鋁脅迫下生長調(diào)節(jié)劑對杉木幼苗生長及光合特性的影響

呂蒙蒙， 武憶寒， 馬志慧， 陳 宇， 林思祖

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州350002；2.國家林業(yè)和草原局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州350002)

杉木[Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook]又名沙木、沙樹等，屬松柏目杉科喬木，為亞熱帶地區(qū)優(yōu)質(zhì)速生針葉樹種，林業(yè)價(jià)值高，且分布廣[1，2].杉木的主要栽培區(qū)遍及我國南方17 個(gè)省區(qū)，而我國南方土壤以酸性紅壤為主，加之工業(yè)化發(fā)展和人類活動(dòng)等，導(dǎo)致大面積杉木受到酸雨的侵害，土壤酸化加劇.而土壤酸化往往與鋁毒相伴而生，酸性土壤中的固定鋁溶出，活性鋁不斷增加，對植物的生長造成嚴(yán)重的抑制作用.隨著杉木人工林的增加，土壤pH 值下降，進(jìn)一步加劇土壤的鋁毒害[3，4].

植物生長調(diào)節(jié)劑是人工合成的，具有與天然植物激素類似的生長發(fā)育調(diào)節(jié)作用.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)具有調(diào)控植物生長和發(fā)育功能物質(zhì)有胺鮮酯(DA-6)、氯吡脲、復(fù)硝酚鈉、生長素、赤霉素、乙烯、細(xì)胞分裂素、脫落酸、油菜素內(nèi)酯、水楊酸、茉莉酸、多效唑和多胺等，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，可有效調(diào)節(jié)作物的生育過程，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、改善品質(zhì)、增強(qiáng)作物抗逆性等目的[5，6].李婧等[7]通過對栝樓耐鋁的研究發(fā)現(xiàn)，低濃度脫落酸有利于增強(qiáng)栝樓在鋁脅迫下的的抗逆性，緩解鋁對栝樓的毒害作用，高濃度脫落酸則表現(xiàn)出抑制作用；張永福等[8]研究發(fā)現(xiàn)，水楊酸處理可有效提高鋁脅迫下葡萄的光合色素含量以及根系活力，降低其MDA 含量，進(jìn)而緩解鋁毒害.郭天榮等[9]通過噴施適宜濃度的6-KT 可提高鋁脅迫下大麥幼苗的抗氧化能力，有效緩解鋁對大麥的毒害，并改善植株的生長狀況；如果濃度過高，則具有促氧化作用，甚至加劇鋁毒造成的氧化脅迫.宋佳琦等[10]發(fā)現(xiàn)20 mg·L-16-BA 可提高盛花期苜蓿葉片的光合速率、抗氧化酶活性，減小光合機(jī)構(gòu)的損傷，有利于苜蓿葉片的光合作用，提高苜蓿結(jié)莢率及種子產(chǎn)量.

光合作用是一系列復(fù)雜代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ).當(dāng)植物遭遇逆境脅迫時(shí)，植物光合作用減弱，可以通過植物受脅迫時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)變化來判定調(diào)節(jié)作用[11-13].鋁對杉木形態(tài)、生理等方面的影響已有大量研究，但是植物生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫杉木生長的影響尚未見報(bào)道[14-16].

本研究以杉木實(shí)生苗為試驗(yàn)材料，探討萘乙酸(NAA)、吲哚乙酸(IAA)和6-芐氨基腺嘌呤(6-BA)3種植物生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗生長及光合特性的影響，為進(jìn)一步改善杉木在酸性土壤中的生長狀況提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

以福建尤溪國有林場提供的杉木三代種子園35 號(hào)家系種子為原始材料，經(jīng)培育后獲得長勢較一致的實(shí)生苗.

1.2 苗木管理

杉木種子用去離子水清洗3 遍后，置于初始溫度為45 ℃的超純水中浸泡24 h，期間用玻璃棒攪動(dòng)；然后去掉浮于水面的癟粒和澀粒，用3 g·L-1的KMnO4消毒0.5 h，再用去離子水清洗干凈，靜置待用.將浸泡好的種子放在濾紙板上，置于25 ℃下光照14 h，22 ℃下暗處理10 h，在光強(qiáng)110 μmol·m-2·s-1、相對濕度75%的氣候箱中，萌發(fā)15 d 后，挑選長勢良好的幼苗移栽至盛有Hoagland-Arnon 營養(yǎng)液(pH 為5.5)的培養(yǎng)框中(溫室)；在25 ℃下12 h 光照、12 000 lx 光照強(qiáng)度下培養(yǎng)，每7 d 更換1 次營養(yǎng)液；水培30 d 后選取長勢一致的幼苗[17].脅迫開始后pH 均為4.5，分別在10、20、30 d 采樣，測定各項(xiàng)指標(biāo).

