泡桐幼苗對鋁脅迫的生理響應

劉 森，李 鵬，李春華，吳立潮，1b，涂 佳

（1.中南林業科技大學 a.水土保持與荒漠化防治實驗室；b.經濟林育種與栽培教育部重點實驗室，湖南 長沙 410004；2.湖南省林業科學院，湖南 長沙 410005）

泡桐Paulownia是我國特有的落葉闊葉樹種之一，生長迅速，與桉樹Eucalyptus robusta、麻瘋樹Jatropha carcas一起，并稱為世界三大速生樹種[1]。在重金屬污染日益嚴重的今天，鋁污染嚴重制約人工林的生產，泡桐作為重要的木材供應樹種，也飽受鋁毒污染的困擾，因而研究鋁脅迫條件下泡桐生理指標變化也就變得尤為重要。

南方土壤呈酸性，富含鐵鋁元素，這種情況在湖南境內表現更為突出，分布廣泛的第四紀紅壤其中的鋁含量相比其他較高。研究表明，土壤中的低濃度鋁元素可以促進茶樹發育[2]，張文浩[3]的研究結果表明低濃度鋁可以活化小麥根系促進其生長發育。胡文俐等[4]發現山蒼子可以有效改善金屬污染的土壤，對脅迫具有較強抗性。王偉等[5]的研究表明鋁濃度過高會使小麥生長量急劇下降，根系周圍鋁、磷元素不斷累積。孫文君[6]的研究表明低濃度鋁對苜蓿幼苗生長有促進作用，過高濃度則會抑制。楊野等[7]發現鋁脅迫會抑制小麥光合作用的進行。王建林的研究表明鋁脅迫會抑制水稻對氮、鉀元素的吸收，主要作用機制為磷鋁結合形成沉淀阻礙根系吸收營養元素[8]。大量研究表明鋁脅迫會破壞細胞膜質透性，使細胞膜功能降低甚至喪失[9]。

9501 泡桐作為一種具備發展潛力的新型速生樹種，本土白花泡桐在鋁脅迫下的反應差異是目前生產上急需明確的問題。本文采用培養法測定生理指標，從而分析9501 泡桐和白花泡桐在不同濃度鋁脅迫條件下生理指標變化規律。我們提出如下假設：1）9501 泡桐和白花泡桐在鋁脅迫條件下生理指標的差異及變化趨勢是怎樣？ 2）9501 泡桐和白花泡桐的鋁脅迫可適濃度為多少？3）9501 無性系品種對鋁脅迫抗性是否優于白花泡桐？本研究具體為：1）9501 泡桐和白花泡桐在不同鋁濃度條件下生理指標的響應特點；2）9501 泡桐和白花泡桐對于鋁脅迫的抗特征。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗選取來自湖南湘陰中桐林業有限公司試驗基地的3年生9501 泡桐無性系品種（由國家林業局泡桐研究開發中心選育）以及白花泡桐（湖南本地白花泡桐）2 種泡桐的根插幼苗作為供試 材料。

1.2 試驗設計

挑選大小基本一致的兩種3年生泡桐新鮮根（9501 和白花）各18 株，于2018年4月1日放入裝有珍珠巖的育苗盤（20 cm×20 cm）中，待幼苗第一片葉完全展開后移栽入盆中，每種泡桐設置3 盆同一濃度的平行樣本，每盆進行相應的編號，采用相同配比（沙:珍珠巖=1:1）相同質量（8 kg）的沙土種植，且每株所用盆的型號相同（30 cm×30 cm×20 cm），隨機布置于大棚（室溫22 ℃，濕度70%）內，最開始用1/3 Hoagland營養液澆灌，待植株到達五葉期時進行脅迫處理。該試驗一共設置6 種鋁毒濃度梯度（表1），依據湖南土壤鋁元素含量確立鋁脅迫施用濃度，第四紀紅壤中的鋁含量為0.08 g/g，故此將濃度劃分為輕度脅迫（0.3 mmol/L）、中度脅迫（0.6、0.9 mmol/L）和重度脅迫（1.2、2.4 mmol/L）3種水平，分別含鋁0.1、0.2、0.3、0.4 和0.8 g/g（鋁源試劑選取的是上海試劑廠生產的分析純六水氯化鋁（AlCl3·6H2O），配置0.5 L 溶液，每個梯度依次添加0、36.225、72.45、108.675、144.9 和289.8 g）。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatment

