铝毒胁迫对乐昌含笑幼苗生长和生理的影响

龚海光，姜春宁，黄永芳，李　燕

（华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

铝毒胁迫对乐昌含笑幼苗生长和生理的影响

龚海光，姜春宁，黄永芳，李燕

（华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

为研究铝毒对乐昌含笑Michelia chapensis幼苗生长的影响，采用水培法对乐昌含笑幼苗进行铝胁迫实验，设置铝浓度梯度为0 （CK）、0.5 （T1）、1 （T2）、2 mmol·L-1（T3）共4个处理，定期测定其根长、根尖铝含量、POD和CAT活性、MDA和脯氨酸（Pro）含量。结果表明，铝胁迫明显抑制乐昌含笑根的伸长生长，随着Al3+浓度的增加，抑制程度加剧，T1、T2、T3与CK对照比较，相对伸长率分别为84.53%、63.16%和54.46%；根尖铝含量随处理时间延长和铝浓度增加而增加，处理6 d时T1、T2、T3根尖铝含量分别是CK的 63.64、82.60、121.69倍；POD、CAT酶活性与处理时间和铝浓度呈正相关，各处理6 d时POD活性比处理1 d提高17.00%～115.21%，CAT活性提高 25.11%～49.28%；MDA和Pro含量变化随着胁迫时间和铝溶液浓度的增加而增加，处理 6 d 时T1、T2、T3的MDA含量比CK对照增加46.13%～59.78%，Pro含量增加60.12%～150.85%。在铝胁迫条件下，乐昌含笑根尖铝含量增加，根的伸长生长受抑制，细胞膜膜质过氧化程度增加；乐昌含笑可通过激活体内抗氧化酶系抵抗铝胁迫，同时产生脯氨酸调节细胞渗透势。

乐昌含笑；铝胁迫；生理特性

乐昌含笑Michelia chapensis别名南方白兰花、景烈含笑，是木兰科Magnoliaceae含笑属Michelia 常绿乔木，自然分布于我国广西、湖南、江西、广东、贵州5省（区），是组成南方常绿阔叶林的重要树种之一。乐昌含笑人工林能改善土壤结构和养分状况，具有比杉木林更好的培肥效果［1］。乐昌含笑不耐水淹和干旱，适宜在酸性至微碱性土壤中生长［2］，而铝胁迫是酸性土壤中限制植物生长的主要胁迫因子［3］。因此，适宜乐昌含笑生长的地区易遭受铝毒胁迫。

铝元素约占地壳总量的 7%，仅次于氧和硅，是地壳含量最高的金属元素［4］。当土壤pH＞5时，铝元素以氧化铝形式或硅酸盐形式存在，难溶于水，对植物无毒害性；当土壤pH＜5时，铝能从硅酸盐或氧化物中释放出来，以可溶性铝（主要是Al3+）形式存在于土壤中，对大多数植物具有毒害作用，且pH越低毒性越大［5］。土壤中适量浓度的铝能促进植物的生长发育，增强植物对CO2的同化作用，促进植物根系对Ca、K等元素的吸收。但过量的铝却能抑制植物生长，杨野等［6］发现铝胁迫能抑制小麦根系伸长，激活根尖过氧化物酶（POD）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂醇脱氢酶（CAD）活性，并促进木质素合成。铝胁迫还能降低植物叶绿素含量，抑制参与光合作用的酶活性，导致光合速率降低，严重影响植物正常生长［7］。肖祥希等［8］研究铝胁迫对龙眼的影响时，发现铝胁迫能破坏龙眼幼苗的细胞膜系统，并且影响活性氧防御系统功能。在分子水平上，铝能与DNA的磷酸基结合，干扰DNA复制转录和RNA合成，导致细胞不能正常分裂，引起细胞程序性死亡［9—10］。

酸性土壤遍及我国15个省区，约占全国可耕用地21%［11］，且正随人类生产活动频繁而日益扩大。铝毒是森林衰亡的重要因素［12］，正严重威胁着野生乐昌含笑的生存。目前，有关植物铝胁迫机理的研究大多集中在大豆、水稻和花生等经济作物上，而关于铝胁迫对乐昌含笑的研究未见报道。本研究通过水培实验，分析不同浓度Al3+对乐昌含笑根生长的影响及其引起的生理响应，以期为研究乐昌含笑的铝耐受性和抗铝胁迫机制提供科学依据。

1　材料与方法

1.1材料

乐昌含笑种子采自广东省肇庆市西江林业局仙菊林场，将种子置于华南农业大学林学院板栗园沙藏培育。生长4个月后的幼苗高约30 cm，选取长势一致的苗进行实验。

1.2实验设置

在干净的长×宽×高为60 cm × 40 cm × 40 cm的12个水培箱中加满0.5 mmol·L-1CaCl2溶液，然后加入AlCl3·6H2O，设置Al3+浓度分别为 0、0.5、1和2 mmol·L-1，并调节pH至4.3。各浓度编号分别为CK、T1、T2、T3，每处理设3次重复。乐昌含笑幼苗转入水培箱中，根部浸没在培养液中，种子以上部位不与培养液接触。每两天调一次pH，早晚各通气2 h。