1.3 試驗(yàn)處理

采用單因素試驗(yàn)[18]，選擇NAA、IAA、6-BA 3 種生長調(diào)節(jié)劑，并各設(shè)置3 個(gè)處理:NAA 含量分別為20、60、100 mg·L-1；IAA 含量分別為10、30、50 mg·L-1；6-BA 含量分別為10、30、50 mg·L-1.鋁濃度均為1 mmol·L-1(鋁源為AlCl3·6H2O).設(shè)置兩個(gè)對照:無Al3+、pH 4.5 的Hoagland-Arnon 營養(yǎng)液(CK)；有Al3+、pH 4.5 的Hoagland-Arnon 營養(yǎng)液(CK(AL)).

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 生長指標(biāo)測定 在處理30 d 時(shí)分別測定杉木幼苗的根伸長量和根冠比[19，20].

根伸長量測定:處理前，每個(gè)處理選10 株苗，做好標(biāo)記，用尺子測量根尖到根基部的長度L0；試驗(yàn)結(jié)束前測量長度L30，根伸長量=L30-L0.根冠比=地下部分/地上部分鮮重.

1.4.2 光合參數(shù)測定 每3 株葉片為1 個(gè)重復(fù)，共計(jì)3 個(gè)重復(fù)，測定時(shí)間為9:00—11:00.采用LI-6400/XT便攜式光合儀測定其光合速率(photosynthetic rate， Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance， Cs)、胞間二氧化碳濃度(intercellular carbon dioxide concentration， Ci)、蒸騰速率(transpiration rate， Tr)等光合指標(biāo)[21].

1.4.3 光合色素含量測定 采用丙酮乙醇法測定光合色素含量[22].稱取0.05 g 杉木葉片放入5 mL 離心管，在液氮中冷凍10 min，用高通量研磨儀研磨成粉，加入體積比為1 ∶1 的3 mL 丙酮與無水乙醇配成的提取液，于4 000 r·min-1轉(zhuǎn)速的離心機(jī)離心5 min，在645、663、470 nm 測定光密度.

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0 進(jìn)行單因素方差分析，采用WPS 2019 軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗生長的影響

2.1.1 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗根長的影響 由圖1 可知，與CK 相比，CK(AL)處理下的根伸長量明顯下降，表明鋁脅迫抑制了根的生長.與CK(AL)相比，不同生長調(diào)節(jié)劑處理下的根伸長量總體上明顯提高，表明生長調(diào)節(jié)劑在一定程度上促進(jìn)了根的生長，20 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA 和10 mg·L-16-BA 處理的根長分別提高了90.1%、203.8%、89.3%.

圖1 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗根伸長量的影響Fig.1 Effects of different growth regulators on root elongation length of Chinese fir under Al stress

2.1.2 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗根冠比的影響 由圖2 可知，與CK 相比，CK(AL)處理下的根冠比明顯降低.與CK(AL)相比，不同生長調(diào)節(jié)劑處理下的根冠比總體上得到明顯提高，20 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA 和50 mg·L-16-BA 處理的根長分別提高了20.7%、15.6%、13.2%.

2.2 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗光合參數(shù)的影響

2.2.1 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗Pn 的影響 由圖3 可知，與CK 相比，CK(AL)處理下的Pn明顯下降.與CK(AL)相比，脅迫第10 天時(shí)，20 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA、30 mg·L-16-BA 處理的Pn增幅最大，分別提高87.4%、251.3%、82.4%；脅迫第20 天時(shí)，100 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的Pn 增幅最大，分別提高289.6%、94.1%、296.1%；脅迫第30 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、30 mg·L-16-BA 處理下的Pn 增幅最大，分別提高47.4%、181.6%、90.5%.

2.2.2 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗Cs 的影響 由圖4 可知，與CK 相比，CK(AL)處理的Cs 在總體上明顯下降.與CK(AL)相比，脅迫第10 天時(shí)，20 mg·L-1NAA、10 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的Cs 增幅最大，分別提高149.0%、20.4%、65.3%；脅迫第20 天時(shí)，20 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的Cs 增幅最大，分別提高103.2%、67.7%、109.7%；脅迫第30 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA 處理的Cs 分別下降了49.7%、1.2%，而30 mg·L-16-BA 處理下的Cs 提高了0.7%.