試驗從2018年4月12日開始，整個周期持續60 d，每3 d 進行一次澆水，以Hoagland 培養液作為基底液，按照不同濃度設計添加AlCl3溶液，每株澆水150 mL，每次澆水記錄下幼苗生長狀況。同時，從開始脅迫后的30、60 d 分別采集各處理的泡桐葉片，用于測定生理指標，每個處理選取3個平行樣本，取測定平均值作為最終結果。

1.3 測定指標及方法

植物體的全氮、全磷以及全鉀采用硫酸-過氧化氫消煮法測定[10]；植物體的鈣、鎂、鐵、鋅以及銅元素采用硝酸-高氯酸消煮的方法測定[11]；植物的硫元素采用硝酸-高氯酸-鹽酸消煮法測定[12]。

植物的可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[13]，游離脯氨酸含量采用茚三酮顯色法進行測定[14]，超氧化物歧化酶活性采用氮藍四唑（NBT）光化還原法測定[15]，丙二醛含量采用TBA 顯色法測定[16]，過氧化物酶活性采用愈創木酚法進行測定[17]，葉綠素含量采用丙酮提取之后運用分光光度計測定的方法[18]，電導率采用干燥水浴后運用電導儀測定的方法[19]。

1.4 統計分析

采用SPSS 18.0 進行單因素方差分析，選擇最小顯著性差異法（LSD 法）進行均值多重比較，繪圖使用的是Origin 8.1。

2 結果與分析

2.1 鋁脅迫對不同種泡桐葉綠素含量的影響

在無脅迫條件下9501 泡桐的葉綠素含量略高于白花泡桐；當施用鋁脅迫時，兩種泡桐的葉綠素含量呈現出隨著鋁濃度先增加后減少的趨勢。結果表明，鋁脅迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的葉綠素含量最大增幅分別為2.5%、9.2%，最大降幅分別為26.3%、29.1%，白花泡桐變化幅度大于9501 泡桐（圖1）；鋁脅迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐葉綠素含量最大增幅分別為7.8%、12.1%，最大降幅分別為21.5%、30.3%，白花泡桐變化幅度大于9501 泡桐（圖2）。兩種泡桐葉綠素含量在30 d 時輕度、中度脅迫下差異顯著（P＜0.05），重度脅迫條件下差異不顯著（P＞0.05）；鋁脅迫達到60 d 時，各濃度下兩種泡桐葉綠素含量差異顯著（P＜0.05）。

2.2 鋁脅迫對不同種泡桐丙二醛含量的影響

無脅迫30 d 時9501 泡桐丙二醛含量低于白花泡桐，60 d 時則相反；當施用鋁脅迫時，兩種泡桐的丙二醛含量呈現出隨著鋁濃度增加不斷增加的趨勢。實驗結果表明，鋁脅迫30 d 時，白花泡桐的丙二醛含量略高于9501 泡桐，增幅分別為10.4%、7.9%（圖3）；而脅迫達到60 d 時，9501泡桐在低脅迫程度丙二醛含量高于白花泡桐，增幅分別為7.9%、13.3%（圖4）。兩種泡桐丙二醛含量在30 d 時重度脅迫下差異顯著（P＜0.05）；鋁脅迫達到60 d 時，各濃度下兩種泡桐丙二醛含量差異顯著（P＜0.05）。

圖1 鋁脅迫30 d 對不同種泡桐葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of aluminum stress on chlorophyll contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

