泡桐幼苗对铝胁迫的生理响应

刘 森，李 鹏，李春华，吴立潮，1b，涂 佳

（1.中南林业科技大学 a.水土保持与荒漠化防治实验室；b.经济林育种与栽培教育部重点实验室，湖南 长沙 410004；2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410005）

泡桐Paulownia是我国特有的落叶阔叶树种之一，生长迅速，与桉树Eucalyptus robusta、麻疯树Jatropha carcas一起，并称为世界三大速生树种[1]。在重金属污染日益严重的今天，铝污染严重制约人工林的生产，泡桐作为重要的木材供应树种，也饱受铝毒污染的困扰，因而研究铝胁迫条件下泡桐生理指标变化也就变得尤为重要。

南方土壤呈酸性，富含铁铝元素，这种情况在湖南境内表现更为突出，分布广泛的第四纪红壤其中的铝含量相比其他较高。研究表明，土壤中的低浓度铝元素可以促进茶树发育[2]，张文浩[3]的研究结果表明低浓度铝可以活化小麦根系促进其生长发育。胡文俐等[4]发现山苍子可以有效改善金属污染的土壤，对胁迫具有较强抗性。王伟等[5]的研究表明铝浓度过高会使小麦生长量急剧下降，根系周围铝、磷元素不断累积。孙文君[6]的研究表明低浓度铝对苜蓿幼苗生长有促进作用，过高浓度则会抑制。杨野等[7]发现铝胁迫会抑制小麦光合作用的进行。王建林的研究表明铝胁迫会抑制水稻对氮、钾元素的吸收，主要作用机制为磷铝结合形成沉淀阻碍根系吸收营养元素[8]。大量研究表明铝胁迫会破坏细胞膜质透性，使细胞膜功能降低甚至丧失[9]。

9501 泡桐作为一种具备发展潜力的新型速生树种，本土白花泡桐在铝胁迫下的反应差异是目前生产上急需明确的问题。本文采用培养法测定生理指标，从而分析9501 泡桐和白花泡桐在不同浓度铝胁迫条件下生理指标变化规律。我们提出如下假设：1）9501 泡桐和白花泡桐在铝胁迫条件下生理指标的差异及变化趋势是怎样？ 2）9501 泡桐和白花泡桐的铝胁迫可适浓度为多少？3）9501 无性系品种对铝胁迫抗性是否优于白花泡桐？本研究具体为：1）9501 泡桐和白花泡桐在不同铝浓度条件下生理指标的响应特点；2）9501 泡桐和白花泡桐对于铝胁迫的抗特征。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验选取来自湖南湘阴中桐林业有限公司试验基地的3年生9501 泡桐无性系品种（由国家林业局泡桐研究开发中心选育）以及白花泡桐（湖南本地白花泡桐）2 种泡桐的根插幼苗作为供试 材料。

1.2 试验设计

挑选大小基本一致的两种3年生泡桐新鲜根（9501 和白花）各18 株，于2018年4月1日放入装有珍珠岩的育苗盘（20 cm×20 cm）中，待幼苗第一片叶完全展开后移栽入盆中，每种泡桐设置3 盆同一浓度的平行样本，每盆进行相应的编号，采用相同配比（沙:珍珠岩=1:1）相同质量（8 kg）的沙土种植，且每株所用盆的型号相同（30 cm×30 cm×20 cm），随机布置于大棚（室温22 ℃，湿度70%）内，最开始用1/3 Hoagland营养液浇灌，待植株到达五叶期时进行胁迫处理。该试验一共设置6 种铝毒浓度梯度（表1），依据湖南土壤铝元素含量确立铝胁迫施用浓度，第四纪红壤中的铝含量为0.08 g/g，故此将浓度划分为轻度胁迫（0.3 mmol/L）、中度胁迫（0.6、0.9 mmol/L）和重度胁迫（1.2、2.4 mmol/L）3种水平，分别含铝0.1、0.2、0.3、0.4 和0.8 g/g（铝源试剂选取的是上海试剂厂生产的分析纯六水氯化铝（AlCl3·6H2O），配置0.5 L 溶液，每个梯度依次添加0、36.225、72.45、108.675、144.9 和289.8 g）。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatment

试验从2018年4月12日开始，整个周期持续60 d，每3 d 进行一次浇水，以Hoagland 培养液作为基底液，按照不同浓度设计添加AlCl3溶液，每株浇水150 mL，每次浇水记录下幼苗生长状况。同时，从开始胁迫后的30、60 d 分别采集各处理的泡桐叶片，用于测定生理指标，每个处理选取3个平行样本，取测定平均值作为最终结果。

