狗牙根对铝胁迫响应及临界浓度的研究

陈振 黄春琼 刘国道

摘 要 以狗牙根为研究对象，利用水培法进行耐铝鉴定，初步研究不同铝浓度胁迫对狗牙根叶色、耐铝指数、坪用质量、枯黄率、相对地上部干重、相对根系干重的影响。结果表明，在250、500、750、1 000、1 250 μmol/L铝浓度处理下，狗牙根受胁迫影响较小，不同浓度处理之间差异不明显。在1 500、1 750、2 000、2 250 μmol/L铝浓度处理下，狗牙根随着胁迫时间的增长，叶色、均一性逐渐降低。在2 500、2 750、3 000、3 250、3 500 μmol/L铝浓度处理下，狗牙根受胁迫影响较大，叶色、均一性明显降低，与对照相比表现出显著差异或极显著差异。通过建立回归方程，以狗牙根耐铝指数下降到60%作为狗牙根存活临界铝离子浓度，求得狗牙根致死临界铝浓度为2 520 μmol/L。

关键词 狗牙根；铝胁迫；水培；临界浓度

中图分类号 S567.23；S688.4 文献标识码 A

全球约有39.5×108 hm2酸性土壤，占世界可耕地土壤面积的40%，主要分布在热带、亚热带及温带地区，尤其是发展中国家[1]。我国酸性土壤遍及南方15个省区，总面积为2.03×107 hm2，约占全国土地总面积的21%[2]。除了自然成土过程导致土壤酸化外，由大气污染引起的酸沉降、农业生产中过度使用酸性肥料、工厂排污对土壤的直接酸蚀等都加剧了土壤的酸化，使酸性土壤面积和酸性程度进一步提高。当土壤pH值下降到5.5以下时，原固定于晶格中的Al可逐渐解离，以离子形态释放到溶液中，直接危害植物生长，降低酸性土壤中农作物的生产力。铝毒被认为是酸性土壤或酸化土壤上作物生长最重要的限制因素[3]。早在1918年Hartwell等[4]就已经报道了有关铝对植物毒害的研究。

廖丽等[5]对地毯草（Axonopus）适应铝毒胁迫能力进行了研究，发现地毯草在中等浓度（0.72～1.20 mmol/L）铝处理下，坪用质量明显优于低浓度和高浓度的铝处理，呈抛物线性状。刘影等[6]通过研究扁穗牛鞭草（Hemarthria cornpressa）在铝毒胁迫下的生理响应，发现在高浓度铝处理下，SOD、POD、CAT活性均随铝浓度的增加表现出先增高后降低的趋势，说明扁穗牛鞭草在高浓度铝胁迫下通过3种酶活性的持续增强来减少来自活性氧和自由基的伤害。凌桂芝[7]研究结果表明，柱花草（Stylosanthes gracilis）耐铝能力比紫花苜蓿更强，柱花草根系柠檬酸的分泌量随Al3+浓度的增加及处理时间的增长而增加，因此根系分泌柠檬酸可能是柱花草抵御铝毒的重要机制之一。

目前，农业生产或绿化工程中一般通过改良土壤和选育耐铝品种来缓解酸性土壤对植物生长发育的影响。改良土壤主要通过加入石灰等手段，但其成本太高且改良难以持久，对于环境绿化和生态建设来说，改良土壤不符实际，更有可能破坏农业生态环境。然而选育优良耐铝品种则可以从根本上解决植物在酸性土壤上的生长发育问题。草类植物在环境绿化、防沙固土和畜牧饲料中发挥着重大作用，然而目前国内外对玉米、水稻、大豆等大宗作物的耐铝性已经有了大量深入的研究[8-10]，对草类植物的耐铝性也有了相关报道，但种质资源评价与改良工作水平还很低，同我国丰富的草类种质资源很不相称，同欧美国家差距还很大。因此，充分挖掘优良草种基因型的遗传潜力，选育耐铝草种是当前农业与环境可持续发展的一条新途径。

狗牙根（Cynodon dactylon）属禾本科多年生草本植物，因其具有繁殖能力强、成坪速度快、耐践踏、抗旱等优点，被广泛应用于运动场、高尔夫球场、庭院绿化等，是暖季型草坪草中坪用价值最高、应用最广的草种之一，被称为暖季型草坪草的“当家草种”，极具社会、经济和生态价值。全世界共有9个种10个变种，广泛用于草坪草种的主要有4种：普通狗牙根（C. dactylon）、非洲狗牙根（C. transvaalensis）、印苛狗牙根（C. incompletes）以及普通狗牙根与非洲狗牙根杂交种（C. dactylon×C. transvaalensis）。在我国，狗牙根种质资源也非常丰富，主要分布于黄河流域及其以南地区[11]。刘建秀等[12]对我国444份狗牙根种源的15个外部性状的变异及其规律进行了统计及聚类分析，并进行了形态学划分，在欧氏距离13.2处，将我国狗牙根种源共分为5個形态类型，坪用价值排序为粗高型<直立型和斜高型<斜矮型<矮生型。黄春琼[13]对我国475份狗牙根种源进行遗传多样性分析及评价，并筛选出50份坪用价值较高的材料和32份饲用价值较高的材料。

