铝胁迫下添加水杨酸对黑麦草生理及叶绿素荧光参数的影响

时间：2024-08-31

王栋麟，王琳，吴亚，张汉林，刘大林

(1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009；2.扬州大学农业科技发展研究院(国际联合实验室)，江苏扬州 225009)

多花黑麦草(Loliummultiforum)是禾本科植物，既可作为草坪建植的草坪草，还可作为饲喂家畜的牧草，是不可多得的多功能型牧草[1]，种植培育多花黑麦草对我国南方牧草发展具有重要意义。近年来随着工业废水的排放、大气的酸沉降以及酸性化肥的大量使用，部分地区的土壤pH值不断降低，我国酸性土壤面积已占土壤总面积的两成以上，且在我国南方地区分布广泛[2]。在酸性土壤中，Al3+对植物产生直接毒害的同时也间接影响了植物对养分的吸收[3]，Al3+通过降低植物根尖细胞壁的刚性，抑制细胞伸长，从而影响根系生长[4-5]。同时降低了植物体内叶绿素含量和光合速率，导致植物干物质减少和产量降低[6]，降低蛋白质合成酶活性，可溶性蛋白的含量[7]。因此，有效缓解酸性土壤中铝胁迫对多花黑麦草等草坪草的毒害作用已成为亟须解决的问题。

水杨酸(SA)作为一种信号分子以及酚类内源性生长调节剂，广泛存在于植物体内，可参与植物多种生理响应机制以增强植物对逆境胁迫的耐受性。已有研究表明，SA能够诱导逆境相关基因的表达并调节细胞抗氧化机制[8]，还可以诱导植物系统性抗性(SAR)的产生、调控植物的光合作用[9]。因此，本研究选取多花黑麦草作为试验材料，探究添加SA对铝胁迫下多花黑麦草生理指标的影响，以期为利用SA缓解酸性土壤中铝胁迫对多花黑麦草的毒害提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为多花黑麦草品种Nagahahikari和特高，均来自扬州大学草业科学种子库。

1.2 试验方法

本试验采用砂培盆栽法，播种后将其置于恒温25 ℃，14 h/10 h光暗的光照培养箱中培养3周后进行试验处理。预试验显示当Al3+浓度为20 mmol/L时可显著影响黑麦草生长，因此本试验设置Al3+浓度为20 mmol/L，共设6个处理：①仅添加营养液，记为CK SA0；②添加0.3 mmol/L的SA，记为CK SA0.3；③添加0.6 mmol/L的SA，记为CK SA0.6；④添加20 mmol/L Al3+(Al3+由AlCl3·6H2O提供)，记为Al SA0；⑤添加20 mmol/L Al3+和0.3 mmol/L的SA，记为Al SA0.3；⑥添加20 mmol/L Al3+和0.6 mmol/L的SA记为Al SA0.6；持续处理3 d后培养至第7天时采样，3次重复。

1.3 测定指标和方法

直尺测株高和根长(精确到0.1 cm)，分析天平称量地上生物量和地下生物量(精确到0.001 g)。分光光度计法测叶绿素含量、浸泡法测相对电导率，硫代巴比妥酸法测丙二醛(MDA)含量，蒽酮法测可溶性糖含量，考马斯亮蓝法测可溶性蛋白含量，氮蓝四唑染色法测超氧化物歧化酶活性(SOD)，以上测定指标均参考施海涛[10]的试验方法。采用POD、CAT测试盒(南京建成生物工程研究所)比色法测POD和CAT活性。参考贺建华等[11]的方法测铝离子含量。采用PAM2500(Heinz Walz GmbH)测定叶绿素荧光参数，使用Yusuf等描述的JIP测试方法和计算公式分析OJIP瞬时曲线[12-14]。

1.4 数据处理

数据用Excel 2016计算，通过SPSS 19.0进行单因素方差分析，通过Duncan法进行多重比较，用独立样本T检验进行差异性检测，最后用Excel 2016作图。