1.3指标测定

根是直接与铝接触部位，也是铝结合和吸收的主要部位，其铝含量变化明显，且铝是通过固定在根尖分生区的细胞壁上限制根的伸长生长［6］。铝胁迫1、3、6 d时，分别采用愈创木酚法测定幼苗根的过氧化物酶（POD）活性、紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性、硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量［13］，铬天青S分光光度法测定根尖铝含量［14］，酸性茚三酮法测定脯氨酸（Pro）含量［13］。

使用游标卡尺测定铝胁迫前和胁迫24 h时乐昌含笑幼苗根长。相对伸长率（%） = 铝处理根净伸长量/ 对照根净伸长量 × 100%。

1.4数据统计与分析

实验数据采用Excel 2003统计，利用SAS V8软件进行分析并制图。

2　结果与分析

2.1铝胁迫对幼苗根尖铝含量的影响

由图1可知，CK的根尖铝含量在整个处理周期内几乎没有变化，其他处理根尖铝含量随处理时间和溶液Al3+浓度增加而增加，在处理6 d时，T1、T2、T3根尖铝含量分别是CK的63.64、82.60、121.69倍。对4个处理之间进行方差分析，处理第3 d和6 d，CK、T1、T2、T3之间差异显著（P＜0.05）。

图1　乐昌含笑根尖铝含量变化Fig. 1　The concentration of aluminum in root tip of Michelia chapensis

2.2铝胁迫对幼苗根伸长生长的影响

由图2可知，随着铝浓度的增加，乐昌含笑根的相对伸长率明显降低。当铝胁迫24 h后，T1、T2、T3处理根相对伸长率分别为84.53%、63.16%和54.46%。对4组处理进行方差分析，CK、T1、T2处理之间差异达到显著水平（P＜0.05），说明乐昌含笑幼苗的根受铝胁迫后，根的伸长生长明显受到抑制。

图2　铝胁迫24 h乐昌含笑根相对伸长率Fig. 2　The relative enlongation of Michelia chapensis after 24 h of aluminum stress

2.3铝胁迫对幼苗生理指标的影响

2.3.1POD活性POD是植物体内重要的抗氧化酶。乐昌含笑在铝胁迫条件下，POD活性随处理浓度和处理时间的变化而变化（图3）。第1 d 时，T1、T2处理POD活性略低于CK，但差异不显著，只有T3 处理POD活性比CK显著提高（P＜0.05）。但总体上，在处理周期内乐昌含笑幼苗根的POD活性随着处理时间延长及处理Al3+浓度升高而升高。处理第6 d时，T1、T2、T3处理的幼苗根部POD活性比第1 d提高17.00%～115.21%，T3处理比相同时间的CK对照提高了118.57%。对各处理进行方差分析，第3 d和第6 d 各处理间POD活性均存在显著差异（P＜0.05）。

2.3.2CAT活性由图3可知，铝胁迫1 d时，T2、T3处理CAT活性较CK显著提高（P＜0.05），而T1处理直到第3 d时才显著提高（P＜0.05）。在处理第6 d时，T1、T2、T3处理CAT活性较对照CK分别提高52.40%、94.96%、133.24%，并且与第1 d相比活性提高25.11%～49.28%。对4个处理进行方差分析，处理第3 d和 6 d时，CK、T1、T2、T3处理间差异达显著水平（P＜0.05）。处理间CAT活性与处理浓度和处理时间呈正相关关系。

2.3.3MDA含量MDA是膜脂过氧化的主要产物之一，是具有细胞毒性的物质，能够引起细胞膜功能紊乱从而造成膜整体性的破坏，表现为膜透性增大和离子泄漏，MDA含量是反映膜脂过氧化强弱的重要指标。由图3可知，各处理MDA含量随处理时间延长和处理浓度增加而增加。在胁迫1 d时，T3处理的MDA含量较CK对照已显著增加（P＜0.05）；第3 d时T1、T2 处理的MDA也较CK对照显著增加（P＜0.05），但T1和T2间差异不明显。第6 d时，T1、T2、T3处理MDA含量较CK对照分别增加了22.08%、36.65%和60.54%，且4个处理间差异性均达到显著水平（P＜0.05）。

2.3.4Pro含量由图3可知，胁迫第3 d时T3处理的Pro含量较第1 d增加104.95%，而T1、T2则变化不显著。第6 d时，T1、T2、T3的Pro含量均迅速增加，分别比CK增加60.12%、102.27%、150.85%。经方差分析，铝胁迫6 d时，Pro含量在CK、T1、T2、T3各处理间差异均达显著水平（P＜0.05）。Pro含量与处理Al3+浓度和处理时间大致成正相关关系。

图3　乐昌含笑根POD和CAT活性、MDA和Pro含量变化Fig. 3　The change of POD and CAT activity，MDA and Pro content in Michelia chapensis root

