鋁脅迫對多花黑麥草生長和生理的影響

初曉輝，張艾青，段新慧，姜華，韓博，單貴蓮

(1.云南農業大學草業科學系，云南 昆明 650201； 2.貴州省六盤水市水城縣農業局，貴州 水城 553000)

單貴蓮為通訊作者。

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，其平均含量約占地殼的8%，土壤中的鋁大部分以固定態的形式存在，通常對植物和環境沒有毒害作用，但在酸性條件(pH<5)下，固定態的鋁易被活化形成可溶態鋁對植物產生危害[1]。酸雨是促進土壤酸化的因素，也是導致鋁溶出的重要原因。近年來，隨著全球范圍內酸雨的危害加重及土壤的酸化，大量可溶性鋁積累增多，土壤中的鋁化作用加重，鋁毒害已成為酸性土壤抑制作物生長，導致作物減產和品質下降的主要原因之一[2]。我國酸性土壤的分布遍及14個省區，尤其在我國南方地區廣泛分布著以紅壤為主的酸性富鋁化土壤，因而，在生產中經常發生鋁毒害嚴重影響農作物產量和品質的現象，所以，研究酸性條件下鋁對作物生長的影響具有重大的理論和實踐意義。

有關酸性條件下鋁對作物生長的影響，近年來國內外諸多學者開展了鋁脅迫下大麥(Hordeumvulgare)[3]、玉米(Zeamays)[4]、高粱(Sorghumbicolor)[5]、大豆(Glycinemax)[6]、鴨茅(Dactylisglomerata)[7-8]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[9]、狗牙根(Cynodondactylon)[10]、柱花草(StylosanthesGuianensis)[11]、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)等作物種子萌發、植物生長及形態的研究，研究成果對酸性土壤區適宜作物的選擇提供了參考。

多花黑麥草(Loliummultiflorum)是具有世界栽培意義的禾本科牧草，我國南方氣候溫和，雨量充沛，利用冬春閑田種植多花黑麥草，不僅可有效促進農業結構從“二元”向“三元”的調整，也可促進草地畜牧業的可持續發展。試驗采用水培的方法，以5個多花黑麥草品種為受體材料，開展酸性條件下(pH=4.5)不同濃度鋁脅迫對多花黑麥草種子萌發，幼苗生長及生理特性影響的研究。篩選出多花黑麥草的鋁脅迫閾值，為酸性土壤區和酸雨區多花黑麥草種質資源的應用提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 研究材料

試驗材料為多花黑麥草品種大老板(Big boss)、特高(tetragold)、鉆石T(Diamond T)、邦德(Bond)、藍天堂(Blue heaven)，其中，大老板、鉆石T、邦德、藍天堂為進口品種，特高為地方品種。

1.2 試驗設計及測定指標

以5個多花黑麥草品種為試驗材料，用A1C13配制成含A13+的處理液，開展酸性條件下(pH=4.5)不同濃度(0、25、50、100、250、500、1 000 mg/L)鋁溶液對多花黑麥草種子萌發、幼苗生長及生理特性影響的研究。分別表示為C0、C25、C50、C100、C250、C500和C1000處理，每處理4次重復。

選取大小均勻、健康飽滿的多花黑麥草種子，經0.1%的升汞消毒10 min，去離子水反復沖洗，用濃度分別為0、25、50、100、250、500、1 000 mg/L的鋁溶液室溫(約25℃)浸種12 h后，放入培養皿，每個培養皿墊兩張濾紙，各放入50粒種子，每個培養皿加入各處理液5 mL，在智能光照培養箱進行發芽和幼苗培養試驗，培養箱溫度25℃，濕度80%，光照時間12 h。發芽和幼苗培養期間，每日加相應濃度的溶液，溶液添加量以使種子保持濕潤狀態即可。

