檸檬酸對鋁脅迫下大豆根系生長和生理特性的影響

徐芬芬

(上饒師范學院 生命科學學院，江西 上饒 334001)

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素［1］，在堿性或中性土壤中，鋁主要以氧化物或硅酸鹽沉淀物的形式存在，對植物和環(huán)境無毒;而在酸性土壤(pH＜5)中，結(jié)合態(tài)的鋁變?yōu)榭扇芏M入土壤溶液，對大多數(shù)植物產(chǎn)生毒害［2－3］。近年來，隨著環(huán)境酸化問題的日益嚴重，尤其是酸雨的頻繁發(fā)生和生理酸性肥料的施用，土壤酸化加劇，鋁溶出量增加，嚴重傷害了植物的生長［4］。目前，鋁已經(jīng)成為酸性土壤中抑制農(nóng)作物生長的重要因素［5－8］。劉尼歌等［9］研究發(fā)現(xiàn)，50 μmol/L的高鋁脅迫顯著降低大豆的發(fā)芽率，抑制根系的生長，酸性土鋁脅迫已明顯影響到大豆的產(chǎn)量，因此尋找快速緩解大豆鋁毒的方法迫在眉睫。劉寧［10］研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫條件下外加水楊酸可緩解鋁對大豆的毒害。鋁脅迫下大豆根系分泌檸檬酸可能是大豆對鋁排斥的一個原因［11］。金婷婷等［12］研究比較了檸檬酸、草酸和蘋果酸3種有機酸對鋁脅迫下大豆根系活力和根系長度的影響，發(fā)現(xiàn)檸檬酸對大豆根系鋁毒的緩解效果最好。金婷婷等［13］通過研究外源檸檬酸對短期鋁脅迫下大豆根系的影響，發(fā)現(xiàn)外源檸檬酸處理后大豆根所含蛋白質(zhì)、糖類等有機物的含量均有所增多，一定程度上體現(xiàn)了外源檸檬酸對大豆根系鋁脅迫的緩解。

上述關(guān)于檸檬酸對大豆根系鋁毒緩解效應(yīng)方面的研究主要集中在大豆根系形態(tài)、根系活力和根系合成能力等方面，而并未涉及對根系其他生理指標的研究。因此，本試驗研究外源檸檬酸對鋁脅迫下大豆根系形態(tài)和生理特性的影響，以進一步闡明檸檬酸緩解大豆鋁脅迫的生理機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試大豆品種為“日本青(六月豆)”，開原市鶴豐種子有限公司。

1.2 試驗方法

種子萌發(fā)3 d后，挑選根伸長一致的大豆幼苗轉(zhuǎn)移到0.5 mmol/L CaCl2簡單營養(yǎng)液中培養(yǎng)12 h(pH 4.5)，然后將幼苗轉(zhuǎn)移到含有50 μmol/L AlCl3營養(yǎng)液的塑料營養(yǎng)缽中培養(yǎng)，以不含鋁的營養(yǎng)液為對照(CK)，培養(yǎng)12 h后，鋁處理的幼苗分別加入0、5、10、20 和50 μmol/L 等濃度的檸檬酸。每處理重復3個營養(yǎng)缽，每缽種植幼苗10株。

1.3 測定指標

1.3.1 生長指標

處理前測定大豆幼苗的根系長度，處理3 d后每處理隨機取5株測定幼苗根長和根系鮮質(zhì)量，結(jié)果取平均值，并計算根系相對伸長率。

根系相對伸長率=鋁處理根系伸長量/對照根系伸長量×100%

1.3.2 生理指標

處理3 d后分別測定根系SOD活性、根系相對電導率、MDA含量和根系活力等。根系相對電導率用DDS-307型電導儀測定［14］;根系活力的測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法［14］，超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用比色法［14］;丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸(TBA)顯色法［14］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

上述指標的測定結(jié)果均采用SAS軟件Duncan's新復極差多重比較進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 檸檬酸處理對鋁脅迫下大豆幼苗根系生長的影響

用不同濃度的檸檬酸處理鋁脅迫下的大豆幼苗3 d后，分別測定根系相對伸長率和根系鮮質(zhì)量，結(jié)果見圖1和圖2。由圖1和圖2可知:鋁脅迫處理根系相對伸長率和根系鮮質(zhì)量均顯著低于對照，加入檸檬酸后，兩指標均有所緩解，且隨檸檬酸濃度的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在檸檬酸濃度處理超過20 μmol/L時，根系相對伸長率和根系鮮質(zhì)量又有所降低。

