龔海光，姜春寧，黃永芳，李　燕

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642）

鋁毒脅迫對樂昌含笑幼苗生長和生理的影響

龔海光，姜春寧，黃永芳，李燕

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642）

為研究鋁毒對樂昌含笑Michelia chapensis幼苗生長的影響，采用水培法對樂昌含笑幼苗進(jìn)行鋁脅迫實(shí)驗(yàn)，設(shè)置鋁濃度梯度為0 （CK）、0.5 （T1）、1 （T2）、2 mmol·L-1（T3）共4個(gè)處理，定期測定其根長、根尖鋁含量、POD和CAT活性、MDA和脯氨酸（Pro）含量。結(jié)果表明，鋁脅迫明顯抑制樂昌含笑根的伸長生長，隨著Al3+濃度的增加，抑制程度加劇，T1、T2、T3與CK對照比較，相對伸長率分別為84.53%、63.16%和54.46%；根尖鋁含量隨處理時(shí)間延長和鋁濃度增加而增加，處理6 d時(shí)T1、T2、T3根尖鋁含量分別是CK的 63.64、82.60、121.69倍；POD、CAT酶活性與處理時(shí)間和鋁濃度呈正相關(guān)，各處理6 d時(shí)POD活性比處理1 d提高17.00%～115.21%，CAT活性提高 25.11%～49.28%；MDA和Pro含量變化隨著脅迫時(shí)間和鋁溶液濃度的增加而增加，處理 6 d 時(shí)T1、T2、T3的MDA含量比CK對照增加46.13%～59.78%，Pro含量增加60.12%～150.85%。在鋁脅迫條件下，樂昌含笑根尖鋁含量增加，根的伸長生長受抑制，細(xì)胞膜膜質(zhì)過氧化程度增加；樂昌含笑可通過激活體內(nèi)抗氧化酶系抵抗鋁脅迫，同時(shí)產(chǎn)生脯氨酸調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢。

樂昌含笑；鋁脅迫；生理特性

樂昌含笑Michelia chapensis別名南方白蘭花、景烈含笑，是木蘭科Magnoliaceae含笑屬M(fèi)ichelia 常綠喬木，自然分布于我國廣西、湖南、江西、廣東、貴州5省（區(qū)），是組成南方常綠闊葉林的重要樹種之一。樂昌含笑人工林能改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況，具有比杉木林更好的培肥效果［1］。樂昌含笑不耐水淹和干旱，適宜在酸性至微堿性土壤中生長［2］，而鋁脅迫是酸性土壤中限制植物生長的主要脅迫因子［3］。因此，適宜樂昌含笑生長的地區(qū)易遭受鋁毒脅迫。

鋁元素約占地殼總量的 7%，僅次于氧和硅，是地殼含量最高的金屬元素［4］。當(dāng)土壤pH＞5時(shí)，鋁元素以氧化鋁形式或硅酸鹽形式存在，難溶于水，對植物無毒害性；當(dāng)土壤pH＜5時(shí)，鋁能從硅酸鹽或氧化物中釋放出來，以可溶性鋁（主要是Al3+）形式存在于土壤中，對大多數(shù)植物具有毒害作用，且pH越低毒性越大［5］。土壤中適量濃度的鋁能促進(jìn)植物的生長發(fā)育，增強(qiáng)植物對CO2的同化作用，促進(jìn)植物根系對Ca、K等元素的吸收。但過量的鋁卻能抑制植物生長，楊野等［6］發(fā)現(xiàn)鋁脅迫能抑制小麥根系伸長，激活根尖過氧化物酶（POD）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂醇脫氫酶（CAD）活性，并促進(jìn)木質(zhì)素合成。鋁脅迫還能降低植物葉綠素含量，抑制參與光合作用的酶活性，導(dǎo)致光合速率降低，嚴(yán)重影響植物正常生長［7］。肖祥希等［8］研究鋁脅迫對龍眼的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋁脅迫能破壞龍眼幼苗的細(xì)胞膜系統(tǒng)，并且影響活性氧防御系統(tǒng)功能。在分子水平上，鋁能與DNA的磷酸基結(jié)合，干擾DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄和RNA合成，導(dǎo)致細(xì)胞不能正常分裂，引起細(xì)胞程序性死亡［9—10］。