圖2 鋁脅迫60 d 對不同種泡桐葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of aluminum stress on chlorophyll contents in leaves of different P.fortune after aluminum stress 60 d

2.3 鋁脅迫對不同泡桐電導率的影響

在無脅迫條件下9501 泡桐的電導率略高于白花泡桐；當施用鋁毒脅迫時，兩種泡桐的電導率呈現出隨著鋁毒濃度增加逐漸增加的趨勢。結果表明，鋁脅迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的電導率增幅分別為14.9%、17.5%（圖5）；鋁脅迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐電導率增幅分別為20.4%、24.4%（圖6）。兩種泡桐電導率在30 d 時差異顯著（P＜0.05）；鋁脅迫達到60 d 時，各濃度下兩種泡桐電導率差異顯著（P＜0.05）。

圖3 鋁脅迫30 d 對不同種泡桐丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of aluminum stress on MDA contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

圖4 鋁脅迫60 d 對不同種泡桐丙二醛含量的影響Fig.4 Effects of aluminum stress on MDA contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

2.4 鋁脅迫對不同種泡桐SOD 活性的影響

在無脅迫條件下9501 泡桐的SOD 活性略高于白花泡桐；當施用鋁毒脅迫30 d 時，兩種泡桐的SOD 活性呈現出隨著鋁毒濃度增加逐漸增加的趨勢，60 d 時SOD 的活性則隨著鋁濃度增加先增加后減小。實驗結果表明，鋁脅迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的SOD 活性增幅分別為24.2%、26.9%（圖7）；鋁脅迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐的SOD 活性增幅分別為29.7%、36.6%，降幅分別為15.6%、24%（圖8）。兩種泡桐SOD 活性在30 d 時1.2 mmol/L 差異不顯著（P＞0.05）；鋁脅迫達到60 d 時，各濃度下兩種泡桐葉綠素含量差異顯著（P＜0.05）。

圖5 鋁脅迫30 d 對不同種泡桐電導率的影響Fig.5 Effects of aluminum stress on conductivities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

圖6 鋁脅迫60 d 對不同種泡桐電導率的影響Fig.6 Effects of aluminum stress on conductivities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

2.5 鋁脅迫對不同種泡桐POD 活性的影響

在無脅迫條件下9501 泡桐的POD 活性高于白花泡桐；當施用鋁毒脅迫時，兩種泡桐的POD活性呈現出隨著鋁毒濃度增加逐漸增加的趨勢。結果表明，鋁脅迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的POD 活性增幅分別為75.4%、77.9%（圖9）；鋁脅迫60 d，泡桐POD 活性增幅分別為25.3%、37.8%（圖10）。兩種泡桐POD 活性在30 d 時差異顯著（P＜0.05）；鋁脅迫達到60 d 時，各濃度下兩種泡桐POD 活性差異顯著（P＜0.05）。

圖7 鋁脅迫30 d 對不同種泡桐SOD 活性的影響Fig.7 Effects of aluminum stress on SOD activities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

圖8 鋁脅迫60 d 對不同種泡桐SOD 活性的影響Fig.8 Effects of aluminum stress on SOD activities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

圖9 鋁脅迫30 d 對不同種泡桐POD 活性的影響Fig.9 Effects of aluminum stress on POD activities in leaves of different P.fortune after aluminum stress 30 d

圖10 鋁脅迫60 d 對不同種泡桐POD 活性的影響Fig.10 Effects of aluminum stress on POD activities in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

2.6 鋁脅迫對不同泡桐游離脯氨酸含量的影響

結果表明，在無脅迫條件下9501 泡桐的游離脯氨酸含量略低于白花泡桐；當施用鋁毒脅迫時，兩種泡桐的游離脯氨酸含量呈現出隨著鋁毒濃度增加不斷減少的趨勢。實驗結果表明，鋁脅迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的游離脯氨酸含量降幅分別為17.1%、18%（圖11）；鋁脅迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐游離脯氨酸含量降幅分別為9.7%、15.5%（圖12）。兩種泡桐游離脯氨酸含量在30 d時重度脅迫條件下差異不顯著（P＞0.05）；鋁脅迫達到60 d 時，各濃度下兩種泡桐游離脯氨酸含量差異顯著（P＜0.05）。

