酸铝复合胁迫对杉木苗叶绿素荧光的影响

理 挪, 王 培, 马志慧, 刘 翠, 林思祖, 陈 宇

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002;2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002;3.林木逆境生理生态及分子生物学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

杉木Cunninghamialanceolata(Lamb.)是我国最重要的用材树种之一[1]，广泛用于建筑、家具及木纤维工业原料，具有极高的经济价值.杉木的主要栽培区遍及包括台湾省在内的南方17个省区，其生长易受到我国南方酸性红壤(pH=4.4～5.5)的制约.近几十年来，工业的发展和人类活动共同加剧了酸沉降过程，使南方土壤酸化日益严重[2-3].土壤酸化往往与铝毒相伴而生，因为在酸性条件下土壤中的固定铝不断溶出，活性铝不断增加，对植物生长造成严重的抑制作用.自1983年Ulrich et al[4]首次提出森林衰退的铝毒害假说后，越来越多的研究证明，铝毒是酸性土壤中抑制林木生长、降低森林生产力、造成森林衰退的主要原因[5-7].同时，长期的生产实践和科学研究也表明，铝毒也是酸性土壤中制约杉木生长的一项主要因素[8]，是杉木人工林大面积衰退减产的重要原因之一[9].因此，探明杉木在酸铝复合作用下的抗性表现，对了解杉木对酸铝复合作用的耐受程度，进一步筛选和培育耐酸铝型杉木种质资源，保证杉木人工林生产力持续发展具有重要的理论和现实意义.

铝毒对植株体的损害往往可在光合作用系统中体现[10].对玉米的酸铝复合胁迫试验发现，pH 值越低铝胁迫对生物量的抑制越严重[11].大豆的铝胁迫试验发现，随着铝离子浓度的升高植株中叶绿素含量、气孔导度、净光合速率及蒸腾速率呈下降趋势[12].油菜在铝胁迫处理下叶片叶绿素含量和光合速率都明显地降低[13].可见铝胁迫下植株体的光合参数表现在一定程度上反映植株体受铝毒损伤的程度.因此，本试验以1年生杉木苗为研究对象，对其进行酸铝胁迫处理，以叶绿素荧光参数为依据观察酸铝胁迫对杉木光合系统的影响，旨在初步探明杉木对酸铝复合胁迫的耐受能力，为进一步选育耐酸铝型杉木提供前期基础.

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料选取生长健康、整齐的1 年生杉木实生苗，种子取自福建洋口国有林场3代种子园.试验地位于福建农林大学国家林业局杉木工程技术研究中心强化育种室.试验地气候属中亚热带季风性湿润气候，降水充沛，干、湿季分明，年平均气温19.3 ℃，年均降雨量1 500～1 800 mm，无霜期达250～300 d.

1.2 试验方法

1.2.1 酸铝胁迫试验设置 采用盆栽法，选取28 cm×18 cm×30 cm规格的塑料盆，将复合肥和AlCl3·6H2O拌入土壤并混匀装入盆中，每盆7.5 kg；酸液用外源硫(NaHSO3∶Na2SO3=1∶3)[14]配制，用精密pH仪(上海雷磁PHS-3C型)调节酸度.铝浓度按0(对照)、0.06、0.12、0.24 g·kg-1设计4个浓度梯度； pH值按6.8(对照，以蒸馏水替代外源硫)、5.0、4.5和4.0设计4个梯度.具体酸铝处理组合如下：A1(0 g·kg-1，pH 4.0)、A2(0 g·kg-1，pH 4.5)、A3(0 g·kg-1，pH 5.0)、CK1(0 g·kg-1，pH 6.8),B1(0.06 g·kg-1,pH 4.0)、B2(0.06 g·kg-1,pH 4.5)、B3(0.06 g·kg-1，pH 5.0)、CK2(0.06 g·kg-1，pH 6.8)，C1(0.12 g·kg-1，pH 4.0)、C2(0.12 g·kg-1,pH 4.5)、C3(0.12 g·kg-1，pH 5.0)、CK3(0.12 g·kg-1，pH 6.8)，D1(0.24 g·kg-1,pH 4.0)D2(0.24 g·kg-1,pH 4.5)D3(0.24 g·kg-1)CK4(0.24 g·kg-1，pH 6.8).A组(A1、A2、A3和CK1)作为单酸胁迫，CK组(CK1、CK2、CK3和CK4)作为单铝胁迫.每个处理设置4个重复，即共48株盆栽苗.

1.2.2 酸铝试验实施及叶绿素荧光参数的测定 试验于2012年7月进行，定植一周后开始胁迫试验.试验进行过程中，根据福州市月平均降水量，每隔3 d添加对应的处理液500 mL.叶绿素荧光采用Handy FluorCam便携荧光成像仪(Photon Systems Instruments)进行测定，测定软件为FluorCam v6.0，测定的参数包括：初始荧光值(minimal fluorescence, Fo)、可变荧光值(variable fluorescence, Fv)和最大荧光值(maximal fluorescence, Fm).在胁迫的第15、30和45 d时，取每株植株中部同一朝向的健康叶进行测定.

1.3 统计与分析

用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)；用LSD法进行多重比较；用Microsoft Excel 2010作图.

