酸脅迫對科羅拉多藍(lán)杉幼樹光合作用和抗性生理特征的影響

侯培軍劉怡菲孟凡金金 山楊振宇

（1.新賓縣自然資源發(fā)展中心，遼寧 撫順 113200；2.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032）

近年來，伴隨著工業(yè)建設(shè)、城市開發(fā)和不正確的灌溉、施肥方式，致使土壤酸化、堿化的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。土壤酸化已成為現(xiàn)代社會必須重視的難題。土壤酸化會造成很多有害影響，這直接和間接地加劇了生態(tài)環(huán)境的破壞、人類居住環(huán)境條件下降，以及作物減產(chǎn)、生物多樣性、基因多樣性、功能多樣性的流失等一系列問題[1-2]。許多植物難以在酸化土壤上存活，為適應(yīng)這一環(huán)境要求，人們廣泛地選育能夠具有良好耐受性和適應(yīng)性的物種，應(yīng)用于園林綠化和生產(chǎn)當(dāng)中；也有從植物特性、分子生物學(xué)等層面進(jìn)行研究，以提高或培育出具備抗性，能夠良好適應(yīng)這類惡劣生長條件的物種加以利用。因此，挑選耐酸植物具有重要意義[3]?？屏_拉多藍(lán)杉（Picea pungensvar.glauca），原產(chǎn)于北美的科羅拉多洲，又名藍(lán)杉、北美藍(lán)杉，為松科云杉屬植物[4-5]。藍(lán)杉為常綠針葉喬木，樹形自然為柱狀至金字塔狀，枝條緊湊，株高一般達(dá)9～18 m。藍(lán)杉樹冠呈藍(lán)綠色或藍(lán)色尖塔狀，是珍稀藍(lán)色彩葉樹種，適用于園林造景，亦可栽植于道路兩側(cè)，具有較高的經(jīng)濟(jì)種植與園藝觀賞價值。適合生長于微酸性及濕潤性土壤，喜光、耐寒、忌高熱污染。

酸脅迫會對植物正常生長代謝、光合作用及生理特性造成不利的影響，會導(dǎo)致植物生長發(fā)育受到抑制，甚至造成植物死亡[6]。植物通過提高自身的滲透調(diào)節(jié)能力，如可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白等積累和代謝，維持細(xì)胞正常的滲透壓來抵御酸脅迫對其造成的傷害[6-7]。同時，抗氧化酶系統(tǒng)，包括過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）等也在保護(hù)植物免受酸傷害中起到了重要的作用[6,8]。但是，前人對于酸脅迫的研究相對較少，尤其是藍(lán)杉植物的相關(guān)研究和介紹。本研究以科羅拉多藍(lán)杉幼樹為試驗(yàn)材料，設(shè)置不同酸度的脅迫試驗(yàn)，評價其耐酸能力，探討藍(lán)杉幼樹的光合作用及生理特征，為科羅拉多藍(lán)杉培植地的選擇及進(jìn)一步研究其耐酸脅迫的生理機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試苗木：來源于遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院；株高（約40 cm）及長勢一致的1年生科羅拉多藍(lán)杉。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將科羅拉多藍(lán)杉移栽于相同的盆內(nèi)，每盆1株，其土壤均采集于遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)田，每組5個重復(fù)。隔日補(bǔ)蒸餾水100 mL，使其適應(yīng)生長6周。然后，1 mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)蒸餾水的pH值，設(shè)置以下4個pH補(bǔ)水組：pH=7.0、pH=6.0、pH=5.0、pH=4.0。隔日補(bǔ)蒸餾水100 mL，4周后，檢測植株各項(xiàng)光合作用及生理指標(biāo)。

1.3 測定方法

1.3.1 光合作用參數(shù)測定

Li?6400光合儀（紅/藍(lán)光源）測定各處理葉（每次3個針葉，測其中段位置）的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導(dǎo)度（Gs）。