圖11 鋁脅迫30 d 對不同種泡桐游離脯氨酸含量的影響Fig.11 Effects of aluminum stress on Pro contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

2.7 鋁脅迫對不同泡桐可溶性糖含量的影響

研究結果表明，在無脅迫條件下9501 泡桐的可溶性糖含量略高于白花泡桐；當施用鋁脅迫時，兩種泡桐的可溶性糖含量呈現出隨著鋁毒濃度增加逐漸增加的趨勢。結果表明，鋁脅迫30 d，9501 泡桐和白花泡桐的可溶性糖含量增幅分別為12.2%、24.4%（圖12）；鋁脅迫60 d，9501 泡桐和白花泡桐可溶性糖含量增幅分別為13.4%、15.1%（圖13）。兩種泡桐可溶性糖含量在脅迫30 d 時差異顯著（P＜0.05）；鋁脅迫達到60 d時，各濃度下兩種泡桐可溶性糖含量差異不顯著（P＞0.05）。

圖12 鋁脅迫30d 對不同種泡桐可溶性糖含量的影響Fig.12 Effects of aluminum stress on soluble sugar contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 30 d

圖13 鋁脅迫60d 對不同種泡桐可溶性糖含量的影響Fig.13 Effects of aluminum stress on soluble sugar contents in leaves of different P.fortunei after aluminum stress 60 d

2.8 不同濃度鋁脅迫對泡桐幼苗營養元素的影響

兩種泡桐幼苗的植株營養元素含量變化顯著。兩種泡桐的TN、TK、Ca 和Zn 含量隨著脅迫濃度的增加而降低，降幅分別為11.6%、9.8%、1%、39.1%；而TP 表現出相反的規律，增幅為31.3%；S、Fe 和Cu 的含量變化隨著鋁脅迫濃度的增加沒有顯著差異。在同一鋁脅迫條件下9501 泡桐與白花泡桐的差異顯著，兩類泡桐的營養元素變化趨勢大致相同，其中TN、TK、Ca 和Zn 元素在輕度脅迫、中度脅迫以及重度脅迫3 種程度下差異顯著（P＜0.05）。TP 隨著鋁濃度的增加而增加，且3 種脅迫程度之間差異顯著（P＜0.05）。

在相同濃度的鋁脅迫條件下，兩種泡桐各主要元素之間的差異顯著（P＜0.05）。其中，TN、S 以及Fe 元素在兩種泡桐之間差異顯著，TP、Ca 和Zn 元素在0.3 mmol/L 以下差異顯著，Cu 元素差異不顯著。兩種泡桐幼苗各元素含量在0.3 mmol/L 與對照組無顯著差異，在2.4 mmol/L時差異最大（表2）。

3 討 論

鋁脅迫對植物的毒害以及植物對鋁毒的響應是一個相當復雜的生理過程，關于這一過程的研究需要與植物生長所需的營養元素、生理特性結合起來。

3.1 不同濃度鋁脅迫對泡桐幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素作為植物進行光合作用最重要的色素，是植物自身生長發育的重要物質基礎[20]。而在之前的研究中，逆境脅迫條件下的植物體內的葉綠素含量會產生大幅度降低[21]，葉綠體發育過程受阻，光合效率降低，最終導致植物生長停滯甚至死亡。張盛楠等[22]的研究表明，馬尾松在中低鋁濃度下促進葉綠素的增加，高濃度則降低，本試驗與之結果一致。本試驗中中度脅迫是兩類泡桐的葉綠素含量可適濃度，當脅迫程度增加到重度，葉綠素含量大幅下降，說明在這一階段葉片細胞受到較為嚴重的破壞，葉綠體膜破裂，葉綠素流失，影響泡桐幼苗的正常生長發育。從30～60 d，9501 泡桐的降低幅度低于白花泡桐，說明9501 泡桐的逆境抗性更強?？偠灾?，過高的鋁濃度會造成泡桐幼苗的生長受阻，葉綠素含量顯著降低。

