高鋁低磷對油茶生長及其根系分泌有機酸的影響

王小東，狄嵐，華小菊

(江西省林業科學院，江西 南昌 330013)

油茶(CamelliaoleiferaAbel.)是廣泛分布于亞洲南部和東南亞的一種獨特的經濟林木，屬山茶科[1-2]，在我國已有數千年的栽培歷史和數百萬公頃的種植面積，尤其南方地區分布較多[3]。然而，在我國南方酸性土壤中高鋁與低磷毒害現象普遍存在，是限制作物生長的最重要和最普遍的因素[4-5]。鋁脅迫不僅會限制植物養分吸收，損害其根系及莖葉生長，還會使植物根系產生有機酸、氨基酸和酚類物質等一系列代謝反應[6-7]。磷是植物生長發育的必需營養素，有研究表明，磷的添加可以減輕鋁的毒性并改善植物的生長[8]。

根系分泌有機酸是目前最為重要的植物適應鋁毒或低磷環境的機制[9]。鋁脅迫下，植物根系分泌有機酸對鋁的螯合使大量的鋁被拒之于根表之外，可以起到解除或減輕鋁毒的效果[10-11]。磷能夠降低根系中鋁的積累，刺激滲出不同的鋁螯合有機酸來增強鋁耐受性，減輕鋁對植物的毒害[12-15]。目前，野生油茶對高鋁低磷脅迫的適應性是否與其根系有機酸分泌有關的研究報道較少。本文以野生普通油茶及栽培品種贛油1號為試驗材料，在水培條件下研究高鋁低磷脅迫對油茶幼苗生長及其根系分泌有機酸的影響，從而為進一步研究野生油茶適應酸性土壤高鋁低磷脅迫的機制提供實驗證據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

野生油茶種子采集于江西省井岡山(26°33′N、114°07′E)；栽培種油茶(贛油1號)采集于江西省永豐縣某油茶園(26°53′N、115°38′E)。種子采回實驗室后，埋于沙中(相對濕度保持約5%)過冬。

1.2 試驗設計

將上述過冬的種子置于含沙的塑料盤中萌發(保持相對濕度25%)。28 d后將幼苗移入盛有營養液(1/5倍Hoagland′s營養液，pH=4.5)的塑料桶中。另用小型增氧泵每天為營養液通氣4 h(早晚各2 h)，試驗期間營養液每5 d更換1次。溫室培養126 d后，將長勢一致的幼苗移入0.5 mmol·L-1CaCl2溶液(pH=4.5)中培養12 h后將幼苗分別轉移至0(-P)和KH2PO40.2 mmol·L-1(+P)條件下，分別添加0、0.5、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 mmol·L-1的AlCl3·6H2O溶液(pH=4.5，用K2SO4維持K+濃度)的塑料桶中，每桶3株幼苗作為1個重復。繼續培養126 d后測定油茶幼苗的生長指標及根系分泌有機酸的種類和數量。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 植株生長量的測定 試驗結束后，收集植株，用蒸餾水徹底沖洗干凈。在60 ℃干燥48 h后，將植株分為地上部和地下部分再分別稱干重，將地上部分干重作為植物生長量進行比較分析。

1.3.2 根尖分泌物的收集方法 用去離子水沖洗油茶幼苗根系數次，再放入500 mL去離子水中(加少量微生物抑制劑)，使去離子水浸沒整個根系，在光照條件下放置4 h以收集植株根系分泌物。將收集液于40 ℃恒溫下旋蒸濃縮至10 mL，過0.45 μm濾膜，-20 ℃保存備用。

1.3.3 有機酸的測定 根據Zheng等[16]報道的方法濃縮、純化根系分泌物中的有機酸。含根系分泌物的溶液先后通過裝有5 g Amerlite IR-120B型陽離子樹脂的層析柱(H+form，Muoreachi chemieal，16 mm×140 mm)和裝有2 g Dowex 1×8型陰離子樹脂的層析柱(100～200 mesh，formrate form，16 mm×140 mm)，再用15 mL的1 mmol·L-1HCl將吸持在陰離子樹脂上的有機酸洗脫下來。洗脫液在40 ℃下減壓濃縮至近干，最后用1 mL的Milli-Q(Bio-Cell)溶解，用于HPLC測定。

