狗牙根對鋁脅迫響應及臨界濃度的研究

陳振 黃春瓊 劉國道

摘 要 以狗牙根為研究對象，利用水培法進行耐鋁鑒定，初步研究不同鋁濃度脅迫對狗牙根葉色、耐鋁指數、坪用質量、枯黃率、相對地上部干重、相對根系干重的影響。結果表明，在250、500、750、1 000、1 250 μmol/L鋁濃度處理下，狗牙根受脅迫影響較小，不同濃度處理之間差異不明顯。在1 500、1 750、2 000、2 250 μmol/L鋁濃度處理下，狗牙根隨著脅迫時間的增長，葉色、均一性逐漸降低。在2 500、2 750、3 000、3 250、3 500 μmol/L鋁濃度處理下，狗牙根受脅迫影響較大，葉色、均一性明顯降低，與對照相比表現出顯著差異或極顯著差異。通過建立回歸方程，以狗牙根耐鋁指數下降到60%作為狗牙根存活臨界鋁離子濃度，求得狗牙根致死臨界鋁濃度為2 520 μmol/L。

關鍵詞 狗牙根；鋁脅迫；水培；臨界濃度

中圖分類號 S567.23；S688.4 文獻標識碼 A

全球約有39.5×108 hm2酸性土壤，占世界可耕地土壤面積的40%，主要分布在熱帶、亞熱帶及溫帶地區，尤其是發展中國家[1]。我國酸性土壤遍及南方15個省區，總面積為2.03×107 hm2，約占全國土地總面積的21%[2]。除了自然成土過程導致土壤酸化外，由大氣污染引起的酸沉降、農業生產中過度使用酸性肥料、工廠排污對土壤的直接酸蝕等都加劇了土壤的酸化，使酸性土壤面積和酸性程度進一步提高。當土壤pH值下降到5.5以下時，原固定于晶格中的Al可逐漸解離，以離子形態釋放到溶液中，直接危害植物生長，降低酸性土壤中農作物的生產力。鋁毒被認為是酸性土壤或酸化土壤上作物生長最重要的限制因素[3]。早在1918年Hartwell等[4]就已經報道了有關鋁對植物毒害的研究。

廖麗等[5]對地毯草（Axonopus）適應鋁毒脅迫能力進行了研究，發現地毯草在中等濃度（0.72～1.20 mmol/L）鋁處理下，坪用質量明顯優于低濃度和高濃度的鋁處理，呈拋物線性狀。劉影等[6]通過研究扁穗牛鞭草（Hemarthria cornpressa）在鋁毒脅迫下的生理響應，發現在高濃度鋁處理下，SOD、POD、CAT活性均隨鋁濃度的增加表現出先增高后降低的趨勢，說明扁穗牛鞭草在高濃度鋁脅迫下通過3種酶活性的持續增強來減少來自活性氧和自由基的傷害。凌桂芝[7]研究結果表明，柱花草（Stylosanthes gracilis）耐鋁能力比紫花苜蓿更強，柱花草根系檸檬酸的分泌量隨Al3+濃度的增加及處理時間的增長而增加，因此根系分泌檸檬酸可能是柱花草抵御鋁毒的重要機制之一。

目前，農業生產或綠化工程中一般通過改良土壤和選育耐鋁品種來緩解酸性土壤對植物生長發育的影響。改良土壤主要通過加入石灰等手段，但其成本太高且改良難以持久，對于環境綠化和生態建設來說，改良土壤不符實際，更有可能破壞農業生態環境。然而選育優良耐鋁品種則可以從根本上解決植物在酸性土壤上的生長發育問題。草類植物在環境綠化、防沙固土和畜牧飼料中發揮著重大作用，然而目前國內外對玉米、水稻、大豆等大宗作物的耐鋁性已經有了大量深入的研究[8-10]，對草類植物的耐鋁性也有了相關報道，但種質資源評價與改良工作水平還很低，同我國豐富的草類種質資源很不相稱，同歐美國家差距還很大。因此，充分挖掘優良草種基因型的遺傳潛力，選育耐鋁草種是當前農業與環境可持續發展的一條新途徑。

狗牙根（Cynodon dactylon）屬禾本科多年生草本植物，因其具有繁殖能力強、成坪速度快、耐踐踏、抗旱等優點，被廣泛應用于運動場、高爾夫球場、庭院綠化等，是暖季型草坪草中坪用價值最高、應用最廣的草種之一，被稱為暖季型草坪草的“當家草種”，極具社會、經濟和生態價值。全世界共有9個種10個變種，廣泛用于草坪草種的主要有4種：普通狗牙根（C. dactylon）、非洲狗牙根（C. transvaalensis）、印苛狗牙根（C. incompletes）以及普通狗牙根與非洲狗牙根雜交種（C. dactylon×C. transvaalensis）。在我國，狗牙根種質資源也非常豐富，主要分布于黃河流域及其以南地區[11]。劉建秀等[12]對我國444份狗牙根種源的15個外部性狀的變異及其規律進行了統計及聚類分析，并進行了形態學劃分，在歐氏距離13.2處，將我國狗牙根種源共分為5個形態類型，坪用價值排序為粗高型<直立型和斜高型<斜矮型<矮生型。黃春瓊[13]對我國475份狗牙根種源進行遺傳多樣性分析及評價，并篩選出50份坪用價值較高的材料和32份飼用價值較高的材料。