2.2.3 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗Ci 的影響 由圖5 可知，與CK 相比，CK(AL)處理的Ci 明顯升高.與CK(AL)相比，脅迫第10 天時(shí)，100 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA、30 mg·L-16-BA 處理的Ci 降幅最大，分別降低了29.2%、40.9%、10.1%；脅迫第20 天時(shí)，100 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的Ci 降幅最大，分別降低了45.8%、17.8%、48.4%；脅迫第30 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、50 mg·L-16-BA 處理的Ci 降幅最大，分別下降了53.7%、40.9%、39.9%.

圖2 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗根冠比的影響Fig.2 Effects of different growth regulators on root-cap ratio of Chinese fir seedlings under Al stress

圖3 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗Pn 的影響Fig.3 Effects of different growth regulators on photosynthetic rate of Chinese fir seedlings under Al stress

2.2.4 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗Tr 的影響 由圖6 可知，與CK 相比，CK(AL)處理的Tr 總體上明顯下降.與CK(AL)相比，脅迫第10 天時(shí)，20 mg·L-1NAA、10 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的Tr增幅最大，分別提高131.4%、40.7%、82.7%；脅迫第20 天時(shí)，100 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的Tr 增幅最大，分別提高52.0%、46.3%、77.0%；脅迫第30 天時(shí)，3 種生長調(diào)節(jié)劑處理的Tr 均明顯下降，60 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、30 mg·L-16-BA 處理下的Tr 分別下降了50.9%、3.8%、0.7%.

圖4 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗Cs 的影響Fig.4 Effects of different growth regulators on stomatal conductance of Chinese fir seedlings under Al stress

圖5 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗Ci 的影響Fig.5 Effects of different growth regulators on intercellular carbon dioxide concentration of Chinese fir seedlings under Al stress

2.3 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗光合色素的影響

2.3.1 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗葉綠素a 含量的影響 由圖7 可知，與CK 相比，CK(AL)處理的葉綠素a 含量總體上明顯降低.與CK(AL)相比，脅迫第10 天時(shí)，20 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的葉綠素a 含量增幅最高，分別提高了24.3%、12.0%、10.0%；脅迫第20 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、50 mg·L-16-BA 處理的葉綠素a 含量增幅最高，分別提高了22.1%、8.4%、17.6%；脅迫第30 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的葉綠素a 含量增幅最高，分別提高了32.2%、22.4%、24.4%.

圖6 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗Tr 的影響Fig.6 Effects of different growth regulators on transpiration rate of Chinese fir seedlings under Al stress

2.3.2 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗葉綠素b 含量的影響 由圖8 可知，與CK 相比，CK(AL)處理的葉綠素b 含量總體上明顯降低.與CK(AL)相比，脅迫第10 天時(shí)，20 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的葉綠素b 含量增幅最高，分別提高了22.6%、11.4%、8.6%；脅迫第20 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的葉綠素b 含量增幅最高，分別提高了24.4%、13.4%、25.3%；脅迫第30 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的葉綠素b 含量增幅最高，分別提高了18.6%、14.1%、16.6%.

2.3.3 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗葉綠素總含量的影響 由圖9 可知，與CK 相比，CK(AL)處理的葉綠素總含量整體上明顯降低.與CK(AL)相比，脅迫第10 天時(shí)，20 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的葉綠素總含量增幅最高，分別提高了23.7%、10.9%、9.2%；脅迫第20 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、50 mg·L-16-BA 處理的葉綠素總含量增幅最高，分別提高了22.7%、9.8%、18.3%；脅迫第30 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的葉綠素b 含量增幅最高，分別提高了27.8%、19.8%、21.9%.

2.3.4 生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗類胡蘿卜素含量的影響 由圖10 可知，與CK 相比，CK(AL)處理的類胡蘿卜素含量總體上明顯降低，表明鋁脅迫在一定程度上抑制了類胡蘿卜素的合成.與CK(AL)相比，脅迫第10 天時(shí)，20 mg·L-1NAA、50 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的類胡蘿卜素含量增幅最高，分別提高了24.2%、6.6%、9.3%；脅迫第20 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的類胡蘿卜素含量增幅最高，分別提高了24.3%、12.3%、18.8%；脅迫第30 天時(shí)，60 mg·L-1NAA、30 mg·L-1IAA、10 mg·L-16-BA 處理的類胡蘿卜素含量增幅最高，分別提高了22.7%、20.0%、22.0%.

