铝胁迫对狗牙根种质资源营养元素吸收的影响

黄春琼 陈振 崔蓉菁 刘国道 王文强

摘  要：铝胁迫处理下营养元素的吸收、运输和分布是铝毒害的基础。采用水培法研究狗牙根种质资源在铝胁迫处理下对铝的吸收和运输，以及铝胁迫对氮、磷、钾、钙等元素的吸收和运输的影响。结果表明：铝胁迫处理显著增加了狗牙根植株体内的铝含量，且铝主要集中在根系;铝胁迫处理抑制了狗牙根对N、P、K、Ca的吸收，地上部分N、P、K、Ca的含量平均减少了25.00%、33.67%、29.29%、25.82%，根系N、P、K、Ca的含量平均减少了28.69%、14.58%、26.28%、27.07%。这说明铝胁迫后，P、K主要分布在根系，向地上部分的运输减少;铝胁迫后可以转运更多的Ca到地上部。

关键词：狗牙根;铝胁迫;营养元素;吸收运输中图分类号：S32      文献标识码：A

The Effect of Aluminum Stress on Nutrient Absorption inCynodon dactylonAccessions

HUANG Chunqiong， CHEN Zhen， CUI Rongjing， LIU Guodao， WANG Wenqiang^*

Tropical Crops Genetic Resources Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement in Southern China， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract： The absorption， transportation and distribution of nutrients in plants under aluminum stress are the basis of Al toxicity. In this study， the effects of aluminum stress on the absorption and transportation of the aluminum， total nitrogen， total phosphorus， potassium， calcium were studied inCynodon dactylon by the water culture method. The results showed that the Al content in C. dactylon was increased under aluminum stress， and the Al content mainly manilyaccumulated in roots. The absorption of the total nitrogen， total phosphorus， potassium， calcium under aluminum stress was inhibited inC. dactylon.The content of N， P， Ca and K of the overground part decreased averagely by 25.00%， 33.67%， 29.29% and 25.82%， the content of N， P， Ca and K of roots decreased averagely by 28.69%， 14.58%， 26.28%， 27.07%. The results revealed that the P and K were mainly distributed in roots， and those transported to the overground part were decreased. More Ca was transported to the overground part under aluminum stress.

Keywords： Cynodon dactylon; aluminum stress; nutrients element; absorption and transportaion

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.06.004

土壤酸化是世界范围内普遍存在的、严重影响农业生产的一大问题。随着酸性物质沉降的越发严重以及对酸性肥料的大量使用，土壤中钾、钙、镁等营养物质逐渐被淋失^[1-2]，造成土壤养分有效性降低，土壤质量下降。土壤酸化时，pH降低，难溶性的铝变成可溶性铝，土壤中的铝溶出量逐渐增多，可溶性铝占单核无机铝的比例增加，从而对植物产生毒害^[3]。同时，酸化使土壤中的镉、汞、铅等重金属元素的活性增加，因而对植物产生毒害^[4-6]。鋁毒害已成为酸性土壤中抑制植物生长和导致作物减产的主要因素之一^[7]，其主要作用机制就是严重影响植物对养分的吸收以及运输，从而导致植物体内营养元素亏缺或失衡^[8]。铝胁迫下，植物叶绿体膜会受到破坏，叶绿素合成减少，光合速率明显降低^[9]。同时，铝胁迫还会影响植物对水分与营养成分的吸收及养分运输，导致各种生理生化过程受到干扰，植物生产力下降^[10]。植物长期对逆境的适应形成了多种抗铝毒机制，可以概括为植物外部排斥机制和植物内部解毒机制^[11]。在铝胁迫下，铝和其他营养元素的吸收、运输和分布是研究植物铝毒害的基础。

