供铝水平对平邑甜茶幼苗生长及叶片生理生化性质的影响

于 波,刘晶晶,田 歌,王 芬,葛顺峰,姜远茂

山东农业大学园艺科学与工程学院,作物生物学国家重点实验室,山东 泰安 271018

由于氮、磷肥的投入过量及有机肥投入不足，果园土壤酸化现象严重。据报道，目前我国酸化土壤面积已占国土面积的20%以上，随着工农业生产的不断发展，酸化面积和程度逐渐增加[1]。土壤酸化后，土壤中的H+与铝发生置换，形成可溶性的活性铝[2]，通常毫微摩尔浓度水平的铝在短时间内即可影响许多作物的生长[3]。铝胁迫已成为公认的制约酸性土壤作物生产的主要因素之一[4]。

目前关于铝胁迫影响农作物的生长已有较多报道，如有研究表明，铝胁迫会影响大豆、小麦和早稻的生物量、产量和吸氮量[5,6]，前期研究证实铝胁迫使大豆积累了大量的脯氨酸、可溶性糖和丙二醛，且不同品种在铝胁迫的表现性状方面存在差异[7]。大量研究表明，铝影响作物对磷的吸收和代谢，其与磷在根表或质外体发生吸附—沉淀反应，减少了磷进入根内以及向地上部的运输[8]。农作物受铝胁迫后与脂肪、蛋白质和核酸结合的磷显著减少，己糖的磷酸化作用明显受到抑制[9]。铝胁迫通过抑制玉米根系对K+的吸收,降低根系和地上部钾的含量[10]。有研究认为铝胁迫通过促进小麦根尖细胞壁木质素合成，加快细胞的木质化，细胞壁延展性变小，从而抑制细胞的伸长，减小根的生长[11]。目前有关供铝水平对植物生长发育影响的研究主要集中在玉米、水稻等对铝敏感型作物上[12,13]，侧重于从作物产量及作物养分含量角度进行阐述[14,15]，在果树生长及对叶片生理生化性质性质影响的研究甚少，且在苹果砧木上的研究鲜有报道。本试验以一年生苹果砧木平邑甜茶为试验材料，研究不同供铝水平下铝对平邑甜茶幼苗根、叶生长及生理生化性质的影响，测定不同供铝水平下平邑甜茶幼苗的生物量、（根系长度、根系总面积、根尖数）根系形态指标、叶片中叶绿素含量、叶片净光合速率、过氧化氢含量、根系氧化力及游离脯氨酸等指标，为揭示砧木生长与供铝水平的关系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2015年3～8月在山东农业大学园艺试验站及国家苹果工程技术研究中心实验室进行。以一年生平邑甜茶幼苗为试材，在3月上旬将层积好的种子播于穴盘中，正常温湿度管理，至幼苗长出三片真叶时，选取生长均匀一致的幼苗移栽到装满石英砂的盆中，石英砂用前已洗净晾干。移栽后缓苗1周，期间浇灌去离子水。缓苗后采用Han等营养液配方作为基本营养液，先用1/2浓度Hoagland营养液预处理浇灌一周，之后用Hoagland完全营养液浇灌，每3 d 1次。缓苗生长1周后进行铝处理，试验所用的盐为AlCl3，设置0、50、75、100、125、150、200 μmol/L7个Al3+浓度试液(分别以 T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6 表示)，每个处理重复10 盆，每盆 4株。其它大量元素(Ca(NO3)25 mmol·L-1、KNO35 mmol·L-1、KCl 5 mmol·L-1、MgSO42.5 mmol·L-1、EDTA-Fe 0.2 mmol·L-1)以及微量元素(MnSO4、CuSO4、H3BO3、H2MoO4)浓度与正常Hoagland营养液相同。每7 d更换1次营养液，处理3周后测定平邑甜茶幼苗根系和叶片的各项指标。

1.2 指标测定

1.2.1 植株解析样品测定方法 将植株解析成根、茎、叶三部分，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，用千分之一电子天平称量各器官的干物质量。

1.2.2 根系形态指标的测定 根系经清水冲洗后用透射扫描仪(ESPON Perfection V750)对根系样品进行扫描，获取平邑甜茶整株根系图像，再利用WinRHIZO根系分析软件进行根系长度、根系总表面积、根尖数分析。

1.2.3 叶片及根生理生化指标的测定 叶片叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素采用分光光度法，叶片中过氧化氢含量采用硫酸钛分光光度法，叶片游离脯氨酸用酸性茚三酮显色法，根系氧化力α－萘胺法

1.2.4 净光合速率（Pn）的测定 用CIRAS-1便携式光合仪测定系统（PPSystems，英国）直接测定净光合速率，参数设定参照梁芳等（2010）。每次测定3次重复，取平均值。测定时设定内源光强450 μmol·m-2·s-1，CO2浓度 360 μL·L-1，温度 25 ℃。测定时间为 9:00～11:00。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2007进行数据处理，用DPS数据处理系统单因素试验统计分析方法进行显著性和相关性分析，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同供铝水平下平邑甜茶生物量

