王敏,寧秋燕,石元值
1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所,農(nóng)業(yè)部茶樹生物學(xué)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310008;2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京100081
茶樹幼苗對(duì)不同濃度鋁的生理響應(yīng)差異研究
王敏1,2,寧秋燕1,2,石元值1*
1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所,農(nóng)業(yè)部茶樹生物學(xué)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310008;2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京100081
本實(shí)驗(yàn)選取龍井43幼苗作為研究材料,采用溶液培養(yǎng)的方法,探究不同濃度鋁條件下茶樹生理變化。結(jié)果表明,當(dāng)鋁濃度低于 0.4 mmol·L-1時(shí),隨鋁濃度升高,茶樹生長迅速,生物量明顯增加,大量新根發(fā)生,茶樹生長速率與生長量明顯高于對(duì)照組,且電子傳遞效率(ETR)隨鋁濃度升高而增加,根系丙二醛(MDA)含量降低。當(dāng)鋁濃度繼續(xù)增加時(shí),ETR增長開始下降,生長速率趨于平緩,但仍有大量新根發(fā)生,當(dāng)濃度高于1 mmol·L-1后,F(xiàn)v/Fm、ETR明顯下降,茶樹生長速率降低,生長受到抑制。同時(shí),對(duì)不同組織進(jìn)行鋁含量測(cè)定發(fā)現(xiàn),茶樹中鋁的分布為側(cè)根、成葉>莖>主根>幼葉,且濃度越高,鋁更多的固定在側(cè)根中。研究發(fā)現(xiàn)鋁濃度低于1.0 mmol·L-1促進(jìn)了茶樹生長,無鋁條件與鋁濃度高于1 mmol·L-1則不利于茶樹幼苗的生長,這些結(jié)果為進(jìn)一步研究鋁促進(jìn)茶樹生長的生理機(jī)制提供了參考依據(jù)。
鋁;茶樹;生理響應(yīng);促進(jìn)生長
鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素,約占地殼的 7.8%[1]。鋁也是植物礦質(zhì)元素組成之一,被認(rèn)為是構(gòu)成生物體的非必需元素[2],對(duì)于許多生長在酸性介質(zhì)中的植物來說,土壤或培養(yǎng)液中過量的鋁是有害的,即所謂植物的“鋁毒”現(xiàn)象。酸性土壤是指 pH值低于 6.5的土壤,全球約有30%的土壤為酸性土壤;在我國酸性土壤的分布遍及15個(gè)省區(qū),總面積達(dá)204 108 hm2,約占全國耕地面積的 21%,是我國熱帶、亞熱帶經(jīng)濟(jì)林果、經(jīng)濟(jì)作物及糧食生產(chǎn)的重要基地。而鋁毒害是酸性土壤中作物生長的主要限制因子之一,近年來,由于酸性土壤不斷被利用和開發(fā),人們對(duì)植物的“鋁毒”和植物的鋁營養(yǎng)逐步重視起來,并已有許多的研究。
茶樹是一種典型的“喜酸耐鋁”植物,其老葉中鋁含量可達(dá) 1%~2%,與擬南芥等植物相比,對(duì)鋁的耐受差異十分明顯,因此常被作為重要的植物鋁營養(yǎng)及鋁毒害研究對(duì)象。已有的研究結(jié)果表明,植物對(duì)鋁的耐受主要有外部排斥與內(nèi)部耐受兩種機(jī)制,外部排斥主要是(1)有機(jī)酸的分泌。研究表明,不同鋁濃度處理下,茶樹根系主要分泌草酸、檸檬酸與蘋果酸,有機(jī)酸可與鋁螯合降低對(duì)植物的毒害[3]。(2)細(xì)胞壁固定。