本研究以中国热带农业科学院收集的狗牙根为试验材料，利用水培法观测其在0、250、500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250、2 500、2 750、3 000、3 250和3 500 μmol/L铝浓度处理过程中植株均一性、叶色、生物量、耐铝指数等指标的变化，得出狗牙根存活的临界浓度。该研究可为选育耐铝狗牙根品种提供试验依据，并将为生物措施改良酸土提供大量优秀狗牙根草种，为城市绿化做出贡献。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用的狗牙根材料取自广西柳江县三都镇路边，保存于中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所牧草研究中心试验基地，具有较强的抗逆性和优良的坪用价值。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 2014年5月22日田间选取已成坪的狗牙根材料的匍匐茎，剪取生长发育一致、带有2个节的茎段插入事先打孔的泡沫板上，每个泡沫板约有200个孔，每个孔插入1个茎段。在周转箱中培养，每个周转箱加入10 L 1/2霍格兰营养液。整个试验期营养液用氧气泵不间断通气，泡沫板漂浮于营养液之上，培养2周。每天调节营养液pH值为6.5±0.2。2周后，将茎段小心取出，选取大小一致的小苗种入装有石英砂（用酸洗过，去离子水多次冲洗烘干）的250 mL塑料杯（直径6.54 cm、高9.5 cm，杯底打6个孔，垫有纱布），每杯6株。将种有小苗的塑料杯悬挂于有孔的泡沫板上，泡沫板放在5 L小桶上，每份材料每个处理单独种植一个小桶，4个重复，每桶放5 L 1/2霍格兰营养液，待所有材料种入杯中缓苗4 d再进行铝处理。处理的铝（AlCl3·6H2O）浓度设为0（对照）、250、500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250、2 500、2 750、3 000、3 250和3 500 μmol/L。处理期间每隔3 d更换1次营养液，每天调节处理营养液pH值为4.0±0.2，对照营养液pH值为6.5±0.2，不间断通气。处理后第28天进行各指标的测定。

3 讨论与结论

篩选耐铝的植物资源是遗传改良的工作基础，利用水培法进行耐铝评价和鉴定可以保证控制条件一致，且操作简便快速，最大化消除不同铝处理间的误差。本试验以均一性、叶色、耐铝指数、枯黄率等为指标，初步评价了狗牙根对不同浓度铝胁迫的响应差异，结果表明，狗牙根在低浓度铝胁迫条件下（250～1 250 μmol/L），可以完全适应胁迫环境，并且对自身生长表现出略微促进作用；在中等浓度和高浓度铝胁迫（1 500～3 500 μmol/L）条件下，铝离子浓度越高，胁迫时间越久，狗牙根受害程度越深。基本上与廖丽等[5]、刘影[6]以及黄冬芬等[16]对地毯草、扁穗牛鞭草、多花黑麦草、柱花草等草坪草耐铝性试验结果相一致。褚晓晴等[17]对假俭草研究发现生长环境中加入铝后，铝和磷会形成不溶于水的化合物产生沉淀，本试验中狗牙根出现的不规律枯黄可能是由于铝处理后缺磷造成的，有待进一步试验验证说明。

铝胁迫对植物的影响是多方面的，孙琴等[18]研究指出植物通过根系分泌的各种有机酸如柠檬酸、草酸、苹果酸等在植物自身内部和外部耐铝机制中发挥重要作用，本研究中低浓度铝胁迫对植株表现出的促进作用，原因可能是植株本身对铝胁迫的适应机制，产生的有机酸和各种酶活性物质同时刺激了植株的生长发育。Rengel和Robinson[19-20]通过研究发现一年生黑麦草（Lolium multiforum）不同基因型对铝敏感性与根系阳离子交换量呈显著负相关，低阳离子交换量的基因型能选择性的排斥Al3+，以此减少铝在根系交换位点上的结合，从而减轻铝对根系的伤害。

