鋁脅迫對白芨光合與生理特性的影響

王天菊 沈慶慶 王貴嬌 鄭鵬

摘要 采用盆栽白芨苗噴施不同濃度氯化鋁溶液模擬Al3+脅迫，在0（CK）、400 μmol/L（T1）、600 μmol/L（T2）、800 μmol/L（T3）、1 000 μmol/L（T4）濃度處理下，分別以噴后3、5、7、9、11 d測定白芨葉片的各項生理指標和光合指標。結果表明，隨Al3+濃度的增加及鋁脅迫時間的延長，丙二醛（MDA）含量顯著上升，可溶性糖含量呈現先增后降，脯氨酸含量先升高后降低，SOD和POD活性均先升高后降低，2種酶活性都在Al3+濃度為600 μmol/L時達到最大值；鋁脅迫處理導致白芨胞間CO2濃度升高、氣孔導度下降、凈光合速率下降、蒸騰速率下降。白芨對鋁毒有一定的抗性，但鋁脅迫濃度越高，抑制作用越強，白芨的鋁脅迫閾值為600 μmol/L，當Al3+濃度大于600 μmol/L時會對白芨植株產生傷害。

關鍵詞 鋁脅迫；白芨；光合參數；生理特性

中圖分類號 S567.23? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）14-0178-05

作者簡介 王天菊（1985—），女，云南楚雄人，副教授，博士，從事園藝作物生理與栽培研究。

當土壤的pH小于5時，土壤中的難溶性鋁便可溶解，同時釋放出Al3+，對植物造成鋁脅迫，抑制植株根系和葉片的生長發育，導致作物的產量和品質降低［1］。在我國西南和江淮地區也有大面積的酸性土壤，甚至一些地區的土壤 pH 小于 5［2］。鋁對植物的毒害作用表現為植物的微觀結構被破壞，植株根系及葉片的生長發育受阻，植株在吸收所需的營養元素時受到鋁毒害的抑制，導致植物內部生理代謝失調，一些重要酶活性改變，最終造成作物減產［3］。在逆境環境條件下，不同植物或同種植物的不同基因型對鋁毒的耐受性存在顯著差異［4］。

白芨［Bletilla striata （Thund.） Reichb.f.］是蘭科白芨屬多年生草本球根植物，主要生長于山林、山谷潮濕處，是一種優良的陰生觀花草本植物，白芨作為藥用植物具有清熱、補血、補肺、消腫、生肌、斂瘡等作用［5］；白芨花大且花色艷麗，頗具觀賞價值；白芨膠有較強的清除氧自由基作用，在化妝品方面能用于抗衰老［6］。由于白芨有較高的欣賞和藥用價值，是較安全的醫藥材料，也是具有良好發展前景的生物醫藥植物［7］，深受消費者的青睞，栽培面積正逐年擴大。近年來，由于市場對白芨的需求量不斷增高，野生白芨資源變得非常稀少［8］。目前，國內外對白芨的研究主要集中在活性物質和藥用價值、種質資源及繁殖技術［9］等方面，對白芨逆境脅迫下的探究較少，僅少數學者探索對干旱和低溫脅迫的生理響應，而對白芨在紅壤環境下的抗鋁性研究鮮見報道。

植物光合特性是判斷一種植物能否在鋁脅迫下種植的關鍵指標，其生理特性對植物生長發育具有重要生態指示性。白芨作為一種重要的藥用植物，后期有必要進行耐鋁品種選育，因此該試驗研究不同程度鋁脅迫下其葉片生理代謝情況和光合響應特性，揭示鋁脅迫對白芨的影響，為進一步研究白芨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 試驗材料及處理