圖1 各處理大豆的根系相對伸長率Fig.1 Relative root elongation in each treatment

根系相對長度在各處理間差異達顯著水平(P＜0.01)，各濃度檸檬酸處理根系長度均顯著高于單純鋁脅迫處理(P＜0.01)，在檸檬酸濃度達到15 μmol/L時，根系相對伸長率可緩解到最佳水平;根系鮮質(zhì)量的變化趨勢與根系長度基本一致，但各處理間的差異較根系長度小，其最佳檸檬酸處理濃度為20 μmol/L。由此可知，大豆根系長度較根系鮮質(zhì)量對鋁脅迫更敏感。

圖2 各處理大豆幼苗根系鮮質(zhì)量Fig.2 Weight of fresh root in each treatment

2.2 檸檬酸處理對鋁脅迫下大豆幼苗根系生理指標的影響

用不同濃度的檸檬酸處理鋁脅迫下的大豆幼苗3 d后，分別測定根系SOD活性、根系相對電導率、MDA含量和根系活力等指標，結(jié)果見表1。由表1可知，鋁脅迫處理根系SOD活性和根系活力均顯著低于CK(P＜0.01)，加入檸檬酸后，SOD活性和根系活力均有所增加，其中，10～50 μmol/L的檸檬酸處理后，SOD活性和根系活力均顯著高于單純鋁脅迫處理(P＜0.01)，在檸檬酸處理濃度達20 μmol/L時，SOD活性和根系活力達到最大值，但與CK差異不顯著。

鋁脅迫下，MDA含量和相對電導率均顯著高于CK(P＜0.01)。檸檬酸處理后，兩個指標均有所緩解，且隨檸檬酸濃度的增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢，15～50 μmol/L檸檬酸處理，MDA含量和相對電導率均顯著低于鋁脅迫處理(P＜0.01)，且在檸檬酸濃度達到20 μmol/L時，兩指標均達最低。

鋁脅迫下，大豆根系SOD活性顯著降低，MDA含量和相對電導率均顯著提高，可能與鋁(P＜0.01)脅迫下保護酶對活性氧的清除能力降低，已不能阻止自由基在細胞內(nèi)的積累，從而導致膜系統(tǒng)的傷害，這時細胞內(nèi)多種功能受到破壞，生理代謝紊亂，進而導致根系生長受到抑制。

上述分析結(jié)果表明，15～50 μmol/L檸檬酸處理均可顯著提高鋁脅迫下大豆幼苗的根系活力和SOD活性(P＜0.01)，保護根系細胞膜，防止鋁脅迫導致的膜質(zhì)過氧化，其中檸檬酸處理的最佳濃度為20 μmol/L。

由于根系與土壤直接接觸，因此根系對土壤中營養(yǎng)元素的缺乏或過剩以及有毒物質(zhì)的反應(yīng)也往往是最為迅速。因此，常用根系的形態(tài)和生理指標來反映作物受鋁脅迫的程度。通過對鋁脅迫下大豆根系生長和生理指標的研究，發(fā)現(xiàn)鋁脅迫顯著降低了大豆根系長度、根系鮮質(zhì)量、SOD活性和根系活力等(P＜0.01)，顯著提高了MDA含量和相對電導率(P＜0.01)。綜合比較上述各個指標發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫對根系長度的影響最大。這因此可說明，根長是大豆對Al毒害較為敏感的指標，可作為大豆抗鋁品種的鑒定指標，與前人在其他作物上［15－17］的研究結(jié)果一致。加入檸檬酸后，大豆的根系相對伸長率和根系活力均較單純鋁脅迫處理提高，與金婷婷等［12］的研究結(jié)果一致。

表1 檸檬酸處理對鋁脅迫下大豆幼苗根系生理指標的影響Table 1 Effects of citric acid treatment on physiological index of soybean seedlings root under aluminum stress

3 結(jié)論

通過采用不同濃度的檸檬酸處理鋁脅迫下的大豆幼苗，測定了大豆幼苗根系相對伸長率、根系鮮質(zhì)量和根系活力、根系相對電導率、MDA含量和SOD活性等指標。研究結(jié)果表明，鋁脅迫顯著降低了大豆根系長度、根系鮮質(zhì)量、SOD活性和根系活力等(P＜0.01)，顯著提高了MDA含量和相對電導率(P＜0.01);15～50 μmol/L檸檬酸處理可顯著提高鋁脅迫下大豆的根長、根系鮮質(zhì)量、根系活力和SOD活性(P＜0.01)，檸檬酸緩解大豆根系長度的最佳處理濃度為15 μmol/L，緩解其他指標的濃度均為20 μmol/L。因此可說明 15 ～20 μmol/L 檸檬酸可顯著緩解大豆鋁脅迫。

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