酸胁迫对科罗拉多蓝杉幼树光合作用和抗性生理特征的影响

侯培军刘怡菲孟凡金金 山杨振宇

（1.新宾县自然资源发展中心，辽宁 抚顺 113200；2.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032）

近年来，伴随着工业建设、城市开发和不正确的灌溉、施肥方式，致使土壤酸化、碱化的现象日趋严重。土壤酸化已成为现代社会必须重视的难题。土壤酸化会造成很多有害影响，这直接和间接地加剧了生态环境的破坏、人类居住环境条件下降，以及作物减产、生物多样性、基因多样性、功能多样性的流失等一系列问题[1-2]。许多植物难以在酸化土壤上存活，为适应这一环境要求，人们广泛地选育能够具有良好耐受性和适应性的物种，应用于园林绿化和生产当中；也有从植物特性、分子生物学等层面进行研究，以提高或培育出具备抗性，能够良好适应这类恶劣生长条件的物种加以利用。因此，挑选耐酸植物具有重要意义[3]。科罗拉多蓝杉（Picea pungensvar.glauca），原产于北美的科罗拉多洲，又名蓝杉、北美蓝杉，为松科云杉属植物[4-5]。蓝杉为常绿针叶乔木，树形自然为柱状至金字塔状，枝条紧凑，株高一般达9～18 m。蓝杉树冠呈蓝绿色或蓝色尖塔状，是珍稀蓝色彩叶树种，适用于园林造景，亦可栽植于道路两侧，具有较高的经济种植与园艺观赏价值。适合生长于微酸性及湿润性土壤，喜光、耐寒、忌高热污染。

酸胁迫会对植物正常生长代谢、光合作用及生理特性造成不利的影响，会导致植物生长发育受到抑制，甚至造成植物死亡[6]。植物通过提高自身的渗透调节能力，如可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白等积累和代谢，维持细胞正常的渗透压来抵御酸胁迫对其造成的伤害[6-7]。同时，抗氧化酶系统，包括过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）等也在保护植物免受酸伤害中起到了重要的作用[6,8]。但是，前人对于酸胁迫的研究相对较少，尤其是蓝杉植物的相关研究和介绍。本研究以科罗拉多蓝杉幼树为试验材料，设置不同酸度的胁迫试验，评价其耐酸能力，探讨蓝杉幼树的光合作用及生理特征，为科罗拉多蓝杉培植地的选择及进一步研究其耐酸胁迫的生理机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试苗木：来源于辽宁省林业科学研究院；株高（约40 cm）及长势一致的1年生科罗拉多蓝杉。

1.2 实验设计

将科罗拉多蓝杉移栽于相同的盆内，每盆1株，其土壤均采集于辽宁省林业科学研究院试验田，每组5个重复。隔日补蒸馏水100 mL，使其适应生长6周。然后，1 mol/L盐酸溶液调节蒸馏水的pH值，设置以下4个pH补水组：pH=7.0、pH=6.0、pH=5.0、pH=4.0。隔日补蒸馏水100 mL，4周后，检测植株各项光合作用及生理指标。

1.3 测定方法

1.3.1 光合作用参数测定

Li−6400光合仪（红/蓝光源）测定各处理叶（每次3个针叶，测其中段位置）的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）。

1.3.2 叶的生理特性测定

酸性茚三酮显色法测定游离脯氨酸含量[9]；蒽酮法测定可溶性糖含量[10]；考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[11]；比色法测定POD含量[12]；氮蓝四唑（NBT）法测定SOD含量[13]；硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MAD）含量[7]。

1.4 数据处理与统计

用SPSS 19.0分析软件对实验数据进行分析，通过t检验分析判定不同组之间的差异显著性；数据用平均值±标准差表示。利用GraphPad prism 5绘图软件绘制图表，不同小写字母表示不同处理间差异显著（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对幼树叶气体交换参数的影响

2.1.1 净光合速率和蒸腾速率

不同pH值补水处理对科罗拉多蓝杉幼树净光合速率（Pn）的影响如图1所示。当pH为7（蒸馏水）时，科罗拉多蓝杉幼树Pn约为11.64 μmol/(m2·s)；在pH为6时，Pn上升，约为13.63 μmol/(m2·s)，但与pH为7时相比 较，并无 显 著性差异；在pH为5和pH为4时，相较于pH为7时，Pn依次显著下降，分别下降53.09%和84.79%。

图 1 不同pH值补水处理对幼树Pn和Tr的影响Fig.1 Effects of supplementary water treatment with different pH values on net photosynthetic rate(Pn)and transpiration rate(Tr)of young tree