試驗材料為蘭科白芨屬的紫花三叉白芨，紫花白芨在移栽過程中有良好的適應性，并且在云南地區的栽培廣度較大，購買于楚雄市苗木市場。選擇葉片健康、長勢良好、無病蟲害、大小一致的白芨，平均株高約20 cm，每盆（直徑18.5 cm、高度16.0 cm）栽植2株，置于自然光照下，并每7 d充分灌溉2次，前期適應30 d。栽培基質由紅壤土、有機質按體積比2∶1混合而成。而后選擇長勢均勻的白芨移放至溫室進行鋁脅迫處理。試驗設計5個Al3+濃度處理，分別為0 μmol/L（CK）、400 μmol/L（T1）、600 μmol/L（T2）、800 μmol/L（T3）和1 000 μmol/L（T4），各處理設３個重復。噴AlCl3 溶液以葉片全濕又不滴水為宜，在處理后的3、5、7、9和11 d，在10：00左右剪取頂端的第３～４張成熟葉片，測定其相關生理指標；并于相同的時間每盆選取其中一株受光方向一致、位于枝條中間且大小相同的葉片，用LI-6400XT 光合測定儀測定其光合參數。設定參數為流速 500 μmol/s、CO2濃度 400 μmol/mol、溫度 20 ℃、光強 1 800 μmol/（m2·s），儀器同步記錄凈光合速率（Pn）、胞間CO2（Ci）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）。

1.2 測定方法

采用愈創木酚顯色法［10］測定葉片過氧化物酶（POD）活性；采用氮藍四唑法［11］測定葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量［12］；采用茚三酮法［13］測定脯氨酸含量；采用蒽酮比色法［14］測定可溶性糖含量；采用95%乙醇提取法測定葉片葉綠素含量。

1.3 數據處理

用 Excel 2010 軟件進行原始數據的整理及處理，用SPSS 21.0對各個處理間的數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 鋁脅迫對白芨葉片SOD、POD活性的影響

2.1.1 鋁脅迫對白芨葉片SOD活性的影響。

SOD是抗氧化第一線的關鍵酶之一，它將活性氧自由基轉化為過氧化氫和氧分子來防御逆境［15］，因此在保護植物免受逆境活性氧的毒性作用方面起著核心作用。從圖1可以看出，隨Al3+濃度增加，SOD活性呈先升后降的趨勢，其中T2處理時達到最大值，對比CK差異顯著。T1、T2、T3處理都是隨時間的積累，白芨葉片SOD活性逐漸上升，在脅迫處理后11 d，SOD活性達到最大值。只有高濃度T4處理隨時間變化呈先升高后下降趨勢，分析可能由于在低濃度的鋁處理條件下，白芨葉片內活性氧的產生增多，于是啟動防御機制以此來防御活性氧的損害，而高濃度的Al3+對白芨造成了不可修復的作用。

2.1.2 鋁脅迫對白芨葉片POD活性的影響。

POD是廣泛存在于動植物體內的一類氧化還原酶［16］，可以催化H2O2和氧化許多酚類化合物為水和氧氣，能夠對細胞內氧濃度進行調節，從而使毒性物質失活［17］。從圖1可以看出，隨Al3+濃度的增加，POD活性呈先升后降的趨勢，在不同的測定時間，Al3+濃度為600 μmol/L（T2處理）時均為最大值。在脅迫處理后3 d，T1、T3、T4處理下的POD活性變化均不顯著；在鋁脅迫處理后7 d，T2處理比CK處理POD活性增加61.10%；低濃度（T1）短時間（3 d）處理白芨POD活性變化不顯

著，高濃度（T4 ）長時間（11 d）處理POD活性與CK對比不明顯。推測白芨在低濃度短時間鋁脅迫條件下，Al3+先對植物細胞產生了傷害，隨即啟動自身防御體系來清除鋁脅迫下產生的活性氧，隨著脅迫程度加劇POD活性逐漸上升，保護植物不受到脅迫傷害，但在高等濃度鋁脅迫條件下，Al3+對植物細胞的傷害超過了其自我保護的范圍，因此POD活性下降。

2.2 鋁脅迫對白芨葉片MDA含量的影響

當植株在受逆境脅迫時，植物會因活性氧自由基的大量積累使細胞膜脂過氧化，過氧化產物MDA在植物體內積累，對植物細胞有害，因此能通過MDA含量來反映出植物的抗逆性［18］。由圖2可知，隨著鋁脅迫濃度的增加，MDA含量呈現出穩定增加的趨勢，低濃度（T1）處理白芨葉片MDA含量隨時間變化而增加，但是比CK處理的白芨葉片MDA含量有所增加；高濃度（T2、T3、T4）處理隨脅迫時間延長，白芨葉片MDA含量逐漸增加，且具有濃度效應，即隨脅迫濃度的增加，白芨葉片MDA含量增加越明顯。表明高濃度（≥600 μmol/L）鋁脅迫導致白芨植株葉片細胞膜脂過氧化，脅迫濃度越大，白芨葉片的膜脂過氧化越嚴重。

