铝胁迫对白芨光合与生理特性的影响

时间：2024-05-22

王天菊沈庆庆王贵娇郑鹏

摘要采用盆栽白芨苗喷施不同浓度氯化铝溶液模拟Al3+胁迫，在0（CK）、400 μmol/L（T1）、600 μmol/L（T2）、800 μmol/L（T3）、1 000 μmol/L（T4）浓度处理下，分别以喷后3、5、7、9、11 d测定白芨叶片的各项生理指标和光合指标。结果表明，随Al3+浓度的增加及铝胁迫时间的延长，丙二醛（MDA）含量显著上升，可溶性糖含量呈现先增后降，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+浓度为600 μmol/L时达到最大值；铝胁迫处理导致白芨胞间CO2浓度升高、气孔导度下降、净光合速率下降、蒸腾速率下降。白芨对铝毒有一定的抗性，但铝胁迫浓度越高，抑制作用越强，白芨的铝胁迫阈值为600 μmol/L，当Al3+浓度大于600 μmol/L时会对白芨植株产生伤害。

关键词铝胁迫；白芨；光合参数；生理特性

中图分类号 S567.23 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）14-0178-05

作者简介王天菊（1985—），女，云南楚雄人，副教授，博士，从事园艺作物生理与栽培研究。

当土壤的pH小于5时，土壤中的难溶性铝便可溶解，同时释放出Al3+，对植物造成铝胁迫，抑制植株根系和叶片的生长发育，导致作物的产量和品质降低［1］。在我国西南和江淮地区也有大面积的酸性土壤，甚至一些地区的土壤 pH 小于 5［2］。铝对植物的毒害作用表现为植物的微观结构被破坏，植株根系及叶片的生长发育受阻，植株在吸收所需的营养元素时受到铝毒害的抑制，导致植物内部生理代谢失调，一些重要酶活性改变，最终造成作物减产［3］。在逆境环境条件下，不同植物或同种植物的不同基因型对铝毒的耐受性存在显著差异［4］。

白芨［Bletilla striata （Thund.） Reichb.f.］是兰科白芨属多年生草本球根植物，主要生长于山林、山谷潮湿处，是一种优良的阴生观花草本植物，白芨作为药用植物具有清热、补血、补肺、消肿、生肌、敛疮等作用［5］；白芨花大且花色艳丽，颇具观赏价值；白芨胶有较强的清除氧自由基作用，在化妆品方面能用于抗衰老［6］。由于白芨有较高的欣赏和药用价值，是较安全的医药材料，也是具有良好发展前景的生物医药植物［7］，深受消费者的青睐，栽培面积正逐年扩大。近年来，由于市场对白芨的需求量不断增高，野生白芨资源变得非常稀少［8］。目前，国内外对白芨的研究主要集中在活性物质和药用价值、种质资源及繁殖技术［9］等方面，对白芨逆境胁迫下的探究较少，仅少数学者探索对干旱和低温胁迫的生理响应，而对白芨在红壤环境下的抗铝性研究鲜见报道。

植物光合特性是判断一种植物能否在铝胁迫下种植的关键指标，其生理特性对植物生长发育具有重要生态指示性。白芨作为一种重要的药用植物，后期有必要进行耐铝品种选育，因此该试验研究不同程度铝胁迫下其叶片生理代谢情况和光合响应特性，揭示铝胁迫对白芨的影响，为进一步研究白芨在铝胁迫下的响应及耐铝品种选育提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及处理

试验材料为兰科白芨属的紫花三叉白芨，紫花白芨在移栽过程中有良好的适应性，并且在云南地区的栽培广度较大，购买于楚雄市苗木市场。选择叶片健康、长势良好、无病虫害、大小一致的白芨，平均株高约20 cm，每盆（直径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，前期适应30 d。栽培基质由红壤土、有机质按体积比2∶1混合而成。而后选择长势均匀的白芨移放至温室进行铝胁迫处理。试验设计5个Al3+浓度处理，分别为0 μmol/L（CK）、400 μmol/L（T1）、600 μmol/L（T2）、800 μmol/L（T3）和1 000 μmol/L（T4），各处理设３个重复。喷AlCl3 溶液以叶片全湿又不滴水为宜，在处理后的3、5、7、9和11 d，在10：00左右剪取顶端的第３～４张成熟叶片，测定其相关生理指标；并于相同的时间每盆选取其中一株受光方向一致、位于枝条中间且大小相同的叶片，用LI-6400XT 光合测定仪测定其光合参数。设定参数为流速 500 μmol/s、CO2浓度 400 μmol/mol、温度 20 ℃、光强 1 800 μmol/（m2·s），仪器同步记录净光合速率（Pn）、胞间CO2（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）。