在鋁脅迫下,擬南芥細(xì)胞壁中的果膠、半纖維素等有不同程度的增加[4],在輪藻的細(xì)胞中,99.99%的鋁積累于細(xì)胞壁中。在黃秋葵的細(xì)胞中,95%的鋁聚集于胚軸細(xì)胞壁中[5]。(3)酚類物質(zhì)分泌。植物根系產(chǎn)生邊緣或粘膠層阻止鋁進(jìn)入細(xì)胞或者有些植物可以通過提高根際pH值排斥外部鋁。內(nèi)部的耐受機(jī)制主要包括液泡的區(qū)室化與有機(jī)酸與酚類化合物的螯合[6]。茶樹對(duì)鋁不僅具有較高的耐受性,而且已有研究結(jié)果表明,較低濃度鋁對(duì)茶樹生長具有明顯的促進(jìn)作用,促進(jìn)P、K的利用,抑制Mg的吸收,替代部分B的作用,進(jìn)而促進(jìn)茶樹根系與新梢的生長[7]。同時(shí),鋁濃度為0.3 mmol·L-1可以提高葉綠素含量,增強(qiáng)葉片光合能力,鋁濃度為0.05 mmol·L-1就可提高茶樹葉片中的保護(hù)酶活性或者降低膜脂過氧化程度使茶樹新陳代謝處于旺盛階段[8]。鋁誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的降解,同時(shí)使 CO2同化率升高和碳水化合物增加,調(diào)節(jié)植物碳氮轉(zhuǎn)化的相互作用機(jī)制[9]。但是當(dāng)前對(duì)于茶樹對(duì)鋁的生理響應(yīng)閾值并不清楚,本研究擬通過探究茶樹對(duì)不同濃度鋁的生理響應(yīng),來明確茶樹對(duì)鋁的生理響應(yīng)閾值,尤其是對(duì)根系生長的影響,為進(jìn)一步研究鋁對(duì)茶樹生長的影響機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
本實(shí)驗(yàn)以1年生龍井43茶籽苗為材料,播種前用蒸餾水清洗浸泡,播于珍珠巖中,60天后移至水培盆中,蒸餾水中通氣培養(yǎng)7 d后,換至1/2完全營養(yǎng)液。營養(yǎng)液配方:大量元素:銨態(tài)氮 1 mmol·L-1(以 N 計(jì))、硝態(tài)氮 0.5 mmol·L-1(以 N 計(jì))、P 0.05 mmol·L-1、K 0.5 mmol·L-1、Mg 0.2 mmol·L-1、Ca 0.4mmol·L-1,微量元素:EDTA-Fe 3.15 μmol·L-1,B 5 μmol·L-1,Mn 0.75 μmol·L-1,Zn 0.5 μmol·L-1,Cu 0.1 μmol·L-1,Mo 0.25 μmol·L-1。營養(yǎng)液 pH 為 4.5,鋁處理采用 AlCl3,設(shè)置 0(CK)、0.2、0.4、0.6、1.0、2.0、4.0、10.0 mmol·L-1不同的鋁濃度處理,4組重復(fù),隔兩天換水,25℃通氣培養(yǎng),相對(duì)濕度為 70%~80%,晝夜 16 h/8 h,光照強(qiáng)度為200 μmol·m-2·s-1,茶苗培養(yǎng) 42 d 后取樣。
稱取冷凍研磨后的根鮮樣0.3 g左右,加3 mL 預(yù)冷磷酸緩沖液(50 mmol·L-1,pH 7.8)、0.6 g PVP和少量石英砂,12 000 g離心 15 min,取上清液保存于 4℃?zhèn)溆?。超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法[10]。丙二醛(MDA)含量的測(cè)定采用雙組分光光度法[10]。
取樣前使用LI-6400便攜式光合儀測(cè)定葉片的葉綠素?zé)晒鈹?shù)值。20 min葉片遮光處理(暗適應(yīng))后,測(cè)定其光化學(xué)效率(Fv/Fm),進(jìn)行光照活化后,測(cè)定電子傳遞效率(ETR)。
