不同濃度鋁脅迫下水分脅迫對大豆幼苗生理代謝的影響

（1.廣東省農業科學院作物研究所/廣東省農作物遺傳改良重點實驗室，廣州，510640；2.華南農業大學農學院；3.廣東省農業科學院湛江分院；4.湛江市農業科學研究院）

大豆是我國主要的農作物，鋁是地殼中含量最為豐富的金屬元素[1]，而南方地區土地多酸性，易使鋁元素成為鋁害。土壤酸化是世界范圍內的農業問題，它影響著世界40%耕地的作物生產。我國酸性土壤類型是紅壤，其系列土壤遍及南方15個省區，約占耕地面積的21%[2]。近年來隨著酸雨的頻繁發生及農業生產中生理酸性肥料的大量施用，土壤酸化進一步加劇。鋁作為土壤中含量最多的金屬元素，在酸性土壤下活性鋁便會從土壤中析出，對植物造成傷害。因此，了解酸鋁對植物的毒害對研究植物的耐鋁性具有重要的理論和實踐意義。

鋁的植物毒性與pH值、溫度密切相關，植物在其最適生長范圍內受鋁毒害最明顯。其首先是對根系產生為害，主要表現為主根變粗糙，根尖膨大、變褐，側根、根毛減小甚至消失，有的根尖彎曲，呈不規則勾狀，根冠脫落，根系的生理氧化能力下降顯著[3，4]。鋁脅迫已成為酸性土壤中限制作物生長的重要因素之一，影響作物生長發育，造成作物減產[5]。

雖然關于鋁對植物根系毒害的報道很多，但系統的研究不同水分濃度和鋁濃度對大豆根系的研究卻未見報道。本試驗選取大豆幼苗，在不同濃度鋁離子脅迫下進行干旱處理，探究其生理代謝變化過程，以期對大豆生產和南方紅壤干旱地區作物生產提供指導性建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗完成于2016年華南農業大學農學院九樓氣候室內，供試大豆品種2個，分別為Young（A1）、華夏3（A2），種子由華南農業大學農學院提供。

1.2 試驗處理

①取土 供試土壤取自華南農業大學農場農業部植物新品種測試分中心（廣州）試驗田中，其基本理化性狀為：容重1.27 g/cm3，pH值7.25，有機質2.0%，全氮0.098%，速效氮82.3 mg/kg，速效磷158.8mg/kg，速效鉀85.7mg/kg。取其深層土壤，土壤風干后，裝于塑料米氏盆，每盆裝風干土500 g。

②鋁脅迫設置 供試鋁肥為硫酸鋁 （分子式Al2（SO4）3·18H2O），N、P、K 基肥為：脲 1.29 g/24 盆、過磷酸鈣3.86 g/24盆、硫酸鉀3.78 g/24盆，用500mL水溶解。試驗設3個不同的土壤鋁飽和度水平：B1（CK1，不另外施鋁肥、紅盆）、B2（施硫酸鋁 0.2 g/24盆、紫盆）、B3（施硫酸鋁 0.4 g/24 盆、綠盆）。 基肥和鋁肥均在播種前1 d一并施入，通過噴壺均勻拌入風干土內，每個處理重復12次（共36盆），每盆質量520 g。設置好處理后，分別將大豆華夏3、Young播種。

③干旱脅迫設置 對照供水（CK2，C2）為70%～80%（田間持水量的百分數，下同），水脅迫：85%～95%（C3），重度干旱脅迫（C1）為 30%～40%。 鋁脅迫處理7 d后，在上述鋁處理中各取12盆停止澆水進行干旱處理，自然干旱至設定土壤含水量標準范圍。每天8：00和18：00采用稱重法，確定澆水量，并用土壤水分速測儀記錄，另3盆作為對照正常澆水，土壤相對含水量保持在75%～80%。

④取樣 處理后第7天取樣，取樣部位為第2片復葉，每個處理采集9株植株放在冰箱里貯藏保鮮，用于各項指標的測定，重復3次，取平均值。

2個品種（華夏 3、Young）分別處理如表 1，每個處理重復4次。

1.3 測定項目

①生物學特性 株高、鮮質量、節數。

②蛋白質測定 采用考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白含量，參照張志良等[6]方法進行。

