凈光合速率相比于CK分別降低了46.2%和61.4%（P<0.05）?？梢娫诘蜐舛龋?.0、2.0 mmol/L）Al3+脅迫下，木槿依舊能有效維持葉片光合作用；而高濃度Al3+（4.0、6.0 mmol/L）脅迫下木槿的光合作用受到抑制。

Fv/Fm的值能反映植物的潛在最大光合能力，φPSⅡ同時反映在光照下PSⅡ反應(yīng)中心部分關(guān)閉情況下的實際光化學(xué)效率。Al3+脅迫過程中，木槿葉片熒光參數(shù)Fv/Fm和φPSⅡ變化如表3所示。在脅迫處理45 d后，處理T1、T2木槿熒光參數(shù)相比于CK均沒有顯著變化；而處理T3、T4木槿Fv/Fm和φPSⅡ相比于CK差異顯著（P<0.05），分別降低了25.0%、23.7%和19.5%、28.8%。與Fv/Fm和φPSⅡ變化趨勢相反，處理T3、T4木槿的NPQ相比于CK分別增加了31.2%和29.7%，差異顯著（P<0.05）。

2.3 Al3+脅迫下葉片養(yǎng)分變化

如圖1所示，經(jīng)過45 d的脅迫處理，木槿葉片各個處理下 TN濃度沒有顯著變化，平均維持在42.1 mg/g左右；而葉片 TP濃度在處理T3、T4下，分別較CK增加了30.3%和 63.0%（P<0.05）。

2.4 Al3+脅迫下木槿抗氧化系統(tǒng)變化

植物器官在逆境條件下，通常會發(fā)生膜脂過氧化，MDA是反映細(xì)胞膜脂過氧化程度以及植物對逆境條件反應(yīng)強弱的指標(biāo)。由表4可知，Al3+脅迫下，MDA含量逐漸增加，且具有濃度效應(yīng)，從處理T1到處理T4，MDA含量從CK的1.62倍上升到CK的1.92倍。同樣，SOD、POD和CAT隨著Al3+脅迫濃度的增加而顯著增加。在處理T4下，木槿葉片SOD、POD和CAT分別較CK增加了104.2%、72.9%和77.5%，差異顯著（P<0.05）。

3 結(jié)論與討論

當(dāng)Al3+表現(xiàn)為細(xì)胞毒性形式時，可通過作用在根尖區(qū)產(chǎn)生毒害作用。這種副作用可在植物各種生理生化活動中表現(xiàn)出來，其中最直觀的就是生長情況。本試驗中木槿植株在1.0、2.0、4.0、6.0 mmol/L Al3+濃度條件下，經(jīng)過45 d的脅迫并沒有死亡，只是降低了生物量和增長率，可見木槿在一定濃度Al3+脅迫下依舊能存活。本試驗中4.0、6.0 mmol/L Al3+脅迫下，木槿的根冠比顯著降低，表明Al3+對木槿根系的抑制作用顯著大于地上部分，這與錢蓮文等[12]報道的關(guān)于常綠楊（Populus）在鋁脅迫下的生長狀況相類似，表現(xiàn)為Al3+對常綠楊生物量地下部分的影響大于地上部分。說明Al3+首先對木槿根系產(chǎn)生危害，大量Al3+積累在根系組織中，從而對根系細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能造成破壞。

