夏龍飛+呂嬌+趙尊康+黎曉峰+王永雄

摘要：采用水培法對三種豆科作物在不同介質pH、磷水平、Al3+、Mn2+協(xié)迫條件下植株的生長、相關酶類活性、元素吸收及有機酸分泌及其差異性進行了探討。結果表明，三種豆科作物存低pH條件下的生物產(chǎn)量顯著降低，而根尖H+-ATPase活性顯著提高，低pH溶液對作物影響順序為：草木犀>苜蓿>大豆；低磷（0.05、0.10mmol/L）脅迫下三種豆科作物生物產(chǎn)量、植株磷含量均顯著下降而根尖H+-ATPase活性顯著提高，三種作物中苜蓿對低磷脅迫較敏感，而草木犀適應性最強；鋁（3～10μmol/L）處理后苜蓿和草木犀根尖能被蘇木精染為紫色，且苜蓿的染色較草木犀的深，而鋁處理后的大豆根尖經(jīng)蘇木精染色后觀察不到明顯的紫色，且大豆根尖經(jīng)30μmol/L處理后根系分泌檸檬酸。錳（50、100μmol/LMnSO4）處理對三種植株的生物產(chǎn)量和錳含量的影響順序為大豆>苜蓿>草木犀。采用賦值法對三種豆科作物適應酸性土壤中低pH、低磷、高鋁、高錳脅迫的適應能力的綜合評價表明，三種豆科作物的綜合適應能力順序為大豆>草木犀>苜蓿。

關鍵詞：豆科作物；酸性土壤；逆境；適應性；差異

中圖分類號：S565.101+S551.01文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2015）04-0066-06

收稿日期：2014-11-04

基金項目：廣西自然科學基金“酸性土壤上甘蔗幼苗失綠黃化成因、機理及對策研究”（2012GXNSFDA053010）

酸性土壤分布廣泛，約占世界可耕地面積的40%[1]。酸性土壤中高酸度（低pH值）、過多的Al3+、Mn2+和缺磷問題突出。這些因子通常同存于土壤中[2]。低pH及過多的Al3+抑制土壤微生物活動、養(yǎng)分的轉化及有效性、植物根的生長[3]，從而降低作物產(chǎn)量。另一方面，磷素是植物必需的營養(yǎng)元素，磷素缺乏可導致作物減產(chǎn)30%～40%[4]。因此，酸性土壤是世界上主要的低產(chǎn)土壤。而在長期的進化過程中植物建立了一系列適應酸性土壤不良環(huán)境的機制[2，5～7]，充分利用機制、合理布局抗性作物資源是酸性土壤資源高效利用的有效途徑。

作物對酸性土壤不良環(huán)境適應性有明顯的基因型差異。草木犀、苜蓿是我國重要豆科牧草資源，而大豆是我國重要的油料作物。這些作物對酸性土壤中主要逆境因素的適應性研究鮮有報道。為此，本試驗對不同豆科作物應對酸性土壤低pH、磷缺乏、Al3+和Mn2+的毒害適應性進行了研究，以期為南方酸性土壤上豆科作物的生產(chǎn)和布局提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

試驗選用草木犀（采自來賓紅水河谷）、苜蓿（品種凱撒）、大豆（品種本地2號）為供試材料。

1.2試驗方法

1.2.1水培試驗試驗在廣西大學農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學系光照培養(yǎng)室進行，光照強度為8000lx，光黑交替（14L/10D），恒溫25℃。

草木犀種子先用濃H2SO41～2mL浸泡1～2min，用自來水將殘留在種子表面的酸液沖洗干凈，和苜蓿種子一起經(jīng)1%次氯酸鈉溶液浸泡消毒15min后，水洗至無氣味后浸泡5h，使種子充分吸脹。將浸泡后的草水犀、苜蓿種子用清水沖洗2～3次，平鋪于18目下0.5mmol/LCaCl2溶液的塑料篩上，CaCl2溶液的液面剛好接觸到塑料篩的底部，種子上覆蓋濕潤的濾紙，遮光育苗24h；大豆種子消毒浸種后，用清水沖洗干凈放在事先鋪有濕毛巾的托盤中，上蓋一塊濕毛巾。次日供試種子露白后將濾紙和毛巾移開，然后移栽至CaCl2溶液中培養(yǎng)，每天更換CaCl2溶液。三種豆科植物幼苗未長出側根之前（苗期的第3～4天），選取長較一致的幼苗移到黑色培養(yǎng)杯（約1.2L）中，改用營養(yǎng)液（pH6.5）進行培養(yǎng)，板中央留通氣孔。營養(yǎng)液為1/5霍格蘭營養(yǎng)液。

1.2.2試驗處理上述10日齡的植株分別于pH為4.5、5.5、6.5（CK）的培養(yǎng)液中培養(yǎng)。10d后，每處理切取1cm根尖15條，測定根類H+-ATPase活性[8]。20d后，收獲植株，稱重

