鋁脅迫對繡球組培苗生長及生理特性的影響

李葉華，陳 爽，趙 冰

（西北農林科技大學 風景園林藝術學院，陜西 楊凌 712100）

鋁毒害是目前酸性土壤中限制植物生長及礦物質吸收而導致減產的主要因子[1?2]。一般情況下，鋁以難溶性硅酸鹽或氧化鋁的形式存在，對植物沒有毒害，但當土壤pH＜5時，硅酸鹽或氧化鋁就在酸性條件下轉變為溶解狀態進入土壤中，可溶性的鋁(主要是Al3+)對大多數植物都會產生毒害[3?4]。植物具體表現為根長生長受抑制，生根數量減少；細胞壁和細胞膜遭到破壞，透性增大，細胞內的可溶性物質外滲，體內酶活性受到影響等[5?6]。為了消除或者減緩傷害，植物一方面通過根系分泌有機酸來緩解脅迫[7]，另一方面通過積累脯氨酸、可溶性糖等滲透調節物質，提高氧化酶系統酶活性來維持細胞正常生活狀態。繡球屬Hydrangea為虎耳草科Saxifragaceae植物，其花色在酸性土壤中呈藍色，在堿性土壤中呈紅色，而酸性土壤中鋁離子的存在對藍色花的形成有著重要作用，因此，探究繡球耐鋁性一方面為鋁污染地區植物栽培應用提供依據，另一方面在調控繡球花色時的硫酸鋁施用量提供參考依據。目前，中國對鋁脅迫的研究大都集中在農作物[1?3]，對觀賞植物研究較少，對繡球耐鋁機制的研究僅集中在少數耐鋁品種[8?10]，缺乏對野生種的探究。野生種未經馴化移栽，可能保留了更多的耐性基因，因此，本研究以蠟蓮繡球Hydrangeastrigosa與莼蘭繡球Hydrangealongipes2個野生種組培苗為材料，研究繡球野生種在不同質量濃度鋁脅迫下的生長及生理特性，探究其耐鋁機制，為抗鋁毒植物的應用和酸性土壤特殊資源的利用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

蠟蓮繡球和莼蘭繡球組培苗由種子經過組織培養獲得。蠟蓮繡球種子采自甘肅省隴南市徽縣嘉陵鎮吳家咀山區，莼蘭繡球種子采自陜西省西安市太平國家森林公園。

1.2 方法

1.2.1 鋁脅迫處理 將株高約2 cm且長勢一致的無菌幼苗接種于1/2MS+0.2 mg·L?1IBA生根培養基上，蔗糖30 g·L?1，瓊脂4g·L?1，pH=4.5。用氯化鋁溶液作為脅迫液，設0(ck)、25、50、100、200 mg·L?15個質量濃度梯度。每個處理接種10瓶，1瓶接種1株，重復3次。將試材置于溫度為25 ℃，光照度為 2 000 lx，光暗比為 12 h/12 h的組培室內進行培養。

1.2.2 指標測定 鋁脅迫處理1個月后進行葉片生理指標的測定，隨機選取5瓶，剪取植株中部成熟葉片，剪碎混合后稱量，測定指標有丙二醛(MDA)質量摩爾濃度、葉綠素質量分數、脯氨酸(Pro)質量分數、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性。測定方法參照李合生[11]和高俊鳳[12]的方法稍有改動。鋁脅迫處理2個月后，采用直接計數法對生根率進行統計，直接測量根長以及根球底面東西方向與南北方向直徑，計算平均根長和根體積。

1.2.3 數據統計分析 采用SPSS 19對數據進行方差分析，采用LSD進行多重比較，Excel進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 鋁脅迫對繡球組培苗形態特征的影響

從圖1可知：脅迫1個月后，2種繡球在氯化鋁(0～100 mg·L?1)處理下的組培苗長勢差別不大，200 mg·L?1處理下的組培苗葉色發黃、植株矮小，小葉數明顯少于其他處理組。2個月后，蠟蓮繡球0、25和50 mg·L?1處理下的組培苗長勢基本一致，100 mg·L?1處理下的組培苗葉片有發黃現象，長勢減弱，200 mg·L?1處理下長勢最弱。莼蘭繡球25、50 mg·L?1處理下的組培苗有所生長，但長勢弱于對照組，100、200 mg·L?1處理下的組培苗生長不良，葉片失綠嚴重。當氯化鋁質量濃度大于100 mg·L?1時，2種繡球都受到嚴重傷害，生長受阻。

