铝胁迫下水杨酸对西瓜幼苗生长的影响

田小曼 ，李朝红

(1.杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100；2.汉中职业技术学院，陕西汉中 723002)

土壤中的铝在多数情况下以难溶的硅酸盐或氧化铝的形式存在，对植物没有毒害[1]，但当土壤环境pH下降到5以下时，原固定于晶格中的难溶性铝逐渐转变为离子态可溶性铝(主要是Al3+)释放到溶液中，直接危害植物生长[2-3]。铝的毒害是酸性土壤或酸化土壤上限制作物产量的主要因子之一[4-5]。

水杨酸(Salicylic acid，SA)是一种广泛存在于植物中的一类小分子酚类物质，其具有重要的生理功能，在植物的生理方面发挥着重要的作用[6-7]，在植物的抗病[8]、抗旱[9]、耐热[10]和抗盐[11-12]等方面，以及对种子萌发、果实成熟和园艺产品保鲜上具有明显作用[13]。水杨酸也可以缓解铝毒等金属离子的胁迫，对含金属离子胁迫等盐碱地的作物高效栽培和产量提高有重要意义[14-16]。

西瓜铝毒害的缓解可以通过添加钙磷元素、柠檬酸和外源有机酸缓解[17-19]，而水杨酸处理缓解铝毒害还未见报道。本试验研究水杨酸缓解铝胁迫对西瓜幼苗质膜过氧化水平、营养元素吸收和根系伸长及鲜质量生长的毒害作用，旨在揭示水杨酸缓解西瓜幼苗铝胁迫的机理，以便更好地防治铝胁迫对西瓜幼苗的毒害，为铝胁迫地块西瓜优质高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

西瓜品种为市售的‘早佳8424’，江苏省江蔬种苗科技有限公司生产。

1.2 种子处理

选取大小一致、圆润饱满的西瓜种子，洗净，温汤浸种(55 ℃，15 min)，自然冷却至室温后继续浸种24 h，28 ℃黑暗中催芽。

1.3 盆栽试验

萌发后播种到装有珍珠岩的育苗盘中光照培养，待幼苗第1片真叶完全展开后选取长势一致的植株移栽到塑料盆里，每盆3株，并采用改良的Hoagland培养液浇灌培养。当幼苗长至5叶期时，以改良Hoagland营养液为母液，设置6个处理：(1)营养液(Con)；(2)营养液+500 μmol/L AlCl3(Al500)；(3)营养液+500 μmol/L AlCl3+10 μmol/L SA(Al500+SA10)；(4)营养液+500 μmol/L AlCl3+50 μmol/L SA(Al500+ SA50)；(5)营养液+10 μmol/L SA(SA10)；(6)营养液+50 μmol/L SA(SA50)，铝盐和外源水杨酸添加后，采用HCl/NaOH调节pH至4.5左右，每3 d更换一次处理液。每处理10盆，重复3次。

1.4 根长、鲜质量与质膜过氧化水平测定

各浓度处理7 d后测定植株根系总长度、鲜质量、质膜过氧化水平。采用LA-S型植物根系分析仪系统测量并记录不同处理组根系的总长，并称量其鲜质量。每个处理重复3次。

质膜过氧化水平采用张志良[20]的方法，通过检测硫代巴比妥与丙二醛(MDA)反应生成物的含量来表示。取0.3 g新鲜西瓜苗根系材料，加入预冷的三氯乙酸(TCA) 10%(质量体积比) 3 mL，冰浴研磨，研磨液4 000×g 离心10 min后，取上清液留用。然后，将0.6%硫代巴比妥(质量体积比) (溶质为10%的TBA溶液) 加入上清液，混匀，沸水浴15 min，取出后冷却，立即测定OD532、OD450和OD600。

MDA(μmol/g)= 6.45×(OD532-OD600)-0.56×OD450

1.5 营养元素含量测定

6个不同处理的盆栽生长10 d和20 d后，取植株分别用去离子水冲洗，将叶和茎经105 ℃高温杀青15 min，与根一起在70 ℃下烘干至恒质量。将烘干后的样品研磨成粉状；每个样精确称量0.1 g，加入硝酸进行硝化，将硝化后的结晶状物质用去离子水定容至50 mL，作为待测溶液。采用电感耦合等离子体质谱法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS)测定Na、K、Mg、Ca 4种元素的含量[21]。