不同浓度铝处理对平邑甜茶生物量的影响由表1所示，T0（0 μmol/L）处理时，平邑甜茶生物量最高，其根、茎、叶分别为2.12 g、1.83 g、2.95 g；T6（200 μmol/L）处理时，平邑甜茶生物量最低，分别为1.35 g、1.26 g、2.05 g，仅为T0（0 μmol/L）处理的0.64倍、0.69倍、0.71倍。从T0处理到T6处理，随着铝浓度的递增，平邑甜茶的生物量呈现缓慢下降趋势，且不同浓度铝处理平邑甜茶各器官生物量均呈现出叶＞根＞茎的趋势。

2.2 不同供铝水平下平邑甜茶根系形态指标

如表2所示，平邑甜茶幼苗根系总长度、根系总表面积及根尖个数受供铝水平的影响较为显著。其中在低铝（T0-T1）水平下，平邑甜茶幼苗根系长度、根系总表面积较大，且根尖数较多；随着铝浓度的增加，平邑甜茶根系生长受到抑制，其根系长度、根系总表面积及根尖数均显著下降，且在T6（200 μmol/L）处理时达到最低，其根系长度、根系总表面积及根尖数分别是T0处理时0.54倍、0.34倍、0.14倍。

表1 不同供铝水平对平邑甜茶各器官生物量的影响Table 1 Effect of different aluminum supply level on the biomass of different organs in Malus hupehensis Rehd

表2 不同供铝水平下平邑甜茶根系形态指标Table 2 Root morphology indexes of Malus hupehensis Rehd seedlings on different aluminum supply level

2.3 不同供铝水平对平邑甜茶幼苗叶片叶绿素含量的影响

不同浓度铝水平对平邑甜茶幼苗叶片叶绿素含量的影响由表3所示，从表3可以看出，T0（0 μmol/L）处理下，叶片中的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量最高，分别为0.748 mg/g、0.612 mg/g、1.36 mg/g，T6（200 μmol/L）处理时，叶片中的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量最低，仅为T0（0 μmol/L）处理的0.46倍、0.39倍、0.43倍，T0～T6处理下，随着铝处理浓度的增加，叶片中的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均呈现下降趋势，且各处理间差异较为显著。铝处理浓度越大，叶片中的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素含量与T0（0 μmol/L）相比下降越明显。

2.4 不同供铝水平对平邑甜茶幼苗叶片净光合速率的影响

由表3可见，不同供铝水平显著影响了平邑甜茶幼苗叶片净光合速率。T0（0 μmol/L）和T1（50 μmol/L）处理叶片净光合速率较高，随着供铝水平的提高，叶片净光合速率显著降低。T6（200 μmol/L）处理叶片净光合速率最低，仅为T0（0 μmol/L）处理的0.45倍。

表3 不同供铝水平下平邑甜茶叶片叶绿素含量及叶片净光合速率Table3 Chlorophyll content and leaf net photosynthetic rate ofMalus hupehensisRehd at different aluminum supply levels

2.5 不同供铝水平对平邑甜茶幼苗叶片脯氨酸含量的影响

由表4可见，供铝水平显著影响了平邑甜茶幼苗叶片脯氨酸的含量，T0（0 μmol/L）和T1（50 μmol/L）处理叶片的脯氨酸含量较低，随着供铝水平的进一步升高，平邑甜茶幼苗叶片的脯氨酸含量显著增加，且供铝水平越高，增加的幅度越大，T6处理的脯氨酸含量为T0处理的4.98倍。

2.6 不同供铝水平对平邑甜茶幼苗根系氧化力的影响

采用α－萘胺法检测根系氧化力，用α－萘胺氧化量来检测根系氧化力，结果见表4。由表4可见，不同供铝水平下平邑甜茶幼苗根系氧化力存在显著差异，T0（0 μmol/L）处理时平邑甜茶幼苗根系氧化力最高，为 49.15(μg·g-1·h-1）。随着供铝水平的提高，根系氧化力逐渐降低，T6（200 μmol/L）处理下根系氧化力最低，仅为T0（0 μmol/L）处理的0.21倍。

表4 不同供铝水平下平邑甜茶叶片脯氨酸含量及根系氧化力Table 4 Proline content and root oxidizing power of Malus hupehensis Rehd at different aluminum supply levels