發芽第1～7 d記載發芽粒數，用于計算發芽率(G)；生長第20 d，取樣測定幼苗的株高、根長及單株鮮重。

發芽率(%)=(第7 d正常發芽的種子數/供試種子總數 )×100%；

株高：每個處理隨機選20株(每個培養皿隨機取5株)，用直尺(最小刻度為1.00 mm，量程為50.00 cm)測定自然生長狀況下的自然高度，取平均值。

根長：每個處理隨機選20株(每個培養皿隨機取5株)，用直尺(最小刻度為1.00 mm，量程為50.00 cm)測定其根長，取平均值。

單株鮮重：每個處理隨機選20株(每個培養皿隨機取5株)，將根上的液體擦干，測定單株鮮重，取平均值。

幼苗生長20 d后，取樣測定不同濃度鋁脅迫下5個多花黑麥草品種幼苗葉綠素含量、可溶性糖含量、丙二醛(MDA)含量、過氧化物酶(POD)活性以及超氧化物歧化酶(SOD)活性的變化。葉綠素含量采用浸泡法測定，可溶性糖含量采用硫酸蒽酮法測定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸反應法測定，SOD采用氮藍四唑法測定，POD 活性采用愈創木酚法測定[13]。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0對數據進行方差分析和顯著性檢驗，采用Excel 2003作圖。

2 結果與分析

2.1 鋁脅迫對多花黑麥草發芽率的影響

供試品種的發芽率以CK和C25處理最高，2種處理下，大老板、特高、鉆石T和藍天堂4個品種的發芽率均在97%以上；隨著鋁濃度的增加，供試各品種的發芽率呈下降趨勢，當鋁濃度增加至C1000時，大老板，鉆石T和藍天堂的發芽率顯著下降，與對照相比差異顯著(P<0.05)，特高和邦德的發芽率與對照相比差異大不。表明低濃度的鋁脅迫(C25)對多花黑麥草的萌發有一定的促進作用，高濃度的鋁脅迫對多花黑麥草的萌發表現出抑制作用，當濃度增加到500 mg/L時，將會顯著抑制大老板、鉆石T及藍天堂的萌發(圖1)。

2.2 鋁脅迫對多花黑麥草株高的影響

鋁脅迫下大老板、特高、鉆石T和藍天堂品種的株高均隨鋁濃度的增加呈先升高再降低的變化趨勢，邦德的株高隨鋁濃度的增加呈下降的變化趨勢。不同濃度鋁脅迫對不同多花黑麥草品種的株高為品種邦德的幼苗生長表現為不耐鋁脅迫，品種特高、鉆石T和藍天堂的幼苗生長耐25 mg/L的鋁脅迫，品種大老板的幼苗生長耐50 mg/L的鋁脅迫(圖2)。

圖1 鋁脅迫處理下多花黑麥草的發芽率Fig.1 Effect of aluminum stress on germination rate of annual注：不同字母表示同一品種不同濃度處理間差異顯著(P<0.05)，下同

圖2 鋁脅迫處理下多花黑麥草的株高Fig.2 Effect of aluminum stress on plant height of annual ryegrass

2.3 鋁脅迫對多花黑麥草品種根長的影響

隨著鋁濃度的增加，5個多花黑麥草品種的根長呈下降的變化趨勢，當鋁濃度高于50 mg/L，各品種的根長顯著下降，與CK相比差異顯著(P<0.05)；當鋁濃度高于1 000 mg/L，多花黑麥草各品種基本不長根(圖3)。

圖3 鋁脅迫處理下多花黑麥草的根長Fig.3 Effect of aluminum stress on plant root length of annual ryegrass

2.4 鋁脅迫對多花黑麥草品種單株鮮重的影響

鋁脅迫下大老板、特高、鉆石T和藍天堂的單株鮮重均隨鋁濃度的增加呈先升高，C25處理下4個品種的單株鮮重達最大值，之后，隨著鋁濃度的增加，4個品種的單株鮮重顯著降低(P<0.05)；邦德的單株鮮重隨鋁濃度的增加逐漸降低。表明鋁脅迫對邦德的幼苗生長和有機物質積累起抑制作用，而低濃度的鋁脅迫(25 mg/L)促進大老板、特高、鉆石T和藍天堂幼苗的生長和有機物質的積累，高濃度的鋁脅迫(鋁濃度高于50 mg/L)則抑制大老板、特高、鉆石T和藍天堂幼苗的生長和有機物質的積累(圖4)。

2.5 鋁脅迫對多花黑麥草品種光合色素含量的影響

鋁脅迫下5個多花黑麥草品種的葉綠素a，b及類胡蘿卜素含量均隨鋁濃度的增加呈逐漸降低的變化趨勢(由圖5～7)。尤其是當鋁濃度增加至250 mg/L以上時，5個品種的葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量均顯著下降，與對照(C0)及低濃度(C25、C50)鋁脅迫間差異顯著(P<0.05)。