HPLC測定條件：色譜柱(離子排斥柱，Shodex R Spak KC-811，300 mm×8 mm)前端接保護柱(50 mm×8 mm)，流動相為稀HClO4溶液(pH= 2.1)，流速為0.8 mL·min-1，柱溫為40 ℃，檢測波長為210 nm。

1.4 數據處理分析

數據采用Microsoft Office Excel 2019進行初步處理，運用SPSS 17.0進行統計分析，應用OriginPro 2018對分析數據進行圖形轉換。

2 結果與分析

2.1 高鋁低磷脅迫對油茶生長的影響

不同小寫字母為處理間差異極顯著(P<0.01)，下同。

由圖1可知，在無磷(-P)或者低磷(P 0.2 mmol·L-1)條件下，野生油茶的生長量高于人工栽培，且無論是無磷還是低磷條件，野生油茶和人工栽培油茶的生長量均隨鋁濃度的增加而增加，當鋁的濃度達到1.4 mmol·L-1時，達到最大值；而鋁濃度為1.5、1.6 mmol·L-1時，油茶的生長量呈下降趨勢。野生油茶和栽培油茶與各自的對照(鋁濃度為0 mmol·L-1)相比，當鋁濃度為0.5、1.0、1.2、1.4、1.5 mmol·L-1時，在無磷條件下，野生油茶的生長量分別增加1.79%、30.78%、73.04%、78.96%、45.47%，人工栽培品種贛油1號的生長量分別增加4.04%、23.25%、31.38%、42.80%、14.44%；在低磷條件下，野生油茶的生長量分別增加25.52%、61.60%、112.69%、120.79%、82.23%，人工栽培品種贛油1號的生長量分別增加10.67%、45.64%、71.31%、88.05%、58.69%。油茶在受鋁毒脅迫后，其生長量受到一定程度的抑制，而磷的調節能夠減輕油茶中鋁的毒性[17]，因此，相較于無磷條件，在低磷條件下油茶生長量增加更多，這與前人的研究結果基本一致。

從表1油茶生長量及有機酸分泌總量配對t檢驗可以看出，野生油茶的生長量明顯高于人工栽培品種的生長量(P<0.01，配對樣本相關系數0.9705)，低磷條件下的油茶生長量明顯高于無磷條件下的生長量(P<0.01，配對樣本相關系數0.9573)。這說明磷能顯著促進油茶的生長，而野生油茶通過根系分泌有機酸，緩解低磷脅迫的影響，從而使其生長量高于普通油茶。

2.2 高鋁低磷脅迫對油茶根系有機酸分泌總量的影響

由圖2可知，低磷(P 0.2 mmol·L-1)情況下，隨著鋁濃度的增加，野生油茶、人工栽培油茶的根系有機酸分泌開始時變化不明顯；但當鋁濃度為1.2 mmol·L-1時，有機酸分泌量迅速增加；鋁濃度為1.4 mmol·L-1時，根系有機酸分泌量達到峰值，分別為39.67、32.86 μg·g-1；當鋁濃度達1.5 mmol·L-1時，有機酸分泌量顯著降低，與最大值相比，分別下降了33.35%、42.97%，說明土壤中鋁達到一定的濃度會顯著降低油茶根系有機酸總量的分泌。由表1的配對t檢驗顯示，野生油茶根系的有機酸明顯高于栽培品種贛油1號(P<0.05，配對樣本相關系數0.9916)。因此，高鋁低磷脅迫對油茶根系分泌總有機酸含量產生一定程度的影響，而且與油茶種類有關。