光合作用是植物生長的基礎(chǔ)，植物在逆境脅迫下的主要特征之一就是在維持正常的Pn。但是植物的光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的活性在鹽脅迫下比較脆弱，是脅迫因子影響植物光合作用的關(guān)鍵部位。葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠較為精確地揭示植物光合作用的熱耗散部分，在環(huán)境脅迫對植物光合作用影響的研究中也有廣泛應(yīng)用[13]。1.0、2.0 mmol/L Al3+脅迫下，木槿的Pn均保持在清水對照水平，同時最大光化學(xué)效率維持穩(wěn)定，可見光反應(yīng)中心的光能捕獲情況未受到影響；在6.0 mmol/L Al3+脅迫下，木槿的Pn、Gs和Tr顯著降低，此時木槿氣孔關(guān)閉，蒸騰作用減緩，碳同化過程受到影響，最大光化學(xué)效率顯著降低。一方面可知高Al3+濃度會抑制木槿的光合作用，而另一方面說明低Al3+濃度下木槿可通過部分熒光參數(shù)變化（如最大光化學(xué)效率）緩解Al3+的毒害作用。在6.0 mmol/L Al3+脅迫下，木槿的光合作用受到抑制、NPQ顯著增加，表明光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心部分關(guān)閉，上游電子傳遞情況受到阻礙。這也與45 d脅迫后木槿生長量、生物量降低的趨勢一致。同樣Al3+脅迫下，其他植物葉綠素?zé)晒庖脖憩F(xiàn)出同樣的趨勢。引起植物氣孔關(guān)閉的原因較多，Al3+脅迫下一般認(rèn)為葉片的細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞引起水勢及氣孔導(dǎo)度降低，限制CO2同化[3，14]。本試驗中，Al3+脅迫對木槿葉片氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞產(chǎn)生了一定危害，間接導(dǎo)致植物葉片氣孔阻力增大，從而使氣孔導(dǎo)度降低，保衛(wèi)細(xì)胞間的CO2濃度降低，葉片進行光合作用所需的CO2量也隨之減少，使光合作用受到了抑制。

植物在逆境脅迫下，其體內(nèi)會積累大量活性氧，抗氧化酶是植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)中最重要的酶。植物體內(nèi)積累大量的活性氧，必然會對其生物膜造成氧化傷害。鋁可使生物膜硬化，進而促進自由基鏈反應(yīng)而導(dǎo)致膜脂過氧化[15]。本研究中發(fā)現(xiàn)，SOD、POD和CAT活性隨著Al3+脅迫濃度增加而顯著增加，符合高Al3+脅迫下抗氧化酶活性顯著提高的現(xiàn)象。同時，木槿葉片內(nèi)MDA含量在1.0 mmol/L Al3+脅迫下較清水對照已有顯著增加，這可能是因為有機酸的體外解毒效果使體內(nèi)各種抗氧化酶活性相對較高，但還未能及時清除MDA在體內(nèi)的累積。彭 艷等[2]在對小麥Al3+脅迫的研究中提到，根據(jù)MDA含量變化可推斷小麥的耐鋁性，由此在后續(xù)研究中可以從MDA含量變化，推斷不同品種木槿的耐Al3+特性。在葡萄（Vitis vinifera）中，5.0～8.0 mmol/L Al3+處理后SOD等活性則顯著低于CK，表明當(dāng)Al3+濃度超過一定范圍后，葡萄葉片和根系SOD 應(yīng)激響應(yīng)在減弱[16]。而在木槿中此現(xiàn)象并未出現(xiàn)，可見高濃度Al3+下木槿的保護酶系統(tǒng)依舊能發(fā)揮作用，能較大程度地清除細(xì)胞膜中的過氧化物質(zhì)。

在Al3+脅迫下，大量的Al3+與植物正常所需的Na+、K+競爭，在造成離子毒性的同時，也會造成養(yǎng)分短缺。本研究表明，Al3+脅迫下木槿葉片中的全氮濃度并沒有顯著降低，但全磷濃度顯著增加，一方面可能與Al3+脅迫時間有關(guān)，另一方面在于木槿生物量降低，造成一個濃縮效應(yīng)，使原先植株中的總養(yǎng)分因為生物量減少而濃度增加。但是長期Al3+脅迫下木槿葉片養(yǎng)分濃度變化有待進一步驗證。

綜上所述，Al3+脅迫對木槿根系細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能造成破壞，對生長開始產(chǎn)生抑制作用，對木槿地下部分的影響大于地上部分。同時，Al3+脅迫引發(fā)木槿細(xì)胞內(nèi)活性氧等的過度積累及其所導(dǎo)致的膜脂過氧化，造成葉片氣孔關(guān)閉，蒸騰作用降低，光合能力減弱。木槿可通過SOD、POD和CAT活性增加以及熒光系統(tǒng)的適應(yīng)性抵御Al3+毒害，從而使植株得以生存和生長。因此，在園藝栽培種實踐中，要對木槿進行適當(dāng)?shù)腁l3+毒害防治。

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