3.2 不同濃度鋁脅迫對泡桐幼苗傷害指標的影響

細胞膜是阻隔外部物質隨意進出細胞的屏障，對維持細胞穩定具有很強的現實意義。在逆境環境下，細胞內代謝平衡遭到破壞，進而損傷細胞膜系統。劉翠[23]的研究結果表明杉木隨著鋁脅迫濃度的增加MDA 的含量也在不斷增加，這與本研究結果具有相同結論。結果表明，兩種泡桐在鋁脅迫程度不斷增加的過程中，MDA 的含量也在不斷增加，反映出鋁脅迫對泡桐幼苗的細胞膜損害也在逐步加重。隨著脅迫時間的延長，兩類泡桐幼苗的MDA 含量也在不斷增長，且白花泡桐的增長量大于9501 泡桐，說明白花泡桐的細胞膜抵御脅迫破壞的能力低于9501 泡桐。綜上所述，白花泡桐的細胞膜逆境抗性低于9501 泡桐。逆境條件下的植物電導率會受到較大影響，研究表明植物的膜透性會出現異常，內部電解質流失。本試驗中，泡桐幼苗的電導率隨著鋁毒濃度的增加不斷上升，且白花泡桐的增長幅度大于9501 泡桐，說明白花泡桐的細胞膜逆境抗性低于9501 泡桐。同時，在兩類泡桐之間，在前兩個脅迫程度下，9501 泡桐的電導率高于白花泡桐，在重度脅迫程度下，白花泡桐的電導率高于9501 泡桐。且隨著脅迫時間延長，泡桐幼苗的電導率也不斷升高。因而，9501 泡桐細胞膜逆境抗性方面優于白花泡桐。

表2 不同鋁脅迫濃度對泡桐幼苗植株營養元素的影響?Table 2 Effects of different aluminum stress concentrations on nutrient elements of P.fortune root seedlings

3.3 不同濃度鋁脅迫對泡桐幼苗抗氧化酶活性的影響

逆境條件下除了對植物體細胞膜系統的破壞，還會通過植物體內形成的抗氧化酶保護系統，以消除活性氧積累對植物體的損害。超氧化物歧化酶（SOD）是保護酶中最為重要的外部防御，將毒性降低并產生過氧化氫。孫境蔚等[24]發現常綠楊的抗氧化酶活性出現先增后減趨勢，這在本實驗中呈現不一致的結果。在本試驗中，泡桐幼苗中的SOD 含量呈現較為明顯的上升趨勢，而對于 60 d 時SOD 含量的大幅度下降，可能是植物代謝平衡紊亂，植物體內的膜系統造成不可逆的損傷。從脅迫處理的時間來看，鋁脅迫施用時間越長，泡桐幼苗的SOD 含量越高。兩種泡桐對比來看，9501 泡桐的SOD 抗性優于白花泡桐。泡桐幼苗中的POD 含量在兩個階段均呈現增長趨勢，且30 d時，中度脅迫和重度脅迫之間增幅最大，這一階段POD 含量甚至高于之后的60 d，體現出重度脅迫對于泡桐幼苗的代謝平衡損傷最大，且隨著脅迫時間的延長，3 種脅迫程度之間差異性被拉近，但依舊顯著。兩種泡桐之間的對比，9501 泡桐的POD 抗性優于白花泡桐。綜上所述，9501 泡桐在抵御氧化物對細胞損害的抗性優于白花泡桐。

