于 波,劉晶晶,田 歌,王 芬,葛順峰,姜遠(yuǎn)茂

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018

由于氮、磷肥的投入過量及有機(jī)肥投入不足，果園土壤酸化現(xiàn)象嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道，目前我國酸化土壤面積已占國土面積的20%以上，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，酸化面積和程度逐漸增加[1]。土壤酸化后，土壤中的H+與鋁發(fā)生置換，形成可溶性的活性鋁[2]，通常毫微摩爾濃度水平的鋁在短時(shí)間內(nèi)即可影響許多作物的生長[3]。鋁脅迫已成為公認(rèn)的制約酸性土壤作物生產(chǎn)的主要因素之一[4]。

目前關(guān)于鋁脅迫影響農(nóng)作物的生長已有較多報(bào)道，如有研究表明，鋁脅迫會(huì)影響大豆、小麥和早稻的生物量、產(chǎn)量和吸氮量[5,6]，前期研究證實(shí)鋁脅迫使大豆積累了大量的脯氨酸、可溶性糖和丙二醛，且不同品種在鋁脅迫的表現(xiàn)性狀方面存在差異[7]。大量研究表明，鋁影響作物對(duì)磷的吸收和代謝，其與磷在根表或質(zhì)外體發(fā)生吸附—沉淀反應(yīng)，減少了磷進(jìn)入根內(nèi)以及向地上部的運(yùn)輸[8]。農(nóng)作物受鋁脅迫后與脂肪、蛋白質(zhì)和核酸結(jié)合的磷顯著減少，己糖的磷酸化作用明顯受到抑制[9]。鋁脅迫通過抑制玉米根系對(duì)K+的吸收,降低根系和地上部鉀的含量[10]。有研究認(rèn)為鋁脅迫通過促進(jìn)小麥根尖細(xì)胞壁木質(zhì)素合成，加快細(xì)胞的木質(zhì)化，細(xì)胞壁延展性變小，從而抑制細(xì)胞的伸長，減小根的生長[11]。目前有關(guān)供鋁水平對(duì)植物生長發(fā)育影響的研究主要集中在玉米、水稻等對(duì)鋁敏感型作物上[12,13]，側(cè)重于從作物產(chǎn)量及作物養(yǎng)分含量角度進(jìn)行闡述[14,15]，在果樹生長及對(duì)葉片生理生化性質(zhì)性質(zhì)影響的研究甚少，且在蘋果砧木上的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以一年生蘋果砧木平邑甜茶為試驗(yàn)材料，研究不同供鋁水平下鋁對(duì)平邑甜茶幼苗根、葉生長及生理生化性質(zhì)的影響，測(cè)定不同供鋁水平下平邑甜茶幼苗的生物量、（根系長度、根系總面積、根尖數(shù)）根系形態(tài)指標(biāo)、葉片中葉綠素含量、葉片凈光合速率、過氧化氫含量、根系氧化力及游離脯氨酸等指標(biāo)，為揭示砧木生長與供鋁水平的關(guān)系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年3～8月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗(yàn)站及國家蘋果工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。以一年生平邑甜茶幼苗為試材，在3月上旬將層積好的種子播于穴盤中，正常溫濕度管理，至幼苗長出三片真葉時(shí)，選取生長均勻一致的幼苗移栽到裝滿石英砂的盆中，石英砂用前已洗凈晾干。移栽后緩苗1周，期間澆灌去離子水。緩苗后采用Han等營養(yǎng)液配方作為基本營養(yǎng)液，先用1/2濃度Hoagland營養(yǎng)液預(yù)處理澆灌一周，之后用Hoagland完全營養(yǎng)液澆灌，每3 d 1次。緩苗生長1周后進(jìn)行鋁處理，試驗(yàn)所用的鹽為AlCl3，設(shè)置0、50、75、100、125、150、200 μmol/L7個(gè)Al3+濃度試液(分別以 T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6 表示)，每個(gè)處理重復(fù)10 盆，每盆 4株。其它大量元素(Ca(NO3)25 mmol·L-1、KNO35 mmol·L-1、KCl 5 mmol·L-1、MgSO42.5 mmol·L-1、EDTA-Fe 0.2 mmol·L-1)以及微量元素(MnSO4、CuSO4、H3BO3、H2MoO4)濃度與正常Hoagland營養(yǎng)液相同。每7 d更換1次營養(yǎng)液，處理3周后測(cè)定平邑甜茶幼苗根系和葉片的各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 植株解析樣品測(cè)定方法 將植株解析成根、莖、葉三部分，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，用千分之一電子天平稱量各器官的干物質(zhì)量。