酸性土壤遍及我國15個(gè)省區(qū)，約占全國可耕用地21%［11］，且正隨人類生產(chǎn)活動頻繁而日益擴(kuò)大。鋁毒是森林衰亡的重要因素［12］，正嚴(yán)重威脅著野生樂昌含笑的生存。目前，有關(guān)植物鋁脅迫機(jī)理的研究大多集中在大豆、水稻和花生等經(jīng)濟(jì)作物上，而關(guān)于鋁脅迫對樂昌含笑的研究未見報(bào)道。本研究通過水培實(shí)驗(yàn)，分析不同濃度Al3+對樂昌含笑根生長的影響及其引起的生理響應(yīng)，以期為研究樂昌含笑的鋁耐受性和抗鋁脅迫機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

樂昌含笑種子采自廣東省肇慶市西江林業(yè)局仙菊林場，將種子置于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院板栗園沙藏培育。生長4個(gè)月后的幼苗高約30 cm，選取長勢一致的苗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在干凈的長×寬×高為60 cm × 40 cm × 40 cm的12個(gè)水培箱中加滿0.5 mmol·L-1CaCl2溶液，然后加入AlCl3·6H2O，設(shè)置Al3+濃度分別為 0、0.5、1和2 mmol·L-1，并調(diào)節(jié)pH至4.3。各濃度編號分別為CK、T1、T2、T3，每處理設(shè)3次重復(fù)。樂昌含笑幼苗轉(zhuǎn)入水培箱中，根部浸沒在培養(yǎng)液中，種子以上部位不與培養(yǎng)液接觸。每兩天調(diào)一次pH，早晚各通氣2 h。

1.3指標(biāo)測定

根是直接與鋁接觸部位，也是鋁結(jié)合和吸收的主要部位，其鋁含量變化明顯，且鋁是通過固定在根尖分生區(qū)的細(xì)胞壁上限制根的伸長生長［6］。鋁脅迫1、3、6 d時(shí)，分別采用愈創(chuàng)木酚法測定幼苗根的過氧化物酶（POD）活性、紫外吸收法測定過氧化氫酶（CAT）活性、硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量［13］，鉻天青S分光光度法測定根尖鋁含量［14］，酸性茚三酮法測定脯氨酸（Pro）含量［13］。

使用游標(biāo)卡尺測定鋁脅迫前和脅迫24 h時(shí)樂昌含笑幼苗根長。相對伸長率（%） = 鋁處理根凈伸長量/ 對照根凈伸長量 × 100%。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003統(tǒng)計(jì)，利用SAS V8軟件進(jìn)行分析并制圖。

2　結(jié)果與分析

2.1鋁脅迫對幼苗根尖鋁含量的影響

由圖1可知，CK的根尖鋁含量在整個(gè)處理周期內(nèi)幾乎沒有變化，其他處理根尖鋁含量隨處理時(shí)間和溶液Al3+濃度增加而增加，在處理6 d時(shí)，T1、T2、T3根尖鋁含量分別是CK的63.64、82.60、121.69倍。對4個(gè)處理之間進(jìn)行方差分析，處理第3 d和6 d，CK、T1、T2、T3之間差異顯著（P＜0.05）。

圖1　樂昌含笑根尖鋁含量變化Fig. 1　The concentration of aluminum in root tip of Michelia chapensis

2.2鋁脅迫對幼苗根伸長生長的影響

由圖2可知，隨著鋁濃度的增加，樂昌含笑根的相對伸長率明顯降低。當(dāng)鋁脅迫24 h后，T1、T2、T3處理根相對伸長率分別為84.53%、63.16%和54.46%。對4組處理進(jìn)行方差分析，CK、T1、T2處理之間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），說明樂昌含笑幼苗的根受鋁脅迫后，根的伸長生長明顯受到抑制。

圖2　鋁脅迫24 h樂昌含笑根相對伸長率Fig. 2　The relative enlongation of Michelia chapensis after 24 h of aluminum stress