表1 油茶幼苗生長量及其根系有機酸分泌總量配對t檢驗

2.3 高鋁低磷脅迫對油茶根系分泌有機酸種類的影響

圖2 高鋁低磷對油茶根系有機酸分泌量的影響

高鋁低磷脅迫對油茶根系分泌有機酸的影響見圖3。由圖3可以看出，P0Al1(0 (-P)+AlCl3·6H2O 1.5 mmol·L-1)、P0Al0(0 (-P) +AlCl3·6H2O 0 mmol·L-1)、P1Al1(KH2PO40.2 mmol·L-1+AlCl3·6H2O 1.5 mmol·L-1)、P1Al0(KH2PO40.2 mmol·L-1+AlCl3·6H2O 0 mmolL-1)4個處理的油茶根系分泌總有機酸含量，包括蘋果酸、檸檬酸的量均存在顯著差異(P<0.01)，且呈現出相同的趨勢，由高到低依次為P0Al1>P1Al1>P0Al0>P1Al0。其中P0Al1和P1Al1處理的油茶根系分泌總有機酸、蘋果酸和檸檬酸的量均顯著高于P0Al0和P1Al0處理，這是油茶根系對高鋁低磷脅迫的一種響應機制，即油茶根系分泌總有機酸、蘋果酸、檸檬酸的量隨著脅迫程度的加劇而增大，說明有機酸分泌與油茶適應高鋁低磷環境有密切關系。

圖3 高鋁低磷脅迫對油茶根系分泌有機酸種類的影響

3 討論與結論

鋁是僅次于氧和硅的第三大富集元素，主要以氧化鋁和鋁硅酸鹽的形式存在，對植物無毒，但由于在酸性土壤中，堿性陽離子(Ca2+、Mg2+和K+)的流失，以及隨著土壤pH的下降(pH≤5)，鋁轉變為有毒的Al3+和必要養分(磷、鎂等)可以很容易地被植物吸收，干擾植物的正常生長機制[18-19]。孫紅英[20]研究表明，鋁毒脅迫下，杉木根系活力降低，生長受到抑制。磷是一種重要的營養素，在植物生長代謝過程中能夠合成大分子物質，如核酸、磷脂、ATP和NADP，對植物生長起著重要的作用[21]。余平福等[22]研究不同供磷水平對油茶幼苗生長生理指標和養分含量的影響，結果表明隨著供磷水平的增加，油茶幼苗的生理指標(樹高、地徑、凈光合速率Pn)、葉片的養分含量(全氮、全磷、全鉀)均有所增加。本研究結果表明鋁毒對油茶生長會有一定的抑制作用，而磷能夠促進油茶的生長，這與前人研究結果一致。

由于土壤中低磷和鋁毒害同時存在，高鋁低磷脅迫會對植物生長抑制存在正的協同作用，目前也有許多關于植物磷、鋁交互作用方面的研究。林英春等[23]研究表明，高鋁低磷脅迫下，玉米總根長變短，根系活力、光合速率、葉綠素含量均降低，根直徑、根表面積減小。據報道，添加磷可減輕鋁毒引起的癥狀，如生長抑制、光合作用降低和氧化損傷等[24]。本研究發現在無磷(-P)的情況下，鋁毒對油茶幼苗的生長有不利的影響，而在鋁脅迫下，磷的加入(P 0.2 mmol·L-1)能夠顯著降低鋁的脅迫，從而增加油茶幼苗的生長量。

鋁脅迫下油茶根中有機酸含量降低的原因主要有兩方面：一方面是鋁毒可能會降低光合作用碳同化和轉運至根系的能力，從而減少根系的糖酵解—三羧酸(Glycolysis-TCA)循環，最終導致有機酸在TCA循環中積累[24]；另一方面是植物應對鋁毒害的普遍機制是通過鋁誘導植物根系分泌有機酸來螯合鋁，從而減少了鋁在根中的積累[25]。李朝蘇等[26]、師瑞紅等[27]研究表明，有機酸可緩解鋁毒對蕎麥和水稻的毒害作用和生長抑制。劉玉民[28]研究表明鋁脅迫對馬尾松根系產生毒害，而加入有機酸后鋁毒作用得到緩解，說明有機酸能夠調控馬尾松根尖的防御體系。本研究表明，無論是野生油茶還是人工栽培油茶，土壤中鋁達到一定的濃度會使油茶根系有機酸總量的分泌顯著降低，而高鋁低磷脅迫都會使其根系分泌的有機酸總量顯著降低，包括檸檬酸和蘋果酸，這與Zhang等[29]的報道結果一致。