铝胁迫对木槿生理及光合光响应特性的影响

张锦弦 施钦

摘要 采用盆栽木槿浇灌不同浓度硫酸铝钾溶液模拟Al3+胁迫，对0（CK）、1.0 mmol/L（T1）、2.0 mmol/L（T2）、4.0 mmol/L（T3）、6.0 mmol/L（T4）Al3+胁迫下木槿生长特性、光合荧光特性、抗氧化酶系统变化和叶片养分变化进行了研究。结果表明，经过45 d的Al3+胁迫，处理T4木槿株高、地径、生物量和根冠分别较CK降低了49.2%、33.7%、33.9%和36.8%。处理T1、T2中，木槿能有效维持光合作用，保持光反应中心正常能量转化；处理T3、T4的净光合速率分别较CK降低了46.2%和61.4%，同时最大光化学效率显著降低。木槿通过保持相对较高的酶促抗氧化剂活性清除活性氧，抵御Al3+造成的脂膜过氧化毒害。可见木槿能抵御一定程度的Al3+胁迫，但是在园艺栽培种实践中仍要对木槿进行适当的Al3+毒害防治。

关键词 木槿；铝胁迫；光合参数；生理特性

中图分类号 Q945.79 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）19-0166-03

鋁作为地壳中最丰富的金属元素，通常情况下以稳定的铝硅酸盐形式存在于土壤中，对植物无毒害作用。但当土壤pH<5时，难溶性铝会转变为可溶性铝离子[1]。酸性土壤遍布我国南方15个省区，总面积达203万km2，约占耕地面积的21%[2]。近年来，随着全球环境的日益恶化，酸雨频繁沉降，在加速了土壤酸化的同时也活化了土壤中大量的铝。有研究表明，当土壤交换性铝含量过多时，植物会表现出明显的铝毒害症状，主要表现为阻碍植物根系、叶片生长，抑制其对营养元素的吸收，导致植物内部生理代谢失紊乱，光合效率降低，对植物正常生理活动至关重要的酶的活性降低，最终造成作物减产[3]。铝毒害已成为酸性土壤中限制作物生长的最重要因素之一。许多亚热带重要的用材树种受铝毒害的影响已有诸多报道[4-6]。

木槿（Hibiscus syriacus）属锦葵科木槿属，落叶灌木或小乔木。木槿的花与嫩叶含有丰富的蛋白质和粗纤维，是一种营养丰富的木本蔬菜。木槿在盛夏季节开花，花色丰富，具有很好的园林美化效果。不仅如此，木槿还具有清热解毒、止痒化痰等较高的药用价值[7-8]。目前，有关木槿的研究多集中于繁殖方法、经济利用等方面，均取得了一定进展；但有关其抗逆性，尤其是铝胁迫下光合特性的响应研究不多[9-11]。

植物光合特性是衡量一种植物能否在铝胁迫下定植的关键指标，其生理特性对植物生长发育具有重要生态指示性。木槿作为一种集观赏、绿化、食用、药用价值于一体的植物，后期有必要进行耐铝品种选育。因此，本试验研究不同程度铝胁迫下木槿光合、叶绿素荧光、抗氧化酶系统生理等变化，揭示铝胁迫对木槿的影响，为进一步研究木槿在铝胁迫下的响应及耐铝品种选育提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的木槿来源于南京中山植物园实验苗圃，选择百花木槿（H. syriacus ‘Totus Albus）二年生扦插苗，每盆（直径25 cm、高度35 cm）栽植1株，置于自然光照下，并每周充分灌溉2次，前期适应4个月。栽培基质由黄土、泥炭土、珍珠岩按体积比3∶1∶1混合而成。2017年9月选取生长良好、长势均匀的木槿移放至温室进行铝胁迫处理。

1.2 试验设计

采用浇灌不同浓度硫酸铝钾溶液模拟不同程度Al3+胁迫，试验根据Al3+浓度不同设5个处理，处理T1、T2、T3、T4分别用Al3+浓度为1.0、2.0、4.0、6.0 mmol/L的硫酸铝钾溶液浇灌，对照组（CK）采用自来水浇灌。为防止Al3+胁迫下的应激效应，前3次浇灌先用各处理1/2浓度的对应硫酸铝钾溶液浇灌500 mL，使基质完全浸透。随后正式开始试验之后每隔2 d于16：00浇1次，每盆浇100 mL，共连续浇灌45 d。4次重复，随机排列。