圖 1 鋁脅迫后2種繡球組培苗形態Figure 1 Morphology of Hydrangea tissue culture seedlings of aluminum stress

2.2 鋁脅迫對繡球組培苗生根的影響

從表1可知：在氯化鋁質量濃度為0～100 mg·L?1時，蠟蓮繡球生根率均達到100%，可見在0～100 mg·L?1范圍內，氯化鋁對蠟蓮繡球生根率沒有產生抑制作用。當氯化鋁質量濃度為200 mg·L?1時，生根率為96.67%，與對照組差異不顯著。對照組的平均根長最大，為5.61 cm，200 mg·L?1處理組平均根長最小，為3.12 cm。25 mg·L?1處理組與對照組差異不顯著，其他處理組顯著低于對照組(P＜0.05)。根體積隨著氯化鋁質量濃度的增加呈現逐漸下降的趨勢，且對照組與其他處理組差異達顯著水平(P＜0.05)。生根情況見圖2。

莼蘭繡球生根率在氯化鋁質量濃度為0～100 mg·L?1時均為 100%，200 mg·L?1處理組的生根率為93.33%，顯著低于其他處理組(P＜0.05)，可知200 mg·L?1處理可顯著抑制莼蘭繡球生根。對照組的平均根長最大為6.07 cm，200 mg·L?1處理組根長最小，為2.26 cm，對照組與25、50、100 mg·L?1處理組平均根長差異性均不顯著，與200 mg·L?1處理組差異達顯著水平(P＜0.05)。隨著氯化鋁質量濃度的增加，莼蘭繡球根體積呈現逐漸下降的趨勢，對照組與其他處理組差異達顯著水平(P＜0.05)，說明鋁脅迫對莼蘭繡球的根體積產生了抑制作用。生根情況見圖2。

表 1 鋁脅迫對 2種繡球組培苗生根指標的影響Table 1 Effects of aluminum stress on rooting indexes of Hydrangea tissue culture seedlings

2.3 鋁脅迫對繡球組培苗葉綠素質量分數的影響

圖 2 2種組培苗2個月后生根情況Figure 2 Rooting of tissue cultured seedlings after 2 months

植物通過光合作用進行有機物的積累，葉綠素的高低與光合作用有關。從表2可知：在氯化鋁脅迫下，蠟蓮繡球葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b質量分數經質量濃度為50 mg·L?1氯化鋁處理后有所提高，分別比對照組增加了8.97%、13.33%、9.26%。200 mg·L?1處理后的葉綠素的質量分數最低，且對照組與各鋁脅迫處理間差異均不顯著，表明蠟蓮繡球葉綠素質量分數受鋁脅迫影響不大，50 mg·L?1的處理對蠟蓮繡球葉綠素合成有一定的促進作用。

莼蘭繡球葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b質量分數隨著氯化鋁質量濃度的增加呈現下降的趨勢。氯化鋁脅迫處理組的葉綠素質量分數顯著低于對照組(P＜0.05)，表明在鋁脅迫下莼蘭繡球葉綠素的合成受到抑制。

表 2 鋁脅迫對 2 種繡球組培苗葉綠素質量分數的影響Table 2 Effect of aluminum stress on chlorophyll content of Hydrangea tissue culture seedlings

2.4 鋁脅迫對繡球組培苗MDA質量摩爾濃度的影響

從表3可知：隨著氯化鋁質量濃度的增加，2種繡球葉片MDA質量摩爾濃度呈現先下降后上升的趨勢。蠟蓮繡球MDA質量摩爾濃度在25、50 mg·L?1氯化鋁處理下，與對照組相比分別下降了13.51%、13.22%，在100、200 mg·L?1處理下，與對照相比分別提高了3.44%、7.47%。方差分析表明：蠟蓮繡球對照組MDA質量摩爾濃度與鋁脅迫處理組間差異性不顯著。莼蘭繡球MDA質量摩爾濃度在25、50 mg·L?1氯化鋁處理下，與對照相比分別下降了12.13%、6.62%，在100、200 mg·L?1處理下，與對照組相比分別提高了12.13%、22.43%。莼蘭繡球對照組MDA質量摩爾濃度與鋁脅迫處理組間差異不顯著。可知較低質量濃度的氯化鋁脅迫不會對繡球膜系統造成傷害。氯化鋁質量濃度大于100 mg·L?1后，植物膜系統會受到一定程度的損傷。