2 结果与分析

2.1 铝胁迫下添加水杨酸对黑麦草生长特征的影响

各种处理下，株高差异不显著(P>0.05)(图1)。

图1 铝胁迫下添加水杨酸两种黑麦草的生长株高、根长和生物量

Al SA0处理黑麦草的根长相比CK SA0极显著降低(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理黑麦草根长均显著提高(P<0.05)，Al SA0.3和Al SA0.6中Nagahahikari的地上生物量显著提高(P<0.05)。与CK SA0相比，CK SA0.6处理黑麦草的地下生物量均显著提高(P<0.05)，Al SA0处理两个黑麦草品种的地下生物量极显著降低(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理两个黑麦草品种的地下生物量显著提高(P<0.05)。

2.2 铝胁迫下添加外源水杨酸对黑麦草叶绿素含量的影响

相比CK SA0，CK SA0.6中Nagahahikari的叶绿素a、b含量以及叶绿素总量显著提高(P<0.05)，CK SA0.3和CK SA0.6处理特高的叶绿素a、b含量以及叶绿素总量均有提高但不显著(P>0.05)，Al SA0处理两个黑麦草的叶绿素a含量和叶绿素总量极显著降低(P<0.01)，叶绿素b含量显著降低(P<0.05)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6中叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总量均随着SA浓度的提高而提高，且在Al SA0.6中两种黑麦草的叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总量显著提高(P<0.05)(图2)。

图2 铝胁迫下添加水杨酸对两种黑麦草的叶绿素含量

2.3 铝胁迫下添加水杨酸黑麦草的叶绿素荧光特性

相比CK SA0，CK SA0.3和CK SA0.6处理下两种黑麦草的OJIP荧光强度均较高，其中CK SA0.6的OJIP荧光强度要高于CK SA0.3。Al SA0处理两种黑麦草的OJIP荧光强度均低于CK SA0。Al SA0.3和Al SA0.6处理两种黑麦草的OJIP荧光强度均高于Al SA0，且Al SA0.6处理的OJIP荧光强度要高于Al SA0.3(图3)。

图3 铝胁迫下添加水杨酸对两种黑麦草的OJIP荧光曲线

与CK SA0相比，CK SA0.6处理特高的Fo值显著提高(P<0.05)。与CK SA0相比，Al SA0中Nagahahikari的Fo值极显著降低(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理两种黑麦草的Fo值显著提高(P<0.05)；与CK SA0相比，CK SA0.6处理Nagahahikari的Fj值显著提高(P<0.05)，CK SA0.3中特高的Fj值显著提高(P<0.05)。对比CK SA0，Al SA0处理两种黑麦草的Fj值极显著降低(P<0.01)。

与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理下Nagahahikari的Fj值显著提高(P<0.05)，且Fj值随SA浓度的提高而提高；对比CK SA0，CK SA0.6处理两种黑麦草的Fi值均显著提高(P<0.05)，Al SA0处理两种黑麦草的Fi值极显著降低(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理Nagahahikari的Fi值显著提高(P<0.05)，且Fi值随SA浓度的提高而提高；与CK SA0相比，CK SA0.3和CK SA0.6处理两种黑麦草的Fm值显著提高(P<0.05)，且随SA浓度的提高而提高。对比CK SA0，Al SA0处理两种黑麦草的Fm值极显著降低(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理两种黑麦草的Fm值显著提高(P<0.05)，且随SA浓度的提高而提高；与CK SA0相比，CK SA0.6处理两种黑麦草的F300 μs值显著提高(P<0.05)，Al SA0处理Nagahahikari的F300 μs值极显著降低(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理Nagahahikari的F300μs值显著提高(P<0.05)(表1)。