20日苗齡的供試植株分別于含0.05、0.10、0.20（CK）mmol/L磷培養(yǎng)液中培養(yǎng)20d，收獲植株，稱重，測定植株全磷含量[9]。

4日齡供試植株存0、3、5、10μmol/LAlCl3溶液（含0.5mmol/LCaCl2，pH4.5）中培養(yǎng)24h根尖經(jīng)0.1%蘇木精染色后觀察其染色程度并拍照。

20日苗齡的植株分別以含0.30μmol/LAlCl3的CaCl2溶液處理24h后，培養(yǎng)液中的有機酸采用HPLC（600，美國Waters公司）分析。植株收獲后稱重。

20日苗齡供試植株分別于2.5（Ck）、50、100μmol/LMnSO4處理水平培養(yǎng)20d后，收獲，稱重，測定錳含量[9]。

上述試驗均設置3次重復。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)采用新復極差法進行差異顯著性檢驗。相對生物產(chǎn)量（%）=處理后植株的生物產(chǎn)量/對照的生物產(chǎn)量×100

2結果與分析

2.1不同豆科作物對低pH環(huán)境適應性差異

圖1表明，低pH條件下，三種豆科作物的相對生物產(chǎn)量均顯著下降，降幅達2.32%～33.16%。但是，低pH對不同豆科植物生長的影響有明顯的差異，草木犀和苜蓿經(jīng)pH值為5.5的培養(yǎng)液處理后，植株生物產(chǎn)量顯著低于對照處理（pH6.5），而pH5.5和6.5處理后的大豆生物產(chǎn)量的差異并不顯著。介質的pH值降到4.5后，大豆的相對生物產(chǎn)量也顯著降低。這些結果表明，苜蓿和草木犀對低pH的敏感性明顯高于大豆。

在低pH脅迫下，根尖質膜H+-ATPase活性會顯著提高。然而，低pH對三種豆科植物根尖質膜H+-ATPase活性的影響強弱不同（圖2）。草木犀、苜蓿、大豆經(jīng)pH值4.5培養(yǎng)液處理后根尖質膜H+-ATPase活性分別為對照（pH6.5）的7.70、1.99、1.29倍。低pH對草木犀根尖質膜H+-ATPase活性的影響顯著高于苜蓿和大豆，且大豆受到的影響最小，表明大豆對低pH的抗性最強，而草木犀敏感性最強。endprint

2.2不同豆科作物對低磷脅迫適應性差異

2.2.1低磷脅迫對不同作物生長及磷含量的影響及作物間的差異性由圖3可知，低磷脅迫極顯著抑制了豆科作物的生長。0.05、0.10mmol/L磷處理后，供試作物的生物產(chǎn)量降低17.2%～45.5%。低磷脅迫對苜蓿生長的影響最大，0.05、0.10mmol/L磷處理后的生物量僅為對照的54.5%和73.8%。大豆、草木犀的生長受低磷脅迫的影響較小，低磷脅迫條件下的相對生物產(chǎn)量均高于80%。由此可知，苜蓿對低磷脅迫較敏感，而大豆與草木犀對低磷環(huán)境的適應性較強。

如圖4所示，隨著磷濃度的降低，地上部全磷含量極顯著降低。在0.10和0.05mmol/L磷脅迫下，大豆、草木犀、苜蓿地上部全磷含量相比對照分別減少了22.2%、35.1%、21.6%和35.0%、56.0%、76.4%。低磷脅迫下大豆、草木犀和苜蓿根系中磷含量也顯著減少，而草木犀根系中磷含量在低磷處理間差異不顯著。以上結果暗示苜蓿對極低磷脅迫環(huán)境最敏感。

2.2.2低磷脅迫下根尖H+-ATPase活性及作物間的差異性如圖5所示，低磷脅迫下，大豆、苜蓿、草木犀根尖質膜H+-ATPase活性均顯著提高，分別為對照的1.66、2.33、7.91倍，三種作物根尖質膜H+-ATPase活性增加量大小的順序為草木犀>苜蓿>大豆。由于根系質膜H+-ATPase活性提高常常伴隨著H+分泌，從而有利于介質中無機磷的溶解，上述研究結果暗示草木犀在低磷脅迫下活化溶解和利用土壤中難溶性無機磷或有機磷磷的能力可能較強。

2.3不同豆科作物對鋁毒的敏感性

銷毒害的原初反應部位為根尖，由圖6可知，隨著鋁濃度的增加，根尖染色變深，且不同豆科作物問根尖染色存在差異。草木犀、苜蓿在3μmol/LAlCl3溶液處理下，植株根尖呈現(xiàn)明顯紫色，隨著AlCl3濃度的升高，染色加深，而大豆在3～10μmol/LAlCl3處理后根尖均未染色（圖6）。以上結果表明，大豆耐鋁性明顯強于草木犀和苜蓿。