目前，国内外学者在植物铝毒害方面做了许多研究工作，但大多数集中在经济农作物上，在草业领域方面的研究少，尤其在草坪草方面的研究甚少，并且关于铝胁迫对草坪草养分吸收的影响尚不明确。草坪草在酸性土壤上表现为生长受到抑制，P、K、Ca、Mg等营养元素缺乏和对逆境的耐受能力变差^[12]。Bladwin等^[13]研究了铝胁迫对狗牙根（Cynodon dactylon）、结缕草（Zoysia japonica）、假俭草（Eremochloa ophiuroides）、地毯草（Axonopus affinis）等10种暖季型草坪草生长和营养元素吸收的影响，发现铝胁迫抑制了大部分草坪草的生长和营养吸收，其中地毯草的耐受性最强，狗牙根的耐受性中等。本研究利用水培法分析39份狗牙根种质在铝胁迫后，铝的吸收、运输以及铝胁迫对营养元素吸收和运输的影响情况，以期初步了解狗牙根在铝胁迫下的营养生理上的耐铝机制。

1  材料与方法

1.1 材料

本研究所用狗牙根材料为2006—2013年间从哥斯达黎加、斯里兰卡、巴西、印尼、越南、印度、巴布亚新几内亚、利比里亚、布隆迪及中国16个省（区）引进的39份狗牙根种质资源，其中野生狗牙根种质36份，栽培品种3份（阳江狗牙根、川南狗牙根和‘兰引1号狗牙根）。材料来源详见表1，田间种植保存于中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所草业研究室种质资源圃。

1.2 方法

1.2.1  铝处理方法  选取田间成坪的健康狗牙根匍匐茎，剪取生长发育一致、带有2个节的茎段插入装有石英砂的250 mL塑料杯（直径6.5 cm、高9.5 cm，杯底打6个孔，垫上纱网），一节埋于石英砂里，另一节露出。每杯6株，塑料杯悬挂于打孔的泡沫板上，并将泡沫板置于5 L小桶上，每份材料种植2个桶。其中，处理1个小桶，对照1个小桶，每桶4个杯子，每桶加入5 L 1/2霍格兰营养液，其基本营养液成分为：1.25 mmol/L Ca（NO₃）₂，1.25 mmol/L KNO₃，0.5 mmol/L MgSO₄，0.025 mmol/L NH₄H₂PO₄，46 μmol/L B，0.3 μmol/L Cu，0.1 μmol/L Mo，9.2 μmol/L Mn，0.8 μmol/L Zn，286 μmol/L Fe（Fe-EDTA）^[14]。生长28 d后修剪一致进行铝处理。处理的铝（AlCl₃·6H₂O）浓度设为2500 μmol/L^[15]。

铝胁迫处理期间每隔3 d更换一次营养液，营养液用去离子水配制而成，每天用HCl和NaOH调节处理营养液pH 4.0±0.2，并检查水面高度，适当补充水分，使其营养液体积保持稳定。试验在大棚温室内进行，整个试验期营养液用氧气泵不间断通气，铝处理时间为28 d。

1.2.2  测定项目与方法  铝处理28 d后分别收集狗牙根地上部分和根系，用蒸馏水反复冲洗干净，

烘箱内烘干后分别研磨成粉末。采用H₂SO₄/H₂O₂法进行消煮，具体方法如下：取植物样品0.1 g装入100 mL开氏瓶的底部，加入浓硫酸5 mL，摇匀（最好放置过夜），在消煮炉上加热，待H₂SO₄发白烟后再升高温度，当溶液呈均匀的棕黑色时取下，稍冷后加6滴30% H₂O₂，再加热至微沸，消煮约10 min，稍冷后重复加H₂O₂再消煮，如此重复数次，每次添加的H₂O₂应逐次减少，消煮至溶液呈无色或清亮后，再加热10 min左右，除去剩余的H₂O₂，取下，冷却后，用水将消煮液移入100 mL容量瓶中，冷却至室温后定容。用ICP-AES测量Al、Ca、K的含量，利用钼锑抗比色法测量P的含量，凯氏定氮仪测量N的含量等。