1.6 数据处理

用Spss 13.0进行数据统计分析，用Excel 2013作图，分析外源SA对Al3+胁迫下西瓜幼苗生长及对营养元素吸收的影响。

2 结果与分析

2.1 外源SA对Al3+胁迫下西瓜幼苗根系伸长生长及鲜质量的影响

结果表明，以空白对照组相比，高浓度Al3+胁迫处理西瓜幼苗时，根系伸长生长明显受到抑制，浓度为500 μmol/L的铝处理时，抑制程度高达33.3%；外源SA的加入能缓解Al3+胁迫对根系伸长生长的抑制作用，且浓度愈低，缓解作用愈明显，分析发现，Al500+SA10处理时的根长>Al500+SA50处理时的根长，且Al500+SA10处理后其根长较Al500单独处理增加62.7%。高浓度Al3+胁迫处理西瓜幼苗时，根系鲜质量亦明显受到抑制，浓度为500 μmol/L的Al3+处理时，较空白对照组相比，其对西瓜幼苗根系鲜质量的抑制作用比对根系伸长生长的抑制作用更加明显，抑制程度达到50.0%；外源SA的加入能缓解Al3+胁迫对根鲜质量的抑制作用，其中SA10和SA50较Al500胁迫时的缓解效果分别达 108.9%和153.3%(图1)。

2.2 外源SA对Al3+胁迫下西瓜幼苗质膜过氧化水平的影响

Al3+胁迫后可显著提升西瓜幼苗根系中MDA的含量，当Al3+浓度为500 μmol/L单独处理时，根系MDA含量高达1.38 μmol/g，是空白对照组含量的2.22倍；500 μmol/L的Al3+胁迫时，经低浓度外源SA(10 μmol/L)处理，能较有效地降低西瓜幼苗根系中MDA含量，根系MAD含量降低至0.92 μmol/g，是空白对照组的1.48倍，缓解效果达29.6%；高浓度SA用于缓解Al3+胁迫或单独处理时，不但不能起到缓解作用，反而进一步增加了根系MAD含量。

对于西瓜幼苗叶片MDA分析时发现，Al3+胁迫后其含量较空白组上升6.1%；低浓度外源SA(10 μmol/L)具有缓解作用，缓解效果达8.2%，缓解后叶片MDA含量甚至低于空白对照组；但当SA处理浓度增大后，其缓解作用降低；当SA单独处理时，反而引发叶片MDA含量上升(图2)。

2.3 外源SA对Al3+胁迫下西瓜幼苗营养元素吸收的影响

2.3.1 Na元素 Al3+胁迫下西瓜幼苗茎和叶中Na元素含量在短期(10 d)内未发生明显变化，长时间(20 d)处理后Na元素含量下降，其中茎中20 d处理后的Na元素含量较10 d处理后下降49.4%，叶片中Na元素含量20 d处理较10 d下降11.7%；根系中Na元素含量表现出相反的变化，短期(10 d)内含量下降，长时间 (20 d)处理后反而上升，较10 d处理的含量上升达 2.87倍 (表1)。

表1 不同处理下西瓜幼苗对Na元素的吸收Table 1 Absorption of Na in watermelon seedlings under aluminum stress

低浓度外源SA(10 μmol/L)和铝胁迫处理在短时间内(10 d)表现出促进植株对Na元素的吸收，较Al3+单独处理时提升48.3%，较空白对照组提升28.8%；高浓度外源SA(50 μmol/L)和铝胁迫处理在短时间内(10 d)对缓解Al3+胁迫对Na+元素的吸收效果不明显；但二者长时间 (20 d)同时作用于西瓜幼苗植株后，西瓜幼苗对Na元素吸收量趋于对照组水平。

2.3.2 K元素 Al3+胁迫下西瓜幼苗根系中K元素含量较空白对照组下降37.4%，但随处理时间的延长(20 d)，其含量略微上升；茎中K含量短期内(10 d)略微下降4.9%，长时间(20 d)胁迫下K含量反而上升7.5%；在Al3+胁迫下短时间和长时间处理叶中K含量明显下降，分别下降 3.33%和18.1%。但对于西瓜幼苗整株植株来说，总K含量在Al3+胁迫短期(10 d)内急剧降低，降幅达13.9%；但随处理时间的延长(20 d)，总K含量有上升趋势(表2)。

表2 不同处理下西瓜幼苗对K元素的吸收Table 2 Absorption of K in watermelon seedlings under aluminum stress

外源SA的加入将影响Al3+胁迫对西瓜幼苗植株K元素的吸收作用：以根系中K含量为例，在低浓度或高浓度外源SA(10 μmol/L或50 μmol/L)+Al3+(500 μmol/L)同时处理时短期内(10 d)表现出大幅增加，较Al3+单独处理时分别增加98.6%和135.1%；低浓度SA单独处理时能提升K含量，但高浓度SA处理反而在一定程度上起到抑制作用。

植株总K含量在低浓度外源SA(10 μmol/L)+Al3+(500 μmol/L)同时处理时短期内(10 d)表现出缓解Al3+胁迫作用，较Al3+单独处理时上升27.0%；高浓度外源SA(50 μmol/L)+Al3+(500 μmol/L)同时处理时短期内(10 d)表现出更为明显的上升趋势，较Al3+单独处理时上升37.0%；但长时间(20 d)处理后该作用出现下降趋势。