1.2.2 根系形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定 根系經(jīng)清水沖洗后用透射掃描儀(ESPON Perfection V750)對(duì)根系樣品進(jìn)行掃描，獲取平邑甜茶整株根系圖像，再利用WinRHIZO根系分析軟件進(jìn)行根系長度、根系總表面積、根尖數(shù)分析。

1.2.3 葉片及根生理生化指標(biāo)的測(cè)定 葉片葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素采用分光光度法，葉片中過氧化氫含量采用硫酸鈦分光光度法，葉片游離脯氨酸用酸性茚三酮顯色法，根系氧化力α－萘胺法

1.2.4 凈光合速率（Pn）的測(cè)定 用CIRAS-1便攜式光合儀測(cè)定系統(tǒng)（PPSystems，英國）直接測(cè)定凈光合速率，參數(shù)設(shè)定參照梁芳等（2010）。每次測(cè)定3次重復(fù)，取平均值。測(cè)定時(shí)設(shè)定內(nèi)源光強(qiáng)450 μmol·m-2·s-1，CO2濃度 360 μL·L-1，溫度 25 ℃。測(cè)定時(shí)間為 9:00～11:00。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)單因素試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供鋁水平下平邑甜茶生物量

不同濃度鋁處理對(duì)平邑甜茶生物量的影響由表1所示，T0（0 μmol/L）處理時(shí)，平邑甜茶生物量最高，其根、莖、葉分別為2.12 g、1.83 g、2.95 g；T6（200 μmol/L）處理時(shí)，平邑甜茶生物量最低，分別為1.35 g、1.26 g、2.05 g，僅為T0（0 μmol/L）處理的0.64倍、0.69倍、0.71倍。從T0處理到T6處理，隨著鋁濃度的遞增，平邑甜茶的生物量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，且不同濃度鋁處理平邑甜茶各器官生物量均呈現(xiàn)出葉＞根＞莖的趨勢(shì)。

2.2 不同供鋁水平下平邑甜茶根系形態(tài)指標(biāo)

如表2所示，平邑甜茶幼苗根系總長度、根系總表面積及根尖個(gè)數(shù)受供鋁水平的影響較為顯著。其中在低鋁（T0-T1）水平下，平邑甜茶幼苗根系長度、根系總表面積較大，且根尖數(shù)較多；隨著鋁濃度的增加，平邑甜茶根系生長受到抑制，其根系長度、根系總表面積及根尖數(shù)均顯著下降，且在T6（200 μmol/L）處理時(shí)達(dá)到最低，其根系長度、根系總表面積及根尖數(shù)分別是T0處理時(shí)0.54倍、0.34倍、0.14倍。

表1 不同供鋁水平對(duì)平邑甜茶各器官生物量的影響Table 1 Effect of different aluminum supply level on the biomass of different organs in Malus hupehensis Rehd

表2 不同供鋁水平下平邑甜茶根系形態(tài)指標(biāo)Table 2 Root morphology indexes of Malus hupehensis Rehd seedlings on different aluminum supply level

2.3 不同供鋁水平對(duì)平邑甜茶幼苗葉片葉綠素含量的影響

不同濃度鋁水平對(duì)平邑甜茶幼苗葉片葉綠素含量的影響由表3所示，從表3可以看出，T0（0 μmol/L）處理下，葉片中的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量最高，分別為0.748 mg/g、0.612 mg/g、1.36 mg/g，T6（200 μmol/L）處理時(shí)，葉片中的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量最低，僅為T0（0 μmol/L）處理的0.46倍、0.39倍、0.43倍，T0～T6處理下，隨著鋁處理濃度的增加，葉片中的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且各處理間差異較為顯著。鋁處理濃度越大，葉片中的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素含量與T0（0 μmol/L）相比下降越明顯。

