八仙花‘Bailmer’花萼和葉片內鋁離子的動態變化

褚志云 祁惠 李穎 萬一兵 任志雨 劉春 袁素霞

摘要：八仙花（Hydrangea macrophylla）是極具觀賞價值的鋁積累植物。鋁離子作為八仙花花色調控的必要元素之一，對其藍色花形成和植株的生長發育具有十分重要的作用。以‘Bailmer為試驗材料，確定其最適生長溫度，并研究其體內鋁離子的動態變化。結果表明，23 ℃有利于‘Bailmer的生長發育及葉片和萼片對鋁離子的吸收；花萼和葉片中鋁離子含量的動態變化基本類似，均呈先上升、再下降、再上升的趨勢；花萼與葉片的鋁離子吸收速率均在前期迅速上升，在12 h時達到最大，而后又迅速降低，并趨于穩定。研究結果為八仙花花色調控奠定了理論基礎。

關鍵詞：八仙花‘Bailmer；溫度；鋁離子吸收速率；動態變化doi：10.13304/j.nykjdb.2021.1110

中圖分類號：S682 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）01006507

八仙花（Hydrangea macrophylla）別名繡球、紫陽花，屬虎耳草科八仙花屬植物，原產于東南亞，主要分布在中國和日本[1]。八仙花喜陰濕、懼旱澇，因其具有花序大、顏色豐富艷麗、病蟲害相對較少及養護難度低等特點，在盆栽、切花和園林綠化等方面均有應用，具有廣闊的市場前景。八仙花種類繁多，目前全世界已有600多個品種[2]。近年來，隨著八仙花新品種的不斷推出，品種總量持續增加，市場占有率逐步提升。

花色是八仙花重要的觀賞性狀，目前主要有白色、粉色、紅色、紫色和藍色等[3]。其中，藍色更受消費者的青睞，但藍色花在自然界中并不存在，是由人工栽培調控而成的。現階段八仙花栽培過程中，最難解決的問題就是藍色花的調控。在諸多調控因素中，鋁離子是關鍵因素之一。八仙花藍色花萼中鋁離子的含量顯著高于紅色花萼[4]；不同花色萼片中，紅色花萼中鋁離子含量范圍為0～10 μg·g-1 FW（鮮重，fresh weight）、紫色花萼為10～40 μg·g-1 FW，而藍色花萼則大于40 μg·g-1FW[5]。由此可見，鋁離子含量與八仙花藍色花色形成有一定的關聯性。

鋁離子含量在植株體內的動態變化受多種因素影響，其中溫度是影響植株體內鋁離子吸收的重要因素之一。在水稻和番茄研究中發現，植株體內的鋁離子含量隨溫度上升而遞增，溫度越高植株的生長狀態越差，所受到的鋁毒害就越嚴重[6]。同樣，高溫也促進了玉米植株對鋁離子的吸收[7]。另外，植株體內的鋁離子含量也會隨外源鋁離子處理時間的變化而變化，外源鋁離子處理不同時間段植株對鋁離子的吸收速率也不同。研究發現，低水平鋁離子處理大豆根系，前期細胞內和根尖分生組織中的鋁離子含量會隨著鋁離子處理時間的增加而增加[8]。萵苣、甘藍、狼尾草的根對鋁離子的吸收過程可以分為前期快速吸收（60 min）階段和后期呈線性或微曲線性吸收階段[9]。

八仙花作為觀賞價值較高的植物，其鋁富集的特性受到越來越多的關注，相關研究主要側重于鋁離子在八仙花不同器官、細胞中的分布以及在體內的存在形式等方面[10-12]。本研究針對環境溫度和外源鋁離子處理時間與八仙花植株體內鋁離子含量之間的相關關系進行研究，明確八仙花生長和鋁吸收的最適溫度，以及八仙花植株體內鋁離子吸收量和吸收速率的動態變化，以期為八仙花栽培生產中花色調控研究奠定理論基礎和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試八仙花品種為‘Bailmer（ 美國，US2004123356P1），種植于中國農業科學院蔬菜花卉研究所南區。扦插苗上盆至盆口徑15 cm、高度12 cm的花盆中，置于人工氣候箱（MGC-450HP，上海譜振生物有限公司）進行培養，光照周期（光/暗）為16 h/ 8 h，光照強度均為8 000～12 000 lx，相對濕度均為80％。