刘鹏等[21]、方金梅等[22]和Ciamporova等[23]都通过研究表明，虽然铝不是植物生长的必需元素，但微量的铝对植物的生长具有促进作用，过量的铝才会对植物产生危害，即铝毒对植物的影响都有一个临界值的问题。在临界浓度之下，铝可以促进或刺激植物的生长，一旦铝的浓度超过了临界值，就会对植物产生危害。不同的植物，铝的临界值是不相同的。铝毒对植物生长最直接的影响表现为对根的抑制伸长，因此根的伸长往往被选作短时间内铝毒害的最有效的评价指标[16]。前人也通过枯黄率、坪用质量等指标鉴定植物的耐胁迫差异[5，9，24]，但本研究中狗牙根在特定的水培试验条件下不易发生干枯，故本研究选取耐铝指数下降60%作为指标，通过建立回归方程求得狗牙根的临界存活铝浓度为2 520 μmol/L。为选育优良的耐铝狗牙根品种提供了良好的理论依据，为农业生产和环境绿化做出贡献。

参考文献

[1] Kochian L V. Cellular mechanisms of aluminum toxicity and resistance in plants[J]. Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol，1995， 46： 237-260.

[2] Li Q K（李庆逵）， ed. China Red Soil[M]. Beijing： Science Press， 1983： 74-193（in Chinese）.

[3] 刘 强， 郑绍建， 林咸永. 植物适应铝毒胁迫的生理及分子生物学机理[J]. 应用生态学报， 2004， 15（9）： 1 641-1 649.

[4] Hartwell B L， Pember F R. The presence of aluminum as a reason for the difference in the effect of so-called acid soil on barley and rye[J]. Soil Science， 1918， 6： 59-91.

[5] 廖 丽， 黄小辉， 白昌军， 等. 地毯草对铝胁迫响应及临界浓度的研究[J]. 热带作物学报， 2011， 32（7）： 1 235-1 239.

[6] 刘 影. 扁穗牛鞭草和多花黑麦草对铝胁迫的生理响应[D]. 绵阳： 四川农业大学， 2011.

[7] 凌桂芝. 铝诱导柱花草和黑麦根系分泌有机酸及其调控机理的研究[D]. 南宁： 广西大学， 2004.

[8] 刘国栋， 董任瑞.玉米耐铝性研究[J]. 湖南农学院学报， 1987， 13（4）： 17-20.

[9] 刘 鹏， 应小芳， 徐根娣. 大豆对铝毒抗逆性的研究[J]. 农业环境科学学报， 2004， 23（4）： 649-652.

[10] 卢永根， 傅雪琳， 褚绍尉， 等. 水稻耐铝遗传机理与基因定位研究进展[J]. 华南农业大学学报， 2009， 30（4）： 1-6.

[11] 刘建秀， 贺善安， 刘永东. 华东地区狗牙根外部形态变异规律的研究[A]. 北京： 中国农业大学出版社， 1999： 504-509.

[12] 刘建秀， 郭爱桂， 郭海林. 我国狗牙根种质资源形态变异及形态类型划分[J]. 草业学报， 2003， 12（6）： 99-104.

[13] 黄春琼. 狗牙根种质资源遗传多样性分析及评价[D]. 海口： 海南大学， 2010.

[14] Wu Y Q. Genetic characterization of Cynodon accessions by morphology， flow cytometry and DNA profiling[D]. The Degree of Doctor of Oklahoma State University， 2006.

[15] 王志勇， 刘建秀， 郭海林. 狗牙根种质资源营养生长特性差异的研究[J]. 草业学报， 2009， 18（2）： 25-32.

[16] 黄冬芬， 王 朋， 文 稀， 等. 4份柱花草耐铝胁迫的差异[J]. 热带作物学报， 2012， 33（1）： 15-19.

[17] 褚晓晴， 陈静波， 宗俊勤， 等. 中国假俭草种质资源耐铝性变异分析[J]. 草业学报， 2012， 21（3）： 99-105.

[18] 孙 琴， 倪吾钟， 样肖娥. 有机酸在植物解铝毒中的作用及生理机制[J]. 植物学通报， 2002， 19（4）： 496-503.

[19] Rengel Z， Robinson D L. Aluminum and plant age effects on absorption of cations in the Donnan free space of ryegrass roots[J]. Plant Soil， 1989， 116： 223-227.

[20] Rengel Z， Robinson D L. Determination of cation exchange capacity of ryegrass root by summing exchangeable cations[J]. Plant Cell Physiology， 1995， 36： 1 493-1 502.

[21] 刘 鹏， 徐根娣， 姜雪梅. 铝对大豆种子萌发的影响[J]. 种子， 2003（1）： 30-32.

[22] 方金梅， 应朝阳， 黄毅斌. 铝胁迫对水土保持牧草幼苗根系的影响[J]. 中国水土保持， 2003（7）： 30-32.

[23] Ciamporova M. Morphological and structural response of plant roots to aluminium at organ， tissue and cellular levels[J]. Biol Plant， 2002， 45： 161-171.

[24] 胡化广， 张振铭. 大穗结缕草对盐胁迫响应及临界盐浓度的研究[J]. 北方园艺， 2010（3）： 80-83.