1.2 测定方法

采用愈创木酚显色法［10］测定叶片过氧化物酶（POD）活性；采用氮蓝四唑法［11］测定叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量［12］；采用茚三酮法［13］测定脯氨酸含量；采用蒽酮比色法［14］测定可溶性糖含量；采用95%乙醇提取法测定叶片叶绿素含量。

1.3 数据处理

用 Excel 2010 软件进行原始数据的整理及处理，用SPSS 21.0对各个处理间的数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA），采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 铝胁迫对白芨叶片SOD、POD活性的影响

2.1.1 铝胁迫对白芨叶片SOD活性的影响。

SOD是抗氧化第一线的关键酶之一，它将活性氧自由基转化为过氧化氢和氧分子来防御逆境［15］，因此在保护植物免受逆境活性氧的毒性作用方面起着核心作用。从图1可以看出，随Al3+浓度增加，SOD活性呈先升后降的趋势，其中T2处理时达到最大值，对比CK差异显著。T1、T2、T3处理都是随时间的积累，白芨叶片SOD活性逐渐上升，在胁迫处理后11 d，SOD活性达到最大值。只有高浓度T4处理随时间变化呈先升高后下降趋势，分析可能由于在低浓度的铝处理条件下，白芨叶片内活性氧的产生增多，于是启动防御机制以此来防御活性氧的损害，而高浓度的Al3+对白芨造成了不可修复的作用。

2.1.2 铝胁迫对白芨叶片POD活性的影响。

POD是广泛存在于动植物体内的一类氧化还原酶［16］，可以催化H2O2和氧化许多酚类化合物为水和氧气，能够对细胞内氧浓度进行调节，从而使毒性物质失活［17］。从图1可以看出，随Al3+浓度的增加，POD活性呈先升后降的趋势，在不同的测定时间，Al3+浓度为600 μmol/L（T2处理）时均为最大值。在胁迫处理后3 d，T1、T3、T4处理下的POD活性变化均不显著；在铝胁迫处理后7 d，T2处理比CK处理POD活性增加61.10%；低浓度（T1）短时间（3 d）处理白芨POD活性变化不显

著，高浓度（T4 ）长时间（11 d）处理POD活性与CK对比不明显。推测白芨在低浓度短时间铝胁迫条件下，Al3+先对植物细胞产生了伤害，随即启动自身防御体系来清除铝胁迫下产生的活性氧，随着胁迫程度加剧POD活性逐渐上升，保护植物不受到胁迫伤害，但在高等浓度铝胁迫条件下，Al3+对植物细胞的伤害超过了其自我保护的范围，因此POD活性下降。

2.2 铝胁迫对白芨叶片MDA含量的影响

当植株在受逆境胁迫时，植物会因活性氧自由基的大量积累使细胞膜脂过氧化，过氧化产物MDA在植物体内积累，对植物细胞有害，因此能通过MDA含量来反映出植物的抗逆性［18］。由图2可知，随着铝胁迫浓度的增加，MDA含量呈现出稳定增加的趋势，低浓度（T1）处理白芨叶片MDA含量随时间变化而增加，但是比CK处理的白芨叶片MDA含量有所增加；高浓度（T2、T3、T4）处理随胁迫时间延长，白芨叶片MDA含量逐渐增加，且具有浓度效应，即随胁迫浓度的增加，白芨叶片MDA含量增加越明显。表明高浓度（≥600 μmol/L）铝胁迫导致白芨植株叶片细胞膜脂过氧化，胁迫浓度越大，白芨叶片的膜脂过氧化越严重。

2.3 铝胁迫对白芨叶片脯氨酸含量的影响

植物在受到逆境胁迫时，渗透调节物质脯氨酸在植物体内快速合成，使植物细胞内部环境稳定，以此来增强其对逆境胁迫的抵抗能力［19］。从图3可以看出，随胁迫Al3+浓度的增加，白芨叶片脯氨酸含量呈现先升后降的趋势。T1、T2、T3、T4处理条件下脯氨酸含量随铝胁迫处理时间延长均逐渐增加，而T2处理时脯氨酸含量都表现出最大值。表明在受到铝胁迫处理条件下，脯氨酸含量稳定增加，而600 μmol/L（T2）是白芨耐受铝胁迫反应最明显的浓度，浓度低（400 μmol/L）反应小，浓度过高（1 000 μmol/L）导致白芨已经对Al3+胁迫产生了耐受性从而提高对植株的保护作用。

