陳志剛,張紅蕊,周曉紅,張 珂

(江蘇大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

鋁是地球上含量最多的金屬元素,占地殼總質(zhì)量的7.45%。同時(shí)鋁作為高價(jià)、半徑小的元素,易水解形成難溶解的氫氧化鋁,并進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化,在土壤溶液中非?；钴S,尤其是在酸性條件下形成大量的Al3+、Al(OH)+2和Al(OH)2+等,從而對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用,在土壤 pH=5.0或更低時(shí),毒害作用更強(qiáng)[1]。在我國酸性土壤遍布南方15個(gè)省區(qū),總面積達(dá)203萬km2,約占耕地面積的21%[2],因此,鋁毒害已成為我國酸性土壤中限制作物生長(zhǎng)的最重要的因素之一[3],鋁毒嚴(yán)重影響到草本植物的生長(zhǎng)。

近年來,我國對(duì)草食畜產(chǎn)品的需求不斷增加,因此有必要探究金屬鋁對(duì)草本植物萌發(fā)及其生長(zhǎng)的影響。草本植物黑麥草(Lolium multif lorum),是我國南方廣泛種植的具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的栽培牧草,具有生長(zhǎng)迅速、根系發(fā)達(dá)、生物量大、可多次刈割,植物再生能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。有報(bào)道顯示,黑麥草對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的抗性,且對(duì)重金屬有富集作用[4-5],因此可被廣泛用于污染環(huán)境的生態(tài)修復(fù)中。近年來,關(guān)于黑麥草對(duì)重金屬富集的報(bào)道較多,且主要集中在生物化學(xué)或分子機(jī)制方面,但對(duì)于輕金屬鋁脅迫下黑麥草種子萌發(fā)的研究較少,而種子萌發(fā)及幼苗的生長(zhǎng)是作物對(duì)外部環(huán)境反應(yīng)的開始,也是植物最早接受金屬脅迫的階段,因此,本試驗(yàn)研究不同鋁濃度對(duì)黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響,將為酸性土壤中黑麥草的合理利用以及評(píng)價(jià)黑麥草對(duì)金屬鋁的抗逆性提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 植物材料

選取顆粒飽滿、大小均勻的多花黑麥草種子,先用0.1%的 HgCl2消毒10 min,然后用去離子水反復(fù)沖洗數(shù)次,用濾紙吸干后移入試驗(yàn)容器中開展試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)容器為加有一層紗布的培養(yǎng)皿。每個(gè)培養(yǎng)皿(直徑×高：90 mm×15 mm)中放置100顆種子。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)以及參照文獻(xiàn)[6-8],鋁以 AlCl3的形式加入,鋁濃度梯度設(shè)置為0 mg/L(以不添加鋁離子的蒸餾水作為對(duì)照)、10,50,100,200,300,500 mg/L共7個(gè)處理,然后用0.1 mol/L的 HCl溶液分別調(diào)節(jié)各濃度處理液 pH至4.5。每組鋁濃度分別設(shè)3組重復(fù)。隨后將裝有黑麥草種子的培養(yǎng)皿置于培養(yǎng)箱中(溫度 ：25/15 ℃日/夜;光周期：16/8 h光/暗;相對(duì)濕度70%～85%;光照 558～661μmol/(m2?s),PAR)。每天補(bǔ)加等量的處理液使紗布保持濕潤(rùn),同時(shí)調(diào)節(jié)pH為4.5。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)測(cè)定及其計(jì)算 試驗(yàn)開始2 d后統(tǒng)計(jì)黑麥草種子萌芽數(shù),發(fā)芽以胚根突破種皮1 mm長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn),連續(xù)2 d發(fā)芽種子數(shù)無增長(zhǎng)視為發(fā)芽完全記發(fā)芽率。發(fā)芽期間,逐日統(tǒng)計(jì)發(fā)芽粒數(shù),計(jì)算發(fā)芽指數(shù)。發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)計(jì)算公式如下：發(fā)芽率=供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

式中 ：Gt——在 t日的發(fā)芽數(shù);Dt——相應(yīng)的發(fā)芽試驗(yàn)天數(shù)。

1.3.2 株高、根長(zhǎng)測(cè)定 試驗(yàn)第7天時(shí),各處理組的種子發(fā)芽已全部完成,此時(shí)每天隨機(jī)選取培養(yǎng)皿中10根植株,開始用直尺測(cè)定其根長(zhǎng)株高的變化情況,連續(xù)測(cè)定7 d。

