柠檬酸对铝胁迫下大豆根系生长和生理特性的影响

徐芬芬

(上饶师范学院 生命科学学院，江西 上饶 334001)

铝是地壳中含量最丰富的金属元素［1］，在碱性或中性土壤中，铝主要以氧化物或硅酸盐沉淀物的形式存在，对植物和环境无毒;而在酸性土壤(pH＜5)中，结合态的铝变为可溶而进入土壤溶液，对大多数植物产生毒害［2－3］。近年来，随着环境酸化问题的日益严重，尤其是酸雨的频繁发生和生理酸性肥料的施用，土壤酸化加剧，铝溶出量增加，严重伤害了植物的生长［4］。目前，铝已经成为酸性土壤中抑制农作物生长的重要因素［5－8］。刘尼歌等［9］研究发现，50 μmol/L的高铝胁迫显著降低大豆的发芽率，抑制根系的生长，酸性土铝胁迫已明显影响到大豆的产量，因此寻找快速缓解大豆铝毒的方法迫在眉睫。刘宁［10］研究发现，铝胁迫条件下外加水杨酸可缓解铝对大豆的毒害。铝胁迫下大豆根系分泌柠檬酸可能是大豆对铝排斥的一个原因［11］。金婷婷等［12］研究比较了柠檬酸、草酸和苹果酸3种有机酸对铝胁迫下大豆根系活力和根系长度的影响，发现柠檬酸对大豆根系铝毒的缓解效果最好。金婷婷等［13］通过研究外源柠檬酸对短期铝胁迫下大豆根系的影响，发现外源柠檬酸处理后大豆根所含蛋白质、糖类等有机物的含量均有所增多，一定程度上体现了外源柠檬酸对大豆根系铝胁迫的缓解。

上述关于柠檬酸对大豆根系铝毒缓解效应方面的研究主要集中在大豆根系形态、根系活力和根系合成能力等方面，而并未涉及对根系其他生理指标的研究。因此，本试验研究外源柠檬酸对铝胁迫下大豆根系形态和生理特性的影响，以进一步阐明柠檬酸缓解大豆铝胁迫的生理机制。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试大豆品种为“日本青(六月豆)”，开原市鹤丰种子有限公司。

1.2 试验方法

种子萌发3 d后，挑选根伸长一致的大豆幼苗转移到0.5 mmol/L CaCl2简单营养液中培养12 h(pH 4.5)，然后将幼苗转移到含有50 μmol/L AlCl3营养液的塑料营养钵中培养，以不含铝的营养液为对照(CK)，培养12 h后，铝处理的幼苗分别加入0、5、10、20 和50 μmol/L 等浓度的柠檬酸。每处理重复3个营养钵，每钵种植幼苗10株。

1.3 测定指标

1.3.1 生长指标

处理前测定大豆幼苗的根系长度，处理3 d后每处理随机取5株测定幼苗根长和根系鲜质量，结果取平均值，并计算根系相对伸长率。

根系相对伸长率=铝处理根系伸长量/对照根系伸长量×100%

1.3.2 生理指标

处理3 d后分别测定根系SOD活性、根系相对电导率、MDA含量和根系活力等。根系相对电导率用DDS-307型电导仪测定［14］;根系活力的测定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法［14］，超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用比色法［14］;丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)显色法［14］。

1.4 数据处理

上述指标的测定结果均采用SAS软件Duncan's新复极差多重比较进行差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 柠檬酸处理对铝胁迫下大豆幼苗根系生长的影响

用不同浓度的柠檬酸处理铝胁迫下的大豆幼苗3 d后，分别测定根系相对伸长率和根系鲜质量，结果见图1和图2。由图1和图2可知:铝胁迫处理根系相对伸长率和根系鲜质量均显著低于对照，加入柠檬酸后，两指标均有所缓解，且随柠檬酸浓度的增加呈现先增后降的趋势，在柠檬酸浓度处理超过20 μmol/L时，根系相对伸长率和根系鲜质量又有所降低。

