鋁脅迫對豇豆幼苗根系生理指標的影響

于 力， 孫 錦， 郭世榮， 閻 君， 朱為民

(1.南京農業大學園藝學院，江蘇 南京210095;2.上海市農業科學院園藝所，上海市設施園藝重點實驗室，上海201106)

鋁是土壤中含量最多的金屬元素，約占地殼總重量的8%。在近中性的土壤中，鋁通常以難溶性的硅酸鹽或三氧化二鋁的形式存在，不會對植物造成傷害，但在酸性環境中，難溶性的鋁轉化為毒性較大的活性鋁，對植物造成危害，酸性土壤中作物產量的下降和森林的毀滅都與鋁毒害有直接關系［1-2］，鋁毒害已成為生長在酸性土壤中植物的主要限制因素［3］。全世界酸性土壤的面積已占可耕作土地的40%［4］。中國酸性土壤主要是紅壤，其系列土壤遍及南方15 個省區，總面積為2.03 ×107hm2，占全國土地總面積的21%［5］。

豇豆(Vigna unguiculata L.)，別名長豇豆、豆角、帶豆等，豆科豇豆屬。豇豆的嫩莢和種子，富含蛋白質、胡蘿卜素和多種維生素，營養價值高。豇豆在中國有悠久的栽培歷史，適應性廣，喜溫，耐熱，在中國南方地區廣泛種植。而中國南方地區土壤酸化嚴重，鋁害嚴重威脅作物生長，降低作物產量。因此，有必要對豇豆的耐鋁性進行研究。鋁毒害最容易識別的癥狀就是對根系生長的抑制［6］，本試驗以2 個耐鋁性不同的豇豆品種S3(鋁敏感)和T6(耐鋁)為材料，研究了其根系生長、根尖抗氧化系統和根系有機酸分泌與耐鋁性的關系，以期為進一步揭示豇豆耐鋁性的生理機制提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試豇豆(V. unguiculata L.)品種S3(鋁敏感)和T6(耐鋁)均由上海市農業科學院園藝研究所提供。豇豆種子經表面消毒(10% H2O2，5 min)后，播于滅菌的石英砂中，于恒溫箱中25 ℃黑暗條件下萌發4 d。三氯化鋁(分子式AlCl3·6H2O)為分析純。

1.2 試驗設計

種子發芽后，挑選大小一致的幼苗用自來水沖洗，移至裝有1.25 L 1/4 Hoagland 營養液(pH 4.5 ，用1 mol/L HCl 調節)的塑料培養缽中，每缽置豇豆幼苗7 株，海綿將幼苗固定于塑料薄板的小孔中。幼苗培養于光照生長箱內。每天照光時間16 h，溫度為晝28 ℃、夜20 ℃，光照度300 μmol/(m2·s)，每天通氣輸氧。

將根長為5 cm 左右的豇豆幼苗移至含0 μmol/L (對 照)、10 μmol/L、50 μmol/L、100 μmol/L、500 μmol/L AlCl3(pH4.5)溶液(含0.5 mmol/L CaC12)中，所有處理設3 次重復，于處理0 h、24 h 用直尺測量初生根(最長的根)長度，每個處理均測定20 株幼苗的根長。鋁處理24 h 后，切取每株幼苗最長的3 條根的根尖(0 ～10 mm)，用于MDA 含量和SOD、POD、CAT 酶活性的測定。分別收集鋁處理24 h 后的處理液，用于根系有機酸分泌量的測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標的測定 分別于鋁處理0 h、24 h用直尺測量初生根(最長的根)長度，各個處理前(0 h)、后(24 h)根系(初生根)長度差為根系伸長量，相對根伸長率為鋁處理與無鋁處理(對照)的根系伸長量的百分比。

1.3.2 生理指標的測定 丙二醛(MDA)含量采用Heath 等［7］的方法進行。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用Giiannopolitis 等［8］方法測定。過氧化物酶(POD)活性按照曾韶西等［9］方法測定。過氧化氫酶(CAT)活性采用Dhindsa 等［10］方法測定。根系有機酸收集參照Zhao 等［11］的方法，有機酸測定參照Deljaize 等［12］的方法，