3 讨 论

由于物种本身遗传特性和抗逆境胁迫能力不同，每个物种对其生存环境的要求均有差异，只有在最适生存环境下植株的各项生理机能才会处于最佳状态，有研究发现水稻在pH6.0的条件下生长最好[16]，而金银花在pH8.3的条件下才能正常生长[17]。本研究结果表明，不同供铝水平显著影响平邑甜茶幼苗的生长，各器官生物量随供铝水平的提高呈现下降的趋势，且供铝浓度越高，各器官的生物量下降幅度越明显。一方面，高铝环境下根系生长受到抑制，且根系活力和硝酸还原酶活性下降，根系吸收功能降低，不利于根系对矿质元素的吸收，进而影响地上部的生物合成[18,19]；另一方面，高铝浓度条件下体内机能受损，营养物质消耗速度高于合成速度，也是导致地上部生物量的降低的原因之一[20]。

根系构型作为植株地下部器官的关键形态特征，是指同株植物不同功能、不同特征的根在外界环境中的空间结构，其通过复杂的交错分布决定了植株整个根系在外界环境中的吸收面积[21]。根系是吸收营养物质的主要器官，较好的根系分布是保障植株地上部营养器官正常生长的关键因子[22]。在本试验中，供铝水平对平邑甜茶幼苗根系长度、根系总表面积及根尖个数的影响较为显著，且随着供铝水平的提高，平邑甜茶幼苗的根系长度、根系总表面积及根尖个数均显著降低。前人研究证实在供铝水平较高条件下根系生长受到抑制，根系形态发生改变，根系活力降低，从而造成根对水分及养分吸收能力变弱，最终导致植物生长发育受限制[11]。

植物进行光合作用不仅为自身的生长发育提供能量，光合产物也可以转化成蛋白质等储存。叶绿素含量下降对植物最大的影响就是降低光合作用速率和质量[19]。植物叶片直接处于逆境胁迫时会发生膜脂过氧化[23,24]，改变叶片叶绿素荧光参数，破坏植物光合系统，导致叶片光合速率下降[25,26]。本试验中不同供铝水平显著影响了平邑甜茶叶片叶绿素含量及叶片净光合速率，随着铝浓度的升高，叶片的净光合速率显著下降，在T6处理时，叶片净光合速率仅为T0处理的0.45倍，且与对照相比，在同一供铝水平下，叶绿素a比叶绿素b下降趋势更为明显，说明叶绿素a比叶绿素b对铝更为敏感，这种敏感性与肖祥希等[27]的研究结果一致。这种随着铝浓度的升高，平邑甜茶叶片叶绿素含量及叶片净光合速率呈现逐渐下降的变化趋势与李春雷等[28]研究茶树叶绿素含量对铝胁迫的响应结果，程永生等[29]研究铝胁迫下鸢尾的叶绿素和类胡萝卜含量影响结果以及郑阳霞等[30]研究铝胁迫对西瓜幼苗叶片叶绿素的影响结果类似。叶绿素含量下降可能有两方面原因造成：一是铝毒抑制根系对镁离子的吸收，导致叶绿素合成受阻[31]；二是铝毒胁迫下细胞质中自由基的大量累积破坏叶绿体膜结构，加速叶绿体的分解[32]。

植物叶片中脯氨酸含量的高低通常作为植物受到胁迫的一种信号，可以通过脯氨酸含量的变化来判断植物是否受到干旱、重金属、高温等逆境的毒害。当植物受到各种逆境胁迫时，自身就会产生抗胁迫的机制，脯氨酸可以通过调节植物细胞的渗透势来提高植物的抗胁迫能力[2]。与此同时，植物在逆境下植物根系氧化力降低，导致根系各种氧化反应的不能顺利进行，不利于根系自身的生长和发育，从而影响地上部营养物质的吸收和转化，进而对植株生长产生危害[33]。在本试验中，叶片中脯氨酸的含量随着供铝水平的提高而增加，且不同处理间差异显著，表明铝胁迫使平邑甜茶幼苗叶片中脯氨酸积累，脯氨酸提高的幅度随着铝胁迫浓度的增加而上升，表明供铝水平越高，对叶片的毒害作用越大。用α－萘胺氧化量来表示根系氧化力，在本试验中，供铝水平的提高使得平邑甜茶幼苗根系氧化力呈现明显下降趋势，且降低幅度随铝处理浓度的增加而增大，严重影响根系对水分和营养物质的吸收，进而影响整个植株的生长。

综上所述，不同供铝水平显著影响了平邑甜茶幼苗的生长及叶片理化性质，通过抑制根系的生长，削弱砧木对养分的吸收，从而影响砧木的生长；同时叶片中叶绿素含量与光合速率的下降，导致光合产物在地上部和地下部之间的交换能力减弱，从而减少了根系生长发育所需的碳水化合物，进而影响砧木的生长。砧木作为苹果嫁接技术中的关键因素，试验明确了平邑甜茶幼苗生长及叶片理化性质对供铝水平的响应机制，为后续果树耐酸铝生理生化机制和砧木遗传改良研究提供依据。