图1 各处理大豆的根系相对伸长率Fig.1 Relative root elongation in each treatment

根系相对长度在各处理间差异达显著水平(P＜0.01)，各浓度柠檬酸处理根系长度均显著高于单纯铝胁迫处理(P＜0.01)，在柠檬酸浓度达到15 μmol/L时，根系相对伸长率可缓解到最佳水平;根系鲜质量的变化趋势与根系长度基本一致，但各处理间的差异较根系长度小，其最佳柠檬酸处理浓度为20 μmol/L。由此可知，大豆根系长度较根系鲜质量对铝胁迫更敏感。

图2 各处理大豆幼苗根系鲜质量Fig.2 Weight of fresh root in each treatment

2.2 柠檬酸处理对铝胁迫下大豆幼苗根系生理指标的影响

用不同浓度的柠檬酸处理铝胁迫下的大豆幼苗3 d后，分别测定根系SOD活性、根系相对电导率、MDA含量和根系活力等指标，结果见表1。由表1可知，铝胁迫处理根系SOD活性和根系活力均显著低于CK(P＜0.01)，加入柠檬酸后，SOD活性和根系活力均有所增加，其中，10～50 μmol/L的柠檬酸处理后，SOD活性和根系活力均显著高于单纯铝胁迫处理(P＜0.01)，在柠檬酸处理浓度达20 μmol/L时，SOD活性和根系活力达到最大值，但与CK差异不显著。

铝胁迫下，MDA含量和相对电导率均显著高于CK(P＜0.01)。柠檬酸处理后，两个指标均有所缓解，且随柠檬酸浓度的增加呈现先降后升的趋势，15～50 μmol/L柠檬酸处理，MDA含量和相对电导率均显著低于铝胁迫处理(P＜0.01)，且在柠檬酸浓度达到20 μmol/L时，两指标均达最低。

铝胁迫下，大豆根系SOD活性显著降低，MDA含量和相对电导率均显著提高，可能与铝(P＜0.01)胁迫下保护酶对活性氧的清除能力降低，已不能阻止自由基在细胞内的积累，从而导致膜系统的伤害，这时细胞内多种功能受到破坏，生理代谢紊乱，进而导致根系生长受到抑制。

上述分析结果表明，15～50 μmol/L柠檬酸处理均可显著提高铝胁迫下大豆幼苗的根系活力和SOD活性(P＜0.01)，保护根系细胞膜，防止铝胁迫导致的膜质过氧化，其中柠檬酸处理的最佳浓度为20 μmol/L。

由于根系与土壤直接接触，因此根系对土壤中营养元素的缺乏或过剩以及有毒物质的反应也往往是最为迅速。因此，常用根系的形态和生理指标来反映作物受铝胁迫的程度。通过对铝胁迫下大豆根系生长和生理指标的研究，发现铝胁迫显著降低了大豆根系长度、根系鲜质量、SOD活性和根系活力等(P＜0.01)，显著提高了MDA含量和相对电导率(P＜0.01)。综合比较上述各个指标发现，铝胁迫对根系长度的影响最大。这因此可说明，根长是大豆对Al毒害较为敏感的指标，可作为大豆抗铝品种的鉴定指标，与前人在其他作物上［15－17］的研究结果一致。加入柠檬酸后，大豆的根系相对伸长率和根系活力均较单纯铝胁迫处理提高，与金婷婷等［12］的研究结果一致。

表1 柠檬酸处理对铝胁迫下大豆幼苗根系生理指标的影响Table 1 Effects of citric acid treatment on physiological index of soybean seedlings root under aluminum stress

3 结论

通过采用不同浓度的柠檬酸处理铝胁迫下的大豆幼苗，测定了大豆幼苗根系相对伸长率、根系鲜质量和根系活力、根系相对电导率、MDA含量和SOD活性等指标。研究结果表明，铝胁迫显著降低了大豆根系长度、根系鲜质量、SOD活性和根系活力等(P＜0.01)，显著提高了MDA含量和相对电导率(P＜0.01);15～50 μmol/L柠檬酸处理可显著提高铝胁迫下大豆的根长、根系鲜质量、根系活力和SOD活性(P＜0.01)，柠檬酸缓解大豆根系长度的最佳处理浓度为15 μmol/L，缓解其他指标的浓度均为20 μmol/L。因此可说明 15 ～20 μmol/L 柠檬酸可显著缓解大豆铝胁迫。

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