圖7 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗葉綠素a 含量的影響Fig.7 Effects of different growth regulators on chlorophyll a content in Chinese fir seedlings under Al stress

圖8 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗葉綠素b 含量的影響Fig.8 Effects of different growth regulators on chlorophyll b content in Chinese fir seedlings under Al stress

圖9 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗葉綠素總含量的影響Fig.9 Effects of different growth regulators on total chlorophyll content of Chinese fir seedlings under Al stress

圖10 不同生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫下杉木幼苗類胡蘿卜素含量的影響Fig.10 Effects of different growth regulators on the carotenoid content of Chinese fir seedlings under Al stress

3 小結(jié)與討論

一般來說，鋁毒害最明顯的癥狀就是抑制根的生長，鋁在根尖細(xì)胞壁上的積累是鋁對植物根尖產(chǎn)生鋁毒的先決條件，是植物鋁毒敏感性的重要特征.鋁脅迫下的根伸長量可以直接地反映植物對鋁毒的敏感程度[23].根冠比是指植物地下部分與地上部分的鮮重或干重的比值，它體現(xiàn)了植物地下部分與地上部分的相關(guān)性，是反映植物生長狀態(tài)的指標(biāo)之一[24].研究[25]表明，油茶在受到鋁脅迫時(shí)，根系生長受到抑制，影響了營養(yǎng)物質(zhì)的積累，根冠比下降.徐春明等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在鋁脅迫下番紅花根尖生長明顯受到抑制，添加1 mmol·L-1多胺可顯著改善鋁脅迫下番紅花的生長狀況.王平等[27]也發(fā)現(xiàn)，外源添加IAA 可以明顯緩解鋁脅迫對大豆主根生長的抑制作用，并且能顯著促進(jìn)側(cè)根的發(fā)育以及生物量的增加，提高大豆幼苗的主根長、側(cè)根數(shù)、側(cè)根長、根冠比和總鮮重.這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致.本研究結(jié)果表明，與CK 相比CK(AL)處理的根伸長量和根冠比明顯下降；鋁脅迫抑制了根的生長，3 種生長調(diào)節(jié)劑總體上提高了鋁脅迫下杉木幼苗的根長和根冠比，IAA 和NAA 對提高根伸長量和根冠比的效果最好.

當(dāng)植物遭遇逆境脅迫時(shí)，植物光合作用減弱，可以通過植物受脅迫時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)變化來判定調(diào)節(jié)作用.研究[28]表明，逆境脅迫下葉片Pn 下降，Ci 提高，非氣孔性因素是導(dǎo)致植物光合作用能力下降的主要因素.肖祥希等[29-31]也發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫影響了龍眼的光合作用，導(dǎo)致光合效率降低，非氣孔因子成為限制光合作用的主要因子.本試驗(yàn)結(jié)果也表明在鋁脅迫下杉木幼苗的Pn、Cs 及Tr 均顯著下降，而Ci 則顯著升高.植物光合作用主要通過光合色素實(shí)現(xiàn)，如葉綠素和類胡蘿卜素等.葉綠素主要由葉綠素a 和葉綠素b 組成，是植物進(jìn)行光合作用的主要色素；類胡蘿卜素是一類重要的天然色素的總稱，能將吸收的光能傳遞給葉綠素a，是光合作用不可少的光合色素.因此，一般而言植物光合能力的大小與光合色素含量密切相關(guān)[32].研究[32]表明，鋁脅迫處理顯著降低杉木葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量，表明鋁脅迫可使光合色素的合成受阻，從而抑制杉木葉片對光能的吸收和利用，最終降低植物的光合速率.可見，光合色素含量的下降也是導(dǎo)致光合速率下降的主要原因之一，這與本試驗(yàn)中鋁脅迫導(dǎo)致葉綠素及類胡蘿卜素含量降低基本一致.高培培等[33]研究發(fā)現(xiàn)，外源水楊酸(SA)通過提高栝樓的葉綠素含量及光合相關(guān)指標(biāo)來增強(qiáng)栝樓抗鋁毒能力.任曉燕等[34]通過噴施IAA 可使鋁脅迫下紫花苜蓿葉綠素含量明顯提高.孟長軍等[35]也發(fā)現(xiàn)，外源SA 可使鋁脅迫下白苦瓜幼苗的葉綠素含量和凈光合速率得到顯著提高，對氣孔的負(fù)面影響也得到顯著緩解，以60 umol·L-1SA 效果最佳.練華山等[36]研究發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的脫落酸ABA 浸種處理能緩解鋁脅迫對蘿卜幼苗生長的抑制，提高鋁脅迫下蘿卜幼苗葉片光合色素含量，提高凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，增強(qiáng)光合作用，從而緩解緩解鋁毒對蘿卜的傷害，且以5 umol·L-1效果最佳.本研究中3 種生長調(diào)節(jié)劑可以有效地提高杉木葉片的Pn、Cs、Tr，以及葉綠素和類胡蘿卜素含量，降低Ci，從而緩解鋁毒對杉木幼苗光合作用的不良影響[37，38].