1.3.2 葉的生理特性測定

酸性茚三酮顯色法測定游離脯氨酸含量[9]；蒽酮法測定可溶性糖含量[10]；考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白含量[11]；比色法測定POD含量[12]；氮藍(lán)四唑（NBT）法測定SOD含量[13]；硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MAD）含量[7]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

用SPSS 19.0分析軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過t檢驗(yàn)分析判定不同組之間的差異顯著性；數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。利用GraphPad prism 5繪圖軟件繪制圖表，不同小寫字母表示不同處理間差異顯著（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對幼樹葉氣體交換參數(shù)的影響

2.1.1 凈光合速率和蒸騰速率

不同pH值補(bǔ)水處理對科羅拉多藍(lán)杉幼樹凈光合速率（Pn）的影響如圖1所示。當(dāng)pH為7（蒸餾水）時，科羅拉多藍(lán)杉幼樹Pn約為11.64 μmol/(m2·s)；在pH為6時，Pn上升，約為13.63 μmol/(m2·s)，但與pH為7時相比 較，并無 顯 著性差異；在pH為5和pH為4時，相較于pH為7時，Pn依次顯著下降，分別下降53.09%和84.79%。

圖 1 不同pH值補(bǔ)水處理對幼樹Pn和Tr的影響Fig.1 Effects of supplementary water treatment with different pH values on net photosynthetic rate(Pn)and transpiration rate(Tr)of young tree

不同pH值補(bǔ)水處理對科羅拉多藍(lán)杉幼樹蒸騰速率（Tr）的影響如圖1所示。4個酸脅迫組之間均存在顯著差異。當(dāng)pH為7（蒸餾水）時，科羅 拉 多 藍(lán) 杉 幼 樹Tr約 為0.042 mmol/(m2·s)；在pH為6時，Tr顯著上升26.19%；在pH為5和pH為4時，Tr依次顯著下降，分別為69.05%和85.71%。

2.1.2 氣孔導(dǎo)度率

不同pH值補(bǔ)水處理對科羅拉多藍(lán)杉幼樹氣孔導(dǎo)度率（Gs）的影響如圖2所示。當(dāng)pH為7（蒸餾水）時，科羅拉多藍(lán)杉幼樹Gs約為0.039 mol/(m2·s)；在pH為6時，Gs上升，約為0.047 mol/(m2·s)，但與pH為7時相比 較，并無 顯 著性差異；在pH為5時，Gs相較于pH為6時，顯著下降，約為38.30%，但是其與pH為7時相比較，并無顯著性差異；當(dāng)pH為4時，相較于其他組，Gs顯著下降，約為0.004 mol/(m2·s)。

圖 2 不同pH值補(bǔ)水處理對幼樹Gs的影響Fig.2 Effects of supplementary water treatment withdifferent pH values on stomatal conductance(Gs)of young tree

2.1.3 樹胞間CO2濃度

不同pH值補(bǔ)水處理對科羅拉多藍(lán)杉幼樹胞間CO2濃度（Ci）的影響如圖3所示。4個酸脅迫組之間均存在顯著差異。當(dāng)pH為7（蒸餾水）時，科羅拉多藍(lán)杉幼樹Ci約為173.84 μmol/mol；在pH為6時，Ci顯著上升，約為13.22%；在pH為5和pH為4時，Ci依次顯著下降，分別為12.07%和36.89%。

圖 3 不同pH值補(bǔ)水處理對幼樹Ci的影響Fig.3 Effects of supplementary water treatment with different pH values on intercellular CO2concentration(Ci)of young tree

2.2 有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量

不同pH值補(bǔ)水處理對科羅拉多藍(lán)杉幼樹游離脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白含量的影響如表1所示。游離脯氨酸含量隨著pH值的下降，呈先升高后降低的趨勢，在pH值為7、6、5、4時，其 含 量 依 次 為：35.14×10?6、41.34×10?6、29.81×10?6、20.37×10?6μg/g，且除在pH為6和pH為7之間無顯著性差異外，其余皆具顯著性差異；可溶性糖含量隨著pH值的下降依次升高，依次為：

