生姜對鋁脅迫的生理響應特性

摘 要： 生姜喜酸性土壤，而鋁離子（Al3+）在酸性土壤中易析出，進而對作物造成毒害。為此，本文研究了0（CK）、250、500、750、1 000 mg·kg?1等土壤Al3+水平對生姜生長及葉片生理特性的影響。結果表明，Al3+對生姜生長的影響存在劑量效應，土壤250 mg·kg?1Al3+對生姜生長有一定促進作用，隨著Al3+水平的升高，生姜株高、莖粗及各器官生物量均逐漸降低，收獲時750 mg·kg?1Al3+處理的植株根、莖、葉及根莖鮮質量較CK分別降低了11.00%、9.32%、6.49%和21.24%。較高濃度Al3+脅迫顯著降低了葉片色素含量，抑制了葉片水氣交換參數，如生姜旺盛生長期750 mg·kg?1Al3+處理的葉片葉綠素a、b 及凈光合速率（Pn）分別較CK降低了65.89%、11.99%和19.95%；此外，土壤Al3+脅迫還使葉片活性氧水平顯著升高，而抗氧化酶活性則呈現先升高后降低的趨勢。

關鍵詞： 生姜；鋁脅迫；光合特性；活性氧代謝

中圖法分類號： S632.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）06-0902-06

鋁（Al）是地殼中含量最豐富的金屬，隨著土壤酸化的加劇，游離的鋁離子（Al3+）呈指數增長趨勢，它對全球作物產量的影響僅次于鹽脅迫，是酸性土壤中制約作物產量增長的全球性農業生產問題［1］。長期以來，由于使用酸化劑、化肥等造成的酸雨以及酸性氣體的排放，導致土壤酸化并釋放出Al3+［2］。酸性土壤中Al3+極易被植物根系吸收，產生毒性效應并對植株造成Al3+脅迫［3］。Al3+脅迫通過影響葉片氣孔開閉、阻礙光合電子傳遞、降低光合作用關鍵酶活性，影響植物光合碳同化［4］。研究表明，Al3+脅迫可降低蘋果、橡膠樹的光合能力［5，6］，導致光能過剩，激發植物體內活性氧如O2-和H2O2的大量積累，發生氧化脅迫［7］。

生姜（Zingiber officinale）原產于東南亞熱帶雨林地區，是我國重要的出口創匯蔬菜，因其喜歡酸性土壤，更易受到鋁脅迫危害［8］。前人對植物適應Al3+脅迫的機制進行了一些研究［9］，但關于Al3+脅迫對生姜生長的影響尚未見報道。為此，本研究通過探究土壤不同濃度Al3+脅迫對生姜生長、光合特性和活性氧代謝的影響，評估生姜對Al3+脅迫響應的生理機制。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2023 年5～11 月在山東省泰安市山東農業大學園藝實驗站進行，試驗品種為“山農1 號”生姜。姜種催芽后使用穴盤進行育苗，待幼苗成苗后移栽至栽培袋，袋內基質為椰糠、有機土、蛭石（v/v 40%、40%、20%）混合而成，每袋裝風干基質5 kg，移栽前用1 mol·L?1的稀硫酸澆灌基質，調節至pH 5.0，移栽后每5 d 用pH 5.0 的Hoagland營養液澆灌一次，直至收獲。

1.2 試驗設計

試驗利用AlCl3-6H2O為外施Al3+脅迫試劑，設5 個處理，分別為0（CK）、250、500、750、1 000 mg·kg?（1 干基質），在定植前將AlCl3-6H2O與基質均勻混合，一次性施入栽培袋，每個處理60 袋，重復3 次，隨機區組排列。于幼苗期（播后60 d）、旺盛生長期（播后120 d）、收獲期（播后200 d）分別取樣，測定相關指標。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標的測定 每處理小區隨機取3 株，用流動清水沖洗，分別測定樣本株高、莖粗、分枝數、葉片數以及根、莖、葉、根莖鮮重。