3.4 不同濃度鋁脅迫對泡桐幼苗滲透調節物質含量的影響

植物細胞膜完整性遭到破壞后，細胞內可溶性物質外流，細胞原有的功能區域性損害，研究發現甘薯體內一般利用積累脯氨酸、可溶性糖等來對抗逆境環境[25-26]。本試驗中的游離脯氨酸呈現出隨鋁毒濃度升高含量逐步降低的趨勢，可能是鋁脅迫對于細胞膜蛋白質部分的破壞更為嚴重，泡桐幼苗的細胞膜蛋白對鋁的耐受力較低。隨著脅迫時間的增加，游離脯氨酸含量會降低，說明泡桐幼苗細胞膜受到破壞程度加劇。兩類泡桐之間相比，9501 泡桐游離脯氨酸含量降低幅度低于白花泡桐。兩種泡桐幼苗在脅迫條件下可溶性糖含量不斷增加，反映出與游離脯氨酸相同的規律，泡桐幼苗細胞膜遭到破壞，且隨著脅迫程度分為三個層次顯著增加。兩種泡桐之間，9501 泡桐的游離脯氨酸增加幅度低于白花泡桐。而在時間尺度上，兩種泡桐的可溶性糖含量隨著脅迫時間的延長而增加。

3.5 不同濃度鋁脅迫對泡桐幼苗營養元素含量的影響

植物體內的營養元素作為植物生長的重要營養來源，對植株生長起著至關重要的作用[27]。氮、磷、鉀元素作為大量營養元素[28]，是植物生長最重要的支持元素，陳文榮等[29]的研究表明蕎麥中的磷元素隨著鋁脅迫濃度增加含量不斷增加，本文的結果與之相反，可能是由于南方地區缺磷的土壤特征。紀雨薇[30]發現馬尾松中鉀元素隨著鋁濃度增加不斷下降，這與本研究結果一致。本研究中這兩種元素的含量呈現下降趨勢，反映出細胞內的蛋白質、酶以及脯氨酸的合成量受到嚴重影響，呼吸作用受阻；磷元素作為細胞膜、細胞質中的重要組成元素，鋁脅迫處理可以提高泡桐幼苗中的磷元素含量，這在其他植物中也有類似表現[31-32]。中量元素的鈣、硫則分別表現出截然不同的趨勢，鈣元素在影響細胞分裂，消除鋁元素毒害方面具有積極作用，泡桐幼苗中的鈣元素含量下降表明這種作用隨著鋁毒濃度的增加逐漸減弱；硫元素并沒有顯著差異，說明鋁脅迫對于泡桐幼苗硫元素吸收沒有明顯影響。植物體內的微量元素只有鋅元素在不同脅迫程度下差異明顯，這與葉綠素合成有著密切關系。從營養吸收的角度來看，9501 泡桐對于鋁脅迫的耐受能力優于白花泡桐。

4 結 論

綜上所述，對于鋁脅迫條件下泡桐幼苗的營養元素、生理指標的研究表明，隨著鋁脅迫不斷加劇，泡桐幼苗的抗逆性也在不斷削減，細胞膜透性加深。泡桐幼苗在低脅迫程度條件下與對照組差異不顯著，中度和重度脅迫程度下，泡桐幼苗的生長會受到抑制。鋁脅迫條件下會促進泡桐幼苗對磷元素的吸收，同時對細胞中鋅元素的吸收造成影響。泡桐幼苗的葉綠素含量在重度鋁脅迫出現大量流失，導致光合作用效率降低。泡桐幼苗的細胞膜透性在脅迫程度加深的過程中不斷加劇，導致細胞內蛋白質、電解質流失，細胞內外酸堿、代謝平衡被打破，細胞膜功能被嚴重損害。泡桐幼苗的各項指標表明，泡桐幼苗的鋁脅迫可適濃度為0.3 mmol/L，且兩種泡桐的對比而言，9501 泡桐的鋁脅迫抗性優于白花泡桐。本試驗對于泡桐幼苗在鋁脅迫條件下各項生理指標進行測定，可以為未來泡桐逆境環境下的抗性研究提供依據。