1.2 環境溫度設置

待扦插苗生長至現蕾時，挑選長勢一致的植株，每盆施6 g Al2（SO4）3·18H2O，并將其移至不同溫度條件的人工氣候箱中，隨后進行正常的水肥管理，培養30 d后，測定花萼和葉片鋁離子含量及葉片熒光參數和植株營養生長指標。人工氣候箱溫度分別設置為恒溫18、23、28 ℃，以23 ℃、不施鋁為對照組（CK）。每個處理設置3個重復，每個重復3盆，每盆1株。

1.3 外源鋁處理時間設置

待扦插苗培養至花萼進入著色期，挑選長勢一致的植株進行施鋁處理，每盆6 g Al2（SO4）3 ·18H2O，選擇最佳的生長溫度作為培養條件，分別在施鋁后1、4、8、12、24 h和2、3、5、8、11、15 d取樣，每個處理設置3個重復，每個重復3盆。在不同時間段對植株的花萼和葉片分別取樣以測定鋁離子含量，并計算鋁離子吸收速率。

C =Mn ± Mn - 1／t?（1）

式中，C 為鋁離子吸收速率；Mn為第n 個取樣點的鋁離子吸收量；Mn-1為第n-1個取樣點的鋁離子吸收量；t 為相鄰2個取樣點的時間差。

1.4 指標測定

1.4.1 營養生長指標測定 在人工氣候箱中培養30 d后，用游標卡尺（DL91150，得力）測定株高、莖粗、葉長、葉寬、花徑。

1.4.2 熒光參數測定 采用熒光儀（LI-6400XT，美國LI-COR）測定植株莖稈中部葉片的葉綠素熒光參數、初始熒光 （minimal fluorescence，Fo）、最大熒光產量（maximal fluorescence，Fm）、原初光能效率（optimal/maximal photochemical quantumyield of PSⅡ，Fv/Fm）、實際光化學量子效率（actualphotochemical efficiency in photosystem Ⅱ ，ФPS Ⅱ ）、光化學淬滅系數（photochemicalquenching，qP）、PSⅡ處非調節性能量耗散的量（non-adjusting energy dissipation quantum yield，NO）、PS Ⅱ 處調節性能量耗散的量（nonphotochemicalquenching，NPQ）。

1.4.3 鋁離子含量測定 用ICP-OES法[13]測定樣品中的鋁離子含量。稱取5 g鮮樣放于玻璃消解器皿，向消解器皿中加入7～8 mL硝酸高氯酸（體積比4∶1）混合溶液，置于電熱板上進行消解反應，待消解器皿中的溶液冒白煙，消化液呈無色透明或略帶黃色，冷卻，用蒸餾水定容至25 mL，混勻過濾后上機測定。

1.5 數據處理與分析

所有數據用Excel 2010 整理，用Origin 2019作圖。使用SPSS Statistics 20.0進行單因素方差分析（One Way-ANOVA），采用Duncan法多重比較。

2 結果與分析

2.1 溫度對‘Bailmer花萼和葉片中鋁離子含量的影響

施鋁處理組的鋁離子含量在花萼和葉片中均顯著高于對照；在施鋁處理條件下，不同溫度對鋁離子吸收的影響差異顯著（圖1）。在花萼中，28 ℃條件下鋁離子含量最高，為9.98 μg·g-1，其次是18 ℃，23 ℃時含量最低（6.43 μg·g-1）；而在葉片中，鋁離子含量表現為23 ℃處理>28 ℃處理>18 ℃處理，分別為24.13、20.89、17.94 μg·g-1。不論是在花萼還是葉片中，不同環境溫度處理下鋁離子含量均呈顯著差異，其中28 ℃最適合花萼中的鋁離子積累，23 ℃最適合葉片中的鋁離子積累。