1.3 测定指标及方法

植物体的全氮、全磷以及全钾采用硫酸-过氧化氢消煮法测定[10]；植物体的钙、镁、铁、锌以及铜元素采用硝酸-高氯酸消煮的方法测定[11]；植物的硫元素采用硝酸-高氯酸-盐酸消煮法测定[12]。

植物的可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[13]，游离脯氨酸含量采用茚三酮显色法进行测定[14]，超氧化物歧化酶活性采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法测定[15]，丙二醛含量采用TBA 显色法测定[16]，过氧化物酶活性采用愈创木酚法进行测定[17]，叶绿素含量采用丙酮提取之后运用分光光度计测定的方法[18]，电导率采用干燥水浴后运用电导仪测定的方法[19]。

1.4 统计分析

采用SPSS 18.0 进行单因素方差分析，选择最小显著性差异法（LSD 法）进行均值多重比较，绘图使用的是Origin 8.1。

2 结果与分析

2.1 铝胁迫对不同种泡桐叶绿素含量的影响

在无胁迫条件下9501 泡桐的叶绿素含量略高于白花泡桐；当施用铝胁迫时，两种泡桐的叶绿素含量呈现出随着铝浓度先增加后减少的趋势。结果表明，铝胁迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的叶绿素含量最大增幅分别为2.5%、9.2%，最大降幅分别为26.3%、29.1%，白花泡桐变化幅度大于9501 泡桐（图1）；铝胁迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐叶绿素含量最大增幅分别为7.8%、12.1%，最大降幅分别为21.5%、30.3%，白花泡桐变化幅度大于9501 泡桐（图2）。两种泡桐叶绿素含量在30 d 时轻度、中度胁迫下差异显著（P＜0.05），重度胁迫条件下差异不显著（P＞0.05）；铝胁迫达到60 d 时，各浓度下两种泡桐叶绿素含量差异显著（P＜0.05）。

2.2 铝胁迫对不同种泡桐丙二醛含量的影响

无胁迫30 d 时9501 泡桐丙二醛含量低于白花泡桐，60 d 时则相反；当施用铝胁迫时，两种泡桐的丙二醛含量呈现出随着铝浓度增加不断增加的趋势。实验结果表明，铝胁迫30 d 时，白花泡桐的丙二醛含量略高于9501 泡桐，增幅分别为10.4%、7.9%（图3）；而胁迫达到60 d 时，9501泡桐在低胁迫程度丙二醛含量高于白花泡桐，增幅分别为7.9%、13.3%（图4）。两种泡桐丙二醛含量在30 d 时重度胁迫下差异显著（P＜0.05）；铝胁迫达到60 d 时，各浓度下两种泡桐丙二醛含量差异显著（P＜0.05）。

图1 铝胁迫30 d 对不同种泡桐叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of aluminum stress on chlorophyll contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

图2 铝胁迫60 d 对不同种泡桐叶绿素含量的影响Fig.2 Effects of aluminum stress on chlorophyll contents in leaves of different P.fortune after aluminum stress 60 d

2.3 铝胁迫对不同泡桐电导率的影响

在无胁迫条件下9501 泡桐的电导率略高于白花泡桐；当施用铝毒胁迫时，两种泡桐的电导率呈现出随着铝毒浓度增加逐渐增加的趋势。结果表明，铝胁迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的电导率增幅分别为14.9%、17.5%（图5）；铝胁迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐电导率增幅分别为20.4%、24.4%（图6）。两种泡桐电导率在30 d 时差异显著（P＜0.05）；铝胁迫达到60 d 时，各浓度下两种泡桐电导率差异显著（P＜0.05）。

图3 铝胁迫30 d 对不同种泡桐丙二醛含量的影响Fig.3 Effects of aluminum stress on MDA contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

图4 铝胁迫60 d 对不同种泡桐丙二醛含量的影响Fig.4 Effects of aluminum stress on MDA contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

2.4 铝胁迫对不同种泡桐SOD 活性的影响

在无胁迫条件下9501 泡桐的SOD 活性略高于白花泡桐；当施用铝毒胁迫30 d 时，两种泡桐的SOD 活性呈现出随着铝毒浓度增加逐渐增加的趋势，60 d 时SOD 的活性则随着铝浓度增加先增加后减小。实验结果表明，铝胁迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的SOD 活性增幅分别为24.2%、26.9%（图7）；铝胁迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐的SOD 活性增幅分别为29.7%、36.6%，降幅分别为15.6%、24%（图8）。两种泡桐SOD 活性在30 d 时1.2 mmol/L 差异不显著（P＞0.05）；铝胁迫达到60 d 时，各浓度下两种泡桐叶绿素含量差异显著（P＜0.05）。