表 3 鋁脅迫對繡球組培苗生理指標的影響Table 3 Effects of aluminum stress on physiological indexes of Hydrangea tissue culture seedlings

2.5 鋁脅迫對繡球組培苗Pro質量分數的影響

從表3可知：蠟蓮繡球Pro質量分數在鋁脅迫處理下變化與對照組相比差異不顯著，在鋁脅迫質量濃度為 25 mg·L?1時，Pro 質量分數降到最低，為 30.77 μg·g?1；鋁脅迫質量濃度為 200 mg·L?1時，Pro質量分數最高，為43.13 μg·g?1，是對照組的1.40倍。莼蘭繡球對照組的Pro質量分數最低，為79.05 μg·g?1，各鋁脅迫處理組的Pro質量分數均高于對照組，對照組與25、50 mg·L?1處理組間差異性不顯著，與100、200 mg·L?1處理組差異達顯著水平(P＜0.05)。

2.6 鋁脅迫對繡球組培苗抗氧化酶活性的影響

CAT的主要作用是清除過氧化氫(H2O2)，CAT活性的提高有助于植物清除H2O2。從表3可知：隨著氯化鋁質量濃度的增加，2種繡球葉片CAT活性呈現不斷上升的趨勢。蠟蓮繡球在200 mg·L?1處理下 CAT 活性值最大，為 5.49×16.67 nkat·g?1·min?1，比對照組提高了 85.47%，且與對照組差異顯著(P＜0.05)。莼蘭繡球在 200 mg·L?1處理下，CAT 活性值最大，為 14.72×16.67 nkat·g?1·min?1，對照組與鋁脅迫處理組間差異性不顯著。表明繡球通過提高CAT活性來清除體內過量的H2O2，且蠟蓮繡球CAT活性提高幅度高于莼蘭繡球。

SOD是植物體內的一種含金屬酶，它能催化O2?發生歧化反應，生成氧氣(O2)和H2O2，以此來保護細胞膜系統。從表3可知：經過氯化鋁脅迫處理的2種繡球葉片的SOD活性值均低于對照組，但對照組與各鋁脅迫處理組間差異不顯著。蠟蓮繡球的SOD活性在100 mg·L?1處理下降到最低，為364.44×16.67 nkat·g?1，莼蘭繡球的 SOD 活性在 200 mg·L?1處理下降到最低，為 372.10×16.67 nkat·g?1。繡球的SOD活性變化比較平緩，原因可能是SOD在與O2?反應后質量分數趨于平衡。

POD是抗氧化酶系統中重要的酶類，在植物受到逆境脅迫時，POD可分解一定的H2O2，減少H2O2對細胞膜的傷害。從表3可知：隨著氯化鋁質量濃度的增加，2種繡球葉片POD活性呈現不斷上升的趨勢。蠟蓮繡球在 200 mg·L?1處理下，POD 活性最大，為 655.73×16.67 nkat·g?1·s?1，對照組與各鋁脅迫處理組間差異不顯著。莼蘭繡球在25、50、100、200 mg·L?1處理組的POD活力比對照組分別提高了34.66%、40.44%、42.60%、91.12%，對照組與各鋁脅迫處理組間差異顯著(P＜0.05)。表明繡球通過提高POD活力來清除體內過量的H2O2，且莼蘭繡球POD活性提高幅度高于蠟蓮繡球。

3 結論與討論

通常認為，鋁對植物有毒害作用，鋁脅迫會導致植物細胞膜結構和功能遭到破壞，使細胞膜透性增大，穩定性下降[13]。鋁還可以與細胞內的蛋白質、脂質、糖類以及核酸等結合，破壞細胞內離子代謝平衡系統，阻礙生理生化過程的正常進行，從而抑制植物的生長[14]。但也有研究發現[15]：鋁作為植物非必需元素，低濃度的鋁元素可以促進植物生長，高濃度的鋁元素會對植物造成傷害，而且植物的形態特征變化可直接體現出植物抗性的強弱[16?17]。本研究結果顯示：鋁脅迫2個月后，蠟蓮繡球在低質量濃度鋁處理下的組培苗長勢與對照組相當，高質量濃度處理下的組培苗葉片發黃、長勢減弱。莼蘭繡球鋁處理組長勢不及對照組，氯化鋁質量濃度越高長勢越弱。平均根長與根體積隨著鋁脅迫質量濃度的增加呈現下降的趨勢。陳海霞等[7]對八仙花Hydrangeamacrophylla鋁脅迫根系分泌有機酸的研究表明：鋁毒對根尖的傷害包括抑制細胞分裂、細胞伸長和營養運輸等，使根的生長受到抑制。本研究中鋁脅迫對繡球地上和地下部分生長均有抑制作用，當氯化鋁質量濃度大于100 mg·L?1時，抑制作用較明顯。

