鋁脅迫對木槿生理及光合光響應特性的影響

張錦弦 施欽

摘要 采用盆栽木槿澆灌不同濃度硫酸鋁鉀溶液模擬Al3+脅迫，對0（CK）、1.0 mmol/L（T1）、2.0 mmol/L（T2）、4.0 mmol/L（T3）、6.0 mmol/L（T4）Al3+脅迫下木槿生長特性、光合熒光特性、抗氧化酶系統變化和葉片養分變化進行了研究。結果表明，經過45 d的Al3+脅迫，處理T4木槿株高、地徑、生物量和根冠分別較CK降低了49.2%、33.7%、33.9%和36.8%。處理T1、T2中，木槿能有效維持光合作用，保持光反應中心正常能量轉化；處理T3、T4的凈光合速率分別較CK降低了46.2%和61.4%，同時最大光化學效率顯著降低。木槿通過保持相對較高的酶促抗氧化劑活性清除活性氧，抵御Al3+造成的脂膜過氧化毒害。可見木槿能抵御一定程度的Al3+脅迫，但是在園藝栽培種實踐中仍要對木槿進行適當的Al3+毒害防治。

關鍵詞 木槿；鋁脅迫；光合參數；生理特性

中圖分類號 Q945.79 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）19-0166-03

鋁作為地殼中最豐富的金屬元素，通常情況下以穩定的鋁硅酸鹽形式存在于土壤中，對植物無毒害作用。但當土壤pH<5時，難溶性鋁會轉變為可溶性鋁離子[1]。酸性土壤遍布我國南方15個省區，總面積達203萬km2，約占耕地面積的21%[2]。近年來，隨著全球環境的日益惡化，酸雨頻繁沉降，在加速了土壤酸化的同時也活化了土壤中大量的鋁。有研究表明，當土壤交換性鋁含量過多時，植物會表現出明顯的鋁毒害癥狀，主要表現為阻礙植物根系、葉片生長，抑制其對營養元素的吸收，導致植物內部生理代謝失紊亂，光合效率降低，對植物正常生理活動至關重要的酶的活性降低，最終造成作物減產[3]。鋁毒害已成為酸性土壤中限制作物生長的最重要因素之一。許多亞熱帶重要的用材樹種受鋁毒害的影響已有諸多報道[4-6]。

木槿（Hibiscus syriacus）屬錦葵科木槿屬，落葉灌木或小喬木。木槿的花與嫩葉含有豐富的蛋白質和粗纖維，是一種營養豐富的木本蔬菜。木槿在盛夏季節開花，花色豐富，具有很好的園林美化效果。不僅如此，木槿還具有清熱解毒、止癢化痰等較高的藥用價值[7-8]。目前，有關木槿的研究多集中于繁殖方法、經濟利用等方面，均取得了一定進展；但有關其抗逆性，尤其是鋁脅迫下光合特性的響應研究不多[9-11]。

植物光合特性是衡量一種植物能否在鋁脅迫下定植的關鍵指標，其生理特性對植物生長發育具有重要生態指示性。木槿作為一種集觀賞、綠化、食用、藥用價值于一體的植物，后期有必要進行耐鋁品種選育。因此，本試驗研究不同程度鋁脅迫下木槿光合、葉綠素熒光、抗氧化酶系統生理等變化，揭示鋁脅迫對木槿的影響，為進一步研究木槿在鋁脅迫下的響應及耐鋁品種選育提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的木槿來源于南京中山植物園實驗苗圃，選擇百花木槿（H. syriacus ‘Totus Albus）二年生扦插苗，每盆（直徑25 cm、高度35 cm）栽植1株，置于自然光照下，并每周充分灌溉2次，前期適應4個月。栽培基質由黃土、泥炭土、珍珠巖按體積比3∶1∶1混合而成。2017年9月選取生長良好、長勢均勻的木槿移放至溫室進行鋁脅迫處理。

1.2 試驗設計

采用澆灌不同濃度硫酸鋁鉀溶液模擬不同程度Al3+脅迫，試驗根據Al3+濃度不同設5個處理，處理T1、T2、T3、T4分別用Al3+濃度為1.0、2.0、4.0、6.0 mmol/L的硫酸鋁鉀溶液澆灌，對照組（CK）采用自來水澆灌。為防止Al3+脅迫下的應激效應，前3次澆灌先用各處理1/2濃度的對應硫酸鋁鉀溶液澆灌500 mL，使基質完全浸透。隨后正式開始試驗之后每隔2 d于16：00澆1次，每盆澆100 mL，共連續澆灌45 d。4次重復，隨機排列。

