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(yáng) 110032）

近年來(lái)，伴隨著工業(yè)建設(shè)、城市開(kāi)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(huì)必須重視的難題。土壤酸化會(huì)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(wèn)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(zhǎng)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(shù)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(shù)冠呈藍(lán)綠色或藍(lán)色尖塔狀，是珍稀藍(lán)色彩葉樹(shù)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(jià)值。適合生長(zhǎng)于微酸性及濕潤(rùn)性土壤，喜光、耐寒、忌高熱污染。

酸脅迫會(huì)對(duì)植物正常生長(zhǎng)代謝、光合作用及生理特性造成不利的影響，會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，甚至造成植物死亡[6]。植物通過(guò)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(lái)抵御酸脅迫對(duì)其造成的傷害[6-7]。同時(shí)，抗氧化酶系統(tǒng)，包括過(guò)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(duì)于酸脅迫的研究相對(duì)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(shù)為試驗(yàn)材料，設(shè)置不同酸度的脅迫試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其耐酸能力，探討藍(lán)杉幼樹(shù)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(lái)源于遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院；株高（約40 cm）及長(zhǎng)勢(shì)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(gè)重復(fù)。隔日補(bǔ)蒸餾水100 mL，使其適應(yīng)生長(zhǎng)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(gè)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(cè)植株各項(xiàng)光合作用及生理指標(biāo)。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 光合作用參數(shù)測(cè)定

Li?6400光合儀（紅/藍(lán)光源）測(cè)定各處理葉（每次3個(gè)針葉，測(cè)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(cè)定

酸性茚三酮顯色法測(cè)定游離脯氨酸含量[9]；蒽酮法測(cè)定可溶性糖含量[10]；考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白含量[11]；比色法測(cè)定POD含量[12]；氮藍(lán)四唑（NBT）法測(cè)定SOD含量[13]；硫代巴比妥酸法測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)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(duì)幼樹(shù)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(duì)科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)凈光合速率（Pn）的影響如圖1所示。當(dāng)pH為7（蒸餾水）時(shí)，科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)Pn約為11.64 μmol/(m2·s)；在pH為6時(shí)，Pn上升，約為13.63 μmol/(m2·s)，但與pH為7時(shí)相比 較，并無(wú) 顯 著性差異；在pH為5和pH為4時(shí)，相較于pH為7時(shí)，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(duì)幼樹(shù)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(duì)科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)蒸騰速率（Tr）的影響如圖1所示。4個(gè)酸脅迫組之間均存在顯著差異。當(dāng)pH為7（蒸餾水）時(shí)，科羅 拉 多 藍(lán) 杉 幼 樹(shù)Tr約 為0.042 mmol/(m2·s)；在pH為6時(shí)，Tr顯著上升26.19%；在pH為5和pH為4時(shí)，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(duì)科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)氣孔導(dǎo)度率（Gs）的影響如圖2所示。當(dāng)pH為7（蒸餾水）時(shí)，科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)Gs約為0.039 mol/(m2·s)；在pH為6時(shí)，Gs上升，約為0.047 mol/(m2·s)，但與pH為7時(shí)相比 較，并無(wú) 顯 著性差異；在pH為5時(shí)，Gs相較于pH為6時(shí)，顯著下降，約為38.30%，但是其與pH為7時(shí)相比較，并無(wú)顯著性差異；當(dāng)pH為4時(shí)，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(duì)幼樹(shù)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(shù)胞間CO2濃度

不同pH值補(bǔ)水處理對(duì)科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)胞間CO2濃度（Ci）的影響如圖3所示。4個(gè)酸脅迫組之間均存在顯著差異。當(dāng)pH為7（蒸餾水）時(shí)，科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)Ci約為173.84 μmol/mol；在pH為6時(shí)，Ci顯著上升，約為13.22%；在pH為5和pH為4時(shí)，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(duì)幼樹(shù)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(duì)科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)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(shì)，在pH值為7、6、5、4時(shí)，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(wú)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(shí)，相較于其他組具有顯著性差異；可溶性蛋白含量變化趨勢(shì)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(shì)，在pH值為7、6、5、4時(shí)，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(gè)酸脅迫組之間均存在顯著差異。

表 1 不同pH值幼樹(shù)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(duì)科羅拉多藍(lán)杉幼樹(shù)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(shì)，在pH值為7、6、5、4時(shí)，其含量依次為：191.46、232.69、162.88、103.29 U/(g·min)，且4個(gè)酸脅迫組之間均存在顯著差異；SOD含量變化趨勢(shì)與POD相似，其含量隨著pH值的下降，呈先升高后降低的趨勢(shì)，在pH值為7、6、5、4時(shí)，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(wú)顯著性差異外，其余皆具顯著性差異；MDA含量變化趨勢(shì)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(shì)，在pH值為7、6、5、4時(shí)，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(wú)顯著性差異外，其余皆具顯著性差異。

表 2 不同pH值幼樹(shù)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(duì)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(shù)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(shì)，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(shì)，其原因可能是：1）土壤酸度過(guò)大致使植物對(duì)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(guò)大，致使植物吸取的水分pH過(guò)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(shù)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(shì)。上述結(jié)果表明，輕度酸化的土壤有益于籃杉幼樹(shù)的生長(zhǎng)。

藍(lán)杉幼樹(shù)受酸毒害的一個(gè)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(duì)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(shù)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(shuō)明藍(lán)杉幼樹(shù)在酸脅迫下積極啟動(dòng)機(jī)滲透調(diào)節(jié)及抗氧化酶防御系統(tǒng)，通過(guò)這兩種方式來(lái)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(dòng)。

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(guò)增加脯氨酸含量提高滲透勢(shì)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(shí)，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(shí)，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(dòng)的能量來(lái)源。研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)杉幼樹(shù)在酸脅迫作用下，可溶性糖含量呈上升的趨勢(shì)，這說(shuō)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(zhǎng)。判斷植物代謝的一個(gè)重要指標(biāo)即是測(cè)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(shù)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(shù)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(huì)破壞藍(lán)杉幼樹(shù)的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)平衡性，還可能會(huì)對(duì)其有一定的促進(jìn)作用。

過(guò)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(duì)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(jiàn)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(guò)抵御氧化自由基保護(hù)細(xì)胞免受傷害，并對(duì)受損細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)[6,13]。在本研究中，藍(lán)杉幼樹(shù)，在弱酸（pH 6.0）環(huán)境中，POD和SOD含量相對(duì)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(huì)累積大量活性氧使細(xì)胞膜發(fā)生過(guò)氧化，過(guò)氧化物過(guò)度累積，表現(xiàn)為丙二醛（MDA）含量增高，MDA水平與植物對(duì)逆境脅迫的強(qiáng)弱有關(guān)[14]。本研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)杉幼樹(shù)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(shì)。總之，POD、SOD及MDA的結(jié)果證實(shí)，在弱酸脅迫下藍(lán)杉幼樹(shù)的氧化還原系統(tǒng)不會(huì)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(huì)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(shù)的生長(zhǎng)；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(guò)程中，弱酸并無(wú)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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