1.4 數據處理

用Excel 進行數據處理，用SPSS 軟件進行統計分析。

2 結果

2.1 鋁處理對豇豆相對根伸長率的影響

對鋁脅迫下豇豆相對根伸長率進行測定，如圖1 所示，10 μmol/L 鋁處理時，鋁敏感品種S3 的相對根伸長率顯著低于無鋁脅迫對照(P ＜0.05)，而耐鋁品種T6 與無鋁脅迫對照相比差異不顯著(P ＞0.05)。隨著鋁處理濃度的升高，2 個豇豆品種的相對根伸長率均逐漸降低，50 μmol/L、100 μmol/L、500 μmol/L鋁濃度處理下S3 和T6 相對根伸長率分別顯著低于無鋁脅迫對照(P ＜0.05)，其中S3 相對根伸長率分別為對照的41.3%、34.2%和22.7%，T6 相對根伸長率分別為對照的77.6%、47.8%和29.6%。

圖1 不同濃度鋁處理對豇豆相對根伸長率的影響Fig.1 Effects of different concentrations of aluminum on the relative root elongation rate of cowpea

2.2 鋁處理對豇豆根尖丙二醛含量的影響

活性氧的累積會造成膜脂的過氧化。丙二醛(MDA)是膜脂過氧化產物，其含量高低反映了細胞膜脂過氧化及膜受損害程度。如圖2 所示，鋁處理后2 個豇豆品種根尖細胞MDA 含量均表現出不同程度的增加，且隨著鋁處理濃度的升高，S3 根尖MDA 含量分別比無鋁脅迫對照提高了27.75%、61.26%、62.83%和79.06%，T6 根尖MDA 含量分別比無鋁脅迫對照提高了14.67%、16.84%、35.33%和37.5%，表明鋁處理下，與耐鋁品種T6相比，鋁敏感品種S3 根尖受到了更大的傷害。

2.3 鋁處理對豇豆根尖超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性的影響

如圖2 所示，與無鋁脅迫對照相比，S3 根尖SOD 活性在10 μmol/L 鋁處理時無顯著變化，50 μmol/L、100 μmol/L、500 μmol/L鋁濃度處理的S3根處SOD 活性分別比無鋁脅迫對照提高了19.39%(P ＜0.05)、31.45% (P ＜0.05)和44.58% (P ＜0.05)。T6 在10 μmol/L、50 μmol/L鋁濃度處理下根尖SOD 活性與無鋁脅迫對照無顯著差異，在100 μmol/L、500 μmol/L 鋁處理下T6 SOD 活性顯著提高(P ＜0.05)，其活性分別比無鋁脅迫對照提高了13.76%(P ＜0.05)和22.87%(P ＜0.05)。說明鋁脅迫下鋁敏感品種S3 相對具有較高的SOD 的活性。

S3 根尖POD 活性隨著鋁處理濃度的升高，其活性分別比無鋁脅迫對照提高了1.41% (P ＜0.05)、20.78% (P ＜0.05)、31.82% (P ＜0.05)和54.98%(P ＜0.05)。T6 根尖POD 活性隨著鋁處理濃度的升高，其活性分別比無鋁脅迫對照提高了20.74%(P ＞0.05)、68.67% (P ＞0.05)、80.02%(P ＞0.05)和107.09%(P ＞0.05)。隨著鋁處理濃度的升高，2 個豇豆品種CAT 活性均逐漸升高，當鋁濃度為100 μmol/L時CAT 活性達到最高，之后隨著鋁濃度的升高有所下降，且在鋁處理下耐鋁品種T6的CAT 活性始終高于鋁敏感品種S3。

圖2 不同濃度鋁處理對豇豆根尖MDA 含量和SOD、POD、CAT 活性的影響Fig.2 Effects of different concentrations of aluminum on MDA content and SOD，POD，CAT activities in the root tip of cowpea seedlings