表1 铝胁迫下添加外源水杨酸对两种黑麦草荧光参数的影响

与CK SA0相比，Al SA0处理Nagahahikari的φEo、δRo、ψEo、RC/ABS和yRC值极显著降低(P<0.01)，特高的RC/ABS和yRC值极显著降低(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.6处理Nagahahikari的φpo、φEo、δRo和ψEo值显著提高(P<0.05)，特高的φEo、δRo和ψEo值显著提高(P<0.05)，Al SA0.3处理Nagahahikari的RC/ABS和yRC值显著降低(P<0.05)，特高的RC/ABS和уRC值显著提高(P<0.05)。

与CK SA0相比，CK SA0.3处理Nagahahikari的ABS/RC、TPo/RC、ETo/RC和REo/RC值显著提高(P<0.05)，CK SA0.6处理特高的ABS/RC、TPo/RC、ETo/RC和REo/RC值显著提高(P<0.05)，Al SA0处理两种黑麦草的ABS/RC、TPo/RC和ETo/RC值极显著提高(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3处理Nagahahikari的ABS/RC、TPo/RC和ETo/RC值显著提高(P<0.05)，而特高的ABS/RC、TPo/RC和ETo/RC值显著降低(P<0.05)，Al SA0.6处理两种黑麦草的REo/RC值均显著提高(P<0.05)。

CK SA0.3和CK SA0.6处理两种黑麦草的PIABS值与CK SA0相比无显著性差异(P>0.05)。与CK SA0相比，Al SA0处理Nagahahikari的PIABS值极显著降低(P<0.01)，特高的PIABS值显著降低(P<0.05)。与Al SA0相比，Al SA0.6处理两种黑麦草的PIABS值显著提高(P<0.05)(图4-A)，CK SA0.3和CK SA0.6处理两种黑麦草的PItotal值与CK SA0相比无显著性差异(P>0.05)。与CK SA0相比，Al SA0处理Nagahahikari的PItotal值极显著降低(P<0.01)，特高的PItotal值显著降低(P<0.05)。与Al SA0相比，Al SA0.6处理两种黑麦草的PItotal值显著提高(P<0.05)，分别提高了23.13%和33.50%(图4-B)。

图4 铝胁迫下添加水杨酸对两种黑麦草的荧光性能参数

2.4 铝胁迫下添加水杨酸对黑麦草处理下可溶性糖和可溶性蛋白的影响

与CK SA0相比，CK SA0.3和CK SA0.6中两种黑麦草的可溶性糖含量显著提高(P<0.05)，Al SA0中Nagahahikari的可溶性糖含量显著提高(P<0.05)，而特高的可溶性糖含量虽然提高但不显著(P>0.05)。Al SA0.3中Nagahahikari的可溶性糖含量显著低于Al SA0和Al SA0.6中Nagahahikari的可溶性糖含量(P<0.05)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6中特高的可溶性糖含量显著提高(P<0.05)，且随SA浓度的提高而提高(图5-A)。

与CK SA0相比，CK SA0.3和CK SA0.6中Nagahahikari的可溶性蛋白含量显著提高(P<0.05)，且随SA浓度的升高而升高。与CK SA0相比，Al SA0中两种黑麦草的可溶性蛋白含量显著提高(P<0.05)。与Al SA0相比，Al SA0.6中Nagahahikari的可溶性蛋白显著提高(P<0.05)，AlSA0.3和Al SA0.6中特高的可溶性蛋白含量随着SA浓度的升高而降低，但不显著(P>0.05)(图5-B)。

图5 铝胁迫下添加水杨酸两种黑麦草的可溶性糖和可溶性蛋白含量

2.5 铝胁迫下添加外源水杨酸对黑麦草过氧化指标的影响

与CK SA0相比，CK SA0.6中两种黑麦草的相对电导率显著降低(P<0.05)，Al SA0中两种黑麦草的相对电导率极显著提高(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6中Nagahahikari的相对电导率显著降低(P<0.05)，且随着SA浓度的升高而降低，Al SA0.6中特高的相对电导率显著降低(P<0.05)(图6-A)。