1.3.2 葉片色素含量的測定 于晴天取生姜第3～6 片功能葉，剪碎混勻后稱取0.5 g，放入裝有5 mL 無水乙醇和5 mL 80%丙酮的15 mL 試管中，在4 ℃條件下恒溫避光浸提24 h，用分光光度計在470、663 和645 nm處測量吸光值，計算色素含量。

1.3.3 活性氧水平的測定 H2O2含量的測定：稱取1.0 g 凍樣于1%（w?v）聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的100 mmol·L?1 PBS 緩沖液（pH7.8）中研磨，離心20 min，12 000 g，濾出上清液用于根據Gay 等的方法測定H2O2含量［10］。O2?含量的測定參照Singh改進的方法［11］。

1.3.4 抗氧化酶活性的測定 稱取0.5 g 的凍樣，加入1 mL 50 mmol·L?1 磷酸鈉緩沖液（pH7.8），冰浴研磨，研磨完畢后再加入1 mL 的50 mmol·L?1 磷酸鈉緩沖液（pH 7.8），倒入離心管，最后用2 mL的緩沖液清洗研缽倒入離心管，4 ℃下10 500 g 離心提取液20 min，上清液用作CAT、SOD和POD活性的測定。利用硝基藍四唑（NBT）的光化學還原抑制能力來測定SOD活性［12］；測定240 nm處H2O2的吸光度以測試過氧化氫酶（CAT）活性［11］；測量轉化愈創木酚的能力以計算測定過氧化物酶（POD）活性［12］。

1.3.5 水氣交換參數的測定 于晴天采用功能葉片測量光合作用系統（LI-6800， Li-COR，美國）測定生姜葉片光合參數，設定溫度25 ℃，光照強度500 μmol·photons·m?2·s?1，CO2 濃度400 μmol·m?2·s?1，保持葉室內蒸氣壓差為1.0 kPa，并在Pn達到穩定狀態時（約5 min后）進行記錄。

1.4 數據處理

試驗數據用DPS 軟件進行統計分析，用Excel 2016 繪圖，運用Duncan 新復極差法進行差異（Plt;0.05）顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Al3+脅迫對生姜生長的影響

不同濃度Al3+脅迫對生姜生長量有顯著影響（表1）。在幼苗期與旺盛生長期，250 mg·kg?1Al3+處理的生姜株高、莖粗、葉片數與CK沒有顯著差異，而收獲時250 mg·kg?1 Al3+處理的株高、葉片數及根莖鮮重分別較CK 提高了7.78%、8.97%和7.08%；當Al3+濃度高于500 mg·kg?1時，隨Al3+濃度的升高生姜生長量顯著降低，且隨生長時間的延長，差異加大。

2.2 不同濃度Al3+脅迫對生姜葉片色素含量的影響

圖1 顯示了不同濃度Al3+脅迫下生姜各發育期內葉片光合色素含量。除幼苗期時250 mg·kg?1Al3+處理的葉綠素a 含量較CK顯著降低外，其他時期CK與250 mg·kg?1 Al3+處理下葉片色素含量沒有顯著差異。隨Al3+濃度的繼續升高，葉片色素含量顯著降低，當Al3+濃度為750 mg·kg?1時，葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素含量較CK顯著低65.89%、11.99%、69.28%。

2.3 不同濃度Al3+脅迫對生姜葉片水氣交換參數的影響

圖2 顯示不同濃度Al3+脅迫對生姜各發育期內水氣交換參數的影響。CK與250 mg·kg?1 Al3+處理下凈光合速率（Pn）沒有顯著差異；當Al3+濃度高于500 mg·kg?1時，隨Al3+濃度的升高生姜凈光合速率顯著降低。Al3+脅迫對不同發育期生姜葉片氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）的影響與Pn類似，旺盛生長期時，750 mg·kg?1 Al3+處理的Gs、Tr和WUE較CK顯著降低36.51%、32.36%、28.75%。