2.3.3 Mg元素 Al3+胁迫下西瓜幼苗根系中Mg含量短期内(10 d)下降，较空白对照下降约15.2%；长时间(20 d)处理后，Mg含量也上升15.8%；茎中Mg含量在短期(10 d)Al3+胁迫下变化甚小，但长时间(20 d)处理后与相同处理时间的对照组相比上升18.9%；叶中Mg含量在短期(10 d)Al3+胁迫下上升10.5%，但长时间 (20 d)处理后Mg含量与相同处理时间的对照组相比下降37.3%；对整株植株来说，短期(10 d)Al3+胁迫能提高Mg的总含量，增幅5.0%；但长时间(20 d)处理后其总含量下降12.9%(表3)。

表3 不同处理下西瓜幼苗对Mg元素的吸收Table 3 Absorption of Mg in watermelon seedlings under aluminum stress

外源SA能改变西瓜幼苗对Mg吸收的影响：短时间(10 d)时，SA(10 μmol/L)+Al3+(500 μmol/L)、SA(50 μmol/L)+Al3+(500 μmol/L)、SA10或SA50处理后，植株总体Mg含量均表现增加，其中Al500+SA10组较Al500组增加 12.8%，Al500+SA50组较Al500组增加4.9%，SA10处理较空白对照组增加23.7%，SA50处理较空白对照组增加3.1%。长时间(20 d)处理后分析发现，SA(10 μmol/L)+Al3+(500 μmol/L)可进一步促进Mg的吸收，较Al500处理组增加26.9%。

2.3.4 Ca元素 Al3+胁迫下西瓜幼苗根系和茎中Ca元素含量短期内(10 d)下降，但长时间 (20 d)处理后，Ca含量急剧上升；西瓜幼苗叶中Ca含量变化与根系和茎中Ca含量变化相反；西瓜幼苗整株植株体内Ca的总含量在Al3+胁迫下短期内(10 d)略有上升，但长时间(20 d)处理后Ca的总含量急剧下降(表4)。

表4 不同处理下西瓜幼苗对Ca元素的吸收Table 4 Absorption of Mg in watermelon seedlings under aluminum stress

外源SA的加入，能明显改变Al3+胁迫下西瓜幼苗各组织部分Ca的含量：当SA+Al3+同时处理西瓜幼苗时，根系中Ca的含量均有很明显的上升；低浓度外源SA(10 μmol/L)+Al3+能提高西瓜幼苗茎中Ca的含量，而高浓度外源SA(10 μmol/L)+Al3+反而降低其含量；SA+Al3+同时处理时，短期内(10 d)能提高叶片中Ca的含量，长时间(20 d)处理则得到相反结果；西瓜幼苗整株植株体内Ca的总含量在低浓度外源SA(10 μmol/L)+Al3+处理时有较明显的上升，而高浓度外源SA(50 μmol/L)+Al3+处理时短期内 (10 d)能提高其含量，经过20 d处理后其含量反而下降。

3 结论与讨论

植物根尖细胞Al3+的积累是对植物产生伤害的先决条件，主要表现为根系伸长受到抑制，从而影响作物的生长[22]，外源SA可以减弱Al3+对作物根长的抑制作用，增加根吸收营养物质的能力，恢复作物的生理生长[14]。本试验中Al3+胁迫下西瓜幼苗根系伸长生长与鲜质量均受到抑制，其中10 μmol/L外源SA在缓解Al3+胁迫对西瓜幼苗生长的抑制作用效果较佳，对根系长度缓解效果达62.7%，对根系鲜质量的胁迫缓解效果达 108.9%。

当植物受到逆境胁迫时，植物体内活性氧含量增加，活性氧与细胞内的成分反应，直接或间接启动质膜过氧化，导致膜损伤[14]。本试验结果表明，Al3+胁迫导致西瓜幼苗植株质膜过氧化水平上升，而外源SA能降低甚至解除Al3+胁迫所造成的西瓜幼苗植株质膜过氧化水平上升的幅度，其中10 μmol/L外源SA在缓解Al3+胁迫时对根系中MDA含量的降幅达29.6%。

闫改各等研究表明，外源SA对盐碱胁迫下海滨锦葵植株根和叶对Na+的富集能力增强，其中较高浓度的SA(1.5 mmol/L)喷施更能促进Na+在根部富集[23]。本试验中，不同处理组Na+浓度在植物组织中表现为：根>叶>茎，Al3+胁迫下西瓜幼苗对Na元素的吸收表现出促进作用，铝胁迫加外源SA不同浓度均对西瓜幼苗根部的Na+有富集作用。铝胁迫对K、Mg、Ca 3种元素的吸收均表现出抑制作用，外源水杨酸的加入，可缓解Al3+胁迫对这些元素吸收的影响作用，且对于钙元素来说，低浓度外源SA的缓解作用较高浓度外源SA的缓解作用更为明显。