1.3.3 質(zhì)膜透性測(cè)定及其計(jì)算 試驗(yàn)開始后,分別在第7天和第13天測(cè)定浸種液電導(dǎo)率,并以相對(duì)電導(dǎo)率(%)來反映種子的質(zhì)膜透性 。試驗(yàn)參照魏林[10]等測(cè)定浸種液相對(duì)電導(dǎo)率的方法：隨機(jī)取培養(yǎng)皿中萌發(fā)種子25粒,將其置于100 ml錐形瓶中,加入50 ml蒸餾水,于25℃條件下浸泡 2 h,用 HI8733便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)定浸泡液的電導(dǎo)率值S1,然后將錐形瓶置于沸水浴中20 min,取出后定容至50 ml,冷卻后測(cè)定電導(dǎo)率值 S2,相對(duì)電導(dǎo)率=S1/S2×100%,重復(fù)3次,取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel軟件進(jìn)行處理,并采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié) 果

2.1 鋁脅迫對(duì)黑麥草種子發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽率的影響

發(fā)芽指數(shù)是反映種子萌發(fā)的快慢和整齊程度的指標(biāo)。發(fā)芽指數(shù)高表明該種子發(fā)芽所用時(shí)間短,發(fā)芽速度快。表1為不同鋁濃度下黑麥草種子的發(fā)芽率及其發(fā)芽指數(shù)。由表1可知,10～50 mg/L鋁濃度處理時(shí),黑麥草種子發(fā)芽指數(shù)與對(duì)照無顯著差異(p＞0.05);而當(dāng)鋁濃度大于50 mg/L時(shí),隨著鋁濃度的升高,黑麥草種子萌發(fā)的速度明顯變慢(p＜0.05),當(dāng)鋁處理濃度為500 mg/L時(shí),發(fā)芽指數(shù)僅為對(duì)照的2.8%。

同時(shí),由表 1可知,鋁濃度對(duì)黑麥草種子的發(fā)芽率有一定的影響。隨著鋁處理濃度的升高,黑麥草種子發(fā)芽率先升高后降低。當(dāng)鋁濃度介于10～50 mg/L范圍內(nèi),發(fā)芽率與對(duì)照無顯著差異(p＞0.05),其中10 mg/L鋁濃度處理下,發(fā)芽率最大,高于對(duì)照;之后,隨著鋁處理濃度的升高,種子萌發(fā)受到顯著抑制(p＜0.05),當(dāng)鋁濃度為500 mg/L時(shí),發(fā)芽率僅為6.3%。

表1 鋁脅迫對(duì)黑麥草種子發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽率的影響

2.2 鋁脅迫對(duì)黑麥草幼苗株高和根長(zhǎng)的影響

2.2.1 鋁脅迫對(duì)黑麥草幼苗株高的影響 由圖1可知,隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),株高呈上升趨勢(shì),但隨著鋁濃度的增加黑麥草株高增長(zhǎng)速度逐漸降低,且鋁濃度越高抑制作用越明顯。具體表現(xiàn)為：在試驗(yàn)初始的7～9 d,50 mg/L鋁處理下株高與對(duì)照差異顯著(p＜0.05),比對(duì)照降低38.8%～50.5%;而試驗(yàn)的第10～13 d時(shí),10 mg/L鋁處理顯著抑制植株生長(zhǎng)(p＜0.05),而50 mg/L鋁處理下株高比對(duì)照降低51.0%～57.0%。

圖1 不同濃度鋁處理下黑麥草株高變化

2.2.2 鋁脅迫對(duì)黑麥草幼苗根長(zhǎng)的影響 由圖2可知,當(dāng)鋁濃度介于0～50 mg/L時(shí),黑麥草幼苗在試驗(yàn)第7天有根的生長(zhǎng),但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),10 mg/L、50 mg/L試驗(yàn)組的根系增加非常緩慢,試驗(yàn)第10天時(shí),兩組幼苗根長(zhǎng)僅增加了21.0%和16.8%;而試驗(yàn)第13天時(shí),兩組幼苗根長(zhǎng)僅增加了26.0%和19.3%,與對(duì)照組差異顯著(p＜0.05),對(duì)照組根長(zhǎng)增加2.58倍。當(dāng)鋁濃度大于50 mg/L時(shí),黑麥草幼苗無根的生長(zhǎng)。