2.4 铝胁迫对白芨叶片可溶性糖含量的影响

在重金属离子胁迫逆境条件下，可溶性糖作为高等植物的有机渗透调节物质［20］，在离子浓度过高时起到保护酶类的作用，因此其能够调节植物生长，在植物生长发育及形态构成过程中起重要作用［21］。从图4可以看出，T1、T2、T3处理时，随Al3+浓度增加，白芨叶片可溶性含糖量表现出逐渐升高的趋势，且随时

间的积累可溶性糖含量增加，如在T3处理11 d时，白芨叶片可溶性糖含量达到最大值（0.28%）。高浓度Al3+胁迫处理（T4）短时间内（3 d）可溶性糖含量迅速升高，而后随时间的延长先下降后升高。T1、T2、T3、T4处理下白芨叶片可溶性糖含量均与CK差异显著。

2.5 铝胁迫对白芨叶片电导率的影响

由图5可知，铝处理胁迫导致白芨叶片电导率升高，但铝浓度不同白芨叶片电导率升高的程度不同，浓度越高，白芨叶片电导率升高的程度越大，低浓度处理（T1）白芨叶片电导率随时间的积累而缓慢升高，而高浓度处理（T2、T3、T4）导致白芨叶片电导率快速升高，且不随时间的延长而加深。

2.6 铝胁迫对白芨叶片叶绿素含量的影响

叶绿素是衡量植物光合能力强弱最重要的一类色素，其含量的高低与光合作用密切相关。由图6可知，随Al3+浓度增加，白芨叶片叶绿素含量表现出逐渐降低的趋势，且同一个处理，随时间的积累叶绿素含量均降低，但低浓度处理（T1）叶绿素含量随时间积累没有发生明显变化，而高浓度处理（T2、T3、T4）叶绿素含量从胁迫后3 d开始就与对照差异明显，由此可推测，铝胁迫导致白芨叶片叶绿素含量降低，低浓度铝胁迫短时间对叶绿素含量影响小，但高浓度铝胁迫很快就影响叶绿素含量，且这个影响作用是不可逆的，随时间积累伤害严重。

2.7 铝胁迫对白芨光合作用的影响

光合作用和呼吸作用是植物的生命代谢过程，关系到植物的营养物质积累和正常生长发育，而气孔作为植物叶片中空气和水蒸气的通路，直接控制着CO2的进入和叶片的蒸腾作用［22］，也间接地对叶片的光合作用产生了影响。逆境胁迫对植物的气孔导度、胞间CO2浓度、光合速率、蒸腾速率都产生了影响。由图7可知，铝胁迫处理导致白芨胞间CO2浓度升高、气孔导度下降、净光合速率下降、蒸腾速率下降。不同铝胁迫处理导致白芨胞间CO2浓度升高的程度不同，浓度越高，白芨胞间CO2浓度升高的程度越大，但CO2浓度的变化不随时间的积累而发生变化；铝胁迫处理导致白芨气孔导度下降，不同铝浓度的变化不影响气孔导度下降的程度，且白芨气孔导度下降的程度不隨时间的积累而加深；铝胁迫处理导致白芨净光合速率下降，低浓度处理（T1）白芨的净光合速率随时间的积累而缓慢下降，而高浓度处理（T2、T3、T4）导致白芨的净光合速率快速下降，且不随时间的积累而加深；铝胁迫处理导致白芨蒸腾速率下降，低浓度处理（T1）白芨的蒸腾速率随时间的积累而缓慢下降，而高浓度处理（T2、T3、T4）导致白芨的蒸腾速率快速下降，且不随时间的积累而加深。

3 讨论与结论

细胞质膜透性和 MDA含量是植物抗铝性研究中的重要生理指标［23］。研究表明，随着Al3+ 处理浓度的升高和处理时间的延长，白芨叶片中MDA含量增多，质膜透性增大，表明白芨叶片的细胞膜系统受到了损伤，并且这种损伤与膜脂的过氧化作用密切相关。在正常情况下，植物细胞内自由基的产生与消除处于平衡状态，不易导致膜脂过氧化。当植物处于各种逆境下，细胞内大量的不饱和脂肪酸在生物自由基的作用下易诱发膜脂过氧化，从而使膜透性增加，离子外渗［24］。