2.2 溫度對‘Bailmer葉片葉綠素熒光參數的影響

由圖2 可知，植株葉片的葉綠素熒光參數ФPSⅡ、Fo、Fm、Fv/Fm 在3種溫度條件下均顯著不差異（P>0.05）；qP和NPQ在18 ℃ 時，均顯著高于28 ℃時，但均與23 ℃時差異不顯著；NO在28 ℃時顯著高于18 ℃和23 ℃處理，但在18 ℃和23 ℃時無顯著差異。由此可見，在3種環境溫度條件下，葉片的葉綠素熒光參數差異不顯著，但是，在28 ℃條件下，光損傷較為嚴重。

2.3 溫度對‘Bailmer生長發育指標的影響

表1結果顯示，平均株高和葉寬在不同溫度條件下均差異不顯著；平均莖粗、葉長、花徑在23 ℃處理下分別為5.05 、120.08、93.00 mm，均顯著高于其他溫度處理。由圖3可以看出，28 ℃條件下植物長勢較差，且植株在生長過程中出現嚴重的葉片卷曲和葉邊緣焦葉現象。因此，23 ℃最有利于‘Bailmer的生長發育。

2.4 鋁處理后‘Bailmer花萼和葉片中鋁離子含量的動態變化

綜合考慮溫度對‘Bailmer花萼和葉片中鋁離子含量及葉片葉綠素熒光參數和生長勢的影響，發現23 ℃最有利于植株的生長發育以及其對鋁離子的吸收。因此，在23 ℃條件下研究外源鋁處理下‘Bailmer花萼和葉片中鋁離子含量的動態變化。結果（圖4）顯示，花萼和葉片中的鋁離子含量在外源鋁離子處理后1 h時均最低，分別為2.20、5.77 μg·g-1，而后迅速增加；花萼中的鋁離子含量在外源鋁離子處理12 h 時達到最高，為10.90 μg·g-1，隨后逐漸下降，在5 d 后又開始上升；葉片中的鋁離子含量在2 d時出現了一個高峰，隨后也出現了下降、再上升，在11 d時達到最高峰，為16.7 μg·g-1，之后趨于穩定。由此可見，花萼和葉片中鋁離子含量隨時間的變化趨勢基本類似，均呈先上升、再下降、再上升的趨勢。

2.5 外源鋁離子對‘Bailmer花萼和葉片中鋁離子吸收速率的影響

在整個取樣時間內，花萼和葉片中鋁離子的吸收速率變化幅度均較大，但二者的總體趨勢一致。均在前期迅速升高，同時在12 h時達到最大值，分別為1.63和0.80 μg·g-1·h-1，而后均迅速降低，并于24 h后趨于穩定（圖5）。

3 討論

溫度對植物形態建成和營養元素的吸收具有重要的影響，適宜的溫度是植物良好發育的必備條件，番茄（Solanum lycopersicum L.） 幼苗在（33±3） ℃下生長速度最快[14]；Skalova等[15]研究發現，豚草（Ambrosia artemisiifolia L.）的種苗在26 ℃處理下最有利于植株生長；另外，20 ℃最有利于晚香玉（Polianthes tuberosa L.）花形態建成[16]。本研究發現，23 ℃最有利于八仙花‘Bailmer的生長發育，本課題組在之前的研究中也得出了類似的結論[17]。植株對溫度的響應機制也會通過光合作用來體現，而光合作用又可以用葉綠素熒光參數來反映。qP反映了原初電子受體QA的氧化還原程度和光下反應中心的開放程度；Fv/Fm代表了植物的光合效率；NO 反映的是被動的耗散為熱量和發出熒光的能量，是光損傷的重要指標；NPQ 則是通過調節性的光保護機制耗散為熱的能量，是光保護的重要指標[18]。Haldimann等[19]證實，玉米葉片在受到溫度脅迫后會導致qP下降。