2.4 不同供鋁水平對(duì)平邑甜茶幼苗葉片凈光合速率的影響

由表3可見，不同供鋁水平顯著影響了平邑甜茶幼苗葉片凈光合速率。T0（0 μmol/L）和T1（50 μmol/L）處理葉片凈光合速率較高，隨著供鋁水平的提高，葉片凈光合速率顯著降低。T6（200 μmol/L）處理葉片凈光合速率最低，僅為T0（0 μmol/L）處理的0.45倍。

表3 不同供鋁水平下平邑甜茶葉片葉綠素含量及葉片凈光合速率Table3 Chlorophyll content and leaf net photosynthetic rate ofMalus hupehensisRehd at different aluminum supply levels

2.5 不同供鋁水平對(duì)平邑甜茶幼苗葉片脯氨酸含量的影響

由表4可見，供鋁水平顯著影響了平邑甜茶幼苗葉片脯氨酸的含量，T0（0 μmol/L）和T1（50 μmol/L）處理葉片的脯氨酸含量較低，隨著供鋁水平的進(jìn)一步升高，平邑甜茶幼苗葉片的脯氨酸含量顯著增加，且供鋁水平越高，增加的幅度越大，T6處理的脯氨酸含量為T0處理的4.98倍。

2.6 不同供鋁水平對(duì)平邑甜茶幼苗根系氧化力的影響

采用α－萘胺法檢測(cè)根系氧化力，用α－萘胺氧化量來檢測(cè)根系氧化力，結(jié)果見表4。由表4可見，不同供鋁水平下平邑甜茶幼苗根系氧化力存在顯著差異，T0（0 μmol/L）處理時(shí)平邑甜茶幼苗根系氧化力最高，為 49.15(μg·g-1·h-1）。隨著供鋁水平的提高，根系氧化力逐漸降低，T6（200 μmol/L）處理下根系氧化力最低，僅為T0（0 μmol/L）處理的0.21倍。

表4 不同供鋁水平下平邑甜茶葉片脯氨酸含量及根系氧化力Table 4 Proline content and root oxidizing power of Malus hupehensis Rehd at different aluminum supply levels

3 討 論

由于物種本身遺傳特性和抗逆境脅迫能力不同，每個(gè)物種對(duì)其生存環(huán)境的要求均有差異，只有在最適生存環(huán)境下植株的各項(xiàng)生理機(jī)能才會(huì)處于最佳狀態(tài)，有研究發(fā)現(xiàn)水稻在pH6.0的條件下生長最好[16]，而金銀花在pH8.3的條件下才能正常生長[17]。本研究結(jié)果表明，不同供鋁水平顯著影響平邑甜茶幼苗的生長，各器官生物量隨供鋁水平的提高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且供鋁濃度越高，各器官的生物量下降幅度越明顯。一方面，高鋁環(huán)境下根系生長受到抑制，且根系活力和硝酸還原酶活性下降，根系吸收功能降低，不利于根系對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，進(jìn)而影響地上部的生物合成[18,19]；另一方面，高鋁濃度條件下體內(nèi)機(jī)能受損，營養(yǎng)物質(zhì)消耗速度高于合成速度，也是導(dǎo)致地上部生物量的降低的原因之一[20]。

根系構(gòu)型作為植株地下部器官的關(guān)鍵形態(tài)特征，是指同株植物不同功能、不同特征的根在外界環(huán)境中的空間結(jié)構(gòu)，其通過復(fù)雜的交錯(cuò)分布決定了植株整個(gè)根系在外界環(huán)境中的吸收面積[21]。根系是吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，較好的根系分布是保障植株地上部營養(yǎng)器官正常生長的關(guān)鍵因子[22]。在本試驗(yàn)中，供鋁水平對(duì)平邑甜茶幼苗根系長度、根系總表面積及根尖個(gè)數(shù)的影響較為顯著，且隨著供鋁水平的提高，平邑甜茶幼苗的根系長度、根系總表面積及根尖個(gè)數(shù)均顯著降低。前人研究證實(shí)在供鋁水平較高條件下根系生長受到抑制，根系形態(tài)發(fā)生改變，根系活力降低，從而造成根對(duì)水分及養(yǎng)分吸收能力變?nèi)酰罱K導(dǎo)致植物生長發(fā)育受限制[11]。