1.3 指標測定

在試驗第45天的9：30—11：00，選擇受光方向一致、位于枝條中間且大小相同的葉片，用Li-6400光合系統（Li-Cor，美國）測定其光合參數。以光強為1 000 μmol/（m2·s）的紅藍光為光源，葉室CO2濃度為380 μmol/mol。儀器同步記錄凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）。隨后，利用調制式葉綠素熒光儀（PAM-2100，德國）測定經0.5 h暗適應后每個處理植株葉片葉綠素熒光參數，首先測定初始熒光（F0）和飽和脈沖光8 000 μmol/（m2·s）下的最大熒光（Fm），之后持續利用500 μmol/（m2·s）光強照射葉片，得到穩態熒光Fs，再用0.7 s飽和脈沖照射得到光下最大熒光F′m，然后關閉光化學光，加遠紅光測量光下初始熒光F′0。計算以下參數：光合系統Ⅱ最大光化學效率=Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm，光化學量子產額φPSⅡ=（F′m-Fs）/F′m，非光化學淬滅系數NPQ=（Fm-F′m）/F′m。測定結束后，選擇位于枝條中央、成熟且充分展開的葉片采樣、編號并包入錫箔紙，放入液氮中迅速冷凍，然后保存于-80 ℃超低溫冰箱中，用于其他生理指標的測定。

葉綠素（Chl）含量采用95%乙醇提取法測定，脯氨酸（Pro）采用酸性茚三酮染色法測定，葉片相對含水量（RWC）采用飽和稱量法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，超氧化物歧化酶（SOD）采用氮藍四唑光還原法測定，過氧化物酶（POD）采用愈創木酚法測定，過氧化氫酶（CAT）采用紫外分光光度法測定。

在第45天完成采樣后，從CK組與處理組收獲木槿，測定株高、地徑。株高相對生長率（%）=（試驗后株高-試驗前株高）/試驗前株高。然后分成根、莖和葉3個部分，采用烘干法測定各部分干物質質量，并計算總生物量與根冠比（根干重/莖葉總干重）。最后，采用H2SO4-H2O2法消煮，稱取粉碎的葉片干樣0.1 g，加入5 mL濃H2SO4放置過夜后消煮，消煮液中全氮（TN）采用凱氏定氮法測定、全磷（TP）采用鉬銻抗比色法測定。

1.4 數據處理

用Excel 2010軟件進行原始數據的整理及處理，通過SPSS 19.0對木槿各個處理間的數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用Duncan法（P<0.05）進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 Al3+脅迫下木槿生長特性變化

經過45 d的Al3+脅迫，各處理木槿均存活。從表1可以看出，Al3+脅迫對木槿的生長產生抑制作用，隨著Al3+脅迫程度的加劇，處理T1、T2的木槿生長指標沒有發生顯著變化，處理T3下木槿根冠比顯著低于CK，處理T4木槿株高、地徑、生物量和根冠比分別較CK降低了49.2%、33.7%、33.9%和36.8%。

2.2 Al3+脅迫下木槿光合熒光特性變化

從表2可以看出，處理T1、T2、T3木槿的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均無顯著差異，但是處理T3、T4所有參數都顯著（P<0.05）降低，其中處理T3、T4木槿凈光合速率相比于CK分別降低了46.2%和61.4%（P<0.05）。可見在低濃度（1.0、2.0 mmol/L）Al3+脅迫下，木槿依舊能有效維持葉片光合作用；而高濃度Al3+（4.0、6.0 mmol/L）脅迫下木槿的光合作用受到抑制。

Fv/Fm的值能反映植物的潛在最大光合能力，φPSⅡ同時反映在光照下PSⅡ反應中心部分關閉情況下的實際光化學效率。Al3+脅迫過程中，木槿葉片熒光參數Fv/Fm和φPSⅡ變化如表3所示。在脅迫處理45 d后，處理T1、T2木槿熒光參數相比于CK均沒有顯著變化；而處理T3、T4木槿Fv/Fm和φPSⅡ相比于CK差異顯著（P<0.05），分別降低了25.0%、23.7%和19.5%、28.8%。與Fv/Fm和φPSⅡ變化趨勢相反，處理T3、T4木槿的NPQ相比于CK分別增加了31.2%和29.7%，差異顯著（P<0.05）。

2.3 Al3+脅迫下葉片養分變化

如圖1所示，經過45 d的脅迫處理，木槿葉片各個處理下 TN濃度沒有顯著變化，平均維持在42.1 mg/g左右；而葉片 TP濃度在處理T3、T4下，分別較CK增加了30.3%和 63.0%（P<0.05）。

2.4 Al3+脅迫下木槿抗氧化系統變化

植物器官在逆境條件下，通常會發生膜脂過氧化，MDA是反映細胞膜脂過氧化程度以及植物對逆境條件反應強弱的指標。由表4可知，Al3+脅迫下，MDA含量逐漸增加，且具有濃度效應，從處理T1到處理T4，MDA含量從CK的1.62倍上升到CK的1.92倍。同樣，SOD、POD和CAT隨著Al3+脅迫濃度的增加而顯著增加。在處理T4下，木槿葉片SOD、POD和CAT分別較CK增加了104.2%、72.9%和77.5%，差異顯著（P<0.05）。