1.27×10?6、1.29×10?6、1.58×10?6、2.31×10?6μg/g，且在pH為4時，相較于其他組具有顯著性差異；可溶性蛋白含量變化趨勢與游離脯氨酸相似，其含量隨著pH值的下降呈先升高后降低的趨勢，在pH值為7、6、5、4時，其含量依次為：283.43×10?6、350.59×10?6、231.65×10?6、162.11×10?6μg/g，且4個酸脅迫組之間均存在顯著差異。

表 1 不同pH值幼樹游離脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白含量的影響Table 1 Effect of different pH value on free proline,soluble sugar and soluble protein content of young tree

2.3 抗氧化酶活性

不同pH值補(bǔ)水處理對科羅拉多藍(lán)杉幼樹POD、SOD及MDA含量的影響如表2所示。POD含量隨著pH值的下降，呈先升高后降低的趨勢，在pH值為7、6、5、4時，其含量依次為：191.46、232.69、162.88、103.29 U/(g·min)，且4個酸脅迫組之間均存在顯著差異；SOD含量變化趨勢與POD相似，其含量隨著pH值的下降，呈先升高后降低的趨勢，在pH值為7、6、5、4時，其含量依次為：643.33、673.56、570.35、498.39 U/(g·min)，且除在pH為5和pH為7之間無顯著性差異外，其余皆具顯著性差異；MDA含量變化趨勢與前兩者相反，其含量隨著pH值的下降，呈先降低后升高的趨勢，在pH值為7、6、5、4時，其含量依次為：63.23、54.65、68.73、79.39 μmol/g，且除在pH為5和pH為7之間無顯著性差異外，其余皆具顯著性差異。

表 2 不同pH值幼樹POD、SOD及MDA含量的影響Table 2 Effects of different pH values on the content of peroxidase(POD),superoxide dismutase(SOD)and malondialdehyde(MDA)in young tree

3 結(jié)論與討論

植物光合作用的強(qiáng)弱在一定程度上反映了植物對酸脅迫的適應(yīng)能力，不耐酸的植物葉片失綠、發(fā)黃，甚至凋落[14]。在本研究中，藍(lán)杉幼樹的凈光合速率（Pn）在弱酸（pH 6.0）條件下相較于CK（pH 7.0）明顯上升，但是隨著pH的下降，Pn出現(xiàn)明顯的下降趨勢，且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。大多數(shù)植物在逆境中均表現(xiàn)出Pn明顯下降的趨勢，其原因可能是：1）土壤酸度過大致使植物對水分和礦質(zhì)元素吸收的受阻，導(dǎo)致植物生理缺水，生理機(jī)能下降，影響光合作用的進(jìn)行；2）土壤酸度過大，致使植物吸取的水分pH過小，在低pH環(huán)境中，植物細(xì)胞的正常生理功能和代謝受阻，包括光合作用，從而導(dǎo)致植物生理功能下降。本探究中，藍(lán)杉幼樹的光合作用參數(shù)氣孔導(dǎo)度率（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）也呈現(xiàn)和Pn相似的趨勢。上述結(jié)果表明，輕度酸化的土壤有益于籃杉幼樹的生長。

藍(lán)杉幼樹受酸毒害的一個重要原因可能是酸脅迫引起體內(nèi)有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的紊亂，使植物細(xì)胞缺乏對代謝的有序調(diào)控[15]；另一重要原因可能是酸脅迫引起體內(nèi)的氧化脅迫，使細(xì)胞內(nèi)氧自由基含量增加[6-7]。藍(lán)杉幼樹在酸脅迫下，有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（游離脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白）含量以及抗氧化系統(tǒng)（POD、SOD及MDA）發(fā)生了變化，類似的結(jié)果也出現(xiàn)在鹽以及低溫等環(huán)境脅迫中[16-17]。說明藍(lán)杉幼樹在酸脅迫下積極啟動機(jī)滲透調(diào)節(jié)及抗氧化酶防御系統(tǒng)，通過這兩種方式來阻止、降低、修復(fù)因酸脅迫造成的機(jī)體損傷，保證植物可以正常進(jìn)行生理活動。