③滲透調節物質 丙二醛（MDA）含量的測定，參照李子芳等[7]方法進行。

④抗氧化酶 采用愈創木酚法測定過氧化物酶（POD）活力，參照李合生[8]方法進行。采用紫外分光光度法測定過氧化氫酶（CAT）活力，參照鄒琦[9]方法進行。

表1 2個大豆品種不同鋁脅迫下水分脅迫處理

1.4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2013、IBM SPSS Statistics 21軟件，運用方差分析法進行數據處理；用單因素方差分析比較處理之間的差異性，采用鄧肯氏新復極差法進行差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對大豆生物特性的影響

①對大豆幼苗株高的影響 如圖1所示，在無鋁對照組中，各處理株高在不同程度水脅迫下顯著性差異在華夏3（簡稱A2，下同）品種中表現突出，而在Young（簡稱A1，下同）品種中則無顯著性差異，且A2品種株高隨田間持水量的增加而增加，這說明A2品種比A1品種株高表現更為高大，但更容易受田間持水量的影響；在中度鋁脅迫條件下，A1品種株高表現并無顯著差異，A2品種則隨水分含量上升而增高，且與無鋁對照組相比較整體株高有所下降，最高下降26%；在重度鋁脅迫條件下，2個品種株高皆表現為隨水分增加而下降，相較無鋁脅迫條件下，2個品種株高略有下降。

②對大豆幼苗節數的影響 如圖2所示，脅迫試驗中，在3個鋁濃度處理（無鋁、中度鋁脅迫和重度鋁脅迫條件）下，2個品種節數均未表現出顯著性差異，且試驗中鋁脅迫濃度梯度和水分含量變化對2個品種節數影響不大。

③對大豆幼苗鮮質量的影響 李文麗[10]研究表示，低濃度的鋁對小麥株高、鮮質量有一定促進作用，而高濃度的鋁則有毒害作用，且在鋁濃度低于25mg/L才對植物生長有利。如圖3所示，在正常水分條件下，A2品種的大豆幼苗的鮮質量隨鋁濃度的升高呈現先上升后下降的趨勢，而A1品種則呈下降趨勢。無鋁條件時，在不同田間持水量條件下，2個品種鮮質量表現無顯著差異；在中度鋁脅迫條件下，A1品種鮮質量無顯著性差異，A2品種則在低含水量條件下表現出低鮮質量且隨水分含量增加鮮質量開始回升；在重度鋁脅迫條件下，A1品種鮮質量差異亦無顯著性差異，A2品種則在低水分條件下表現出高鮮質量；這種變化情況可能與品種特性有關。

圖1 株高的變化情況

圖2 節數的變化情況

圖3 鮮質量的變化情況

2.2 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對大豆幼苗可溶性蛋白質含量的影響

作為滲透調節物質之一，高含量的可溶性蛋白質可使細胞維持較低的滲透勢，以抵抗水分脅迫。但也有研究表明，干旱可抑制蛋白質合成，導致蛋白質降解，引起總蛋白含量的降低[11]。如圖4所示，在無鋁脅迫條件下，A1品種在較低水分條件下有較高的蛋白質含量，A2品種在不同水含量影響下蛋白質含量無顯著性差異，且在正常含水條件下，A1品種蛋白質含量比A2品種更高；在中度鋁脅迫條件下，A1、A2品種蛋白質含量在不同田間持水量下無顯著性差異；在重度鋁脅迫條件下，A1品種的蛋白質含量在低水分含量條件下比正常含水量條件下更高，而A2品種蛋白質含量在不同含水量情況下無顯著性差異。在試驗過程中，A1品種蛋白質含量在低水分含量條件下始終高于正常條件，且隨鋁脅迫程度增加而增加，這可能與在干旱與鋁脅迫田間下，大豆相關抗性蛋白酶表達有關。

2.3 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對大豆幼苗丙二醛（MDA）含量的影響

鋁脅迫對大豆植株中的丙二醛含量有很大的影響。從圖5中可看出，2個品種的丙二醛含量不同，品種Young（A1）的MDA含量高于華夏3。鋁脅迫會導致植物膜脂過氧化破壞膜結構，這是植物受鋁毒害的重要原因之一[12～14]。在鋁脅迫下，大豆質膜中的不飽和脂肪酸發生過氧化作用，最終產生丙二醛，使質膜受到不同程度損傷，透性增大，細胞內的電解質外滲，相對電解質外滲率增加[15]。