2.3 鋁脅迫對白芨葉片脯氨酸含量的影響

植物在受到逆境脅迫時，滲透調節物質脯氨酸在植物體內快速合成，使植物細胞內部環境穩定，以此來增強其對逆境脅迫的抵抗能力［19］。從圖3可以看出，隨脅迫Al3+濃度的增加，白芨葉片脯氨酸含量呈現先升后降的趨勢。T1、T2、T3、T4處理條件下脯氨酸含量隨鋁脅迫處理時間延長均逐漸增加，而T2處理時脯氨酸含量都表現出最大值。表明在受到鋁脅迫處理條件下，脯氨酸含量穩定增加，而600 μmol/L（T2）是白芨耐受鋁脅迫反應最明顯的濃度，濃度低（400 μmol/L）反應小，濃度過高（1 000 μmol/L）導致白芨已經對Al3+脅迫產生了耐受性從而提高對植株的保護作用。

2.4 鋁脅迫對白芨葉片可溶性糖含量的影響

在重金屬離子脅迫逆境條件下，可溶性糖作為高等植物的有機滲透調節物質［20］，在離子濃度過高時起到保護酶類的作用，因此其能夠調節植物生長，在植物生長發育及形態構成過程中起重要作用［21］。從圖4可以看出，T1、T2、T3處理時，隨Al3+濃度增加，白芨葉片可溶性含糖量表現出逐漸升高的趨勢，且隨時

間的積累可溶性糖含量增加，如在T3處理11 d時，白芨葉片可溶性糖含量達到最大值（0.28%）。高濃度Al3+脅迫處理（T4）短時間內（3 d）可溶性糖含量迅速升高，而后隨時間的延長先下降后升高。T1、T2、T3、T4處理下白芨葉片可溶性糖含量均與CK差異顯著。

2.5 鋁脅迫對白芨葉片電導率的影響

由圖5可知，鋁處理脅迫導致白芨葉片電導率升高，但鋁濃度不同白芨葉片電導率升高的程度不同，濃度越高，白芨葉片電導率升高的程度越大，低濃度處理（T1）白芨葉片電導率隨時間的積累而緩慢升高，而高濃度處理（T2、T3、T4）導致白芨葉片電導率快速升高，且不隨時間的延長而加深。

2.6 鋁脅迫對白芨葉片葉綠素含量的影響

葉綠素是衡量植物光合能力強弱最重要的一類色素，其含量的高低與光合作用密切相關。由圖6可知，隨Al3+濃度增加，白芨葉片葉綠素含量表現出逐漸降低的趨勢，且同一個處理，隨時間的積累葉綠素含量均降低，但低濃度處理（T1）葉綠素含量隨時間積累沒有發生明顯變化，而高濃度處理（T2、T3、T4）葉綠素含量從脅迫后3 d開始就與對照差異明顯，由此可推測，鋁脅迫導致白芨葉片葉綠素含量降低，低濃度鋁脅迫短時間對葉綠素含量影響小，但高濃度鋁脅迫很快就影響葉綠素含量，且這個影響作用是不可逆的，隨時間積累傷害嚴重。

2.7 鋁脅迫對白芨光合作用的影響

光合作用和呼吸作用是植物的生命代謝過程，關系到植物的營養物質積累和正常生長發育，而氣孔作為植物葉片中空氣和水蒸氣的通路，直接控制著CO2的進入和葉片的蒸騰作用［22］，也間接地對葉片的光合作用產生了影響。逆境脅迫對植物的氣孔導度、胞間CO2濃度、光合速率、蒸騰速率都產生了影響。由圖7可知，鋁脅迫處理導致白芨胞間CO2濃度升高、氣孔導度下降、凈光合速率下降、蒸騰速率下降。不同鋁脅迫處理導致白芨胞間CO2濃度升高的程度不同，濃度越高，白芨胞間CO2濃度升高的程度越大，但CO2濃度的變化不隨時間的積累而發生變化；鋁脅迫處理導致白芨氣孔導度下降，不同鋁濃度的變化不影響氣孔導度下降的程度，且白芨氣孔導度下降的程度不隨時間的積累而加深；鋁脅迫處理導致白芨凈光合速率下降，低濃度處理（T1）白芨的凈光合速率隨時間的積累而緩慢下降，而高濃度處理（T2、T3、T4）導致白芨的凈光合速率快速下降，且不隨時間的積累而加深；鋁脅迫處理導致白芨蒸騰速率下降，低濃度處理（T1）白芨的蒸騰速率隨時間的積累而緩慢下降，而高濃度處理（T2、T3、T4）導致白芨的蒸騰速率快速下降，且不隨時間的積累而加深。