由图6B可知，与CK SA0相比，CK SA0.3和CK SA0.6中两种黑麦草的MDA含量显著降低(P<0.05)，且MDA含量随着SA浓度的提高而降低，Al SA0中两种黑麦草的MDA含量均极显著提高(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6中两种黑麦草的MDA含量显著降低(P<0.05)，且MDA含量随着SA浓度的提高而不断降低(图6-B)。

图6 铝胁迫下添加水杨酸两种黑麦草的相对电导率和MDA含量

2.6 铝胁迫下添加水杨酸对黑麦草SOD、POD和CAT活性的影响

SOD活性均随着SA浓度的提高而提高，其中与CK SA0相比，CK SA0.3和CK SA0.6处理下两种黑麦草的SOD活性显著提高(P<0.05)，Al SA0处理下两种黑麦草的SOD活性极显著提高(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.6处理下两种黑麦草SOD活性均显著提高(P<0.05)(图7-A)。

与CK SA0相比，CK SA0.3和CK SA0.6处理下Nagahahikari的POD活性显著提高(P<0.05)，CK SA0.3和CK SA0.6处理下特高的POD活性随SA浓度的升高而降低但差异不显著(P>0.05)，Al SA0处理下Nagahahikari的POD活性显著提高(P<0.05)，特高的POD活性极显著提高(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理下两种黑麦草的POD活性均随着SA浓度的升高而升高，且差异显著(P<0.05)(图7-B)。

与CK SA0相比，CK SA0.3处理下Nagahahikari的CAT活性显著提高(P<0.05)，特高的CAT活性随SA浓度的升高而降低但差异不显著(P>0.05)，Al SA0处理下两种黑麦草的CAT活性均极显著提高(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.3和Al SA0.6处理下Nagahahikari的CAT活性且随着SA浓度的升高而降低且差异显著(P<0.05)，特高的CAT活性随着SA浓度的升高而升高但差异不显著(P>0.05)(图7-C)。

图7 铝胁迫下添加水杨酸两种黑麦草的SOD、POD和CAT活性

2.7 铝胁迫下添加水杨酸对黑麦草Al3+富集量的影响

对比CK SA0，CK SA0.6处理下两种黑麦草的地上部Al3+含量显著降低(P<0.05)，Al SA0处理下两种黑麦草的地上部Al3+含量极显著升高(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.6中Nagahahikari的地上部Al3+含量显著降低(P<0.05)，Al SA0.3和Al SA0.6中特高的地上部Al3+含量显著降低(P<0.05)(图8-A)。

图8 铝胁迫下添加水杨酸两种黑麦草的地上部和根中Al3+含量

对比CK SA0，CK SA0.6处理下两种黑麦草的根系Al3+含量显著降低(P<0.05)，Al SA0处理下两种黑麦草的根系Al3+含量极显著提高(P<0.01)。与Al SA0相比，Al SA0.6处理下两种黑麦草的根系Al3+含量显著降低(P<0.05)(图8-B)。

3 讨论

本研究发现，黑麦草在铝胁迫下根长和地下生物量显著降低(P<0.05)，其原因可能在于Al3+最先进入植物的部位是植物根系，根系吸收的Al3+大部分残留在根系组织里，向茎叶中运输较少[15]，导致黑麦草的根部生长受到明显抑制，进而影响到地下生物量。SA作为植物体内普遍存在的一种内源性信号分子，可作为植物抗逆反应所需的信号分子来激活植物防御保护机制，在植物的抗逆过程中起着关键作用[16]。铝胁迫下添加0.3 mmol/L和0.6 mmol/L的外源SA时，能够促进黑麦草的根生长以及地上和地下生物量的提高，其中SA浓度为0.6 mmol/L时效果显著(P<0.05)。其原因可能是添加的SA促进黑麦草分泌更多的有机酸，然后有机酸中的阴离子与Al3+产生螯合作用，合成为没有生物毒性或生物毒性较低的络合物[17]，从而达到减轻铝毒害的作用。此外，研究发现添加适宜浓度的SA降低了黑麦草的地上和地下部的铝含量，该结果与Pandey[18]的研究结果一致，证明SA能够降低黑麦草对Al3+的吸收和富集能力。