图5 铝胁迫30 d 对不同种泡桐电导率的影响Fig.5 Effects of aluminum stress on conductivities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

图6 铝胁迫60 d 对不同种泡桐电导率的影响Fig.6 Effects of aluminum stress on conductivities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

2.5 铝胁迫对不同种泡桐POD 活性的影响

在无胁迫条件下9501 泡桐的POD 活性高于白花泡桐；当施用铝毒胁迫时，两种泡桐的POD活性呈现出随着铝毒浓度增加逐渐增加的趋势。结果表明，铝胁迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的POD 活性增幅分别为75.4%、77.9%（图9）；铝胁迫60 d，泡桐POD 活性增幅分别为25.3%、37.8%（图10）。两种泡桐POD 活性在30 d 时差异显著（P＜0.05）；铝胁迫达到60 d 时，各浓度下两种泡桐POD 活性差异显著（P＜0.05）。

图7 铝胁迫30 d 对不同种泡桐SOD 活性的影响Fig.7 Effects of aluminum stress on SOD activities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

图8 铝胁迫60 d 对不同种泡桐SOD 活性的影响Fig.8 Effects of aluminum stress on SOD activities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

图9 铝胁迫30 d 对不同种泡桐POD 活性的影响Fig.9 Effects of aluminum stress on POD activities in leaves of different P.fortune after aluminum stress 30 d

图10 铝胁迫60 d 对不同种泡桐POD 活性的影响Fig.10 Effects of aluminum stress on POD activities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

2.6 铝胁迫对不同泡桐游离脯氨酸含量的影响

结果表明，在无胁迫条件下9501 泡桐的游离脯氨酸含量略低于白花泡桐；当施用铝毒胁迫时，两种泡桐的游离脯氨酸含量呈现出随着铝毒浓度增加不断减少的趋势。实验结果表明，铝胁迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的游离脯氨酸含量降幅分别为17.1%、18%（图11）；铝胁迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐游离脯氨酸含量降幅分别为9.7%、15.5%（图12）。两种泡桐游离脯氨酸含量在30 d时重度胁迫条件下差异不显著（P＞0.05）；铝胁迫达到60 d 时，各浓度下两种泡桐游离脯氨酸含量差异显著（P＜0.05）。

图11 铝胁迫30 d 对不同种泡桐游离脯氨酸含量的影响Fig.11 Effects of aluminum stress on Pro contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

2.7 铝胁迫对不同泡桐可溶性糖含量的影响

研究结果表明，在无胁迫条件下9501 泡桐的可溶性糖含量略高于白花泡桐；当施用铝胁迫时，两种泡桐的可溶性糖含量呈现出随着铝毒浓度增加逐渐增加的趋势。结果表明，铝胁迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的可溶性糖含量增幅分别为12.2%、24.4%（图12）；铝胁迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐可溶性糖含量增幅分别为13.4%、15.1%（图13）。两种泡桐可溶性糖含量在胁迫30 d 时差异显著（P＜0.05）；铝胁迫达到60 d时，各浓度下两种泡桐可溶性糖含量差异不显著（P＞0.05）。

图12 铝胁迫30d 对不同种泡桐可溶性糖含量的影响Fig.12 Effects of aluminum stress on soluble sugar contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

图13 铝胁迫60d 对不同种泡桐可溶性糖含量的影响Fig.13 Effects of aluminum stress on soluble sugar contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

2.8 不同浓度铝胁迫对泡桐幼苗营养元素的影响

两种泡桐幼苗的植株营养元素含量变化显著。两种泡桐的TN、TK、Ca 和Zn 含量随着胁迫浓度的增加而降低，降幅分别为11.6%、9.8%、1%、39.1%；而TP 表现出相反的规律，增幅为31.3%；S、Fe 和Cu 的含量变化随着铝胁迫浓度的增加没有显著差异。在同一铝胁迫条件下9501 泡桐与白花泡桐的差异显著，两类泡桐的营养元素变化趋势大致相同，其中TN、TK、Ca 和Zn 元素在轻度胁迫、中度胁迫以及重度胁迫3 种程度下差异显著（P＜0.05）。TP 随着铝浓度的增加而增加，且3 种胁迫程度之间差异显著（P＜0.05）。