2.4 不同濃度Al3+脅迫對生姜葉片活性氧水平的影響

不同濃度Al3+脅迫對生姜活性氧水平有顯著影響（圖3）。CK與250 mg·kg?1 Al3+處理下生姜葉片O2?含量沒有顯著差異，當Al3+濃度高于500 mg·kg?1時，隨Al3+濃度的升高葉片O2?含量顯著升高。不同處理對生姜葉片H2O2含量的影響與O2?含量表現類似，旺盛生長期時，750 mg·kg?1Al3+處理的H2O2含量較CK顯著提高47.92%。

2.5 不同濃度Al3+脅迫對生姜葉片抗氧化酶活性的影響

表2 顯示不同濃度Al3+脅迫下生姜抗氧化酶活性的影響。在幼苗期，250 mg·kg?1 Al3+處理下生姜葉片CAT、POD活性較CK顯著提高18.12%、14.2%，隨Al3+濃度升高，各抗氧化酶活性呈現逐漸升高的趨勢；旺盛生長期后，750 mg·kg?1 Al3+處理表現為較高的抗氧化酶活性，其中，750 mg·kg?1Al3+處理在旺盛生長期的SOD、POD和CAT活性較CK顯著提高23.23%、23.54%、73.15%。

3 討論

本研究發現Al3+對生姜生長的影響具有劑量和時間效應，低濃度促進而高濃度抑制生長，但隨脅迫時間的延長，抑制作用加重，這與較高水平Al3+脅迫顯著降低了葉片色素含量，影響了光合作用有關。Sun 等研究表明，鋁對小麥生長的影響存在“低促高抑”現象［13］，高濃度Al3+可損傷植物根系，降低植物代謝能力，加劇活性氧積累，破壞細胞膜結構，嚴重影響植物的生長［14，15］。

光合作用是植物生長發育的基礎代謝途徑，非生物脅迫通常會導致光合性能下降［16］。本研究中，高于500 mg·kg?1 Al3+脅迫時生姜葉片色素含量顯著下降，這可能是由于過剩光能引起的活性氧積累（圖3），導致色素結構被破壞［17］。本研究中，低濃度Al3+能夠提高生姜蒸騰速率和氣孔導度，促進光合速率與水分運輸，這可能是由于生姜適合生長于弱酸性（pH=4.5～5.5）土壤，對Al3+ 脅迫有一定耐性［18］。但Al3+ 濃度高于500 mg·kg?1 時生姜的光合速率顯著降低，這與Al3+脅迫顯著降低了生姜葉片的氣孔導度，造成CO2擴散降低有關［19］，也可能與Al3+脅迫導致光合器官損傷有關［5］。

大量研究表明，植物遭受毒害或脅迫后，活性氧平衡被打破，活性氧過量積累會對植物產生損傷［20］。高濃度Al3+脅迫生姜葉片O2?、H2O2含量顯著升高，這可能是由于Al3+脅迫造成生姜葉片光合活性降低，過剩光能激發了活性氧積累［21］。抗氧化酶是維持植物體內ROS平衡的重要成員［22］，植物遭受脅迫時，抗氧化系統會通過不同抗氧化酶協同清除活性氧，維持活性氧產生與消除的動態平衡［23］。本研究中隨Al3+濃度的升高，生姜葉片抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性呈現先升高后降低的趨勢，這由于生姜自身防御機制可防止活性氧過度積累，而Al3+濃度高于750 mg·kg?1時超出生姜耐受的臨界濃度，抗氧化酶系統失活，抗氧化酶活性受到抑制［24］。

4 結論

土壤Al3+脅迫可顯著影響生姜植株的生長發育，且呈現“低促高抑”現象及顯著的時間與劑量效應，250 mg·kg?1 Al3+處理顯著提高了生姜生長量與抗氧化能力，之后隨濃度的升高逐漸降低。Al3+脅迫濃度大于500 mg·kg?1時，生姜光保護系統損傷，葉片中ROS大量積累，突破抗氧化酶活性升高極限，活性氧平衡被打破，導致PSII光化學性能受限，凈光合速率降低，干擾生姜正常生理代謝活性，造成氧化損傷與光抑制。

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