培養(yǎng)前后,洗凈,吸干表面水分,稱取不同處理茶樹幼苗的總生物量及處理后茶樹主根、側(cè)根、莖、幼葉、成葉的生物量,記錄并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用EPSON SCAN根系掃描儀,對(duì)鋁處理后的茶苗根系一級(jí)側(cè)根進(jìn)行掃描。
洗凈茶苗不同部位,60℃烘干后磨碎用于鋁含量的測(cè)定。稱取干樣0.2 g左右,置于消化管中加入5 mL硝酸與2 mL高氯酸,高溫消解,冷卻后定容至50 mL。使用ICP測(cè)定。
文中所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010、SPSS 20以及Sigma Plot12.5進(jìn)行處理,不同處理之間的差異采用方差分析,顯著性采用Duncan多重比較。
經(jīng)培養(yǎng)6周后,不同鋁濃度對(duì)茶樹幼苗根系生長的影響差異明顯(圖1)。4.0 mmol·L-1鋁處理下側(cè)根發(fā)生量變少,根系黃褐,0.4、0.6、1.0、2.0 mmol·L-1鋁處理下側(cè)根大量發(fā)生,新根較多,伸長量大。對(duì)照組根系生長狀況明顯差于實(shí)驗(yàn)組。掃描茶苗一級(jí)側(cè)根,結(jié)果見圖2。不同處理下,側(cè)根表觀形態(tài)有明顯差異,對(duì)照組側(cè)根長度較短,發(fā)生量少,鋁濃度低于10.0 mmol·L-1時(shí),根毛數(shù)多,長度較對(duì)照組更長,但當(dāng)鋁濃度為4.0 mmol·L-1時(shí),根毛比對(duì)照組的長,卻比低濃度鋁濃度處理組的短。與其他所有處理相比,在 10.0 mmol·L-1鋁濃度處理下,著生在茶苗一級(jí)側(cè)根上的根毛的長度明顯段,數(shù)量明顯少。
圖1 鋁處理42 d后茶苗根系生長狀況Fig. 1 The roots of tea plants under Al treatments in nutrient solution after 42 d
圖2 鋁處理42 d后茶苗一級(jí)側(cè)根生長狀況Fig. 2 The primary lateral roots of tea plants under Al treatments in nutrient solution after 42 d
鋁處理 6周后,茶樹幼苗生長具較大差異,如圖 3所示,0.2、1.0 mmol·L-1鋁處理下生長量顯著高于對(duì)照,當(dāng)鋁濃度高于 4.0 mmol·L-1后,生長量低于對(duì)照組。0.2~1.0 mmol·L-1鋁處理下相對(duì)生長速率均顯著高于對(duì)照。
處理42 d后測(cè)定其葉綠素?zé)晒鈹?shù)值,茶苗葉片光化學(xué)效率(Fv/Fm)與電子傳遞效率(ETR),結(jié)果如圖 4。當(dāng)鋁濃度低于 0.4 mmol·L-1時(shí),葉片光合電子傳遞效率隨濃度增加呈上升趨勢(shì),鋁濃度為0.4 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最高,之后隨濃度增加,ETR呈下降趨勢(shì)。Fv/Fm在0~2.0 mmol·L-1時(shí)無明顯差異,且顯著高于 4.0 mmol·L-1與 10.0 mmol·L-1處理。PSII在 0~0.4 mmol·L-1鋁濃度范圍內(nèi),無明顯變化;在鋁濃度 為 0.6~10.0 mmol·L-1時(shí) 顯著 低 于 0~0.4 mmol·L-1處理組;高于 1.0 mmol·L-1后,呈顯著下降趨勢(shì)。較低濃度鋁促進(jìn)茶樹光合作用,促進(jìn)電子傳遞與碳水化合物積累,促進(jìn)茶樹生長,而當(dāng)鋁濃度高于2.0 mmol·L-1時(shí),鋁對(duì)茶樹葉片光合作用有明顯的抑制作用。