一定意義上來說，M D A是植物細胞膜脂過氧化的產物，含量高低可反映質膜過氧化作用的強弱，而質膜透性則表示了質膜受傷害或變性程度，這2個指標是植物抗逆性研究中的重要指標[16]。由圖5可看出，同一鋁濃度脅迫下，水分含量在30%～40%時，MDA含量比其他水分脅迫的高，而不同的鋁濃度、相同的水分脅迫下，MDA含量無顯著差異，表明隨著干旱脅迫強度加強，大豆幼苗的膜脂過氧化作用逐漸加強，離子外滲，導致MDA積累。在不同鋁濃度、同一水分濃度下，相同大豆品種的MDA含量無顯著差異，說明試驗過程中，鋁濃度不是影響大豆MDA含量的主要因素。

2.4 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對大豆酶活性的影響

①對大豆幼苗POD酶活性的影響 POD酶作為植物抗逆境中的保護體系中一種適應性酶，在防御植物細胞膜過氧化以及降低植物細胞受傷害的程度中發揮重要作用[17]。從圖6中可看出，2個品種的POD酶活性變化存在顯著差異，品種Young的POD酶活性高于華夏3號。在同一品種、同一鋁濃度脅迫下，由于水分含量增加，POD酶活性總體呈現上升趨勢，但差異不顯著。在無鋁濃度脅迫下，由于水分濃度的不同，A1品種POD酶活性存在顯著差異，而A2品種無顯著差異；在中度鋁脅迫、不同的水分脅迫下，品種的POD酶活性呈上升趨勢；在重度鋁脅迫、不同的水分脅迫下，同一品種的POD酶活性差異不顯著。

圖4 蛋白質含量的變化情況

圖5 MDA含量變化

圖6 POD酶活性變化

圖7 CAT酶活性變化

②對大豆幼苗CAT酶活性的影響 CAT是一種重要的保護酶，在植物抗逆境脅迫中具有非常重要的作用，與過氧化物酶（POD）是植物保護系統中非常重要的抗氧化酶，它們通過協同作用可有效清除H2O2-、-OH等活性氧自由基，從而維持細胞的正常代謝活動[18]。從圖7可以看出，在同一鋁濃度下，水分脅迫對Young品種的CAT酶活性的影響是先下降后上升的，而華夏3總體趨勢是先上升后下降。而不同鋁濃度間、同一水分脅迫下，大豆品種間的CAT酶活性差異不顯著。

3 討論與結論

3.1 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫下對大豆幼苗生物特性的影響

與其他金屬脅迫效果相似，鋁脅迫也在一定程度上影響大豆幼苗的生長。已有研究表明，低濃度（50 mg/L）的鋁，可促進大豆根系長度、根系體積、根系表面積和根系活力的增加，降低根系細胞質膜透性，對大豆生長有一定的促進作用；高濃度的鋁（5 000 mg/L）明顯抑制根系長度的增長，使根系直徑顯著增大，降低大豆根系活力，使根系細胞質膜透性大大增加，明顯不利于大豆的生長發育[19]。本試驗結果表明，在中度和重度鋁脅迫下，大豆幼苗株高皆有所下降，但差異皆不顯著；在重度鋁脅迫條件下，隨水分含量增加，2個品種的株高開始下降，這可能與水分含量增加使土壤中溶解鋁含量增高，從而使鋁脅迫程度加重有關；在不同處理條件下，各品種株高表現各異，具體表現為A1品種株高對水分含量與鋁脅迫濃度影響反應差異不顯著，而A2品種株高對水分含量以及鋁脅迫濃度皆有較明顯的反應，其中對水分脅迫的響應程度大于鋁脅迫，且A2品種株高整體高于A1品種。