圖2 不同濃度鋁處理下黑麥草根長(zhǎng)變化

2.3 鋁脅迫對(duì)黑麥草種子質(zhì)膜透性的影響

本文中黑麥草種子質(zhì)膜透性采用相對(duì)電導(dǎo)率來表示,相對(duì)電導(dǎo)率高,質(zhì)膜透性大,植株受害嚴(yán)重。由圖3可知,10 mg/L的鋁濃度顯著降低了黑麥草種子質(zhì)膜透性(p＜0.05),在鋁處理的第7天和第13天,相對(duì)電導(dǎo)率比對(duì)照降低44.2%和50.7%;而隨著鋁濃度的升高,相對(duì)電導(dǎo)率顯著增加(p＜0.05),試驗(yàn)第7天,50,10,200,300,500 mg/L鋁濃度處理組相對(duì)電導(dǎo)率較對(duì)照增加 0.7倍、1.2倍、2.4倍、2.9倍、4.2倍,且隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),在50～100 mg/L鋁濃度處理下,各試驗(yàn)組相對(duì)電導(dǎo)率增加顯著(p＜0.05)。

圖3 鋁脅迫下黑麥草浸種液相對(duì)電導(dǎo)率變化

3 討 論

鋁是植物生長(zhǎng)的非必須元素,通常以難溶性硅酸鹽或氧化鋁形式存在,對(duì)植物沒有毒害,但 p H＜5時(shí),可溶性鋁含量將增加[1],從而將影響植物種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。本次試驗(yàn)結(jié)果表明,10～50 mg/L的鋁處理對(duì)黑麥草種子萌發(fā)無明顯影響(p＞0.05),但隨著鋁濃度的升高,種子萌發(fā)將受到顯著抑制(p＜0.05)。孫冬花等[11]的研究顯示,鋁處理下秋葵(Hibiscusmoscheutos L)和兩個(gè)小麥(Triticum aestivum L)品種種子的萌發(fā)率均沒有顯著變化。而張芬琴[12]和劉鵬[13]等的研究表明低濃度的鋁促進(jìn)種子萌發(fā),高濃度鋁抑制種子萌發(fā),這表明不同物種的種子萌發(fā)對(duì)鋁脅迫存在不同的反應(yīng)機(jī)制[11]。

研究表明,植物根系是鋁毒害的最初作用點(diǎn)。本文研究表明,隨著鋁濃度的增加,黑麥草幼苗株高、根長(zhǎng)呈顯著的下降趨勢(shì)(p＜0.05),10 mg/L的鋁處理即可抑制黑麥草株高和根系的生長(zhǎng),表明黑麥草株高和根系對(duì)鋁脅迫的反應(yīng)較為敏感,這與劉強(qiáng)[14]等關(guān)于鋁毒脅迫下油菜(Brassica campestris L)幼苗生長(zhǎng)的研究相似。另外,本次試驗(yàn)中當(dāng)鋁處理濃度 ≥100 mg/L時(shí),黑麥草根系停止生長(zhǎng),表明鋁對(duì)根系的抑制作用更為直接和明顯。

質(zhì)膜包在細(xì)胞外面,所以又稱細(xì)胞膜,它不僅是區(qū)分細(xì)胞內(nèi)部與周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)屏障,更是細(xì)胞物質(zhì)交換和信息傳遞的通道,其穩(wěn)定性是細(xì)胞進(jìn)行正常生理功能的基礎(chǔ)。逆境脅迫下,鋁毒與細(xì)胞膜作用,改變膜透性,使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)向外滲漏作用加強(qiáng),用于植株正常生長(zhǎng)發(fā)育的同化物減少,植物生長(zhǎng)減緩,生物量下降。本研究顯示,10 mg/L鋁處理能顯著降低質(zhì)膜透性(p＜0.05);之后隨著鋁濃度的升高質(zhì)膜透性明顯變大(p＜0.05),這與王芳[15]等的研究結(jié)果相一致。而張芬琴[12]等的研究結(jié)果顯示,低濃度的鋁浸種后,苜蓿(Medicago sativa)種子的電解質(zhì)外滲率微高于對(duì)照,高濃度鋁浸種后,其電解質(zhì)外滲率明顯高于對(duì)照處理。Ishikawa S等的研究同樣表明：鋁毒直接作用于根系,使根系生長(zhǎng)減慢或停止。同時(shí),鋁毒與細(xì)胞膜作用,改變膜透性,使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)向外滲漏作用加強(qiáng)[16],表明不同物種的細(xì)胞對(duì)鋁脅迫的反應(yīng)不同。