在本研究中，28 ℃條件下八仙花‘Bailmer葉片的qP 和NPQ 最低、NO 最高，說明28 ℃對八仙花‘Bailmer已經造成一定的高溫脅迫，導致光損傷。

八仙花是鋁積累植物[20]，鋁離子在植株體內的積累受多種因素的影響。本研究發現，不同溫度條件下八仙花對鋁離子的吸收差異顯著，在23 ℃條件下葉片中鋁離子含量最高，這與前人研究溫度對不同作物（水稻、大豆、大麥、番茄）鋁毒害的影響的結果一致，均發現在植株的最適生長環境溫度條件下鋁離子積累量最高[67]。推測可能是因為23 ℃ 處于‘Bailmer的最適生長環境溫度，在此條件下植株根系生長良好、各項生理機能活躍、鋁吸附位點較多，進而促進了鋁離子的吸收。另外，Shen等[21]研究表明，高溫脅迫導致葉片氣孔打開程度減小，蒸騰效應隨之下降，進而影響植物對水分的需要和營養元素的吸收。在本研究中，葉片在28 ℃條件下的鋁離子含量低于23 ℃，這一結果可能與高溫下葉片蒸騰效率較低，進而影響了植株對鋁離子的吸收。而花萼中的鋁離子含量在28 ℃條件下最高，這可能與高溫促進了鋁離子的長距離運輸有關，因為植物對鋁的吸收以被動吸收為主并隨質流上移到地上部。盡管28 ℃有利于花萼對鋁離子的吸收，但是該溫度下植株長勢最差。綜合考慮，在栽培生產中，應在八仙花‘Bailmer的最佳生長溫度進行鋁離子處理，不僅有利于八仙花‘Bailmer植株的生長發育，也較有利于植株對鋁離子的吸收。本研究對八仙花‘Bailmer在外源鋁離子處理后不同時間的花萼和葉片進行鋁離子含量測定，結果發現，植株體中的鋁離子含量在前期迅速升高，但達到一定水平后鋁離子含量開始降低，隨著處理時間延長鋁離子含量又開始升高并達到飽和。這可能是由于鋁離子進入植株體內導致植株根系分泌有機酸 [22]。在植株耐鋁機理中有機酸的分泌起著十分重要的作用。根系分泌有機酸與鋁離子螯合，從而減少鋁離子的進入，減輕鋁的毒性。Ma[23]發現，八仙花對鋁脅迫的反應有明顯滯后期，鋁處理數小時后才有明顯的有機酸分泌。另外，植株對鋁元素的吸收屬于被動吸收，可以將膜外高水平的鋁擴散透過細胞膜進入膜內，也可以借助載體與鋁的結合，由細胞內外之間的電化學勢來推動。由此推斷，本研究處理前期，相鄰時間較為密集，植株生物量變化不大，而‘Bailmer植株在鋁處理數小時后才明顯分泌有機酸，在大量分泌有機酸之前膜內外鋁離子濃度差大，電化學勢大，因此，鋁離子含量在前期快速增加，吸收速率迅速上升。隨著時間的增加以及取樣時間間隔的加大，植株生物量迅速增加，在此過程中，有機酸的分泌增多，并在植物根區與鋁離子鰲合，減少鋁離子進入細胞的量，膜內外鋁離子濃度差基本持平，細胞內外電化學勢達到平衡，導致植株對鋁離子的吸收速率慢于生物量的增加速度，發生‘稀釋效應，進而引發鋁離子含量的不斷降低。當時間間隔達到一定時長時，植株生物量不再增加，但對鋁離子的吸收還在繼續，使得植株體內鋁離子含量再一次升高并達到植株所能承受的最大積累量。

由于鋁離子是八仙花藍色花形成的必要因素之一，因此生產中藍色花的形成必需通過人工調控土壤環境才能獲得。但是生產中八仙花藍色花的調控技術并不成熟，主要是因為外源鋁的施用時期與施用量以及土壤中鋁的利用率尚不完全清晰。通過本研究發現，23 ℃ 較利于八仙花‘Bailmer植株吸收；花萼和葉片中鋁離子含量隨時間的變化趨勢基本類似，均是先上升、再下降、再上升的趨勢；花萼與葉片的鋁離子吸收速率均在12 h時達到最大，而后迅速降低，并趨于穩定。本研究明確了外源鋁被植株吸收的最佳溫度條件，并闡明了外源鋁離子在八仙花植株葉片和萼片中的鋁含量及吸收速率的動態變化，為生產上八仙花花色調控中的施鋁環境條件和時期提供了一定的理論依據。

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（責任編輯：溫小杰）