3　讨论

植物遭受铝胁迫时，最先受到抑制的是根系的生长，因此根系的伸长生长被抑制是最易观察到的症状，根长生长常被作为衡量植物受铝胁迫毒害程度的重要指标［15—16］。根尖是铝吸收的最初部位，植物细胞壁带有负电荷，可与铝离子结合，将铝离子固定在细胞壁上。Clarkson［17］对大麦铝胁迫研究发现，根系中吸收的铝85%～90%固定在细胞壁中。结合于细胞壁的铝在抑制根系细胞的伸长起关键作用［18］。在铝胁迫条件下，根尖铝含量随铝离子浓度和处理时间的增加而增加［19—20］。当植物遭受逆境胁迫时，细胞质膜会受到不同程度的损伤，其选择透性功能被削弱甚至消失，从而导致细胞内电解质外渗，电导率升高。研究发现，过高浓度的铝会对植物产生胁迫作用，导致细胞膜膜脂过氧化，产生大量的MDA［21］。本实验表明，乐昌含笑幼苗根在受到铝胁迫时，根的伸长明显受抑制，且这种抑制作用随Al3+浓度的增加而增强，根尖中的铝含量与胁迫时间和Al3+处理浓度之间有正相关关系。胁迫强度越大，幼苗根的MDA含量上升，且胁迫时间越长，MDA含量越大。由此说明，在受到铝胁迫时，乐昌含笑幼苗根铝离子吸收量增加，可能导致根细胞膜脂过氧化加剧，从而使根的伸长受到抑制。

在受到铝胁迫时，乐昌含笑能增强其抗氧化酶POD、CAT活性，有助于清除植物体内积累的活性氧自由基以缓解逆境胁迫对植物造成的伤害。POD、CAT活性的提高是植物应对铝胁迫毒害作用的重要生理机制［22］。Li等［23］对茶树铝胁迫的研究发现，低浓度的铝胁迫伤害可通过提高抗氧化酶系如CAT活性解除，但胁迫如超过茶树的耐受极限就会造成过氧化伤害。在铝胁迫条件下，乐昌含笑体内的这2种酶活性会因铝毒胁迫而提高，且随胁迫强度的增加而活性增强。脯氨酸作为一种渗透调节物，可有效调节细胞的渗透势，保持和稳定大分子物质，维持细胞质膜的完整性和正常功能［24—25］。铝胁迫下，乐昌含笑幼苗根脯氨酸含量增加明显。

本研究发现，随着培养液铝浓度的增加，乐昌含笑根的MDA含量显著增加，表明根的膜质过氧化程度加剧。导致膜脂过氧化的原因是细胞内H2O2等活性氧类物质累积［8］，而POD、CAT的功能是清除H2O2。实验中POD和CAT活性随铝浓度的增加而增加，表明乐昌含笑能通过激活体内的抗氧化酶系，清除多余的H2O2，保护细胞质膜的完整性。

综上所述，在受到铝胁迫时，铝离子能被根尖大量吸收，抑制乐昌含笑根的伸长，并使其细胞膜脂过氧化导致细胞膜选择透过性降低；但乐昌含笑能通过激活自身的抗氧化酶系统并通过增加细胞脯氨酸含量调节细胞渗透势。

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Effect of Aluminum Toxicity Stress on Growth and Physiology of Michelia chapensis Seedlings

GONG Hai-guang，JIANG Chun-ning，HUANG Yong-fang，LI Yan
（College of Forestry and Landscape Architecture，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，Guangdong China）

To study the effect of aluminum stress on the growth of Michelia chapensis seedlings，the seedlings were cultivated with water culture with different Al3+concentration of 0.5 （T1），1 （T2），2 （T3） and 0 mmol·L-1（CK），and the root length，content of aluminum in the roots’ tip，the activity of POD and CAT，the content of MDA and proline were measured. The results showed that the elongation of M. chapensis root was inhibited significantly cultured with Al3+for 24 hours，with the increasing of the concentration of aluminum，the degree of inhibition was rising. The relative elongation of roots was 84.53%，63.16% and 54.46%，respectively. The content of aluminum in the root tip of M. chapensis was increased with the increasing of treatment time and aluminum density；after 6 days，the concentration of Al were 63.64，82.6，121.69 times of control，respectively. Stressed by the aluminum，the activity of POD and CAT increased with the increasing of time and aluminum density. The activity of POD and CAT in 6thday respectively increased 17.00%—115.21% and 25.11%—49.28% compared with 1stday. The MDA and proline were increased with the increasing of time and aluminum density. In 6thday，MDA in roots cultured in T1，T2，T3 increased 46.13%—59.78%，and proline increased 60.12%—150.85% compared with control. With aluminum stress，the content of aluminum in root tips of M. chapensis increased and elongation of its roots wasinhibited；M. chapensis activated antioxydase system to defense the aluminum stress，and generated proline to regulate osmotic pressure.

Michelia chapensis；aluminum stress；physiological characteristics

10.3969/j.issn.1009-7791.2015.02.002

Q945.7

A

1009-7791（2015）02-0096-05

2015-02-27

广东省林业科技创新项目（2012KJCX001-07，2010KJCX001-09）

龚海光，硕士研究生，从事经济林育种和栽培研究。E-mail： 372057064@qq.com

注：黄永芳为通讯作者。E-mail： hyfang@scau.edu.cn