2 结果与分析

2.1 酸铝复合胁迫下叶绿素荧光参数Fo、Fv和Fm的变化

酸铝复合胁迫下杉木苗叶绿素荧光参数见图1.由图可知，无论单酸胁迫还是单铝胁迫，都可造成杉木苗Fo的下降和Fm、Fv的升高，但CK组Fo的变化幅度大于A组.酸铝复合胁迫下，Fo的总体趋势为A组(无铝)B组>C组>D组，二者均随铝浓度的升高而下降；在组内不同水平酸处理下二者均呈现上升趋势，在pH 4.0条件处理下均出现最低值.另外，随着胁迫时间增加，各处理均出现Fo上升、Fm和Fv下降的趋势.由此说明，单酸、单铝胁迫与酸铝复合胁迫均对杉木苗的光合系统造成影响，其中酸铝复合胁迫对杉木苗的影响要大于单酸或单铝胁迫.同时，胁迫时间越长，杉木苗受损越严重.

图中标识字母为显著性分析结果，相同胁迫时间样本为一个组，每组中标识有相同字母的样本表示其在组内P=0.05水平上差异不显著;A：Fo的比较；B：Fm的比较；C：Fv的比较.图1 酸铝复合胁迫杉木苗叶绿素荧光参数Fo、Fm和Fv的比较Fig.1 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters including Fo, Fm and Fv of Chinese fir seedlings under acid-aluminum co-stress

2.2 酸铝复合胁迫下叶绿素荧光参数Fo、Fv和Fm的多重比较

为进一步分析酸和铝胁迫对各组样本叶绿素荧光影响的差异，将叶绿素荧光作LSD多重比较，结果如表1所示.Fo在酸胁迫15、30和45 d 时，均在pH 6.8和4.0水平之间有显著差异，而其他水平之间差异不显著.Fm在酸胁迫15 d时，分别在pH 6.8和4.5水平、6.8和4.0水平以及5.0和4.0水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著；胁迫30 d时，在pH 6.8和4.0水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著；胁迫45 d时，分别在pH 6.8和4.5、6.8和4.0以及5.0和4.0水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著.Fv在酸胁迫15 d时，分别在pH 6.8和4.5、6.8和4.0以及5.0和4.0水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著；胁迫30 d时，在pH 6.8和4.0水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著；胁迫45 d时，分别在pH 6.8和4.5、6.8和4.0以及5.0和4.0水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著.

表1 酸胁迫下杉木幼苗叶绿素荧光参数的多重比较1)Table 1 Multiple comparison on chlorophyll fluorescence parameters of Chinese fir seedlings under acid stress

1)相同胁迫时间中标有相同字母的表示在P=0.05水平上差异不显著，下表同.

Fo在铝胁迫15 d时，分别在铝浓度为0.00和0.06 g·kg-1、0.00和0.12 g·kg-1、0.00和0.24 g·kg-1、0.06和0.12 g·kg-1以及0.06和0.24 g·kg-1水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著；胁迫30 d时,各浓度组合之间的差异均显著；胁迫45 d时，分别在铝浓度为0.00和0.06 g·kg-1、0.00和0.12 g·kg-1、0.00和0.24 g·kg-1、0.06和0.12 g·kg-1以及0.06和0.24 g·kg-1水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著.Fm和Fv均表现为在胁迫15和30 d时，分别在铝浓度为0.00和0.12 g·kg-1、0.00和0.24 g·kg-1、0.06和0.12 g·kg-1、0.06和0.24 g·kg-1以及0.12和0.24 g·kg-1水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著；胁迫45 d时，分别在铝浓度为0.00和0.12 g·kg-1、0.00和0.24 g·kg-1以及0.06和0.24 g·kg-1水平之间存在显著差异，其他水平之间差异不显著.

表2 铝胁迫下杉木幼苗叶绿素荧光参数的多重比较Table 2 Multiple comparison on chlorophyll fluorescence parameters of Chinese fir seedlings under aluminum stress

3 讨论与结论

铝毒与土壤酸化均为影响植物生长的不利因素，尤其在我国南方酸性红壤区，土壤酸化加剧常常伴随土壤固定铝向活性铝的转变，对植物造成复合影响，主要体现在植物光合作用效率、根系的呼吸速率和植株体生长等主要表型性状受到抑制.植物通过叶绿素捕获光能获得能量，这一过程所产生的荧光信号可以对植物生理变化信息产生敏感反映，因此可以把叶绿素荧光参数作为衡量植物体在胁迫条件下耐受调节生理响应的一项指标[15-16].

一般而言，Fo的增加表示PSⅡ反应中心遭受破坏或可逆失活[16-18]，Fm降低则是光抑制的主要特征.过剩光能会使光合器官的光化学效率和光合速率降低，即发生光抑制[19].Fm的降低又会导致Fv随之降低，进而影响光和效率[18].如在大豆[20]和油菜[21]的酸胁迫、箬竹[14]的酸铝胁迫试验中均发现Fo、Fv和Fm有上述的变化趋势.本试验的结果与其一致，随酸铝复合胁迫浓度与时间的增加，供试杉木苗的Fo不断上升，Fm和Fv不断下降.相同酸处理水平下，Fo表现为高铝<中铝<低铝<无铝；Fm、Fv表现为无铝<低铝<中铝<高铝.在相同铝浓度处理水平下，Fo表现为pH 5.0