葉綠素是植物光合作用必不可少的物質，葉綠素含量與植物對光能的捕獲能力成正相關。在金屬脅迫下，葉綠素合成酶活性降低導致葉綠素合成受阻，葉綠素含量降低，從而影響到植物光合作用有機物的積累[18]。本研究中，蠟蓮繡球葉綠素質量分數在50 mg·L?1氯化鋁處理時高于對照組，這可能是植物為了彌補鋁脅迫造成葉綠素功能降低損害而大量合成葉綠素。各處理組與對照組差異不顯著，說明鋁脅迫對蠟蓮繡球葉綠素質量分數影響較小。莼蘭繡球葉綠素質量分數隨著鋁脅迫質量濃度的增加呈現下降的趨勢，對照組與各鋁脅迫處理組差異達顯著水平(P＜0.05)，說明鋁脅迫對莼蘭繡球葉綠體的結構功能以及葉綠素的合成途徑造成了傷害。

細胞膜是細胞與外界環境的屏障，參與生物體中物質代謝、能量轉化、代謝調控以及激素的作用等[19]。MDA是植物膜脂過氧化的主要產物之一，其含量與植物膜系統受到的損傷呈正相關，當MDA含量增加時，說明植物體內膜脂過氧化作用增強，細胞膜透性增大[20]。本研究中，隨著鋁質量濃度的增加，蠟蓮繡球與莼蘭繡球MDA質量摩爾濃度呈現先下降后上升的趨勢，說明低質量濃度氯化鋁處理不會對細胞膜透性造成傷害，高質量濃度處理會使繡球組培苗細胞膜透性增大，但受傷程度不大。

Pro是植物體內重要的滲透調節物質和抗氧化物質，具有調節細胞滲透勢以及減緩膜脂過氧化傷害的功能。當植物受到脅迫時，體內的Pro增加以提高抗性[21]。本研究中，蠟蓮繡球Pro質量分數在鋁脅迫處理下變化與對照組相比差異不顯著，Pro質量分數相對穩定說明蠟蓮繡球受到傷害較小，耐鋁性強。莼蘭繡球各鋁脅迫處理組的Pro質量分數均高于對照組，200 mg·L?1處理組與對照組差異顯著(P＜0.05)，說明莼蘭繡球體內抗鋁機制在起作用，以抵御鋁脅迫造成的傷害。

植物在正常生長情況下，體內產生的活性氧自由基可通過抗氧化酶系統清除，從而達到平衡狀態。在金屬脅迫下，植物體內活性氧自由基含量會上升。活性氧升高會使抗氧化酶活性增加。各種抗氧化酶中，SOD、POD和CAT可有效降解活性氧、保護細胞膜、降低氧化應激，是清除活性氧的最重要的酶[22?24]。田小霞等[23]對馬藺Irislacteavar.chinensis的研究表明：葉片CAT活性高于根系CAT活性，原因是 CAT主要參與清除綠色組織中光呼吸途徑代謝產生的H2O2。本研究中，2種繡球葉片的SOD活性無明顯變化規律，對照組與鋁脅迫處理組間差異不顯著，可能是采樣時間較晚；SOD在脅迫早期活性增加，1個月后趨于平衡，對鋁脅迫表現出一定的適應性。CAT和POD活性隨著鋁質量濃度的增加呈現不斷上升的趨勢。3種酶起了協同作用，共同清除活性氧自由基等有害物質。

綜上所述，2種繡球均有一定的耐鋁性。植物體內的抗鋁機制極其復雜，不同繡球野生種由于遺傳物質的差異，抗鋁能力不同。在以后的研究中，需要測定組培苗地上、地下部分以及培養基中鋁的含量和存在形態，以探究繡球富集鋁的能力，進一步揭示繡球的抗鋁機制。