圖3 鋁處理下茶苗生長量和相對(duì)生長速率Fig. 3 The tea growth and the relative growth rate of tea plants under Al treatment
圖4 鋁對(duì)茶樹葉綠素?zé)晒獾挠绊慒ig. 4 Effects of Aluminum on ETR,PSII and Fv/Fm in tea leaves
MDA含量高低可以反映脅迫條件下細(xì)胞受損的程度。從圖5可知,加鋁條件下,MDA含量明顯低于不加鋁對(duì)照組,加鋁的各處理中,0.2、0.6 mmol·L-1鋁處理的 MDA含量顯著高于除對(duì)照外的其他幾個(gè)鋁濃度處理。
加鋁后側(cè)根中超氧化物歧化酶(SOD)活性高于不加鋁對(duì)照組,如圖5所示,不加鋁對(duì)照組與 0.2 mmol·L-1鋁處理的 SOD活性顯著低于其他鋁濃度處理,0.4、0.6、2、4 mmol·L-1鋁處理間SOD活性無顯著差異,但均高于其他處理。
由表1可以看出,與不加鋁處理相比較,加鋁處理后,茶樹各器官中鋁含量均顯著增加,但當(dāng)外源 Al3+在 0.2~1.0 mmol·L-1范圍內(nèi)時(shí),不同鋁處理茶樹各器官中鋁含量保持相對(duì)穩(wěn)定,差異變幅相對(duì)較小,側(cè)根之間(0.2 mmol·L-1除外)、成葉間鋁含量間(0.4 mmol·L-1除外)無顯著差異,并不與外源鋁濃度增加量呈正比;當(dāng)鋁濃度大于1.0 mmol·L-1時(shí),其茶樹各器官中鋁含量均表現(xiàn)出了顯著增加趨勢(shì),鋁在茶樹不同組織中的含量由高到低大致依次為側(cè)根>成葉>莖>主根>幼葉,且新梢的生長受到顯著影響,說明側(cè)根與成葉是茶樹鋁積累的主要部位。
研究表明,不同鋁處理對(duì)茶樹生長影響不同,低濃度下鋁促進(jìn)茶樹生長,高濃度對(duì)茶樹生長產(chǎn)生脅迫。當(dāng)鋁濃度高于1 mmol·L-1后,茶樹生長量低于對(duì)照,且其生長速率呈下降趨勢(shì)。4 mmol·L-1鋁處理下茶樹生物量積累已低于對(duì)照,且側(cè)根發(fā)生有明顯的減少,鋁對(duì)茶樹生長脅迫嚴(yán)重。
圖5 不同鋁濃度處理對(duì)茶樹根系SOD活性與MDA含量的影響Fig. 5 Effects of different Al concentrations on malondialdehyde contents and SOD enzyme activities in tea
表1 不同鋁濃度處理下茶樹各器官鋁含量Table 1 Al distribution in different organs of tea plant under different treatments mg·kg-1
光合作用中,電子傳遞鏈將電子傳遞至反應(yīng)中心,把NADP+還原為NADPH,并建立跨膜電化學(xué)梯度,驅(qū)動(dòng) ATP的合成,鋁可以促進(jìn)該過程進(jìn)行,促進(jìn) ATP的合成,低濃度鋁對(duì)其電子傳遞效率的促進(jìn)作用明顯,且在這一范圍鋁濃度與電子傳遞效率呈正相關(guān),為碳的同化提供動(dòng)力,使茶樹生物量的增加。這與Hajiboland等[9]的研究結(jié)果一致,鋁處理濃度高于 0.4 mmol·L-1且低于 1.0 mmol·L-1時(shí),鋁對(duì) ETR的影響隨濃度升高而降低,而當(dāng)鋁濃度高于 2.0 mmol·L-1后,ETR低于對(duì)照組。且PSII與Fv/Fm呈下降趨勢(shì),說明該條件下鋁抑制了茶樹的光合作用,對(duì)茶樹生長產(chǎn)生脅迫[11]。