1.3 指标测定

在试验第45天的9：30—11：00，选择受光方向一致、位于枝条中间且大小相同的叶片，用Li-6400光合系统（Li-Cor，美国）测定其光合参数。以光强为1 000 μmol/（m2·s）的红蓝光为光源，叶室CO2浓度为380 μmol/mol。仪器同步记录净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）。随后，利用调制式叶绿素荧光仪（PAM-2100，德国）测定经0.5 h暗适应后每个处理植株叶片叶绿素荧光参数，首先测定初始荧光（F0）和饱和脉冲光8 000 μmol/（m2·s）下的最大荧光（Fm），之后持续利用500 μmol/（m2·s）光强照射叶片，得到稳态荧光Fs，再用0.7 s饱和脉冲照射得到光下最大荧光F′m，然后关闭光化学光，加远红光测量光下初始荧光F′0。计算以下参数：光合系统Ⅱ最大光化学效率=Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm，光化学量子产额φPSⅡ=（F′m-Fs）/F′m，非光化学淬灭系数NPQ=（Fm-F′m）/F′m。测定结束后，选择位于枝条中央、成熟且充分展开的叶片采样、编号并包入锡箔纸，放入液氮中迅速冷冻，然后保存于-80 ℃超低温冰箱中，用于其他生理指标的测定。

叶绿素（Chl）含量采用95%乙醇提取法测定，脯氨酸（Pro）采用酸性茚三酮染色法测定，叶片相对含水量（RWC）采用饱和称量法测定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定，超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑光还原法测定，过氧化物酶（POD）采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶（CAT）采用紫外分光光度法测定。

在第45天完成采样后，从CK组与处理组收获木槿，测定株高、地径。株高相对生长率（%）=（试验后株高-试验前株高）/试验前株高。然后分成根、茎和叶3个部分，采用烘干法测定各部分干物质质量，并计算总生物量与根冠比（根干重/茎叶总干重）。最后，采用H2SO4-H2O2法消煮，称取粉碎的叶片干样0.1 g，加入5 mL浓H2SO4放置过夜后消煮，消煮液中全氮（TN）采用凯氏定氮法测定、全磷（TP）采用钼锑抗比色法测定。

1.4 数据处理

用Excel 2010软件进行原始数据的整理及处理，通过SPSS 19.0对木槿各个处理间的数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA），采用Duncan法（P<0.05）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 Al3+胁迫下木槿生长特性变化

经过45 d的Al3+胁迫，各处理木槿均存活。从表1可以看出，Al3+胁迫对木槿的生长产生抑制作用，随着Al3+胁迫程度的加剧，处理T1、T2的木槿生长指标没有发生显著变化，处理T3下木槿根冠比显著低于CK，处理T4木槿株高、地径、生物量和根冠比分别较CK降低了49.2%、33.7%、33.9%和36.8%。

2.2 Al3+胁迫下木槿光合荧光特性变化

从表2可以看出，处理T1、T2、T3木槿的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均无显著差异，但是处理T3、T4所有参数都显著（P<0.05）降低，其中处理T3、T4木槿净光合速率相比于CK分别降低了46.2%和61.4%（P<0.05）。可见在低浓度（1.0、2.0 mmol/L）Al3+胁迫下，木槿依旧能有效维持叶片光合作用；而高浓度Al3+（4.0、6.0 mmol/L）胁迫下木槿的光合作用受到抑制。

Fv/Fm的值能反映植物的潜在最大光合能力，φPSⅡ同时反映在光照下PSⅡ反应中心部分关闭情况下的实际光化学效率。Al3+胁迫过程中，木槿叶片荧光参数Fv/Fm和φPSⅡ变化如表3所示。在胁迫处理45 d后，处理T1、T2木槿荧光参数相比于CK均没有显著变化；而处理T3、T4木槿Fv/Fm和φPSⅡ相比于CK差异显著（P<0.05），分别降低了25.0%、23.7%和19.5%、28.8%。与Fv/Fm和φPSⅡ变化趋势相反，处理T3、T4木槿的NPQ相比于CK分别增加了31.2%和29.7%，差异显著（P<0.05）。

2.3 Al3+胁迫下叶片养分变化

如图1所示，经过45 d的胁迫处理，木槿叶片各个处理下 TN浓度没有显著变化，平均维持在42.1 mg/g左右；而叶片 TP浓度在处理T3、T4下，分别较CK增加了30.3%和 63.0%（P<0.05）。

2.4 Al3+胁迫下木槿抗氧化系统变化

植物器官在逆境条件下，通常会发生膜脂过氧化，MDA是反映细胞膜脂过氧化程度以及植物对逆境条件反应强弱的指标。由表4可知，Al3+胁迫下，MDA含量逐渐增加，且具有浓度效应，从处理T1到处理T4，MDA含量从CK的1.62倍上升到CK的1.92倍。同样，SOD、POD和CAT随着Al3+胁迫浓度的增加而显著增加。在处理T4下，木槿叶片SOD、POD和CAT分别较CK增加了104.2%、72.9%和77.5%，差异显著（P<0.05）。