不同pH值补水处理对科罗拉多蓝杉幼树蒸腾速率（Tr）的影响如图1所示。4个酸胁迫组之间均存在显著差异。当pH为7（蒸馏水）时，科罗 拉 多 蓝 杉 幼 树Tr约 为0.042 mmol/(m2·s)；在pH为6时，Tr显著上升26.19%；在pH为5和pH为4时，Tr依次显著下降，分别为69.05%和85.71%。

2.1.2 气孔导度率

不同pH值补水处理对科罗拉多蓝杉幼树气孔导度率（Gs）的影响如图2所示。当pH为7（蒸馏水）时，科罗拉多蓝杉幼树Gs约为0.039 mol/(m2·s)；在pH为6时，Gs上升，约为0.047 mol/(m2·s)，但与pH为7时相比 较，并无 显 著性差异；在pH为5时，Gs相较于pH为6时，显著下降，约为38.30%，但是其与pH为7时相比较，并无显著性差异；当pH为4时，相较于其他组，Gs显著下降，约为0.004 mol/(m2·s)。

图 2 不同pH值补水处理对幼树Gs的影响Fig.2 Effects of supplementary water treatment withdifferent pH values on stomatal conductance(Gs)of young tree

2.1.3 树胞间CO2浓度

不同pH值补水处理对科罗拉多蓝杉幼树胞间CO2浓度（Ci）的影响如图3所示。4个酸胁迫组之间均存在显著差异。当pH为7（蒸馏水）时，科罗拉多蓝杉幼树Ci约为173.84 μmol/mol；在pH为6时，Ci显著上升，约为13.22%；在pH为5和pH为4时，Ci依次显著下降，分别为12.07%和36.89%。

图 3 不同pH值补水处理对幼树Ci的影响Fig.3 Effects of supplementary water treatment with different pH values on intercellular CO2concentration(Ci)of young tree

2.2 有机渗透调节物质含量

不同pH值补水处理对科罗拉多蓝杉幼树游离脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白含量的影响如表1所示。游离脯氨酸含量随着pH值的下降，呈先升高后降低的趋势，在pH值为7、6、5、4时，其 含 量 依 次 为：35.14×10−6、41.34×10−6、29.81×10−6、20.37×10−6μg/g，且除在pH为6和pH为7之间无显著性差异外，其余皆具显著性差异；可溶性糖含量随着pH值的下降依次升高，依次为：

1.27×10−6、1.29×10−6、1.58×10−6、2.31×10−6μg/g，且在pH为4时，相较于其他组具有显著性差异；可溶性蛋白含量变化趋势与游离脯氨酸相似，其含量随着pH值的下降呈先升高后降低的趋势，在pH值为7、6、5、4时，其含量依次为：283.43×10−6、350.59×10−6、231.65×10−6、162.11×10−6μg/g，且4个酸胁迫组之间均存在显著差异。

表 1 不同pH值幼树游离脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白含量的影响Table 1 Effect of different pH value on free proline,soluble sugar and soluble protein content of young tree

2.3 抗氧化酶活性

不同pH值补水处理对科罗拉多蓝杉幼树POD、SOD及MDA含量的影响如表2所示。POD含量随着pH值的下降，呈先升高后降低的趋势，在pH值为7、6、5、4时，其含量依次为：191.46、232.69、162.88、103.29 U/(g·min)，且4个酸胁迫组之间均存在显著差异；SOD含量变化趋势与POD相似，其含量随着pH值的下降，呈先升高后降低的趋势，在pH值为7、6、5、4时，其含量依次为：643.33、673.56、570.35、498.39 U/(g·min)，且除在pH为5和pH为7之间无显著性差异外，其余皆具显著性差异；MDA含量变化趋势与前两者相反，其含量随着pH值的下降，呈先降低后升高的趋势，在pH值为7、6、5、4时，其含量依次为：63.23、54.65、68.73、79.39 μmol/g，且除在pH为5和pH为7之间无显著性差异外，其余皆具显著性差异。

表 2 不同pH值幼树POD、SOD及MDA含量的影响Table 2 Effects of different pH values on the content of peroxidase(POD),superoxide dismutase(SOD)and malondialdehyde(MDA)in young tree