綜上,多花黑麥草在一定程度上具有耐鋁性,但隨著鋁濃度升高,鋁毒害程度變大。因此,對(duì)于鋁濃度較低的酸性土壤,可以考慮栽培黑麥草。但關(guān)于鋁脅迫下,黑麥草生理特性的變化及其對(duì)鋁的富集情況有待進(jìn)一步研究,從而為黑麥草對(duì)金屬鋁污染的酸性土壤進(jìn)行生態(tài)修復(fù)提供理論支撐。

[1] Larsen P B,Stenzler L M,Tai C Y,et al.Molecular and physiological analysis of Arabidopsis mutants exhibiting altered sensitivities to aluminum[J].Plant Soil,1997,192(1)：3-7.

[2] 林咸永,王建林.植物對(duì)Al毒脅迫的適應(yīng)機(jī)制[M]//張福鎖.植物營養(yǎng)的生態(tài)生理學(xué)和遺傳學(xué).北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社,1993：248-290.

[3] Taylor G J.Aluminum toxicity and tolerance in plants[J].Biological and Ecological Effects,1989,107(2)：327-361.

[4] 廖敏,黃昌勇.黑麥草生長(zhǎng)過程中有機(jī)酸對(duì)鎘毒性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002,13(1)：109-112.

[5] 徐衛(wèi)紅,熊治庭,王宏信,等.鋅脅迫對(duì)重金屬富集植物黑麥草養(yǎng)分吸收和鋅積累的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(4)：32-35.

[6] Jones D L,Prabowo A M,Kochian L V.Aluminum-organic acid interactions in acid soil[J].Plant Soil,1996,182(2)：229-237.

[7] Gunse B,Garzon T,Barcelo J.Study of Aluminum toxicity by means of vital staining profiles in four cultivars of Phaseolus vulgaris L.[J].Plant Physiol,2003,160(12)：1447-1450.

[8] Flaten T P.Aluminum in tea-concentrations,speciation and bioavailability[J].Coord.Chem.Rev.,2002,228(2)：385-395.

[9] Silva I R,Smyth T J.Differential aluminum tolerancein soybean：an evaluation of the role of organic acids[J].Physiol.Plant,2001,112(2)：200-210.

[10] 魏林,梁志懷,曹福祥,等.哈茨木霉 T2-16代謝產(chǎn)物對(duì)花生種子活力和抗黃曲霉菌浸染能力的影響[J].中國油料作物學(xué)報(bào),2009,31(3)：370-373.

[11] 孫冬花,田秋英,張文浩.鋁對(duì)秋葵、小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響[J].云南植物研究,2006,28(5)：523-528.

[12] 張芬琴,于愛蘭.鋁處理對(duì)苜蓿種子萌發(fā)及其幼苗生理生化特性的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào),1999,8(3)：61-65.

[13] 劉鵬,徐根娣,姜雪梅,等.鋁對(duì)大豆種子萌發(fā)的影響[J].種子,2003,22(1)：30-32.

[14] 劉強(qiáng),龍婉婉,胡萃,等.鋁脅迫對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響[J].種子,2009,28(7)：5-10.

[15] 王芳,劉鵬,徐根娣,等.鋁對(duì)蕎麥根系的影響[J].廣西植物,2006,26(3)：321-324.

[16] Ishikawa S,Wagatsuma T,Ikarashi T.Comparative toxicity of Al3+,Yb3+,and La3+to root-tip cells differing in tolerance to high Al3+in terms of ionic potentials of dehydrated trivalent cations[J].Soil Sci.Plant Nutr.,1996,42(3)：613-625.