不同濃度鋁脅迫下水分脅迫對(duì)大豆幼苗生理代謝的影響

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州，510640；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院；3.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院湛江分院；4.湛江市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院）

大豆是我國(guó)主要的農(nóng)作物，鋁是地殼中含量最為豐富的金屬元素[1]，而南方地區(qū)土地多酸性，易使鋁元素成為鋁害。土壤酸化是世界范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)問(wèn)題，它影響著世界40%耕地的作物生產(chǎn)。我國(guó)酸性土壤類型是紅壤，其系列土壤遍及南方15個(gè)省區(qū)，約占耕地面積的21%[2]。近年來(lái)隨著酸雨的頻繁發(fā)生及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中生理酸性肥料的大量施用，土壤酸化進(jìn)一步加劇。鋁作為土壤中含量最多的金屬元素，在酸性土壤下活性鋁便會(huì)從土壤中析出，對(duì)植物造成傷害。因此，了解酸鋁對(duì)植物的毒害對(duì)研究植物的耐鋁性具有重要的理論和實(shí)踐意義。

鋁的植物毒性與pH值、溫度密切相關(guān)，植物在其最適生長(zhǎng)范圍內(nèi)受鋁毒害最明顯。其首先是對(duì)根系產(chǎn)生為害，主要表現(xiàn)為主根變粗糙，根尖膨大、變褐，側(cè)根、根毛減小甚至消失，有的根尖彎曲，呈不規(guī)則勾狀，根冠脫落，根系的生理氧化能力下降顯著[3，4]。鋁脅迫已成為酸性土壤中限制作物生長(zhǎng)的重要因素之一，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，造成作物減產(chǎn)[5]。

雖然關(guān)于鋁對(duì)植物根系毒害的報(bào)道很多，但系統(tǒng)的研究不同水分濃度和鋁濃度對(duì)大豆根系的研究卻未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)選取大豆幼苗，在不同濃度鋁離子脅迫下進(jìn)行干旱處理，探究其生理代謝變化過(guò)程，以期對(duì)大豆生產(chǎn)和南方紅壤干旱地區(qū)作物生產(chǎn)提供指導(dǎo)性建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)完成于2016年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院九樓氣候室內(nèi)，供試大豆品種2個(gè)，分別為Young（A1）、華夏3（A2），種子由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)處理

①取土 供試土壤取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)業(yè)部植物新品種測(cè)試分中心（廣州）試驗(yàn)田中，其基本理化性狀為：容重1.27 g/cm3，pH值7.25，有機(jī)質(zhì)2.0%，全氮0.098%，速效氮82.3 mg/kg，速效磷158.8mg/kg，速效鉀85.7mg/kg。取其深層土壤，土壤風(fēng)干后，裝于塑料米氏盆，每盆裝風(fēng)干土500 g。

②鋁脅迫設(shè)置 供試鋁肥為硫酸鋁 （分子式Al2（SO4）3·18H2O），N、P、K 基肥為：脲 1.29 g/24 盆、過(guò)磷酸鈣3.86 g/24盆、硫酸鉀3.78 g/24盆，用500mL水溶解。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)不同的土壤鋁飽和度水平：B1（CK1，不另外施鋁肥、紅盆）、B2（施硫酸鋁 0.2 g/24盆、紫盆）、B3（施硫酸鋁 0.4 g/24 盆、綠盆）。 基肥和鋁肥均在播種前1 d一并施入，通過(guò)噴壺均勻拌入風(fēng)干土內(nèi)，每個(gè)處理重復(fù)12次（共36盆），每盆質(zhì)量520 g。設(shè)置好處理后，分別將大豆華夏3、Young播種。

③干旱脅迫設(shè)置 對(duì)照供水（CK2，C2）為70%～80%（田間持水量的百分?jǐn)?shù)，下同），水脅迫：85%～95%（C3），重度干旱脅迫（C1）為 30%～40%。 鋁脅迫處理7 d后，在上述鋁處理中各取12盆停止?jié)菜M(jìn)行干旱處理，自然干旱至設(shè)定土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)范圍。每天8：00和18：00采用稱重法，確定澆水量，并用土壤水分速測(cè)儀記錄，另3盆作為對(duì)照正常澆水，土壤相對(duì)含水量保持在75%～80%。