3 结论与讨论

植物光合作用的强弱在一定程度上反映了植物对酸胁迫的适应能力，不耐酸的植物叶片失绿、发黄，甚至凋落[14]。在本研究中，蓝杉幼树的净光合速率（Pn）在弱酸（pH 6.0）条件下相较于CK（pH 7.0）明显上升，但是随着pH的下降，Pn出现明显的下降趋势，且具有统计学意义。大多数植物在逆境中均表现出Pn明显下降的趋势，其原因可能是：1）土壤酸度过大致使植物对水分和矿质元素吸收的受阻，导致植物生理缺水，生理机能下降，影响光合作用的进行；2）土壤酸度过大，致使植物吸取的水分pH过小，在低pH环境中，植物细胞的正常生理功能和代谢受阻，包括光合作用，从而导致植物生理功能下降。本探究中，蓝杉幼树的光合作用参数气孔导度率（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2浓度（Ci）也呈现和Pn相似的趋势。上述结果表明，轻度酸化的土壤有益于篮杉幼树的生长。

蓝杉幼树受酸毒害的一个重要原因可能是酸胁迫引起体内有机渗透调节物质的紊乱，使植物细胞缺乏对代谢的有序调控[15]；另一重要原因可能是酸胁迫引起体内的氧化胁迫，使细胞内氧自由基含量增加[6-7]。蓝杉幼树在酸胁迫下，有机渗透调节物质（游离脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白）含量以及抗氧化系统（POD、SOD及MDA）发生了变化，类似的结果也出现在盐以及低温等环境胁迫中[16-17]。说明蓝杉幼树在酸胁迫下积极启动机渗透调节及抗氧化酶防御系统，通过这两种方式来阻止、降低、修复因酸胁迫造成的机体损伤，保证植物可以正常进行生理活动。

脯氨酸是水溶性最大的氨基酸，具有较强水合能力，是理想的有机渗透调节物质，逆境胁迫下植株可通过增加脯氨酸含量提高渗透势以缓解胁迫引起的伤害[9]。在本研究中，pH从7.0降到6.0时，蓝杉叶片脯氨酸含量有所升高；但是，当pH进一步减少时，脯氨酸含量急剧下降。可溶性糖参与渗透调节，与蛋白质稳定的维持密切相关[10]。其主要作用有：参与细胞壁的（纤维素生成）合成；其他有机物合成的原料；各种生命活动的能量来源。研究发现，蓝杉幼树在酸胁迫作用下，可溶性糖含量呈上升的趋势，这说明蓝杉为了抵御酸胁迫所造成的影响，产生大量的可溶性糖，从而维持植株较为正常的生长。判断植物代谢的一个重要指标即是测定植物体内可溶性蛋白含量，因为这些蛋白质大多都是酶类化合物[11]。研究发现在弱酸条件下（pH 6.0），蓝杉幼树的可溶性蛋白含量有所增加，但是随着酸度的增强，其含量随之下降，这表明在弱酸条件下蓝杉幼树的代谢功能有所增强，但是在强酸条件下，其代谢功能受到抑制。总之，从脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白角度分析蓝杉的耐酸性，可以看出，弱酸条件（pH 6.0）不仅不会破坏蓝杉幼树的有机渗透调节平衡性，还可能会对其有一定的促进作用。

过氧化物酶（POD）是植物体内较为重要的一类抗氧化酶，能够在一定程度上反映了植物的生理状态以及对外界刺激的适应能力[6]。超氧化物歧化酶（SOD），是生物体内较为常见的一类抗氧化酶，有清除体内氧化自由基的能力。在细胞内，它通过抵御氧化自由基保护细胞免受伤害，并对受损细胞进行修复[6,13]。在本研究中，蓝杉幼树，在弱酸（pH 6.0）环境中，POD和SOD含量相对于CK组（pH 7.0）有所上升，但是酸度再持续降低，二者含量反而下降。在胁迫环境中，植物细胞会累积大量活性氧使细胞膜发生过氧化，过氧化物过度累积，表现为丙二醛（MDA）含量增高，MDA水平与植物对逆境胁迫的强弱有关[14]。本研究发现蓝杉幼树在弱酸胁迫作用下，MDA有所下降，但是随着酸度的持续增强，其水平呈上升的趋势。总之，POD、SOD及MDA的结果证实，在弱酸胁迫下蓝杉幼树的氧化还原系统不会受到破坏；但是随着胁迫作用的加剧，氧化还原系统的平衡性会出现明显的失衡性。

综上所述，轻度酸化的土壤（pH 6.0）有益于篮杉幼树的生长；而随着酸胁迫程度的加剧，其各项生理及光合作用指标则显著受到抑制。因此在蓝杉的育苗及栽植过程中，弱酸并无太大的影响，但是应避免在强酸的土壤上栽植。

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