根系分泌有機酸是植物抵御鋁毒害的有效機制。大豆經(jīng)30μmol/LAlCl3溶液處理后，根系分泌物的HPLC圖譜上有一檸檬酸峰（圖7）。而草木犀和苜蓿根系分泌物中未檢測出蘋果酸或者檸檬酸等有機酸。這些結果進一步暗示，大豆對鋁的抗性較強。

2.4錳毒對不同豆科作物生長的影響

由表1可知，隨著錳脅迫的加重，大豆和苜蓿的地上部、根系生物量均顯著降低，而草木犀無顯著變化。由圖8可知，隨著錳處理濃度的增大，大豆、草木犀、苜蓿地上部和根系的錳含量均顯著增加，且地上部明顯高于根系。50μmol/L錳脅迫下，地上部錳含量約為對照的9.62～12.24倍，根系錳含量為對照的4.95～10.03倍。100μmol/L錳脅迫下，地上部錳含量為對照的15倍以上，其中大豆增加幅度最大，為對照的22.84倍。錳毒脅迫下，三種供試作物中大豆錳含量最高，草木犀次之，苜蓿最低。綜上可知，錳毒對大豆、苜蓿的生長有顯著的抑制作用，而對草木犀的影響較小。

2.5不同豆科作物酸性土壤逆境適應性綜合評價

低pH值、缺磷、鋁毒和錳毒是酸性土壤中植物生長的主要限制因子，且?guī)追N脅迫均阻礙植株的生長。假定酸害、低磷、鋁毒及錳毒等脅迫在協(xié)同毒害作用中影響所占比重一樣，將大豆、草木犀、苜蓿對單一逆境脅迫的忍耐性分為高、中、低三個等級，分別賦值3、2、l，最后將各項得分相加，根據(jù)分值的高低綜合評價大豆、草木犀、苜蓿對酸性土壤逆境的適應能力，結果如表2所示。三種豆科作物酸性土壤逆境綜合適應性順序為：大豆>草木犀>苜蓿。這些結果為進一步研究豆科植物對酸性土壤逆境的抗性機制和酸性土壤豆科作物的布局提供了參考。

3結論與討論

本研究結果表明，不同豆科作物對酸性土壤環(huán)境的適應性有明顯差異，三種作物對低pH值、鋁毒、錳毒及缺磷的適應性大小依次為：大豆>草木犀>苜蓿。

缺磷脅迫下三種豆科作物的生物產(chǎn)量均顯著降低，其中苜蓿的降幅居三者之首，說明苜蓿生長對缺磷脅迫最敏感，而草木犀對低磷脅迫抗性最強。結合三種豆科植物的地上部和根系磷含量結果可推測，苜蓿對低磷脅迫最敏感，主要表現(xiàn)在對磷的吸收及利用能力均最低，而草木犀主要表現(xiàn)在對磷的利用能力最強。許多研究報道，大豆、菜豆等植物在低磷脅迫下能分泌質子、小分子有機酸、氨基酸等物質提高磷的有效性[10，11]。本研究顯示，低磷脅迫下三種豆科植物根尖H+-ATPase活性均有很大程度的提高，且草木犀根尖H+-ATPase活性提高最多，這暗示植株根尖分泌質子能力的差異可能是三種豆科植物應對低磷脅迫的抗性/敏感性具有顯著差異的主要原因。

鋁毒也是酸性土壤中主要限制因子，植株受到鋁毒害的原初部位是根系，根系對鋁的忍耐性指示著植物耐鋁性的強弱[12]。本研究表明，草木犀、苜蓿在3μmol/L鋁脅迫下，根尖積累了大量Al3+，根生長受到嚴重影響。且隨著鋁處理濃度的增大，草術犀根尖鋁含量顯著增加，而苜蓿根尖鋁增加趨勢稍緩慢，只在10μmol/L鋁處理下，根尖鋁含量才顯著增加。而大豆根尖吸收鋁很少而未受到傷害，且通過有機酸測定發(fā)現(xiàn)唯有大豆明顯分泌有機酸。這些結果顯示三種供試作物中大豆具有較強的鋁毒抗性，而根尖分泌檸檬酸可能是大豆具有較強耐鋁能力的一種有效機制。

錳是植株生長必需的微量元素之一，它的缺少或者過量都會對植物產(chǎn)生危害[3]，酸性土壤上常發(fā)生錳中毒。錳毒害癥狀最先在地上部較老器官中觀察到，不同的豆科作物出現(xiàn)錳毒害的時間和癥狀有差異。過量的錳不同程度抑制植株生長，在Mn2+濃度為50～100μmol/L時，大豆、苜蓿的生長受到顯著抑制，且錳對地上部的抑制作用更大，而草木犀對錳的過量有著較強的抵抗能力，生長沒有受到顯著抑制。錳脅迫下植株錳含量顯著升高，且主要累積在地上部，50、100μmol/L錳條件下大豆根系錳含量顯著高于草木犀、苜蓿。這些結果表明植株地上部、根系對錳的吸收、分布和累積決定了過量的錳對植株生物性狀和生長的影響，根系大量積累錳可能是植株適應酸性土壤中錳毒害的一種途徑。endprint