王小東，狄嵐，華小菊

(江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330013)

油茶(CamelliaoleiferaAbel.)是廣泛分布于亞洲南部和東南亞的一種獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)林木，屬山茶科[1-2]，在我國(guó)已有數(shù)千年的栽培歷史和數(shù)百萬(wàn)公頃的種植面積，尤其南方地區(qū)分布較多[3]。然而，在我國(guó)南方酸性土壤中高鋁與低磷毒害現(xiàn)象普遍存在，是限制作物生長(zhǎng)的最重要和最普遍的因素[4-5]。鋁脅迫不僅會(huì)限制植物養(yǎng)分吸收，損害其根系及莖葉生長(zhǎng)，還會(huì)使植物根系產(chǎn)生有機(jī)酸、氨基酸和酚類(lèi)物質(zhì)等一系列代謝反應(yīng)[6-7]。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)素，有研究表明，磷的添加可以減輕鋁的毒性并改善植物的生長(zhǎng)[8]。

根系分泌有機(jī)酸是目前最為重要的植物適應(yīng)鋁毒或低磷環(huán)境的機(jī)制[9]。鋁脅迫下，植物根系分泌有機(jī)酸對(duì)鋁的螯合使大量的鋁被拒之于根表之外，可以起到解除或減輕鋁毒的效果[10-11]。磷能夠降低根系中鋁的積累，刺激滲出不同的鋁螯合有機(jī)酸來(lái)增強(qiáng)鋁耐受性，減輕鋁對(duì)植物的毒害[12-15]。目前，野生油茶對(duì)高鋁低磷脅迫的適應(yīng)性是否與其根系有機(jī)酸分泌有關(guān)的研究報(bào)道較少。本文以野生普通油茶及栽培品種贛油1號(hào)為試驗(yàn)材料，在水培條件下研究高鋁低磷脅迫對(duì)油茶幼苗生長(zhǎng)及其根系分泌有機(jī)酸的影響，從而為進(jìn)一步研究野生油茶適應(yīng)酸性土壤高鋁低磷脅迫的機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

野生油茶種子采集于江西省井岡山(26°33′N(xiāo)、114°07′E)；栽培種油茶(贛油1號(hào))采集于江西省永豐縣某油茶園(26°53′N(xiāo)、115°38′E)。種子采回實(shí)驗(yàn)室后，埋于沙中(相對(duì)濕度保持約5%)過(guò)冬。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將上述過(guò)冬的種子置于含沙的塑料盤(pán)中萌發(fā)(保持相對(duì)濕度25%)。28 d后將幼苗移入盛有營(yíng)養(yǎng)液(1/5倍Hoagland′s營(yíng)養(yǎng)液，pH=4.5)的塑料桶中。另用小型增氧泵每天為營(yíng)養(yǎng)液通氣4 h(早晚各2 h)，試驗(yàn)期間營(yíng)養(yǎng)液每5 d更換1次。溫室培養(yǎng)126 d后，將長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移入0.5 mmol·L-1CaCl2溶液(pH=4.5)中培養(yǎng)12 h后將幼苗分別轉(zhuǎn)移至0(-P)和KH2PO40.2 mmol·L-1(+P)條件下，分別添加0、0.5、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 mmol·L-1的AlCl3·6H2O溶液(pH=4.5，用K2SO4維持K+濃度)的塑料桶中，每桶3株幼苗作為1個(gè)重復(fù)。繼續(xù)培養(yǎng)126 d后測(cè)定油茶幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)及根系分泌有機(jī)酸的種類(lèi)和數(shù)量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 植株生長(zhǎng)量的測(cè)定 試驗(yàn)結(jié)束后，收集植株，用蒸餾水徹底沖洗干凈。在60 ℃干燥48 h后，將植株分為地上部和地下部分再分別稱(chēng)干重，將地上部分干重作為植物生長(zhǎng)量進(jìn)行比較分析。

1.3.2 根尖分泌物的收集方法 用去離子水沖洗油茶幼苗根系數(shù)次，再放入500 mL去離子水中(加少量微生物抑制劑)，使去離子水浸沒(méi)整個(gè)根系，在光照條件下放置4 h以收集植株根系分泌物。將收集液于40 ℃恒溫下旋蒸濃縮至10 mL，過(guò)0.45 μm濾膜，-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 有機(jī)酸的測(cè)定 根據(jù)Zheng等[16]報(bào)道的方法濃縮、純化根系分泌物中的有機(jī)酸。含根系分泌物的溶液先后通過(guò)裝有5 g Amerlite IR-120B型陽(yáng)離子樹(shù)脂的層析柱(H+form，Muoreachi chemieal，16 mm×140 mm)和裝有2 g Dowex 1×8型陰離子樹(shù)脂的層析柱(100～200 mesh，formrate form，16 mm×140 mm)，再用15 mL的1 mmol·L-1HCl將吸持在陰離子樹(shù)脂上的有機(jī)酸洗脫下來(lái)。洗脫液在40 ℃下減壓濃縮至近干，最后用1 mL的Milli-Q(Bio-Cell)溶解，用于HPLC測(cè)定。