已有的研究結(jié)果表明,鋁的促氧化性相對(duì)較低[12],但鋁的加入會(huì)激發(fā)茶樹體內(nèi)的抗氧化酶活性[9]。圖 6表明,茶樹根系中的 SOD活性以無鋁處理最小,并隨著鋁濃度的增加而增加,當(dāng)鋁的濃度達(dá)到0.4 mmol·L-1時(shí),SOD活性達(dá)到最大。同時(shí),茶樹根系中MDA含量表現(xiàn)出了隨鋁含量的增加而降低的趨勢(shì),無鋁處理的MDA含量顯著高于加鋁處理,在加鋁處理中,當(dāng)鋁濃度達(dá)到1.0 mmol·L-1時(shí)茶樹根系中MDA含量基本趨于穩(wěn)定;表明隨著抗氧化酶活性的增加,鋁對(duì)于茶樹根系的膜脂也產(chǎn)生了較好的保護(hù)作用,防止因過氧化反應(yīng)而對(duì)細(xì)胞的膜脂產(chǎn)生破壞。但其中鋁濃度為 0.6 mmol·L-1處理的茶樹根系中 MDA含量與 0.4 mmol·L-1處理相比表現(xiàn)出了顯著的增加,其原因還有待進(jìn)一步探究。
隨鋁濃度的增加,鋁在茶樹體內(nèi)的積累也相應(yīng)增加,各處理組鋁含量顯著高于對(duì)照組,但是當(dāng)鋁濃度高于一定值時(shí),茶樹對(duì)鋁的吸收趨于平緩,表明茶樹對(duì)鋁的吸收存在閾值,在不同組織器官中,側(cè)根含鋁量相對(duì)較高。研究表明,茶樹根部的鋁主要集中于細(xì)胞壁。潘根生等[13]于1991年發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁含鋁高于其他細(xì)胞器,于翠平[14]發(fā)現(xiàn)在茶樹根尖細(xì)胞中,細(xì)胞壁的鋁含量占根尖鋁的59.64%~67.85%,這是茶樹耐鋁的重要機(jī)制,已有人證實(shí)將金屬元素積累于根系細(xì)胞壁阻止其進(jìn)入原生質(zhì)體是很多植物提高其耐性的重要方法[15]。當(dāng)然不同濃度鋁處理下其細(xì)胞壁中鋁的含量仍會(huì)存在差異,在以后的研究中我們將會(huì)繼續(xù)探討。
茶樹作為一種鋁積累植物,低濃度鋁促進(jìn)茶樹生長,且在低濃度鋁范圍內(nèi)鋁濃度越高,促進(jìn)作用越明顯。當(dāng)鋁濃度在0.4~1.0 mmol·L-1時(shí),促進(jìn)茶樹生長,對(duì)生長量、光合作用等的促進(jìn)明顯。高于2.0 mmol·L-1后,茶樹生長受到抑制,生長速率、光合速率等低于對(duì)照,且鋁大量集中于吸收根,使根部變褐,生長受阻。但是,鋁促進(jìn)茶樹生長的分子機(jī)制尚不清楚,吸收根含大量的鋁,其細(xì)胞壁對(duì)鋁的固定以及作用機(jī)制可能是鋁影響茶樹生長的重要方面。
[1] 楊建立, 何云峰, 鄭紹建. 植物耐鋁機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2005, 11(6): 836-845.
[2] Osawa H, Ikeda S, Tange T. The rapid accumulation of aluminum is ubiquitous in both the evergreen and deciduous leaves of theaceae and ternstroemiaceae plants over a wide pH range in acidic soils [J]. Plant and Soil, 2013, 363(1): 49-59.
[3] 劉騰騰, 郜紅建, 宛曉春, 等. 鋁對(duì)茶樹根細(xì)胞膜透性和根系分泌有機(jī)酸的影響[J]. 茶葉科學(xué), 2011, 31(5):458-462.
[4] Yang J L, Zhu X F, Peng Y X, et al. Cell wall hemicellulose contributes significantly to aluminum adsorption and root growth in arabidopsis [J]. Plant Physiology, 2011, 155(4):1885-1892.