相对地上部分N、P、K、Ca含量=（铝处理地上部分N、P、K、Ca含量/对照地上部分N、P、K、Ca）×100%;相对根系N、P、K、Ca含量=（铝处理根系N、P、K、Ca含量/對照根系N、P、K、Ca）×100%。

1.3  数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007和SAS 9.0软件进行数据统计和方差分析。

2  结果与分析

2.1  铝胁迫对不同狗牙根地上部和根系铝积累量的影响

铝胁迫对不同狗牙根铝积累量的影响如表2所示。从表2可知，铝胁迫处理后，不同狗牙根地上部的铝含量为0.229～0.485 mg/g，对照铝含量为0.183～0.251 mg/g，地上部分铝含量是对照的1.108～2.298倍，其中铝胁迫地上部铝含量∶对照地上部铝含量低于1.5的种质有A075、A551、川南狗牙根、A558、A493、A556、A084、A043、A022、A103，说明这些种质铝胁迫后地上部积累的铝较少;铝胁迫地上部铝含量∶对照地上部铝含量高于2.0的种质有A256、A261、A554、A326、A285、A538，说明这些种质铝胁迫后地上部积累的铝较多;大部分种质铝胁迫后，地上部铝含量∶对照地上部铝含量处于1.2～2.0之间。铝胁迫处理后，不同狗牙根根系的铝含量为2.352～6.523 mg/g，对照铝含量为0.375～0.437 mg/g，根系铝含量是对照的5.662～15.100倍，其中根系铝含量∶对照铝含量低于7.0的种质有A075、A084、A556、A022、A551，说明铝胁迫后，这些种质根系积累的铝较少;根系铝含量∶对照铝含量高于12.0的有A298、A285、A554、A386、A538、A256、A326，说明铝胁迫后，这些种质根系积累的铝较多。总之，铝胁迫处理后不同狗牙根种质地上部分和根系的铝含量都极显著地高于对照，根系的铝含量显著地高于地上部分，说明吸收的大部分铝主要积累在根系，向地上部分转运的相对较少。

2.2铝胁迫对不同狗牙根地上部和根系N含量的影响

氮是组成蛋白质的主要成分，细胞质、细胞核和酶都含有蛋白质，所以氮也是细胞质、细胞核和酶的组成成分，因此氮被称为“生命元素”^[16]。从表3可以看出，铝胁迫处理显著地降低了不同狗牙根种质地上部分和根系的N含量，地上部分相对N含量减少为14.14%～37.11%，平均减少25.00%，地上部分N含量減少最多的种质为A326，减少为37.11%，其次为A386（35.06%）、A554（34.55%）、A172（33.31%），地上部N含量减少最少的种质是A367，减少为14.14%，其次为A261（14.62%）、A553（15.09%）、A493（15.63%）;其余种质地上部N含量减少为16.26%～32.55%。不同狗牙根种质的根系N含量减少为15.34%～39.56%，平均减少为28.69%，根系N含量减少最多的种质为A326，减少为39.56%，其次为A172（37.17%）、A367（36.34%）、兰引1号狗牙根（36.28%）、A256（36.25%）及A214（36.16%），根系N含量减少最少的种质有A084，减少为15.34%，其次为A556（20.33%）、A223（20.55%）、川南狗牙根（20.58%），N含量减少为15.34%～21.10%，其余种质根系N含量减少为21.10%～35.37%。这说明铝胁迫处理能够明显抑制植物生产量的产生。