2.4 不同濃度鋁處理和處理時間對豇豆根系有機酸分泌的影響

如圖3 所示，在2 個豇豆品種的無鋁脅迫對照中檢測不到蘋果酸和檸檬酸的分泌，鋁處理后，2 個豇豆品種根系分泌物中均可檢測到蘋果酸和檸檬酸;同一濃度鋁處理的2 個豇豆品種分泌的檸檬酸間不存在顯著差異(P ＞0.05)。50 μmol/L、100 μmol/L和500 μmol/L鋁處理的T6 蘋果酸分泌量分別是10 μmol/L鋁處理的5.08 倍、4.68 倍和4.80倍;50 μmol/L、100 μmol/L和500 μmol/L鋁處理的S3 蘋果酸分泌量分別是10 μmol/L鋁處理的1.47倍、1.44 倍和1.43 倍。鋁處理后T6 蘋果酸的分泌量高于S3。表明鋁處理可以誘導耐鋁和鋁敏感豇豆品種根系分泌蘋果酸和檸檬酸，且蘋果酸的分泌量與耐鋁性有關。

圖3 不同濃度鋁處理對豇豆根系分泌有機酸的影響Fig.3 Effects of different concentrations of aluminum on the secretion of malic acid and citric acid from cowpea root

3 討論

通常情況下鋁是一種低毒、非必需性的元素，鋁的存在對植物并沒有明顯的作用，但在植物體內某些鋁的形態對大多數植物具有直接的植物毒性或間接的生理障礙作用，即鋁可致使植物產生鋁中毒。近年來，由于農業化肥的使用及酸雨的頻繁沉降，土壤酸化加劇，鋁的溶出增加，大量的活化鋁嚴重制約了作物的生長，因而鋁成為酸性土壤中抑制作物生長的一個重要因素。鋁毒害最容易識別的部位就是根系，其最明顯的癥狀就是根系生長的抑制［6］。本試驗結果表明，在鋁濃度為10 μmol/L時，顯著抑制了鋁敏感豇豆品種根系的伸長，而對耐鋁性品種的抑制較小。隨著鋁處理濃度的升高，2 個豇豆品種的根系相對伸長率均逐漸降低，對鋁敏感品種S3 根伸長的抑制始終大于耐鋁品種T6。這與前人的研究結果相一致［13-14］。

鋁雖然不是過渡金屬元素，不能催化氧化還原反應，但是鋁與生物膜具有很強的親和力，可引起膜的硬化，從而促進自由基鏈反應而導致膜脂過氧化［15］。劉鵬等［16］研究發現鋁處理可以顯著提高大豆根MDA 含量和質膜透性。本試驗中MDA 含量變化與劉鵬等研究結果一致，說明鋁脅迫導致豇豆根尖細胞質膜的損傷，且對鋁敏感品種造成的傷害大于耐鋁品種。SOD 主要存在于細胞質、葉綠體和線粒體內，是植物體內抵御氧化脅迫的第一道防線。當植物受脅迫，活性氧增加時，SOD 的合成表達便會增強，催化O2·－轉化為O2和H2O2，以清除脅迫產生過多的O2·－。同時POD、CAT 在植物組織中廣泛存在，能夠清除細胞內由SOD 產生的過多的H2O2，以維持細胞H2O2的正常水平，從而保護膜結構［17］。本試驗結果表明，隨著鋁濃度的增加，根尖SOD 活性逐漸提高，且鋁敏感豇豆品種根尖的SOD 活性高于耐鋁品種;而鋁處理下，耐鋁品種根尖的POD 和CAT 活性高于鋁敏感品種。因而耐鋁豇豆品種可以更有效地消除H2O2，同時耐鋁品種的SOD 活性又低于敏感品種，從而說明耐鋁性品種產生的O2·－較少，受到的氧化脅迫危害的程度低于鋁敏感品種。

植物根系分泌的有機酸陰離子可以螯合有毒的鋁，從而阻止鋁和根表皮細胞壁和質膜上的負電位結合，保護細胞壁和質膜完整性［18］。目前研究結果表明很多豆類植物，比如大豆［19］、菜豆［20］和決明［21］等，在鋁處理下根系均分泌檸檬酸，且檸檬酸的分泌與其耐鋁性相關。Martin 等［22］研究認為豇豆根系在鋁處理下分泌蘋果酸和檸檬酸。本研究結果也表明鋁處理下豇豆根系分泌蘋果酸和檸檬酸，蘋果酸的分泌量隨著鋁濃度處理的增加而升高，耐鋁豇豆品種的蘋果酸分泌量顯著高于鋁敏感品種(P ＜0.05)，而檸檬酸的分泌量在不同濃度鋁處理間和不同品種間均沒有顯著變化。由此推測豇豆根系蘋果酸的分泌與其耐鋁性相關。

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