圖4 鋁脅迫處理下多花黑麥草的單株鮮重Fig.4 Effect of aluminum stress on fresh weight of annual ryegrass

圖5 鋁脅迫處理下多花黑麥草的葉綠素a含量Fig.5 Effect of aluminum stress on chlorophyll a content of annual ryegrass

圖6 鋁脅迫處理下多花黑麥草葉綠素b的含量Fig.6 Effect of aluminum stress on chlorophyll b content of annual ryegrass

圖7 鋁脅迫處理下多花黑麥草的類胡蘿卜素含量Fig.7 Effect of aluminum stress on carotenoid content of annual ryegrass

2.6 鋁脅迫對多花黑麥草品種生理指標的影響

2.6.1 鋁脅迫對多花黑麥草可溶性糖含量的影響 鋁脅迫下大老板、鉆石T、邦德和藍天堂的可溶性糖含量隨鋁濃度的增加呈現先增加，且在C500處理下達最大值，該處理下4個品種的可溶性糖含量是CK處理的1.5～2倍。隨著鋁濃度的繼續增加，4個品種的可溶性糖含量降低。就不同鋁濃度脅迫下品種特高的可溶性糖含量測定結果分析，特高的可溶性糖含量隨鋁濃度的增加逐漸增加，C1000處理下其體內的可溶性糖含量最高，達0.018%，是CK處理的4倍以上(圖8)。

圖8 鋁脅迫處理下多花黑麥草的可溶性糖含量Fig.8 Effect of aluminum stress on soluble sugar content of annual ryegrass

2.6.2 鋁脅迫對多花黑麥品種草MDA含量的影響 鋁脅迫下，多花黑麥草品種大老板、特高、鉆石T和邦德的MDA含量隨鋁濃度的增加呈先增加，大老板在C250、特高和鉆石T在C50，邦德和藍天堂在C500達到最大值，后均呈下降的變化趨勢(圖9)。

圖9 鋁脅迫處理下多花黑麥草的MDA含量Fig.9 Effect of aluminum stress on MDA content of annual ryegrass

2.6.3 鋁脅迫對多花黑麥草品種POD活性的影響 鋁脅迫下，各品種的POD活性出現最大值的位置不同，大老板、特高、藍天堂品種的POD活性在50 mg/L(C50)鋁脅迫下已基本增加至最大值，與C0和C25處理間差異顯著(P<0.05)；品種鉆石T的POD活性以C500處理下最高，與C0、C25、C50、C100處理間差異顯著(P<0.05)(圖10)。

2.6.4 鋁脅迫對多花黑麥草品種SOD活性的影響 鋁脅迫下，大老板、特高、鉆石T和藍天堂的超氧化物歧化酶(SOD)活性基本呈先增加，再降低的變化趨勢，邦德呈增加的變化趨勢；大老板、邦德和藍天堂的SOD活性以C100處理下最高，特高的SOD活性以C50處理下最高，鉆石T的超SOD以C1000處理下最高。

圖10 鋁脅迫處理下多花黑麥草的POD活性Fig.10 Effect of aluminum stress on POD content of annual ryegrass

圖11 鋁脅迫處理下多花黑麥草的SOD活性Fig.11 Effect of aluminum stress on SOD content of annual ryegrass

3 討論

作為植物非必需的元素，微量元素鋁能夠促進植物的生長，但濃度稍高即對植物萌發生長產生傷害。前人開展了鋁脅迫下植物種子的萌發和幼苗生長的研究，結果表明，低濃度鋁對種子萌發和幼苗生長有一定的促進作用，高濃度則有抑制作用[15-16]，而且同一物種的不同品種其耐鋁性也存在差異[17]。對鋁脅迫下多花黑麥草種子萌發研究表明，低濃度鋁脅迫在一定程度上促進了多花黑麥草種子的萌發和幼苗生長，而在高濃度鋁脅迫下，多花黑麥草的萌發和幼苗生長均受到了顯著的抑制，在C500和C1000處理下，5種多花黑麥草的發芽率、株高、單株鮮重和根長均顯著下降，與前人在其他作物上的研究結論一致[15-17]。