2.3 铝胁迫对不同狗牙根地上部和根系P含量的影响

磷存在磷脂、核酸和核蛋白中，磷脂是细胞质和生物膜的主要成分，所以磷是细胞质和细胞核的组成成分。磷在糖代谢、蛋白质代谢和脂肪代谢中起着重要作用^[16]。从表3可以看出，铝胁迫处理显著地降低了不同狗牙根种质根系P含量，地上部分P含量下降更甚，不同狗牙根种质的地上部分相对P含量减少为13.44%～46.24%，平均减少33.67%，其中P含量减少最多的为信阳狗牙根（A552），减少为46.24%，其次为A557、A172、A292、A421、川南狗牙根、阳江狗牙根、A438、A253、‘兰引1号狗牙根，减少为40.33%～ 43.35%，P含量减少最少的为A551，减少为13.44%，其次为A084（18.57%）、A556（20.78%）及A493（20.92%），其余种质减少为21.43%～ 39.87%;根系P含量减少为7.85%～21.04%，平均减少为14.58%，其中根系P含量减少最多的为A551，减少21.04%，其次为A438（20.65%）、A223（20.61%）、A137（20.57%），根系P含量减少最少的为A022，减少为7.85%、其次为A380（9.55%）、A084（9.77%），其余种质减少为10.13%～19.66%。这表明铝胁迫处理后，磷主要分布于根系，而向地上部分的运输明显减少。这可能是因为铝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。

2.4 铝胁迫对不同狗牙根地上部和根系K含量的影响

钾对于参与活体内各种重要反应的酶起着活化剂的作用，是40多种酶的辅助因子，钾促进呼吸进程及核酸和蛋白质的形成。此外，钾对糖类的合成和运输有影响^[17]。从表3可以看出，铝处理显著地降低了不同狗牙根种质地上部分的K含量，可能因为铝毒抑制根系对K ⁺的吸收，降低了植物根系和地上部钾的含量，地上部分相对K含量减少为16.46%～37.89%，平均减少29.29%，其中K含量减少最多的为信阳狗牙根（A552），减少37.89%，其次为A421（37.67%）、A292（36.77%）、A214（36.26%）、A538（36.23）、A193（36.05%），K含量减少最少的种质为A493，减少为16.46%，其次为A551（16.88%）、A022（18.19%）、A553（19.55%）、A084（19.55%），其余种质减少为20.50%～36.05%;不同狗牙根种质的根系K含量减少为15.33%～36.09%，平均减少为26.28%，其中根系K含量减少最多的为A438（36.09%），其次为A421（35.78%）、A559（34.39%）、A214（33.23%）、南京（33.17%）、A292（32.54%），根系K含量减少最少的为A075（15.33%），其次为A493（15.75%）、A549（16.56%）、及A043（17.56%），其余种质减少为20.35%～32.54%，这表明铝胁迫处理后，K向地上部分的运输有所减少。

2.5铝胁迫对不同狗牙根地上部和根系Ca含量的影响

钙是在生物膜中可作为磷脂的磷酸根和蛋白质的羧基间联系的桥梁，可以维持膜结构的稳定性。胞质溶胶中的钙与可溶性的蛋白质形成钙调素（CaM），CaM与Ca²⁺结合形成有活性的Ca²⁺. CaM复合体，在代谢中起“第二信使”的作用^[17]。从表3可以看出，铝处理显著地降低了不同狗牙根种质地上部分和根系的Ca含量，这说明铝胁迫对钙的吸收与抑制作用，地上部分相对Ca含量减少为15.08%～36.46%，平均减少25.82%，其中地上部Ca含量减少最多的是A292，减少为36.46%，其次为A557（35.79%）、A261（35.45%），地上部Ca含量减少最少的为A493（15.08%），其次为A084（15.23%）、A043（16.37%）、A556（16.57%）、A223（16.63%），其余种质地上部Ca含量减少为17.84%～34.76%;不同狗牙根种质的根系Ca含量减少为12.76%～42.65%，平均减少为27.07%，其中根系Ca含量减少最多的为信阳狗牙根（A552）（42.65%），其次为A538（39.54%）及A554（39.16%），根系Ca含量减少最少的为A556（12.76%）、A322（14.55%）、A075（15.36%）其余种质根系Ca含量减少为16.73%～37.49%，表明铝胁迫后可以转运较多的Ca到地上部。