3 結論與討論

當Al3+表現為細胞毒性形式時，可通過作用在根尖區產生毒害作用。這種副作用可在植物各種生理生化活動中表現出來，其中最直觀的就是生長情況。本試驗中木槿植株在1.0、2.0、4.0、6.0 mmol/L Al3+濃度條件下，經過45 d的脅迫并沒有死亡，只是降低了生物量和增長率，可見木槿在一定濃度Al3+脅迫下依舊能存活。本試驗中4.0、6.0 mmol/L Al3+脅迫下，木槿的根冠比顯著降低，表明Al3+對木槿根系的抑制作用顯著大于地上部分，這與錢蓮文等[12]報道的關于常綠楊（Populus）在鋁脅迫下的生長狀況相類似，表現為Al3+對常綠楊生物量地下部分的影響大于地上部分。說明Al3+首先對木槿根系產生危害，大量Al3+積累在根系組織中，從而對根系細胞的結構和功能造成破壞。

光合作用是植物生長的基礎，植物在逆境脅迫下的主要特征之一就是在維持正常的Pn。但是植物的光系統Ⅱ反應中心的活性在鹽脅迫下比較脆弱，是脅迫因子影響植物光合作用的關鍵部位。葉綠素熒光參數能夠較為精確地揭示植物光合作用的熱耗散部分，在環境脅迫對植物光合作用影響的研究中也有廣泛應用[13]。1.0、2.0 mmol/L Al3+脅迫下，木槿的Pn均保持在清水對照水平，同時最大光化學效率維持穩定，可見光反應中心的光能捕獲情況未受到影響；在6.0 mmol/L Al3+脅迫下，木槿的Pn、Gs和Tr顯著降低，此時木槿氣孔關閉，蒸騰作用減緩，碳同化過程受到影響，最大光化學效率顯著降低。一方面可知高Al3+濃度會抑制木槿的光合作用，而另一方面說明低Al3+濃度下木槿可通過部分熒光參數變化（如最大光化學效率）緩解Al3+的毒害作用。在6.0 mmol/L Al3+脅迫下，木槿的光合作用受到抑制、NPQ顯著增加，表明光系統Ⅱ反應中心部分關閉，上游電子傳遞情況受到阻礙。這也與45 d脅迫后木槿生長量、生物量降低的趨勢一致。同樣Al3+脅迫下，其他植物葉綠素熒光也表現出同樣的趨勢。引起植物氣孔關閉的原因較多，Al3+脅迫下一般認為葉片的細胞結構被破壞引起水勢及氣孔導度降低，限制CO2同化[3，14]。本試驗中，Al3+脅迫對木槿葉片氣孔的保衛細胞產生了一定危害，間接導致植物葉片氣孔阻力增大，從而使氣孔導度降低，保衛細胞間的CO2濃度降低，葉片進行光合作用所需的CO2量也隨之減少，使光合作用受到了抑制。

植物在逆境脅迫下，其體內會積累大量活性氧，抗氧化酶是植物體內活性氧清除系統中最重要的酶。植物體內積累大量的活性氧，必然會對其生物膜造成氧化傷害。鋁可使生物膜硬化，進而促進自由基鏈反應而導致膜脂過氧化[15]。本研究中發現，SOD、POD和CAT活性隨著Al3+脅迫濃度增加而顯著增加，符合高Al3+脅迫下抗氧化酶活性顯著提高的現象。同時，木槿葉片內MDA含量在1.0 mmol/L Al3+脅迫下較清水對照已有顯著增加，這可能是因為有機酸的體外解毒效果使體內各種抗氧化酶活性相對較高，但還未能及時清除MDA在體內的累積。彭 艷等[2]在對小麥Al3+脅迫的研究中提到，根據MDA含量變化可推斷小麥的耐鋁性，由此在后續研究中可以從MDA含量變化，推斷不同品種木槿的耐Al3+特性。在葡萄（Vitis vinifera）中，5.0～8.0 mmol/L Al3+處理后SOD等活性則顯著低于CK，表明當Al3+濃度超過一定范圍后，葡萄葉片和根系SOD 應激響應在減弱[16]。而在木槿中此現象并未出現，可見高濃度Al3+下木槿的保護酶系統依舊能發揮作用，能較大程度地清除細胞膜中的過氧化物質。

在Al3+脅迫下，大量的Al3+與植物正常所需的Na+、K+競爭，在造成離子毒性的同時，也會造成養分短缺。本研究表明，Al3+脅迫下木槿葉片中的全氮濃度并沒有顯著降低，但全磷濃度顯著增加，一方面可能與Al3+脅迫時間有關，另一方面在于木槿生物量降低，造成一個濃縮效應，使原先植株中的總養分因為生物量減少而濃度增加。但是長期Al3+脅迫下木槿葉片養分濃度變化有待進一步驗證。

綜上所述，Al3+脅迫對木槿根系細胞的結構和功能造成破壞，對生長開始產生抑制作用，對木槿地下部分的影響大于地上部分。同時，Al3+脅迫引發木槿細胞內活性氧等的過度積累及其所導致的膜脂過氧化，造成葉片氣孔關閉，蒸騰作用降低，光合能力減弱。木槿可通過SOD、POD和CAT活性增加以及熒光系統的適應性抵御Al3+毒害，從而使植株得以生存和生長。因此，在園藝栽培種實踐中，要對木槿進行適當的Al3+毒害防治。

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