張明生等[20]研究表明，甘薯的分枝數、塊根干、鮮質量與品種抗旱性呈顯著或極顯著正相關。本試驗中，大豆幼苗生長節數對鋁脅迫濃度和田間持水量變化表現均不具有顯著性差異，這可能是因為影響大豆幼苗節數的關鍵因素不是水分和鋁脅迫，或者本試驗設置的相關梯度達不到引起節數顯著變化的條件。植株鮮質量是植株生物量及整體生理代謝反應結果的具體體現，調查植株鮮質量可對植株生長情況進行一定的評價和比較。本試驗中，在不同田間持水量條件下，2個品種鮮質量僅在少數情況下有差異，如在中度鋁脅迫條件下，A2品種在低含水量條件下表現出低鮮質量，在重度鋁脅迫下，A2品種在低水分條件下則表現出高鮮質量，這可能與品種特性有關，具體原因尚不明。

3.2 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫下大豆幼苗可溶性蛋白質含量的變化

蛋白質是生命的物質基礎和最重要的功能大分子。植物組織內的蛋白質在受到干旱脅迫時會發生一定的變化以適應逆境[21，22]。可溶性蛋白含量是植物體代謝過程中蛋白質損傷的重要指標，其變化可以反映細胞內蛋白質合成、變形及降解等多方面信息[23]。在干旱條件下，植物體內可能產生更多的蛋白質或者細胞內一些不溶性蛋白轉變為可溶性蛋白[24～26]。同時可溶性蛋白大多是參與各種代謝的酶類，在受脅迫時會發生一定的變化，其含量是反映植物抗逆性的一個重要指標。在本試驗中，A1品種可溶性蛋白含量在低水分含量條件下始終明顯高于正常條件，且隨鋁脅迫程度增加而增加，這可能是因為相關脅迫引起相關抗氧化活性酶、滲透調節物質等蛋白的表達，從而使其含量大幅上升，而A2品種可溶性蛋白含量一直保持平穩，由此可以推測，A1品種的綜合抗水分脅迫和抗鋁脅迫能力應強于A2品種，具體還需更多的試驗指標論證。

3.3 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫下大豆幼苗丙二醛（MDA）含量的變化

鋁脅迫下植物細胞最直接最明顯的傷害是細胞膜結構和功能遭到破壞，透性增大，膜穩定性降低，細胞內的離子、糖類、氨基酸等被動外滲，影響植物代謝[27～30]。而MDA是膜脂過氧化過程中的分解產物，作為一種高活性的膜脂過氧化產物，其能交聯脂類、核酸、糖類和蛋白質，破壞膜結構及組成，引起生理代謝紊亂。因此，人們常用MDA含量作為脂質過氧化的主要指標[31]。在本試驗中，不同品種間的丙二醛含量差異顯著，A1品種含量高于A2品種，說明A2品種比A1品種比較耐鋁。在不同的鋁濃度間，丙二醛的含量差異不顯著，但在相同的鋁濃度、不同的水分脅迫下，丙二醛含量有所差異，這說明本試驗中影響大豆丙二醛含量的主要是不同程度水分脅迫。

3.4 不同濃度鋁脅迫與水分脅迫對大豆幼苗酶活性的影響

活性氧自由基的產生是鋁毒害的原因之一，非生物脅迫導致植物體內活性氧含量上升[32]。植物在正常情況下產生的活性氧物質可很快被其體內的保護性酶所清除并達到平衡，從而不會對植物產生毒害[33]。但逆境脅迫下，活性氧代謝系統的平衡受到破壞，此時植物需要酶促的和非酶促的防御系統來保護其機體，使之免受傷害[34]。在植物體內，CAT和POD是擔負清除H2O2的主要酶類，可把H2O2變為H2O。肖祥希等[35]研究表明，鋁脅迫下龍眼幼苗葉片CAT活性不斷下降，低濃度鋁脅迫時POD活性增加，至0.370 mmol/L鋁處理時達最大值，當鋁濃度＞0.370 mmol/L時則逐漸下降。在本試驗中，POD酶活性在不同品種間存在差異，在同一品種、同一鋁濃度、不同的水分含量間有一定的差異，而A1品種在C2、C3水分梯度，不同的鋁濃度下具有差異，說明A1品種受到水分與鋁的交互作用。不同的水分濃度和鋁脅迫下，2個品種的CAT酶活性差異不顯著，說明大豆的水脅迫和鋁脅迫對A1和A2品種沒有顯著影響。