本研究以中國熱帶農業科學院收集的狗牙根為試驗材料，利用水培法觀測其在0、250、500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250、2 500、2 750、3 000、3 250和3 500 μmol/L鋁濃度處理過程中植株均一性、葉色、生物量、耐鋁指數等指標的變化，得出狗牙根存活的臨界濃度。該研究可為選育耐鋁狗牙根品種提供試驗依據，并將為生物措施改良酸土提供大量優秀狗牙根草種，為城市綠化做出貢獻。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用的狗牙根材料取自廣西柳江縣三都鎮路邊，保存于中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所牧草研究中心試驗基地，具有較強的抗逆性和優良的坪用價值。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 2014年5月22日田間選取已成坪的狗牙根材料的匍匐莖，剪取生長發育一致、帶有2個節的莖段插入事先打孔的泡沫板上，每個泡沫板約有200個孔，每個孔插入1個莖段。在周轉箱中培養，每個周轉箱加入10 L 1/2霍格蘭營養液。整個試驗期營養液用氧氣泵不間斷通氣，泡沫板漂浮于營養液之上，培養2周。每天調節營養液pH值為6.5±0.2。2周后，將莖段小心取出，選取大小一致的小苗種入裝有石英砂（用酸洗過，去離子水多次沖洗烘干）的250 mL塑料杯（直徑6.54 cm、高9.5 cm，杯底打6個孔，墊有紗布），每杯6株。將種有小苗的塑料杯懸掛于有孔的泡沫板上，泡沫板放在5 L小桶上，每份材料每個處理單獨種植一個小桶，4個重復，每桶放5 L 1/2霍格蘭營養液，待所有材料種入杯中緩苗4 d再進行鋁處理。處理的鋁（AlCl3·6H2O）濃度設為0（對照）、250、500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250、2 500、2 750、3 000、3 250和3 500 μmol/L。處理期間每隔3 d更換1次營養液，每天調節處理營養液pH值為4.0±0.2，對照營養液pH值為6.5±0.2，不間斷通氣。處理后第28天進行各指標的測定。

3 討論與結論

篩選耐鋁的植物資源是遺傳改良的工作基礎，利用水培法進行耐鋁評價和鑒定可以保證控制條件一致，且操作簡便快速，最大化消除不同鋁處理間的誤差。本試驗以均一性、葉色、耐鋁指數、枯黃率等為指標，初步評價了狗牙根對不同濃度鋁脅迫的響應差異，結果表明，狗牙根在低濃度鋁脅迫條件下（250～1 250 μmol/L），可以完全適應脅迫環境，并且對自身生長表現出略微促進作用；在中等濃度和高濃度鋁脅迫（1 500～3 500 μmol/L）條件下，鋁離子濃度越高，脅迫時間越久，狗牙根受害程度越深。基本上與廖麗等[5]、劉影[6]以及黃冬芬等[16]對地毯草、扁穗牛鞭草、多花黑麥草、柱花草等草坪草耐鋁性試驗結果相一致。褚曉晴等[17]對假儉草研究發現生長環境中加入鋁后，鋁和磷會形成不溶于水的化合物產生沉淀，本試驗中狗牙根出現的不規律枯黃可能是由于鋁處理后缺磷造成的，有待進一步試驗驗證說明。

鋁脅迫對植物的影響是多方面的，孫琴等[18]研究指出植物通過根系分泌的各種有機酸如檸檬酸、草酸、蘋果酸等在植物自身內部和外部耐鋁機制中發揮重要作用，本研究中低濃度鋁脅迫對植株表現出的促進作用，原因可能是植株本身對鋁脅迫的適應機制，產生的有機酸和各種酶活性物質同時刺激了植株的生長發育。Rengel和Robinson[19-20]通過研究發現一年生黑麥草（Lolium multiforum）不同基因型對鋁敏感性與根系陽離子交換量呈顯著負相關，低陽離子交換量的基因型能選擇性的排斥Al3+，以此減少鋁在根系交換位點上的結合，從而減輕鋁對根系的傷害。

劉鵬等[21]、方金梅等[22]和Ciamporova等[23]都通過研究表明，雖然鋁不是植物生長的必需元素，但微量的鋁對植物的生長具有促進作用，過量的鋁才會對植物產生危害，即鋁毒對植物的影響都有一個臨界值的問題。在臨界濃度之下，鋁可以促進或刺激植物的生長，一旦鋁的濃度超過了臨界值，就會對植物產生危害。不同的植物，鋁的臨界值是不相同的。鋁毒對植物生長最直接的影響表現為對根的抑制伸長，因此根的伸長往往被選作短時間內鋁毒害的最有效的評價指標[16]。前人也通過枯黃率、坪用質量等指標鑒定植物的耐脅迫差異[5，9，24]，但本研究中狗牙根在特定的水培試驗條件下不易發生干枯，故本研究選取耐鋁指數下降60%作為指標，通過建立回歸方程求得狗牙根的臨界存活鋁濃度為2 520 μmol/L。為選育優良的耐鋁狗牙根品種提供了良好的理論依據，為農業生產和環境綠化做出貢獻。

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