④取樣 處理后第7天取樣，取樣部位為第2片復(fù)葉，每個(gè)處理采集9株植株放在冰箱里貯藏保鮮，用于各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，重復(fù)3次，取平均值。

2個(gè)品種（華夏 3、Young）分別處理如表 1，每個(gè)處理重復(fù)4次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

①生物學(xué)特性 株高、鮮質(zhì)量、節(jié)數(shù)。

②蛋白質(zhì)測(cè)定 采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定可溶性蛋白含量，參照張志良等[6]方法進(jìn)行。

③滲透調(diào)節(jié)物質(zhì) 丙二醛（MDA）含量的測(cè)定，參照李子芳等[7]方法進(jìn)行。

④抗氧化酶 采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶（POD）活力，參照李合生[8]方法進(jìn)行。采用紫外分光光度法測(cè)定過(guò)氧化氫酶（CAT）活力，參照鄒琦[9]方法進(jìn)行。

表1 2個(gè)大豆品種不同鋁脅迫下水分脅迫處理

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2013、IBM SPSS Statistics 21軟件，運(yùn)用方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；用單因素方差分析比較處理之間的差異性，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對(duì)大豆生物特性的影響

①對(duì)大豆幼苗株高的影響 如圖1所示，在無(wú)鋁對(duì)照組中，各處理株高在不同程度水脅迫下顯著性差異在華夏3（簡(jiǎn)稱A2，下同）品種中表現(xiàn)突出，而在Young（簡(jiǎn)稱A1，下同）品種中則無(wú)顯著性差異，且A2品種株高隨田間持水量的增加而增加，這說(shuō)明A2品種比A1品種株高表現(xiàn)更為高大，但更容易受田間持水量的影響；在中度鋁脅迫條件下，A1品種株高表現(xiàn)并無(wú)顯著差異，A2品種則隨水分含量上升而增高，且與無(wú)鋁對(duì)照組相比較整體株高有所下降，最高下降26%；在重度鋁脅迫條件下，2個(gè)品種株高皆表現(xiàn)為隨水分增加而下降，相較無(wú)鋁脅迫條件下，2個(gè)品種株高略有下降。

②對(duì)大豆幼苗節(jié)數(shù)的影響 如圖2所示，脅迫試驗(yàn)中，在3個(gè)鋁濃度處理（無(wú)鋁、中度鋁脅迫和重度鋁脅迫條件）下，2個(gè)品種節(jié)數(shù)均未表現(xiàn)出顯著性差異，且試驗(yàn)中鋁脅迫濃度梯度和水分含量變化對(duì)2個(gè)品種節(jié)數(shù)影響不大。

③對(duì)大豆幼苗鮮質(zhì)量的影響 李文麗[10]研究表示，低濃度的鋁對(duì)小麥株高、鮮質(zhì)量有一定促進(jìn)作用，而高濃度的鋁則有毒害作用，且在鋁濃度低于25mg/L才對(duì)植物生長(zhǎng)有利。如圖3所示，在正常水分條件下，A2品種的大豆幼苗的鮮質(zhì)量隨鋁濃度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，而A1品種則呈下降趨勢(shì)。無(wú)鋁條件時(shí)，在不同田間持水量條件下，2個(gè)品種鮮質(zhì)量表現(xiàn)無(wú)顯著差異；在中度鋁脅迫條件下，A1品種鮮質(zhì)量無(wú)顯著性差異，A2品種則在低含水量條件下表現(xiàn)出低鮮質(zhì)量且隨水分含量增加鮮質(zhì)量開(kāi)始回升；在重度鋁脅迫條件下，A1品種鮮質(zhì)量差異亦無(wú)顯著性差異，A2品種則在低水分條件下表現(xiàn)出高鮮質(zhì)量；這種變化情況可能與品種特性有關(guān)。