植物進(jìn)行光合作用不僅為自身的生長發(fā)育提供能量，光合產(chǎn)物也可以轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)等儲(chǔ)存。葉綠素含量下降對(duì)植物最大的影響就是降低光合作用速率和質(zhì)量[19]。植物葉片直接處于逆境脅迫時(shí)會(huì)發(fā)生膜脂過氧化[23,24]，改變?nèi)~片葉綠素?zé)晒鈪?shù)，破壞植物光合系統(tǒng)，導(dǎo)致葉片光合速率下降[25,26]。本試驗(yàn)中不同供鋁水平顯著影響了平邑甜茶葉片葉綠素含量及葉片凈光合速率，隨著鋁濃度的升高，葉片的凈光合速率顯著下降，在T6處理時(shí)，葉片凈光合速率僅為T0處理的0.45倍，且與對(duì)照相比，在同一供鋁水平下，葉綠素a比葉綠素b下降趨勢(shì)更為明顯，說明葉綠素a比葉綠素b對(duì)鋁更為敏感，這種敏感性與肖祥希等[27]的研究結(jié)果一致。這種隨著鋁濃度的升高，平邑甜茶葉片葉綠素含量及葉片凈光合速率呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢(shì)與李春雷等[28]研究茶樹葉綠素含量對(duì)鋁脅迫的響應(yīng)結(jié)果，程永生等[29]研究鋁脅迫下鳶尾的葉綠素和類胡蘿卜含量影響結(jié)果以及鄭陽霞等[30]研究鋁脅迫對(duì)西瓜幼苗葉片葉綠素的影響結(jié)果類似。葉綠素含量下降可能有兩方面原因造成：一是鋁毒抑制根系對(duì)鎂離子的吸收，導(dǎo)致葉綠素合成受阻[31]；二是鋁毒脅迫下細(xì)胞質(zhì)中自由基的大量累積破壞葉綠體膜結(jié)構(gòu)，加速葉綠體的分解[32]。

植物葉片中脯氨酸含量的高低通常作為植物受到脅迫的一種信號(hào)，可以通過脯氨酸含量的變化來判斷植物是否受到干旱、重金屬、高溫等逆境的毒害。當(dāng)植物受到各種逆境脅迫時(shí)，自身就會(huì)產(chǎn)生抗脅迫的機(jī)制，脯氨酸可以通過調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的滲透勢(shì)來提高植物的抗脅迫能力[2]。與此同時(shí)，植物在逆境下植物根系氧化力降低，導(dǎo)致根系各種氧化反應(yīng)的不能順利進(jìn)行，不利于根系自身的生長和發(fā)育，從而影響地上部營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而對(duì)植株生長產(chǎn)生危害[33]。在本試驗(yàn)中，葉片中脯氨酸的含量隨著供鋁水平的提高而增加，且不同處理間差異顯著，表明鋁脅迫使平邑甜茶幼苗葉片中脯氨酸積累，脯氨酸提高的幅度隨著鋁脅迫濃度的增加而上升，表明供鋁水平越高，對(duì)葉片的毒害作用越大。用α－萘胺氧化量來表示根系氧化力，在本試驗(yàn)中，供鋁水平的提高使得平邑甜茶幼苗根系氧化力呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，且降低幅度隨鋁處理濃度的增加而增大，嚴(yán)重影響根系對(duì)水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進(jìn)而影響整個(gè)植株的生長。

綜上所述，不同供鋁水平顯著影響了平邑甜茶幼苗的生長及葉片理化性質(zhì)，通過抑制根系的生長，削弱砧木對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而影響砧木的生長；同時(shí)葉片中葉綠素含量與光合速率的下降，導(dǎo)致光合產(chǎn)物在地上部和地下部之間的交換能力減弱，從而減少了根系生長發(fā)育所需的碳水化合物，進(jìn)而影響砧木的生長。砧木作為蘋果嫁接技術(shù)中的關(guān)鍵因素，試驗(yàn)明確了平邑甜茶幼苗生長及葉片理化性質(zhì)對(duì)供鋁水平的響應(yīng)機(jī)制，為后續(xù)果樹耐酸鋁生理生化機(jī)制和砧木遺傳改良研究提供依據(jù)。