2.3鋁脅迫對幼苗生理指標(biāo)的影響

2.3.1POD活性POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶。樂昌含笑在鋁脅迫條件下，POD活性隨處理濃度和處理時(shí)間的變化而變化（圖3）。第1 d 時(shí)，T1、T2處理POD活性略低于CK，但差異不顯著，只有T3 處理POD活性比CK顯著提高（P＜0.05）。但總體上，在處理周期內(nèi)樂昌含笑幼苗根的POD活性隨著處理時(shí)間延長及處理Al3+濃度升高而升高。處理第6 d時(shí)，T1、T2、T3處理的幼苗根部POD活性比第1 d提高17.00%～115.21%，T3處理比相同時(shí)間的CK對照提高了118.57%。對各處理進(jìn)行方差分析，第3 d和第6 d 各處理間POD活性均存在顯著差異（P＜0.05）。

2.3.2CAT活性由圖3可知，鋁脅迫1 d時(shí)，T2、T3處理CAT活性較CK顯著提高（P＜0.05），而T1處理直到第3 d時(shí)才顯著提高（P＜0.05）。在處理第6 d時(shí)，T1、T2、T3處理CAT活性較對照CK分別提高52.40%、94.96%、133.24%，并且與第1 d相比活性提高25.11%～49.28%。對4個(gè)處理進(jìn)行方差分析，處理第3 d和 6 d時(shí)，CK、T1、T2、T3處理間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。處理間CAT活性與處理濃度和處理時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3.3MDA含量MDA是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一，是具有細(xì)胞毒性的物質(zhì)，能夠引起細(xì)胞膜功能紊亂從而造成膜整體性的破壞，表現(xiàn)為膜透性增大和離子泄漏，MDA含量是反映膜脂過氧化強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。由圖3可知，各處理MDA含量隨處理時(shí)間延長和處理濃度增加而增加。在脅迫1 d時(shí)，T3處理的MDA含量較CK對照已顯著增加（P＜0.05）；第3 d時(shí)T1、T2 處理的MDA也較CK對照顯著增加（P＜0.05），但T1和T2間差異不明顯。第6 d時(shí)，T1、T2、T3處理MDA含量較CK對照分別增加了22.08%、36.65%和60.54%，且4個(gè)處理間差異性均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.3.4Pro含量由圖3可知，脅迫第3 d時(shí)T3處理的Pro含量較第1 d增加104.95%，而T1、T2則變化不顯著。第6 d時(shí)，T1、T2、T3的Pro含量均迅速增加，分別比CK增加60.12%、102.27%、150.85%。經(jīng)方差分析，鋁脅迫6 d時(shí)，Pro含量在CK、T1、T2、T3各處理間差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。Pro含量與處理Al3+濃度和處理時(shí)間大致成正相關(guān)關(guān)系。

圖3　樂昌含笑根POD和CAT活性、MDA和Pro含量變化Fig. 3　The change of POD and CAT activity，MDA and Pro content in Michelia chapensis root

3　討論

植物遭受鋁脅迫時(shí)，最先受到抑制的是根系的生長，因此根系的伸長生長被抑制是最易觀察到的癥狀，根長生長常被作為衡量植物受鋁脅迫毒害程度的重要指標(biāo)［15—16］。根尖是鋁吸收的最初部位，植物細(xì)胞壁帶有負(fù)電荷，可與鋁離子結(jié)合，將鋁離子固定在細(xì)胞壁上。Clarkson［17］對大麥鋁脅迫研究發(fā)現(xiàn)，根系中吸收的鋁85%～90%固定在細(xì)胞壁中。結(jié)合于細(xì)胞壁的鋁在抑制根系細(xì)胞的伸長起關(guān)鍵作用［18］。在鋁脅迫條件下，根尖鋁含量隨鋁離子濃度和處理時(shí)間的增加而增加［19—20］。當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞質(zhì)膜會受到不同程度的損傷，其選擇透性功能被削弱甚至消失，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，電導(dǎo)率升高。研究發(fā)現(xiàn)，過高濃度的鋁會對植物產(chǎn)生脅迫作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜膜脂過氧化，產(chǎn)生大量的MDA［21］。本實(shí)驗(yàn)表明，樂昌含笑幼苗根在受到鋁脅迫時(shí)，根的伸長明顯受抑制，且這種抑制作用隨Al3+濃度的增加而增強(qiáng)，根尖中的鋁含量與脅迫時(shí)間和Al3+處理濃度之間有正相關(guān)關(guān)系。脅迫強(qiáng)度越大，幼苗根的MDA含量上升，且脅迫時(shí)間越長，MDA含量越大。由此說明，在受到鋁脅迫時(shí)，樂昌含笑幼苗根鋁離子吸收量增加，可能導(dǎo)致根細(xì)胞膜脂過氧化加劇，從而使根的伸長受到抑制。