葉綠素是植物進行光合作用的重要色素，其含量高低不僅能反映植物的光合能力，同時也可以反映植物受脅迫的程度。關于鋁脅迫對植物葉綠素含量的影響，前人研究表明，鋁毒脅迫降低了大豆[18]、菊芋[19]、水稻葉片中的葉綠素含量[20]，研究結果顯示，鋁脅迫下5個多花黑麥草品種的葉綠素a、b及類胡蘿卜素含量均隨鋁濃度的增加呈逐漸降低的變化趨勢，與前人在其他作物上的研究結論一致[18-20]。

可溶性糖是一種滲透調節物質，同時也是光合作用的產物。植物受脅迫后會產生可溶性糖來調節滲透壓以增加抗逆性。植物處于逆境條件下時，可溶性糖由于運輸受阻會有所積累，故植物中可溶性糖的含量也能間接的反映出植物生長受抑制的程度[21]。武孔煥等[21]研究表明，大豆葉和根中的可溶性糖含量隨著鋁脅迫濃度的增加表現出先上升后下降的趨勢。試驗結果顯示，在低濃度的鋁脅迫下5種多花黑麥草可溶性糖含量變化不顯著，在高濃度(500 mg/L)鋁脅迫下可溶性糖含量急劇上升，隨著鋁濃度的繼續增加，多花黑麥草體內可溶性糖含量又呈下降的變化趨勢，與前人研究結果一致[21]。

植物器官在逆境條件下，通常會發生膜脂過氧化作用，MDA是其產物之一。MDA的積累是活性氧毒害作用的表現，其含量通常被用來表征逆境脅迫下生物膜系統損傷的程度。針對鋁脅迫下作物MDA含量的變化，劉鵬等[1]，武孔煥等[21]，陳志剛等[22]研究報道，在植物種子萌發和幼苗生長過程中，當外源鋁的濃度超過一定的濃度時，大豆體內MDA含量明顯上升。研究結果表明，低濃度(<50 mg/L)鋁脅迫下多花黑麥草幼苗體內MDA含量變化不大，高濃度(>100 mg/L)鋁脅迫下多花黑麥草幼苗MDA的含量顯著升高，說明高濃度鋁脅迫增強了多花黑麥草的膜脂過氧化作用，造成多花黑麥草幼苗的生長受到傷害。

SOD和POD是植物體內重要的抗氧化酶類，參與活性氧的清除，其活性與機體所受的脅迫程度及機體的抗逆性有關[23]。大量研究報道，鋁在誘導氧化脅迫的同時，也誘導抗氧化酶基因的表達，使抗氧酶的活性增加[21,24-25]。鋁濃度超過一定的值(>50 mg/L)，多花黑麥草幼苗葉片的SOD和POD活性均顯著增強，而當鋁脅迫強度繼續增加至250 mg/L及以上時，多花黑麥草幼苗葉片的SOD 和POD 活性均顯著降低，表明當機體遭遇逆境后，抗氧化酶活性的迅速升高是一種應激性反應，但當超過一定的濃度限度后，機體抗氧化防護系統受到破壞，抗氧化酶活性會顯著降低，與前人研究結論一致[18,26]。

4 結論

(1)鋁脅迫對多花黑麥草種子萌發及幼苗生長的影響表現為“低促高抑”的濃度效應。與對照相比，低濃度鋁脅迫(25 mg/L)在一定程度上促進了多花黑麥草種子的萌發和幼苗生長，高濃度鋁脅迫下(>500 mg/L時)，多花黑麥草的萌發和幼苗生長均受到了顯著的抑制，5種多花黑麥草的發芽率、株高、單株鮮重和根長均顯著下降。

(2)低濃度鋁脅迫(<50 mg/L)下，多花黑麥草葉綠素含量、可溶性糖含量、丙二醛含量、過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性變化不顯著；中等濃度鋁脅迫(>100 mg/L)下，多花黑麥草葉綠素含量顯著降低，可溶性糖和丙二醛含量顯著增加，過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性顯著增強(P<0.05)；高濃度鋁脅迫(>500 mg/L)下，多花黑麥草葉綠素、可溶性糖和丙二醛含量降低，過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性降低。

(3)綜合不同鋁濃度下5個多花黑麥草品種的種子萌發、幼苗生長及生理指標的變化，得出多花黑麥草的鋁脅迫閾值為100 mg/L。鋁濃度>100 mg/L，會對多花黑麥草產生傷害。

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