HPLC測(cè)定條件：色譜柱(離子排斥柱，Shodex R Spak KC-811，300 mm×8 mm)前端接保護(hù)柱(50 mm×8 mm)，流動(dòng)相為稀HClO4溶液(pH= 2.1)，流速為0.8 mL·min-1，柱溫為40 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)為210 nm。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2019進(jìn)行初步處理，運(yùn)用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用OriginPro 2018對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)果與分析

2.1 高鋁低磷脅迫對(duì)油茶生長(zhǎng)的影響

不同小寫(xiě)字母為處理間差異極顯著(P<0.01)，下同。

由圖1可知，在無(wú)磷(-P)或者低磷(P 0.2 mmol·L-1)條件下，野生油茶的生長(zhǎng)量高于人工栽培，且無(wú)論是無(wú)磷還是低磷條件，野生油茶和人工栽培油茶的生長(zhǎng)量均隨鋁濃度的增加而增加，當(dāng)鋁的濃度達(dá)到1.4 mmol·L-1時(shí)，達(dá)到最大值；而鋁濃度為1.5、1.6 mmol·L-1時(shí)，油茶的生長(zhǎng)量呈下降趨勢(shì)。野生油茶和栽培油茶與各自的對(duì)照(鋁濃度為0 mmol·L-1)相比，當(dāng)鋁濃度為0.5、1.0、1.2、1.4、1.5 mmol·L-1時(shí)，在無(wú)磷條件下，野生油茶的生長(zhǎng)量分別增加1.79%、30.78%、73.04%、78.96%、45.47%，人工栽培品種贛油1號(hào)的生長(zhǎng)量分別增加4.04%、23.25%、31.38%、42.80%、14.44%；在低磷條件下，野生油茶的生長(zhǎng)量分別增加25.52%、61.60%、112.69%、120.79%、82.23%，人工栽培品種贛油1號(hào)的生長(zhǎng)量分別增加10.67%、45.64%、71.31%、88.05%、58.69%。油茶在受鋁毒脅迫后，其生長(zhǎng)量受到一定程度的抑制，而磷的調(diào)節(jié)能夠減輕油茶中鋁的毒性[17]，因此，相較于無(wú)磷條件，在低磷條件下油茶生長(zhǎng)量增加更多，這與前人的研究結(jié)果基本一致。

從表1油茶生長(zhǎng)量及有機(jī)酸分泌總量配對(duì)t檢驗(yàn)可以看出，野生油茶的生長(zhǎng)量明顯高于人工栽培品種的生長(zhǎng)量(P<0.01，配對(duì)樣本相關(guān)系數(shù)0.9705)，低磷條件下的油茶生長(zhǎng)量明顯高于無(wú)磷條件下的生長(zhǎng)量(P<0.01，配對(duì)樣本相關(guān)系數(shù)0.9573)。這說(shuō)明磷能顯著促進(jìn)油茶的生長(zhǎng)，而野生油茶通過(guò)根系分泌有機(jī)酸，緩解低磷脅迫的影響，從而使其生長(zhǎng)量高于普通油茶。

2.2 高鋁低磷脅迫對(duì)油茶根系有機(jī)酸分泌總量的影響

由圖2可知，低磷(P 0.2 mmol·L-1)情況下，隨著鋁濃度的增加，野生油茶、人工栽培油茶的根系有機(jī)酸分泌開(kāi)始時(shí)變化不明顯；但當(dāng)鋁濃度為1.2 mmol·L-1時(shí)，有機(jī)酸分泌量迅速增加；鋁濃度為1.4 mmol·L-1時(shí)，根系有機(jī)酸分泌量達(dá)到峰值，分別為39.67、32.86 μg·g-1；當(dāng)鋁濃度達(dá)1.5 mmol·L-1時(shí)，有機(jī)酸分泌量顯著降低，與最大值相比，分別下降了33.35%、42.97%，說(shuō)明土壤中鋁達(dá)到一定的濃度會(huì)顯著降低油茶根系有機(jī)酸總量的分泌。由表1的配對(duì)t檢驗(yàn)顯示，野生油茶根系的有機(jī)酸明顯高于栽培品種贛油1號(hào)(P<0.05，配對(duì)樣本相關(guān)系數(shù)0.9916)。因此，高鋁低磷脅迫對(duì)油茶根系分泌總有機(jī)酸含量產(chǎn)生一定程度的影響，而且與油茶種類(lèi)有關(guān)。

表1 油茶幼苗生長(zhǎng)量及其根系有機(jī)酸分泌總量配對(duì)t檢驗(yàn)