3  讨论

根系是植物与土壤接触的初始部位，是遭受铝毒害的初始位点。植物根系吸收的铝主要积累在根部，只有极少量的铝被转移到地上部分^[18]。高吉喜等^[19]采用小溶液培养法研究铝在马尾松体内的分布时发现，松苗根部的Al含量远高于地上部分，根部Al含量约为地上部分的4～9倍，仅较少量的Al被转移至地上部分。研究表明，Rengel等^[20]的研究發现Al进入黑麦草根系后向地上部分运输缓慢，大部分仍留在根系。Foy等^[21]研究发现铝胁迫处理后，早熟禾地上部分的Al含量小于根系Al含量。本研究结果也表明狗牙根在铝胁迫后Al主要积累在根系，地上部分的Al含量较小。

铝毒害对植物营养元素的吸收会产生一定程度的抑制。植物发生铝毒害的原因之一是铝干扰了营养元素的吸收及运输，尤其是P、K、Ca、Mg的吸收和运输^[22]。Macêdo等^[23]的研究发现，铝胁迫处理降低了水稻茎中的P、K、Ca、Mg、Mn的含量。关于铝胁迫后植物对P的吸收情况，许多研究都表明了铝离子抑制了植物对P的吸收^[24-25]。陈文荣等^[16]的研究结果表明，经铝胁迫处理后荞麦的根、茎、叶中P含量随着铝离子浓度升高而降低。Foy等^[25]的研究表明铝胁迫处理会降低高羊茅地上部分和根系的P含量。Bladwin^[13]的研究发现铝胁迫处理减少了假俭草根系和地上部分P的含量。这些研究结果均与本研究结果一致，本研究结果也表明铝胁迫减少了狗牙根种质地上部分和根系中P的含量，地上部分P含量比地下部分减少得多，这表明铝处理后P主要分布于根系，向地上部分的运输明显减少。这可能是因为铝与P在根表或质外体发生吸附-沉淀反应，减少了P进入植物根内以及向地上部的运输。也有些研究结果发现铝的加入对P的吸收有促进作用^[26-27]。Purcino等^[28]的研究表明铝处理后玉米根系P含量有所提高。戴清霞等^[29]研究发现，山茶花苗在高浓度铝处理下，P的含量总体呈上升趋势。本研究结果还表明铝处理显著地降低了不同狗牙根种质地上部分和根系的N含量，这与陈文荣等^[16]的研究结果一致，这说明铝胁迫处理明显抑制植物生产量的产生。

植物遭受铝毒害时主要受到影响的营养元素是Ca和Mg。铝降低龙眼根、茎、叶中Ca和Mg的含量^[30];抑制根对P、Ca、Mg、Fe等营养元素的吸收^[31]。Mariano等^[32]的研究结果表明玉米在铝胁迫下，耐铝基因型可以保持较高的Ca²⁺、Mg²⁺吸收能力，而铝敏感基因型较低。Giannakoula等^[33]研究的结果表明，在相同铝浓度的处理条件下，敏感型玉米品种根系中吸收Ca、Mg、K含量下降幅度比抗性品种大。杨庆等^[26]研究结果也表明，铝胁迫条件下，花生植株对Ca的吸收与铝处理浓度呈极显著负相关。Rengel等^[20]的研究表明铝胁迫下黑麦草耐性品种Ca和Mg含量比敏感品种要高。阎君^[34]的研究结果表明在铝胁迫下假俭草耐铝种源和铝敏感种源的Ca和Mg的含量都下降了，但耐铝种源受到的影响较小。本研究结果也表明在铝胁迫下狗牙根种质的地上部和根系的Ca含量都下降了，根系下降得稍多。Gassmann等^[35]发现铝毒抑制植物根系对K⁺的吸收，降低植物地上部分和根系的钾含量。而Rengel等^[20]发现低浓度铝胁迫处理后，黑麦草钾的含量比对照升高了。本研究结果也表明在铝胁迫下狗牙根种质的地上部和根系的K含量都下降了，地上部分含量下降得稍多。

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