3 討論與結論

細胞質膜透性和 MDA含量是植物抗鋁性研究中的重要生理指標［23］。研究表明，隨著Al3+ 處理濃度的升高和處理時間的延長，白芨葉片中MDA含量增多，質膜透性增大，表明白芨葉片的細胞膜系統受到了損傷，并且這種損傷與膜脂的過氧化作用密切相關。在正常情況下，植物細胞內自由基的產生與消除處于平衡狀態，不易導致膜脂過氧化。當植物處于各種逆境下，細胞內大量的不飽和脂肪酸在生物自由基的作用下易誘發膜脂過氧化，從而使膜透性增加，離子外滲［24］。

據試驗結果可知，隨Al3+濃度的增加及鋁脅迫時間的延長，可溶性糖含量、脯氨酸含量以及SOD和POD活性均呈先升高后降低的趨勢，這與胡雪華等［25］的研究結果一致。2種酶活性均在Al3+濃度為600 μmol/L時達到最大值；這可能是由于保護酶能較好地起到清除活性氧自由基的作用，但因其能力有限，清除作用隨脅迫時間延長出現下降趨勢，或因鋁濃度過高，超出其清除活性氧自由基的閾值，使酶蛋白結構遭受破壞或合成受阻，從而出現酶活性下降。在鋁脅迫下，白芨的POD、SOD活性以及MDA、可溶性糖、脯氨酸等的含量受到鋁處理濃度和脅迫時間的累加效應的影響，在鋁脅迫條件下，白芨幼苗會主動積累SOD和POD、脯氨酸、可溶性糖等滲透調節物質來維持細胞的水分和滲透平衡，從而減輕鋁脅迫對白芨幼苗的傷害；但高濃度 （800、1 000 μmol/L） 的鋁處理會破壞白芨葉細胞膜結構，從而破壞白芨幼苗的正常滲透調節機能。

研究表明，鋁毒害破壞了植物葉綠體被膜，導致葉綠素含量降低［26］，而葉綠素降低抑制了植物的收集并轉化光能的能力，降低了光合效率［27-28］。從該研究結果來看，鋁脅迫導致白芨胞間CO2濃度升高、氣孔導度下降、凈光合速率下降、蒸騰速率下降，這與肖宜安等［29］的研究結果一致，隨著胞間CO2濃度升高，氣孔閾值降低的原因推測是非氣孔因素抑制了葉片光合作用，即光合速率下降是由光合系統活性降低所引起的［30］，李亞敏等［31］對黃芩的研究結果也證實了這一點 。

白芨在土壤pH 6.5～7.5能較好的正常生長，屬于中性土植物，可見白芨的光合系統對鋁毒害非常敏感，推測鋁毒害對白芨的光合系統而言就是不可逆的傷害，一旦受到鋁毒脅迫，就會導致白芨的光合性能降低，呼吸作用減弱。

參考文獻

［1］劉東華，蔣悟生.鋁對植物的毒害［J］.植物學通報，1995，12（1）：24-32.

［2］ 易杰祥，呂亮雪，劉國道.土壤酸化和酸性土壤改良研究［J］.華南熱帶農業大學學報，2006，12（1）：23-28.

［3］? 郭天榮，張國平，盧王印，等.鋁脅迫對不同耐鋁大麥基因型干物質積累與鋁和養分含量的影響［J］.植物營養與肥料學報，2003，9（3）：324-330.

［4］ 林咸永，章永松，羅安程.不同小麥基因型耐鋁性的差異及篩選方法的研究［J］.植物營養與肥料學報，2001，7（1）：64-70.

［5］ 李偉平，何良艷，丁志山.白芨的應用及資源現狀［Ｊ］.中華中醫藥學刊，2012，30（1）：158-160.

［6］ 劉光斌，黃忠，黃長干，等.天然植物白芨膠的功能及在化妝品中的應用［J］.日用化學品科學，2005，28（8）：22-24.