2.3 高鋁低磷脅迫對(duì)油茶根系分泌有機(jī)酸種類(lèi)的影響

圖2 高鋁低磷對(duì)油茶根系有機(jī)酸分泌量的影響

高鋁低磷脅迫對(duì)油茶根系分泌有機(jī)酸的影響見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，P0Al1(0 (-P)+AlCl3·6H2O 1.5 mmol·L-1)、P0Al0(0 (-P) +AlCl3·6H2O 0 mmol·L-1)、P1Al1(KH2PO40.2 mmol·L-1+AlCl3·6H2O 1.5 mmol·L-1)、P1Al0(KH2PO40.2 mmol·L-1+AlCl3·6H2O 0 mmolL-1)4個(gè)處理的油茶根系分泌總有機(jī)酸含量，包括蘋(píng)果酸、檸檬酸的量均存在顯著差異(P<0.01)，且呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，由高到低依次為P0Al1>P1Al1>P0Al0>P1Al0。其中P0Al1和P1Al1處理的油茶根系分泌總有機(jī)酸、蘋(píng)果酸和檸檬酸的量均顯著高于P0Al0和P1Al0處理，這是油茶根系對(duì)高鋁低磷脅迫的一種響應(yīng)機(jī)制，即油茶根系分泌總有機(jī)酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸的量隨著脅迫程度的加劇而增大，說(shuō)明有機(jī)酸分泌與油茶適應(yīng)高鋁低磷環(huán)境有密切關(guān)系。

圖3 高鋁低磷脅迫對(duì)油茶根系分泌有機(jī)酸種類(lèi)的影響

3 討論與結(jié)論

鋁是僅次于氧和硅的第三大富集元素，主要以氧化鋁和鋁硅酸鹽的形式存在，對(duì)植物無(wú)毒，但由于在酸性土壤中，堿性陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+和K+)的流失，以及隨著土壤pH的下降(pH≤5)，鋁轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸镜腁l3+和必要養(yǎng)分(磷、鎂等)可以很容易地被植物吸收，干擾植物的正常生長(zhǎng)機(jī)制[18-19]。孫紅英[20]研究表明，鋁毒脅迫下，杉木根系活力降低，生長(zhǎng)受到抑制。磷是一種重要的營(yíng)養(yǎng)素，在植物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中能夠合成大分子物質(zhì)，如核酸、磷脂、ATP和NADP，對(duì)植物生長(zhǎng)起著重要的作用[21]。余平福等[22]研究不同供磷水平對(duì)油茶幼苗生長(zhǎng)生理指標(biāo)和養(yǎng)分含量的影響，結(jié)果表明隨著供磷水平的增加，油茶幼苗的生理指標(biāo)(樹(shù)高、地徑、凈光合速率Pn)、葉片的養(yǎng)分含量(全氮、全磷、全鉀)均有所增加。本研究結(jié)果表明鋁毒對(duì)油茶生長(zhǎng)會(huì)有一定的抑制作用，而磷能夠促進(jìn)油茶的生長(zhǎng)，這與前人研究結(jié)果一致。

由于土壤中低磷和鋁毒害同時(shí)存在，高鋁低磷脅迫會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)抑制存在正的協(xié)同作用，目前也有許多關(guān)于植物磷、鋁交互作用方面的研究。林英春等[23]研究表明，高鋁低磷脅迫下，玉米總根長(zhǎng)變短，根系活力、光合速率、葉綠素含量均降低，根直徑、根表面積減小。據(jù)報(bào)道，添加磷可減輕鋁毒引起的癥狀，如生長(zhǎng)抑制、光合作用降低和氧化損傷等[24]。本研究發(fā)現(xiàn)在無(wú)磷(-P)的情況下，鋁毒對(duì)油茶幼苗的生長(zhǎng)有不利的影響，而在鋁脅迫下，磷的加入(P 0.2 mmol·L-1)能夠顯著降低鋁的脅迫，從而增加油茶幼苗的生長(zhǎng)量。

鋁脅迫下油茶根中有機(jī)酸含量降低的原因主要有兩方面：一方面是鋁毒可能會(huì)降低光合作用碳同化和轉(zhuǎn)運(yùn)至根系的能力，從而減少根系的糖酵解—三羧酸(Glycolysis-TCA)循環(huán)，最終導(dǎo)致有機(jī)酸在TCA循環(huán)中積累[24]；另一方面是植物應(yīng)對(duì)鋁毒害的普遍機(jī)制是通過(guò)鋁誘導(dǎo)植物根系分泌有機(jī)酸來(lái)螯合鋁，從而減少了鋁在根中的積累[25]。李朝蘇等[26]、師瑞紅等[27]研究表明，有機(jī)酸可緩解鋁毒對(duì)蕎麥和水稻的毒害作用和生長(zhǎng)抑制。劉玉民[28]研究表明鋁脅迫對(duì)馬尾松根系產(chǎn)生毒害，而加入有機(jī)酸后鋁毒作用得到緩解，說(shuō)明有機(jī)酸能夠調(diào)控馬尾松根尖的防御體系。本研究表明，無(wú)論是野生油茶還是人工栽培油茶，土壤中鋁達(dá)到一定的濃度會(huì)使油茶根系有機(jī)酸總量的分泌顯著降低，而高鋁低磷脅迫都會(huì)使其根系分泌的有機(jī)酸總量顯著降低，包括檸檬酸和蘋(píng)果酸，這與Zhang等[29]的報(bào)道結(jié)果一致。