叶绿素作为植物中参与光合作用的重要色素，其含量的高低与光合作用以及植物受胁迫的程度密切相关[9]。本研究发现，仅铝胁迫处理下黑麦草的叶绿素含量显著低于对照组(P<0.05)，这与初晓辉[19]的研究结果一致。其原因可能是黑麦草体内的Al3+与Mg2+在ATP结合点位上进行竞争，且Mg2+与ATP结合能力要弱于Al3+，导致黑麦草体内叶绿素合成原料匮乏，使得黑麦草体内的叶绿素含量降低。此外本研究还发现，对照和铝胁迫下添加0.6 mmol/L的SA能显著提高黑麦草的叶绿素含量(P<0.05)，这与唐艳萍等[20]的研究结果一致。可能是由于SA通过降低黑麦草对Al3+的吸收和富集能力，导致黑麦草体内的Al3+含量降低，减弱铝胁迫的Al3+和Mg2+在ATP结合位点上的竞争能力，最终缓解了黑麦草叶绿体受铝毒害的影响。

叶绿素荧光特性可以反映植物光合生理与逆境胁迫的关系[21]。程晓晴[4]研究发现，SA提高了铝胁迫苜蓿的叶绿素含量和净光合速率，增大了PS I、PS II的有效量子产率。本研究发现，添加SA提高了铝胁迫下黑麦草的OJIP荧光瞬态强度，对OJIP曲线进行JIP检验，结果表明铝胁迫下添加适宜浓度的SA能够提高黑麦草的Fo值和Fm值，提高φEo、δRo和ψEo值，有效保护了光系统的能量传递过程。可能是由于SA促进了铝胁迫下黑麦草叶绿体的合成，提高了黑麦草叶绿体含量，从而提高了光能转换效率。证明铝胁迫下添加适宜浓度的SA能提高黑麦草的光合性能。此外，SA对铝胁迫下不同的黑麦草品种光合作用以及光化学系统的影响存在差异，本研究中，对铝胁迫下黑麦草Nagahahikari的缓解效果较好。

逆境条件下植物器官会发生膜脂过氧化，MDA作为膜脂过氧化指标，其含量的提高是活性氧毒害作用的表现，SOD、POD和CAT则主要对清除植物体内活性氧起着重要作用。研究发现，黑麦草的MDA含量受铝胁迫影响显著升高(P<0.05)，SOD、POD和CAT活性显著提高(P<0.05)，该结果与周媛的研究结果一致[22]。可能由于铝胁迫能够诱导黑麦草体内产生大量的活性氧(Reactive oxygen species；ROS)，黑麦草为适应铝胁迫环境，会提高抗氧化酶活性和激活抗氧化酶系统，从而清除体内多余的ROS，使得ROS维持相对平衡状态[23-24]。本研究还发现，铝胁迫下添加0.6mmol/L的SA能显著降低MDA含量(P<0.05)，并提高SOD和POD活性，这与张永福等[25]研究结果一致。其原因可能是适宜浓度的SA能够诱导黑麦草体内抗氧化系统启动以保护蛋白表达，消除过量的ROS并保护细胞膜的完整性从而减轻应激损伤。

可溶性糖作为植物体内重要的渗透调节物质，能为细胞提供能量，保持细胞渗透势[26]。结果表明铝胁迫下黑麦草的可溶性糖含量高于对照组，其原因可能是在逆境胁迫下，植物为保持细胞渗透压，维持植株正常的新陈代谢，会将蔗糖水解为葡萄糖和果糖，从而提高可溶性糖含量[27]。铝胁迫下添加SA能够提高黑麦草特高的可溶性糖含量，其原因可能是SA能够通过增强植物的光合能力，提高叶绿素含量从而保护光合系统，促进了碳水化合物的积累。