脯氨酸是水溶性最大的氨基酸，具有較強(qiáng)水合能力，是理想的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，逆境脅迫下植株可通過增加脯氨酸含量提高滲透勢以緩解脅迫引起的傷害[9]。在本研究中，pH從7.0降到6.0時，藍(lán)杉葉片脯氨酸含量有所升高；但是，當(dāng)pH進(jìn)一步減少時，脯氨酸含量急劇下降?？扇苄蕴菂⑴c滲透調(diào)節(jié)，與蛋白質(zhì)穩(wěn)定的維持密切相關(guān)[10]。其主要作用有：參與細(xì)胞壁的（纖維素生成）合成；其他有機(jī)物合成的原料；各種生命活動的能量來源。研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)杉幼樹在酸脅迫作用下，可溶性糖含量呈上升的趨勢，這說明藍(lán)杉為了抵御酸脅迫所造成的影響，產(chǎn)生大量的可溶性糖，從而維持植株較為正常的生長。判斷植物代謝的一個重要指標(biāo)即是測定植物體內(nèi)可溶性蛋白含量，因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)大多都是酶類化合物[11]。研究發(fā)現(xiàn)在弱酸條件下（pH 6.0），藍(lán)杉幼樹的可溶性蛋白含量有所增加，但是隨著酸度的增強(qiáng)，其含量隨之下降，這表明在弱酸條件下藍(lán)杉幼樹的代謝功能有所增強(qiáng)，但是在強(qiáng)酸條件下，其代謝功能受到抑制?？傊瑥母彼?、可溶性糖和可溶性蛋白角度分析藍(lán)杉的耐酸性，可以看出，弱酸條件（pH 6.0）不僅不會破壞藍(lán)杉幼樹的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)平衡性，還可能會對其有一定的促進(jìn)作用。

過氧化物酶（POD）是植物體內(nèi)較為重要的一類抗氧化酶，能夠在一定程度上反映了植物的生理狀態(tài)以及對外界刺激的適應(yīng)能力[6]。超氧化物歧化酶（SOD），是生物體內(nèi)較為常見的一類抗氧化酶，有清除體內(nèi)氧化自由基的能力。在細(xì)胞內(nèi)，它通過抵御氧化自由基保護(hù)細(xì)胞免受傷害，并對受損細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)[6,13]。在本研究中，藍(lán)杉幼樹，在弱酸（pH 6.0）環(huán)境中，POD和SOD含量相對于CK組（pH 7.0）有所上升，但是酸度再持續(xù)降低，二者含量反而下降。在脅迫環(huán)境中，植物細(xì)胞會累積大量活性氧使細(xì)胞膜發(fā)生過氧化，過氧化物過度累積，表現(xiàn)為丙二醛（MDA）含量增高，MDA水平與植物對逆境脅迫的強(qiáng)弱有關(guān)[14]。本研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)杉幼樹在弱酸脅迫作用下，MDA有所下降，但是隨著酸度的持續(xù)增強(qiáng)，其水平呈上升的趨勢?？傊?，POD、SOD及MDA的結(jié)果證實(shí)，在弱酸脅迫下藍(lán)杉幼樹的氧化還原系統(tǒng)不會受到破壞；但是隨著脅迫作用的加劇，氧化還原系統(tǒng)的平衡性會出現(xiàn)明顯的失衡性。

綜上所述，輕度酸化的土壤（pH 6.0）有益于籃杉幼樹的生長；而隨著酸脅迫程度的加劇，其各項(xiàng)生理及光合作用指標(biāo)則顯著受到抑制。因此在藍(lán)杉的育苗及栽植過程中，弱酸并無太大的影響，但是應(yīng)避免在強(qiáng)酸的土壤上栽植。

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