3 结论与讨论

当Al3+表现为细胞毒性形式时，可通过作用在根尖区产生毒害作用。这种副作用可在植物各种生理生化活动中表现出来，其中最直观的就是生长情况。本试验中木槿植株在1.0、2.0、4.0、6.0 mmol/L Al3+浓度条件下，经过45 d的胁迫并没有死亡，只是降低了生物量和增长率，可见木槿在一定浓度Al3+胁迫下依旧能存活。本试验中4.0、6.0 mmol/L Al3+胁迫下，木槿的根冠比显著降低，表明Al3+对木槿根系的抑制作用显著大于地上部分，这与钱莲文等[12]报道的关于常綠杨（Populus）在铝胁迫下的生长状况相类似，表现为Al3+对常绿杨生物量地下部分的影响大于地上部分。说明Al3+首先对木槿根系产生危害，大量Al3+积累在根系组织中，从而对根系细胞的结构和功能造成破坏。

光合作用是植物生长的基础，植物在逆境胁迫下的主要特征之一就是在维持正常的Pn。但是植物的光系统Ⅱ反应中心的活性在盐胁迫下比较脆弱，是胁迫因子影响植物光合作用的关键部位。叶绿素荧光参数能够较为精确地揭示植物光合作用的热耗散部分，在环境胁迫对植物光合作用影响的研究中也有广泛应用[13]。1.0、2.0 mmol/L Al3+胁迫下，木槿的Pn均保持在清水对照水平，同时最大光化学效率维持稳定，可见光反应中心的光能捕获情况未受到影响；在6.0 mmol/L Al3+胁迫下，木槿的Pn、Gs和Tr显著降低，此时木槿气孔关闭，蒸腾作用减缓，碳同化过程受到影响，最大光化学效率显著降低。一方面可知高Al3+浓度会抑制木槿的光合作用，而另一方面说明低Al3+浓度下木槿可通过部分荧光参数变化（如最大光化学效率）缓解Al3+的毒害作用。在6.0 mmol/L Al3+胁迫下，木槿的光合作用受到抑制、NPQ显著增加，表明光系统Ⅱ反应中心部分关闭，上游电子传递情况受到阻碍。这也与45 d胁迫后木槿生长量、生物量降低的趋势一致。同样Al3+胁迫下，其他植物叶绿素荧光也表现出同样的趋势。引起植物气孔关闭的原因较多，Al3+胁迫下一般认为叶片的细胞结构被破坏引起水势及气孔导度降低，限制CO2同化[3，14]。本试验中，Al3+胁迫对木槿叶片气孔的保卫细胞产生了一定危害，间接导致植物叶片气孔阻力增大，从而使气孔导度降低，保卫细胞间的CO2浓度降低，叶片进行光合作用所需的CO2量也随之减少，使光合作用受到了抑制。

植物在逆境胁迫下，其体内会积累大量活性氧，抗氧化酶是植物体内活性氧清除系统中最重要的酶。植物体内积累大量的活性氧，必然会对其生物膜造成氧化伤害。铝可使生物膜硬化，进而促进自由基链反应而导致膜脂过氧化[15]。本研究中发现，SOD、POD和CAT活性随着Al3+胁迫浓度增加而显著增加，符合高Al3+胁迫下抗氧化酶活性显著提高的现象。同时，木槿叶片内MDA含量在1.0 mmol/L Al3+胁迫下较清水对照已有显著增加，这可能是因为有机酸的体外解毒效果使体内各种抗氧化酶活性相对较高，但还未能及时清除MDA在体内的累积。彭 艳等[2]在对小麦Al3+胁迫的研究中提到，根据MDA含量变化可推断小麦的耐铝性，由此在后续研究中可以从MDA含量变化，推断不同品种木槿的耐Al3+特性。在葡萄（Vitis vinifera）中，5.0～8.0 mmol/L Al3+处理后SOD等活性则显著低于CK，表明当Al3+浓度超过一定范围后，葡萄叶片和根系SOD 应激响应在减弱[16]。而在木槿中此现象并未出现，可见高浓度Al3+下木槿的保护酶系统依旧能发挥作用，能较大程度地清除细胞膜中的过氧化物质。

在Al3+胁迫下，大量的Al3+与植物正常所需的Na+、K+竞争，在造成离子毒性的同时，也会造成养分短缺。本研究表明，Al3+胁迫下木槿叶片中的全氮浓度并没有显著降低，但全磷浓度显著增加，一方面可能与Al3+胁迫时间有关，另一方面在于木槿生物量降低，造成一个浓缩效应，使原先植株中的总养分因为生物量减少而浓度增加。但是长期Al3+胁迫下木槿叶片养分浓度变化有待进一步验证。

综上所述，Al3+胁迫对木槿根系细胞的结构和功能造成破坏，对生长开始产生抑制作用，对木槿地下部分的影响大于地上部分。同时，Al3+胁迫引发木槿细胞内活性氧等的过度积累及其所导致的膜脂过氧化，造成叶片气孔关闭，蒸腾作用降低，光合能力减弱。木槿可通过SOD、POD和CAT活性增加以及荧光系统的适应性抵御Al3+毒害，从而使植株得以生存和生长。因此，在园艺栽培种实践中，要对木槿进行适当的Al3+毒害防治。

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