圖1 株高的變化情況

圖2 節(jié)數(shù)的變化情況

圖3 鮮質(zhì)量的變化情況

2.2 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對(duì)大豆幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，高含量的可溶性蛋白質(zhì)可使細(xì)胞維持較低的滲透勢(shì)，以抵抗水分脅迫。但也有研究表明，干旱可抑制蛋白質(zhì)合成，導(dǎo)致蛋白質(zhì)降解，引起總蛋白含量的降低[11]。如圖4所示，在無(wú)鋁脅迫條件下，A1品種在較低水分條件下有較高的蛋白質(zhì)含量，A2品種在不同水含量影響下蛋白質(zhì)含量無(wú)顯著性差異，且在正常含水條件下，A1品種蛋白質(zhì)含量比A2品種更高；在中度鋁脅迫條件下，A1、A2品種蛋白質(zhì)含量在不同田間持水量下無(wú)顯著性差異；在重度鋁脅迫條件下，A1品種的蛋白質(zhì)含量在低水分含量條件下比正常含水量條件下更高，而A2品種蛋白質(zhì)含量在不同含水量情況下無(wú)顯著性差異。在試驗(yàn)過(guò)程中，A1品種蛋白質(zhì)含量在低水分含量條件下始終高于正常條件，且隨鋁脅迫程度增加而增加，這可能與在干旱與鋁脅迫田間下，大豆相關(guān)抗性蛋白酶表達(dá)有關(guān)。

2.3 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對(duì)大豆幼苗丙二醛（MDA）含量的影響

鋁脅迫對(duì)大豆植株中的丙二醛含量有很大的影響。從圖5中可看出，2個(gè)品種的丙二醛含量不同，品種Young（A1）的MDA含量高于華夏3。鋁脅迫會(huì)導(dǎo)致植物膜脂過(guò)氧化破壞膜結(jié)構(gòu)，這是植物受鋁毒害的重要原因之一[12～14]。在鋁脅迫下，大豆質(zhì)膜中的不飽和脂肪酸發(fā)生過(guò)氧化作用，最終產(chǎn)生丙二醛，使質(zhì)膜受到不同程度損傷，透性增大，細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，相對(duì)電解質(zhì)外滲率增加[15]。

一定意義上來(lái)說(shuō)，M D A是植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物，含量高低可反映質(zhì)膜過(guò)氧化作用的強(qiáng)弱，而質(zhì)膜透性則表示了質(zhì)膜受傷害或變性程度，這2個(gè)指標(biāo)是植物抗逆性研究中的重要指標(biāo)[16]。由圖5可看出，同一鋁濃度脅迫下，水分含量在30%～40%時(shí)，MDA含量比其他水分脅迫的高，而不同的鋁濃度、相同的水分脅迫下，MDA含量無(wú)顯著差異，表明隨著干旱脅迫強(qiáng)度加強(qiáng)，大豆幼苗的膜脂過(guò)氧化作用逐漸加強(qiáng)，離子外滲，導(dǎo)致MDA積累。在不同鋁濃度、同一水分濃度下，相同大豆品種的MDA含量無(wú)顯著差異，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中，鋁濃度不是影響大豆MDA含量的主要因素。

2.4 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對(duì)大豆酶活性的影響

①對(duì)大豆幼苗POD酶活性的影響 POD酶作為植物抗逆境中的保護(hù)體系中一種適應(yīng)性酶，在防御植物細(xì)胞膜過(guò)氧化以及降低植物細(xì)胞受傷害的程度中發(fā)揮重要作用[17]。從圖6中可看出，2個(gè)品種的POD酶活性變化存在顯著差異，品種Young的POD酶活性高于華夏3號(hào)。在同一品種、同一鋁濃度脅迫下，由于水分含量增加，POD酶活性總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但差異不顯著。在無(wú)鋁濃度脅迫下，由于水分濃度的不同，A1品種POD酶活性存在顯著差異，而A2品種無(wú)顯著差異；在中度鋁脅迫、不同的水分脅迫下，品種的POD酶活性呈上升趨勢(shì)；在重度鋁脅迫、不同的水分脅迫下，同一品種的POD酶活性差異不顯著。