［7］ 朱峻霄，林亞蒙，楊野，等.白及多糖在生物醫藥材料領域中的應用研究進展［J］.中藥材，2018，41（4）：1011-1014.

［8］ 陳燦，陳海霞.白芨繁殖研究進展［J］.湖南農業科學，2015（5）：135-137，141.

［9］ 陸峻波，劉亞輝，楊永紅，等.從文獻分析看我國白芨研究進展［J］.云南農業大學學報（自然科學版），2011，26（2）：288-292.

［10］ 李忠光，龔明.愈創木酚法測定植物過氧化物酶活性的改進［J］.植物生理學通訊，2008，44（2）：323-324.

［11］ 李合生.植物生理生化實驗原理和技術［M］.北京： 高等教育出版社，2000.

［12］ 孫群，胡景江.植物生理學研究技術［M］.楊凌：西北農林科技大學出版社，2005：167-170.

［13］ 孔祥生，易現峰.植物生理學實驗技術［M］.北京：中國農業出版社，2008.

［14］ 高俊鳳.植物生理學實驗指導［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［15］ 覃鵬，劉飛虎，梁雪妮.超氧化物歧化酶與植物抗逆性［J］.黑龍江農業科學，2002（1）：31-34.

［16］ 苗雨晨，白玲，苗琛，等.植物谷胱甘肽過氧化物酶研究進展［J］.植物學通報，2005，22（3）：350-356.

［17］ QUARTACCI M F，NAVARIIZZO F.Water stress and free radical mediated changes in sunflower seedlings［J］.Journal of plant physiology，1992，139（5）：621-625.

［18］ 韓志平，郭世榮，尤秀娜，等.鹽脅迫對西瓜幼苗活性氧代謝和滲透調節物質含量的影響［J］.西北植物學報，2010，30（11）： 2210-2218.

［19］ 趙可夫.植物抗鹽生理［M］.北京：中國科學技術出版社，1993：9-10.

［20］ 孫方行，孫明高，夏陽，等.NaCl處理對海棠滲透調節的影響［J］.西北林學院學報，2005，20（3）：62-64，86.

［21］ 丁曉輝，任麗萍，張春榮，等.Cd2+脅迫對紫花苜蓿葉綠素和可溶性糖含量的影響［J］.華北農學報，2007，22（S1）：64-66.

［22］? 劉強，龍婉婉，柳正葳，等.酸鋁脅迫對芒萁生長、光合特性和葉綠素熒光參數的影響［J］.河南農業科學，2016，45（11）：58-64.

［23］ 李曉紅，李蘊，胡雪華，等.鋁脅迫對喀西茄葉片的氧化傷害及抗氧化酶活性的影響［J］. 井岡山大學學報（自然科學版），2011，32（6）：41-45.

［24］ 孫方行，孫明高，魏海霞，等.NaCl脅迫對紫荊幼苗膜脂過氧化及保護酶活性的影響［J］. 河北農業大學學報，2006，29（1）：16-19.

［25］ 胡雪華，李蘊，鄒天才.車前對鋁脅迫生理響應的研究［J］.熱帶亞熱帶植物學報， 2014，22（5）：495-501.

［26］ 趙會娥，賀立源，章愛群，等.鋁脅迫對植物光合作用的影響及其機理的研究進展［J］.華中農業大學學報，2008，27（1）：155-160.

［27］ 肖祥希，劉星輝，楊宗武，等.鋁脅迫對龍眼幼苗光合作用的影響［J］.熱帶作物學報，2005，26（1）：63-69.

［28］ 應小芳，劉鵬.鋁脅迫對大豆葉片光合特性的影響［J］.應用生態學報，2005，16（１）：166-170.

［29］ 肖宜安，李曉紅，李蘊，等.鋁脅迫對車前光合生理特性的影響［J］.井岡山大學學報（自然科學版），2010，31（1）：48-52.

［30］ FARQUHAR G D，SHARKEY T D.Stomatal conductance and photosynthesis［J］.Annual review of plant physiology，1982，33：317-345.

［31］ 李亞敏，劉建中，史永博，等.鋁脅迫對黃芩幼苗氣孔特性及光合作用的研究［J］.安徽農業科學，2011，39（10）：5791-5793.