[5] Lin Y, Chen J. Aluminum resistance and cell-wall characteristics of pineapple root apices [J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2013, 176(5), 795-800.
[6] 朱曉芳. 擬南芥細(xì)胞壁半纖維素結(jié)合鋁的機(jī)制及其調(diào)控[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2014.
[7] 小西茂毅. 鋁對(duì)茶樹生長的促進(jìn)作用[J]. 茶葉, 1995,21(3): 18-22.
[8] Ghanati F, Morita A, Yokota H. Effects of aluminum on the growth of tea plant and activation of antioxidant system [J].Plant and Soil, 2005, 276(1/2): 133-141.
[9] Hajiboland R, Bahrami R S, Barceló J, et al. Mechanisms of aluminum-induced growth stimulation in tea (Camellia sinensis) [J]. Journal of Plant Nutrition & Soil Science, 2013,176(4):616-625.
[10] 高俊鳳. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M]. 西安: 世界圖書出版公司, 2000.
[11] 曹林, 吳玉環(huán), 章藝, 等. 外源水楊酸對(duì)鋁脅迫下菊芋光合特性及耐鋁性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2015, 29(4):260-266.
[12] Kinraide T B, Poschenrieder C, Kopittke P M. The standard electrode potential (Eθ) predicts the prooxidant activity and the acute toxicity of metal ions [J]. Journal of Inorganic Biochemistry, 2011, 105(11): 1438-1445.
[13] 潘根生, Masaki Tsuji, 小西茂毅. 茶根尖細(xì)胞各胞器分部的分離及其鋁的分布[J]. 浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1991, 21(3):33-36.
[14] 于翠平. 茶樹耐鋁的基因型差異及機(jī)理研究[D]. 杭州:浙江大學(xué), 2014.
[15] Morishita T, Yamaguchi A, Ohta Y. Sulphur accumulation by tomato and rice root in relation to transport of heavy metals [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1983, 29(2):219-225.
Study on Physiological Response of Tea Plant(Camellia sinensis) Seedlings to Different Aluminum Concentrations
WANG Min1,2, NING Qiuyan1,2, SHI Yuanzhi1*
1. Tea Research Institute, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Key Laboratory for Tea Plant Biology and Resource Utilization,Ministry of Agriculture, Hangzhou 310008, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
This study was to investigate the physiological response of tea cultivar Longjing 43 seedlings to different aluminum (Al) concentrations by hydroponic culture. The results revealed the biomass increment, relative growth rate (RGR) and electron transfer efficiency (ETR) of the tea plants under low Al concentrations (0.2 and 0.4 mmol·L-1) were significantly higher than the control group. However, The MDA content in roots showed an opposite trend. As Al concentration continued to increase, the increase rate of ETR began to decline and the growth rate became flat but still a great number of fresh roots were coming up. When Al concentration was higher than 1 mmol·L-1, the efficiency of light energy conversion in PSⅡ(Fv/Fm) and ETR showed dramatic decline. Meanwhile,RGR decreased and the growth of tea plant was also inhibited. Simultaneously, the results of Al contents in the different tissues of tea plants followed lateral roots, mature leaves > stems > main roots > young leaves. More Al was found in the lateral roots with Al concentration increasing. The study suggested that when Al concentration was lower than 1.0 mmol·L-1, it could promote the growth of tea plants, but the growth would be inhibited under an Al-freeenvironment or the Al concentration was higher than 1 mmol·L-1. These results laid a foundation for further study on the physiological mechanism of how Al would promote the growth of tea plants.
aluminum, tea plant, physiology response, promote growth
S571.1;S154
A
1000-369X(2017)04-356-07
2017-02-23
2017-03-24
國家自然科學(xué)基金(31572199)、中國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CAAS-ASTIP-2014-TRICAAS-03)
王敏,女,碩士研究生,主要從事茶樹生理與營養(yǎng)方面的研究。*通訊作者:shiyz@tricaas.com