圖4 蛋白質(zhì)含量的變化情況

圖5 MDA含量變化

圖6 POD酶活性變化

圖7 CAT酶活性變化

②對(duì)大豆幼苗CAT酶活性的影響 CAT是一種重要的保護(hù)酶，在植物抗逆境脅迫中具有非常重要的作用，與過(guò)氧化物酶（POD）是植物保護(hù)系統(tǒng)中非常重要的抗氧化酶，它們通過(guò)協(xié)同作用可有效清除H2O2-、-OH等活性氧自由基，從而維持細(xì)胞的正常代謝活動(dòng)[18]。從圖7可以看出，在同一鋁濃度下，水分脅迫對(duì)Young品種的CAT酶活性的影響是先下降后上升的，而華夏3總體趨勢(shì)是先上升后下降。而不同鋁濃度間、同一水分脅迫下，大豆品種間的CAT酶活性差異不顯著。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫下對(duì)大豆幼苗生物特性的影響

與其他金屬脅迫效果相似，鋁脅迫也在一定程度上影響大豆幼苗的生長(zhǎng)。已有研究表明，低濃度（50 mg/L）的鋁，可促進(jìn)大豆根系長(zhǎng)度、根系體積、根系表面積和根系活力的增加，降低根系細(xì)胞質(zhì)膜透性，對(duì)大豆生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用；高濃度的鋁（5 000 mg/L）明顯抑制根系長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，使根系直徑顯著增大，降低大豆根系活力，使根系細(xì)胞質(zhì)膜透性大大增加，明顯不利于大豆的生長(zhǎng)發(fā)育[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在中度和重度鋁脅迫下，大豆幼苗株高皆有所下降，但差異皆不顯著；在重度鋁脅迫條件下，隨水分含量增加，2個(gè)品種的株高開(kāi)始下降，這可能與水分含量增加使土壤中溶解鋁含量增高，從而使鋁脅迫程度加重有關(guān)；在不同處理?xiàng)l件下，各品種株高表現(xiàn)各異，具體表現(xiàn)為A1品種株高對(duì)水分含量與鋁脅迫濃度影響反應(yīng)差異不顯著，而A2品種株高對(duì)水分含量以及鋁脅迫濃度皆有較明顯的反應(yīng)，其中對(duì)水分脅迫的響應(yīng)程度大于鋁脅迫，且A2品種株高整體高于A1品種。

張明生等[20]研究表明，甘薯的分枝數(shù)、塊根干、鮮質(zhì)量與品種抗旱性呈顯著或極顯著正相關(guān)。本試驗(yàn)中，大豆幼苗生長(zhǎng)節(jié)數(shù)對(duì)鋁脅迫濃度和田間持水量變化表現(xiàn)均不具有顯著性差異，這可能是因?yàn)橛绊懘蠖褂酌绻?jié)數(shù)的關(guān)鍵因素不是水分和鋁脅迫，或者本試驗(yàn)設(shè)置的相關(guān)梯度達(dá)不到引起節(jié)數(shù)顯著變化的條件。植株鮮質(zhì)量是植株生物量及整體生理代謝反應(yīng)結(jié)果的具體體現(xiàn)，調(diào)查植株鮮質(zhì)量可對(duì)植株生長(zhǎng)情況進(jìn)行一定的評(píng)價(jià)和比較。本試驗(yàn)中，在不同田間持水量條件下，2個(gè)品種鮮質(zhì)量?jī)H在少數(shù)情況下有差異，如在中度鋁脅迫條件下，A2品種在低含水量條件下表現(xiàn)出低鮮質(zhì)量，在重度鋁脅迫下，A2品種在低水分條件下則表現(xiàn)出高鮮質(zhì)量，這可能與品種特性有關(guān)，具體原因尚不明。

3.2 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫下大豆幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量的變化