在相同浓度的铝胁迫条件下，两种泡桐各主要元素之间的差异显著（P＜0.05）。其中，TN、S 以及Fe 元素在两种泡桐之间差异显著，TP、Ca 和Zn 元素在0.3 mmol/L 以下差异显著，Cu 元素差异不显著。两种泡桐幼苗各元素含量在0.3 mmol/L 与对照组无显著差异，在2.4 mmol/L时差异最大（表2）。

3 讨 论

铝胁迫对植物的毒害以及植物对铝毒的响应是一个相当复杂的生理过程，关于这一过程的研究需要与植物生长所需的营养元素、生理特性结合起来。

3.1 不同浓度铝胁迫对泡桐幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素作为植物进行光合作用最重要的色素，是植物自身生长发育的重要物质基础[20]。而在之前的研究中，逆境胁迫条件下的植物体内的叶绿素含量会产生大幅度降低[21]，叶绿体发育过程受阻，光合效率降低，最终导致植物生长停滞甚至死亡。张盛楠等[22]的研究表明，马尾松在中低铝浓度下促进叶绿素的增加，高浓度则降低，本试验与之结果一致。本试验中中度胁迫是两类泡桐的叶绿素含量可适浓度，当胁迫程度增加到重度，叶绿素含量大幅下降，说明在这一阶段叶片细胞受到较为严重的破坏，叶绿体膜破裂，叶绿素流失，影响泡桐幼苗的正常生长发育。从30～60 d，9501 泡桐的降低幅度低于白花泡桐，说明9501 泡桐的逆境抗性更强。总而言之，过高的铝浓度会造成泡桐幼苗的生长受阻，叶绿素含量显著降低。

3.2 不同浓度铝胁迫对泡桐幼苗伤害指标的影响

细胞膜是阻隔外部物质随意进出细胞的屏障，对维持细胞稳定具有很强的现实意义。在逆境环境下，细胞内代谢平衡遭到破坏，进而损伤细胞膜系统。刘翠[23]的研究结果表明杉木随着铝胁迫浓度的增加MDA 的含量也在不断增加，这与本研究结果具有相同结论。结果表明，两种泡桐在铝胁迫程度不断增加的过程中，MDA 的含量也在不断增加，反映出铝胁迫对泡桐幼苗的细胞膜损害也在逐步加重。随着胁迫时间的延长，两类泡桐幼苗的MDA 含量也在不断增长，且白花泡桐的增长量大于9501 泡桐，说明白花泡桐的细胞膜抵御胁迫破坏的能力低于9501 泡桐。综上所述，白花泡桐的细胞膜逆境抗性低于9501 泡桐。逆境条件下的植物电导率会受到较大影响，研究表明植物的膜透性会出现异常，内部电解质流失。本试验中，泡桐幼苗的电导率随着铝毒浓度的增加不断上升，且白花泡桐的增长幅度大于9501 泡桐，说明白花泡桐的细胞膜逆境抗性低于9501 泡桐。同时，在两类泡桐之间，在前两个胁迫程度下，9501 泡桐的电导率高于白花泡桐，在重度胁迫程度下，白花泡桐的电导率高于9501 泡桐。且随着胁迫时间延长，泡桐幼苗的电导率也不断升高。因而，9501 泡桐细胞膜逆境抗性方面优于白花泡桐。

表2 不同铝胁迫浓度对泡桐幼苗植株营养元素的影响†Table 2 Effects of different aluminum stress concentrations on nutrient elements of P.fortune root seedlings

3.3 不同浓度铝胁迫对泡桐幼苗抗氧化酶活性的影响

逆境条件下除了对植物体细胞膜系统的破坏，还会通过植物体内形成的抗氧化酶保护系统，以消除活性氧积累对植物体的损害。超氧化物歧化酶（SOD）是保护酶中最为重要的外部防御，将毒性降低并产生过氧化氢。孙境蔚等[24]发现常绿杨的抗氧化酶活性出现先增后减趋势，这在本实验中呈现不一致的结果。在本试验中，泡桐幼苗中的SOD 含量呈现较为明显的上升趋势，而对于 60 d 时SOD 含量的大幅度下降，可能是植物代谢平衡紊乱，植物体内的膜系统造成不可逆的损伤。从胁迫处理的时间来看，铝胁迫施用时间越长，泡桐幼苗的SOD 含量越高。两种泡桐对比来看，9501 泡桐的SOD 抗性优于白花泡桐。泡桐幼苗中的POD 含量在两个阶段均呈现增长趋势，且30 d时，中度胁迫和重度胁迫之间增幅最大，这一阶段POD 含量甚至高于之后的60 d，体现出重度胁迫对于泡桐幼苗的代谢平衡损伤最大，且随着胁迫时间的延长，3 种胁迫程度之间差异性被拉近，但依旧显著。两种泡桐之间的对比，9501 泡桐的POD 抗性优于白花泡桐。综上所述，9501 泡桐在抵御氧化物对细胞损害的抗性优于白花泡桐。

