外源SA对铝胁迫下玉米生长及光合作用的影响机制
2016-05-30何袁王嘉远郑瑶瑶
何袁 王嘉远 郑瑶瑶
一、选题背景和意义
铝是土壤中丰度仅次于氧和硅而居第3位的元素，全球土壤中鋁元素丰度为7.1%，我国为6.62%。它通常以难溶性的硅酸或氧化铝形式存在，生物可利用性很小。在近中性的土壤中，铝不会对植物造成伤害，但在酸性条件下（pH<5）可溶性的铝离子迅速增加，可溶性铝会从土壤中析出，对大多数植物产生毒害。
我国酸性土壤分布很广，遍及14个省区，总面积达203万km2，约占全国耕地面积的21%，并且分布面积在不断扩大。随着污水处理的污泥以改良肥料被用于农田施肥，更使土壤中活性铝的含量增高，因此铝毒害已成为酸性土壤中抑制作物生长和导致作物减产和品质下降的主要因素之一。
玉米是我国的重要粮食作物，它的产量高低直接影响我国的经济发展。有研究表明，铝毒害是酸性土壤上作物生长最主要的限制因子，可导致40%耕地上的作物减产。而我国有占全部播种面积30%左右的玉米生长在酸性土壤上。因此，以了提高玉米产量，在玉米生产中对铝胁迫的防治研究具有重要的经济意义。
水杨酸（SA）是一种简单的酚类化合物，广泛存在于植物体内，为植物对逆境反应的信号传导分子，能够诱导病程相关蛋白（PR）基因表达，引发产生系统获得性抗性（SAR）。已有大量的研究表明，水杨酸（SA）能够调节植物许多抗逆生理过程。
二、国内外研究现状、发展动态
最早据杨志敏等报道，铝胁迫刺激决明子内源SA含量改变，而外施SA能促使决明子分泌有机酸，增加该植物对铝的耐性（主要表现为缓解根系生长的受抑制程度）。
汪瑾等发现，加入外源SA能调节A1诱导的C. tora根系柠檬酸的分泌，这种调节作用依赖于浓度变化，最适宜浓度为5μmol/L。同时他们通过实验得出在Al胁迫下，用5μmol/LSA就能改善Al对质膜的伤害，表现为MDA含量下降、质膜透性减小，同时O2-，H2O2含量下降，说明外源SA能够减轻A1对C. tora根尖细胞的氧化损伤。
刘宁等研究发现A1胁迫下大豆根伸长速率对外源SA浓度存在“低促高抑”效应及低浓度10μmol/LSA缓解A1抑制大豆根伸长的效果最明显。并且外源SA能降低A1在大豆根尖中的积累。
周媛等发现铝胁迫增强了根系木质素合成相关酶的活性，使根系细胞壁弹性降低，进而抑制了根系的伸长和侧根生长，外源SA的添加降低了GPX，CAT和PAL的活性，恢复了细胞壁的弹性，从而解除了铝胁迫对括楼根系伸长的抑制。
综上所述，当SA被用于缓解植物铝胁迫时，能收到明显效果。且SA由于具有高效、低成本、无毒、无残留等特点，在农业生产中的应用前景广阔。本研究拟从决明子、大豆、栝楼这三种在外源SA对其耐铝机制有一定研究基础的物种上吸取经验，对在这方面并没有相关报道的玉米上进行外源SA对其生长及光合作用的影响机制的探索。
三、拟解决的关键问题
关键问题：
1、玉米耐铝型品种与敏感型品种的筛选；
2、铝胁迫下玉米生理生长及光合特性分析；
3、外源SA对铝胁迫下玉米生理生长及光合特性的影响机制。
四、研究方法与技术路线
1、研究方法
1.1 玉米耐铝性品种与敏感型品种的筛选
1.1.1实验材料
以浦江、南京、淄阳、金华、温州、嘉兴、沭阳、武义、唐山、滨州玉米种植基地共10个品种种子为实验材料。
1.1.2筛选方法