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)和最重要的功能大分子。植物組織內(nèi)的蛋白質(zhì)在受到干旱脅迫時(shí)會(huì)發(fā)生一定的變化以適應(yīng)逆境[21，22]。可溶性蛋白含量是植物體代謝過(guò)程中蛋白質(zhì)損傷的重要指標(biāo)，其變化可以反映細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、變形及降解等多方面信息[23]。在干旱條件下，植物體內(nèi)可能產(chǎn)生更多的蛋白質(zhì)或者細(xì)胞內(nèi)一些不溶性蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘鞍譡24～26]。同時(shí)可溶性蛋白大多是參與各種代謝的酶類，在受脅迫時(shí)會(huì)發(fā)生一定的變化，其含量是反映植物抗逆性的一個(gè)重要指標(biāo)。在本試驗(yàn)中，A1品種可溶性蛋白含量在低水分含量條件下始終明顯高于正常條件，且隨鋁脅迫程度增加而增加，這可能是因?yàn)橄嚓P(guān)脅迫引起相關(guān)抗氧化活性酶、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等蛋白的表達(dá)，從而使其含量大幅上升，而A2品種可溶性蛋白含量一直保持平穩(wěn)，由此可以推測(cè)，A1品種的綜合抗水分脅迫和抗鋁脅迫能力應(yīng)強(qiáng)于A2品種，具體還需更多的試驗(yàn)指標(biāo)論證。

3.3 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫下大豆幼苗丙二醛（MDA）含量的變化

鋁脅迫下植物細(xì)胞最直接最明顯的傷害是細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，透性增大，膜穩(wěn)定性降低，細(xì)胞內(nèi)的離子、糖類、氨基酸等被動(dòng)外滲，影響植物代謝[27～30]。而MDA是膜脂過(guò)氧化過(guò)程中的分解產(chǎn)物，作為一種高活性的膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物，其能交聯(lián)脂類、核酸、糖類和蛋白質(zhì)，破壞膜結(jié)構(gòu)及組成，引起生理代謝紊亂。因此，人們常用MDA含量作為脂質(zhì)過(guò)氧化的主要指標(biāo)[31]。在本試驗(yàn)中，不同品種間的丙二醛含量差異顯著，A1品種含量高于A2品種，說(shuō)明A2品種比A1品種比較耐鋁。在不同的鋁濃度間，丙二醛的含量差異不顯著，但在相同的鋁濃度、不同的水分脅迫下，丙二醛含量有所差異，這說(shuō)明本試驗(yàn)中影響大豆丙二醛含量的主要是不同程度水分脅迫。

3.4 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對(duì)大豆幼苗酶活性的影響

活性氧自由基的產(chǎn)生是鋁毒害的原因之一，非生物脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧含量上升[32]。植物在正常情況下產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)可很快被其體內(nèi)的保護(hù)性酶所清除并達(dá)到平衡，從而不會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害[33]。但逆境脅迫下，活性氧代謝系統(tǒng)的平衡受到破壞，此時(shí)植物需要酶促的和非酶促的防御系統(tǒng)來(lái)保護(hù)其機(jī)體，使之免受傷害[34]。在植物體內(nèi)，CAT和POD是擔(dān)負(fù)清除H2O2的主要酶類，可把H2O2變?yōu)镠2O。肖祥希等[35]研究表明，鋁脅迫下龍眼幼苗葉片CAT活性不斷下降，低濃度鋁脅迫時(shí)POD活性增加，至0.370 mmol/L鋁處理時(shí)達(dá)最大值，當(dāng)鋁濃度＞0.370 mmol/L時(shí)則逐漸下降。在本試驗(yàn)中，POD酶活性在不同品種間存在差異，在同一品種、同一鋁濃度、不同的水分含量間有一定的差異，而A1品種在C2、C3水分梯度，不同的鋁濃度下具有差異，說(shuō)明A1品種受到水分與鋁的交互作用。不同的水分濃度和鋁脅迫下，2個(gè)品種的CAT酶活性差異不顯著，說(shuō)明大豆的水脅迫和鋁脅迫對(duì)A1和A2品種沒(méi)有顯著影響。