在受到鋁脅迫時(shí)，樂昌含笑能增強(qiáng)其抗氧化酶POD、CAT活性，有助于清除植物體內(nèi)積累的活性氧自由基以緩解逆境脅迫對植物造成的傷害。POD、CAT活性的提高是植物應(yīng)對鋁脅迫毒害作用的重要生理機(jī)制［22］。Li等［23］對茶樹鋁脅迫的研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的鋁脅迫傷害可通過提高抗氧化酶系如CAT活性解除，但脅迫如超過茶樹的耐受極限就會造成過氧化傷害。在鋁脅迫條件下，樂昌含笑體內(nèi)的這2種酶活性會因鋁毒脅迫而提高，且隨脅迫強(qiáng)度的增加而活性增強(qiáng)。脯氨酸作為一種滲透調(diào)節(jié)物，可有效調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢，保持和穩(wěn)定大分子物質(zhì)，維持細(xì)胞質(zhì)膜的完整性和正常功能［24—25］。鋁脅迫下，樂昌含笑幼苗根脯氨酸含量增加明顯。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著培養(yǎng)液鋁濃度的增加，樂昌含笑根的MDA含量顯著增加，表明根的膜質(zhì)過氧化程度加劇。導(dǎo)致膜脂過氧化的原因是細(xì)胞內(nèi)H2O2等活性氧類物質(zhì)累積［8］，而POD、CAT的功能是清除H2O2。實(shí)驗(yàn)中POD和CAT活性隨鋁濃度的增加而增加，表明樂昌含笑能通過激活體內(nèi)的抗氧化酶系，清除多余的H2O2，保護(hù)細(xì)胞質(zhì)膜的完整性。

綜上所述，在受到鋁脅迫時(shí)，鋁離子能被根尖大量吸收，抑制樂昌含笑根的伸長，并使其細(xì)胞膜脂過氧化導(dǎo)致細(xì)胞膜選擇透過性降低；但樂昌含笑能通過激活自身的抗氧化酶系統(tǒng)并通過增加細(xì)胞脯氨酸含量調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢。

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Effect of Aluminum Toxicity Stress on Growth and Physiology of Michelia chapensis Seedlings

GONG Hai-guang，JIANG Chun-ning，HUANG Yong-fang，LI Yan
（College of Forestry and Landscape Architecture，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，Guangdong China）

To study the effect of aluminum stress on the growth of Michelia chapensis seedlings，the seedlings were cultivated with water culture with different Al3+concentration of 0.5 （T1），1 （T2），2 （T3） and 0 mmol·L-1（CK），and the root length，content of aluminum in the roots’ tip，the activity of POD and CAT，the content of MDA and proline were measured. The results showed that the elongation of M. chapensis root was inhibited significantly cultured with Al3+for 24 hours，with the increasing of the concentration of aluminum，the degree of inhibition was rising. The relative elongation of roots was 84.53%，63.16% and 54.46%，respectively. The content of aluminum in the root tip of M. chapensis was increased with the increasing of treatment time and aluminum density；after 6 days，the concentration of Al were 63.64，82.6，121.69 times of control，respectively. Stressed by the aluminum，the activity of POD and CAT increased with the increasing of time and aluminum density. The activity of POD and CAT in 6thday respectively increased 17.00%—115.21% and 25.11%—49.28% compared with 1stday. The MDA and proline were increased with the increasing of time and aluminum density. In 6thday，MDA in roots cultured in T1，T2，T3 increased 46.13%—59.78%，and proline increased 60.12%—150.85% compared with control. With aluminum stress，the content of aluminum in root tips of M. chapensis increased and elongation of its roots wasinhibited；M. chapensis activated antioxydase system to defense the aluminum stress，and generated proline to regulate osmotic pressure.

Michelia chapensis；aluminum stress；physiological characteristics

10.3969/j.issn.1009-7791.2015.02.002

Q945.7

A

1009-7791（2015）02-0096-05

2015-02-27

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2012KJCX001-07，2010KJCX001-09）

龔海光，碩士研究生，從事經(jīng)濟(jì)林育種和栽培研究。E-mail： 372057064@qq.com

注：黃永芳為通訊作者。E-mail： hyfang@scau.edu.cn