3.4 不同浓度铝胁迫对泡桐幼苗渗透调节物质含量的影响

植物细胞膜完整性遭到破坏后，细胞内可溶性物质外流，细胞原有的功能区域性损害，研究发现甘薯体内一般利用积累脯氨酸、可溶性糖等来对抗逆境环境[25-26]。本试验中的游离脯氨酸呈现出随铝毒浓度升高含量逐步降低的趋势，可能是铝胁迫对于细胞膜蛋白质部分的破坏更为严重，泡桐幼苗的细胞膜蛋白对铝的耐受力较低。随着胁迫时间的增加，游离脯氨酸含量会降低，说明泡桐幼苗细胞膜受到破坏程度加剧。两类泡桐之间相比，9501 泡桐游离脯氨酸含量降低幅度低于白花泡桐。两种泡桐幼苗在胁迫条件下可溶性糖含量不断增加，反映出与游离脯氨酸相同的规律，泡桐幼苗细胞膜遭到破坏，且随着胁迫程度分为三个层次显著增加。两种泡桐之间，9501 泡桐的游离脯氨酸增加幅度低于白花泡桐。而在时间尺度上，两种泡桐的可溶性糖含量随着胁迫时间的延长而增加。

3.5 不同浓度铝胁迫对泡桐幼苗营养元素含量的影响

植物体内的营养元素作为植物生长的重要营养来源，对植株生长起着至关重要的作用[27]。氮、磷、钾元素作为大量营养元素[28]，是植物生长最重要的支持元素，陈文荣等[29]的研究表明荞麦中的磷元素随着铝胁迫浓度增加含量不断增加，本文的结果与之相反，可能是由于南方地区缺磷的土壤特征。纪雨薇[30]发现马尾松中钾元素随着铝浓度增加不断下降，这与本研究结果一致。本研究中这两种元素的含量呈现下降趋势，反映出细胞内的蛋白质、酶以及脯氨酸的合成量受到严重影响，呼吸作用受阻；磷元素作为细胞膜、细胞质中的重要组成元素，铝胁迫处理可以提高泡桐幼苗中的磷元素含量，这在其他植物中也有类似表现[31-32]。中量元素的钙、硫则分别表现出截然不同的趋势，钙元素在影响细胞分裂，消除铝元素毒害方面具有积极作用，泡桐幼苗中的钙元素含量下降表明这种作用随着铝毒浓度的增加逐渐减弱；硫元素并没有显著差异，说明铝胁迫对于泡桐幼苗硫元素吸收没有明显影响。植物体内的微量元素只有锌元素在不同胁迫程度下差异明显，这与叶绿素合成有着密切关系。从营养吸收的角度来看，9501 泡桐对于铝胁迫的耐受能力优于白花泡桐。

4 结 论

综上所述，对于铝胁迫条件下泡桐幼苗的营养元素、生理指标的研究表明，随着铝胁迫不断加剧，泡桐幼苗的抗逆性也在不断削减，细胞膜透性加深。泡桐幼苗在低胁迫程度条件下与对照组差异不显著，中度和重度胁迫程度下，泡桐幼苗的生长会受到抑制。铝胁迫条件下会促进泡桐幼苗对磷元素的吸收，同时对细胞中锌元素的吸收造成影响。泡桐幼苗的叶绿素含量在重度铝胁迫出现大量流失，导致光合作用效率降低。泡桐幼苗的细胞膜透性在胁迫程度加深的过程中不断加剧，导致细胞内蛋白质、电解质流失，细胞内外酸碱、代谢平衡被打破，细胞膜功能被严重损害。泡桐幼苗的各项指标表明，泡桐幼苗的铝胁迫可适浓度为0.3 mmol/L，且两种泡桐的对比而言，9501 泡桐的铝胁迫抗性优于白花泡桐。本试验对于泡桐幼苗在铝胁迫条件下各项生理指标进行测定，可以为未来泡桐逆境环境下的抗性研究提供依据。