选择大小一致、圆润饱满的玉米种子，经常规方法浸种、消毒和催芽，将萌发状况良好的玉米种子进行沙培。等长到7～8cm左右时，再选择生长良好、长势一致的植株转入塑料桶中，进行水培。先用完全营养液培养3天，使其适应。营养液参照Yoshida的配方[13]配制。进行不同浓度梯度的Al处理（Al3+以AlCl3.6H2O形式提供），所用浓度通过前期大量预实验获得。每天调pH为4.5，3d换一次处理液。处理3d、6d后用扫描仪（Canoscan 4400F）测定幼苗根长，根系分析软件（WinRHIZO）对数据进行分析，按照公式：根相对伸长率=（有铝处理的根伸长量/无铝处理的根伸长量） ×100%，计算根的相对伸长率。
1.2 铝胁迫下玉米生长生理生长及光合特性分析
1.2.1实验材料及处理
以1.1.2中实验数据分析得出的耐铝型和敏感型品种2个品种为实验材料。
处理方式与1.1.2中相同，而测定的指标与1.1.2中不同。Al处理15天后测定每株苗的根长，株高，地上部鲜重，叶绿素含量、叶绿素荧光特性、抗氧化酶活性及光合速率。
1.2.2测定方法
1.2.2.1生理指标测定
根长、株高用直尺直接进行测量；地上部鲜重，用电子天平测量。
1.2.2.2叶绿素荧光特性的测定
叶绿素荧光参数的测定采用德国生产的便携式脉冲调制叶绿素荧光仪（PAM-210，Walz）。测定参照Ralph[14]的方法。
1.2.2.3叶绿素含量的测定
将纯丙酮和无水乙醇按2：1配成混合提取液，取叶片精密称取0.2g，剪成宽度小于1mm的细丝，放入盛有10ml提取液的具塞试管中，常温黑暗条件下直接浸提，直至肉眼观察叶片完全变白，定容至20 ml。取液体适当稀释后，在663nm，645nm波长下比色，测定吸光度。
1.2.2.4抗氧化酶活性的测定
丙二醛（MDA）含量的测定采用硫代巴比妥法。过氧化物酶（ POD）活性测定用愈创木酚法。超氧化物岐化酶（SOD）活性的测定采用NBT光化还原法。过氧化氢酶（CAT）活性的测定采用Na2S2O3滴定法。紫外吸收物含量的测定按Mirechi和Teramura方法进行]。
1.2.2.5光合速率的测定
使用便携式光合速率测定仪进行测定，方法参考杨明等测定葡萄叶片光合速率的方法[19]。
1.3 外源SA对铝胁迫下玉米生理生长及光合特性的影响机制
1.3.1实验材料及处理
以1.1.2中实验数据分析得出的耐铝型和敏感型品种2个品种为实验材料，取经铝处理过的玉米幼苗。
采用4个实验组：A1无铝无水杨酸（空白对照）；A2无铝有水杨酸（阴性对照）；A3有铝无水杨酸（阳性对照）；A4有铝有水杨酸，水杨酸的浓度经前期大量预实验获得。处理一段时间后测定每株苗的根长，株高，地上部鲜重，叶绿素含量、叶绿素荧光特性及抗氧化酶活性。
1.3.2测定方法
同1.2.2测定方法
五、参考文献
熊毅，李庆逵. 中国土壤[M]. 北京：科学出版社，1987 .
郝鲁宁，刘厚田. 铝对水稻幼苗的生理影响[J] . 植物学报，1989，31（11）：847- 853. 黄邦全，常玲，薛小桥，等. Al3+对油菜幼苗生长影响的研究[J].湖北大学学报（自然科学版），2001，23（1）：87- 89.
佟屏亚. 刍议中国发展玉米生产的科技导向[J] . 玉米科学，2003，11（1）：94- 97 .
何龙飞，沈振国，刘友良，等. 植物铝毒害机理的研究[J]. 广西农业生物科学，2002，21（3）：188- 194 .
沈宏，严小龙. 铝对植物的毒害和植物抗铝毒机理及影响因素的研究[J].土壤通报，2001，32（6）：281- 285 .
应小芳，刘鹏，徐根娣.土壤中的铝及其植物效应的研究进展[J].生态环境，2003，12（2）：237- 239 .
李国婧，周燮.水杨酸与植物抗非生物胁迫[J].植物学通报，2001（03）.