据试验结果可知，随Al3+浓度的增加及铝胁迫时间的延长，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趋势，这与胡雪华等［25］的研究结果一致。2种酶活性均在Al3+浓度为600 μmol/L时达到最大值；这可能是由于保护酶能较好地起到清除活性氧自由基的作用，但因其能力有限，清除作用随胁迫时间延长出现下降趋势，或因铝浓度过高，超出其清除活性氧自由基的阈值，使酶蛋白结构遭受破坏或合成受阻，从而出现酶活性下降。在铝胁迫下，白芨的POD、SOD活性以及MDA、可溶性糖、脯氨酸等的含量受到铝处理浓度和胁迫时间的累加效应的影响，在铝胁迫条件下，白芨幼苗会主动积累SOD和POD、脯氨酸、可溶性糖等渗透调节物质来维持细胞的水分和渗透平衡，从而减轻铝胁迫对白芨幼苗的伤害；但高浓度（800、1 000 μmol/L）的铝处理会破坏白芨叶细胞膜结构，从而破坏白芨幼苗的正常渗透调节机能。

研究表明，铝毒害破坏了植物叶绿体被膜，导致叶绿素含量降低［26］，而叶绿素降低抑制了植物的收集并转化光能的能力，降低了光合效率［27-28］。从该研究结果来看，铝胁迫导致白芨胞间CO2浓度升高、气孔导度下降、净光合速率下降、蒸腾速率下降，这与肖宜安等［29］的研究结果一致，随着胞间CO2浓度升高，气孔阈值降低的原因推测是非气孔因素抑制了叶片光合作用，即光合速率下降是由光合系统活性降低所引起的［30］，李亚敏等［31］对黄芩的研究结果也证实了这一点。

白芨在土壤pH 6.5～7.5能较好的正常生长，属于中性土植物，可见白芨的光合系统对铝毒害非常敏感，推測铝毒害对白芨的光合系统而言就是不可逆的伤害，一旦受到铝毒胁迫，就会导致白芨的光合性能降低，呼吸作用减弱。

参考文献

［1］刘东华，蒋悟生.铝对植物的毒害［J］.植物学通报，1995，12（1）：24-32.

［2］易杰祥，吕亮雪，刘国道.土壤酸化和酸性土壤改良研究［J］.华南热带农业大学学报，2006，12（1）：23-28.

［3］郭天荣，张国平，卢王印，等.铝胁迫对不同耐铝大麦基因型干物质积累与铝和养分含量的影响［J］.植物营养与肥料学报，2003，9（3）：324-330.

［4］林咸永，章永松，罗安程.不同小麦基因型耐铝性的差异及筛选方法的研究［J］.植物营养与肥料学报，2001，7（1）：64-70.

［5］李伟平，何良艳，丁志山.白芨的应用及资源现状［Ｊ］.中华中医药学刊，2012，30（1）：158-160.

［6］刘光斌，黄忠，黄长干，等.天然植物白芨胶的功能及在化妆品中的应用［J］.日用化学品科学，2005，28（8）：22-24.

［7］朱峻霄，林亚蒙，杨野，等.白及多糖在生物医药材料领域中的应用研究进展［J］.中药材，2018，41（4）：1011-1014.

［8］陈灿，陈海霞.白芨繁殖研究进展［J］.湖南农业科学，2015（5）：135-137，141.

［9］陆峻波，刘亚辉，杨永红，等.从文献分析看我国白芨研究进展［J］.云南农业大学学报（自然科学版），2011，26（2）：288-292.

［10］李忠光，龚明.愈创木酚法测定植物过氧化物酶活性的改进［J］.植物生理学通讯，2008，44（2）：323-324.

［11］李合生.植物生理生化实验原理和技术［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［12］孙群，胡景江.植物生理学研究技术［M］.杨凌：西北农林科技大学出版社，2005：167-170.

［13］孔祥生，易现峰.植物生理学实验技术［M］.北京：中国农业出版社，2008.

［14］高俊凤.植物生理学实验指导［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［15］覃鹏，刘飞虎，梁雪妮.超氧化物歧化酶与植物抗逆性［J］.黑龙江农业科学，2002（1）：31-34.

［16］苗雨晨，白玲，苗琛，等.植物谷胱甘肽过氧化物酶研究进展［J］.植物学通报，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］韩志平，郭世荣，尤秀娜，等.盐胁迫对西瓜幼苗活性氧代谢和渗透调节物质含量的影响［J］.西北植物学报，2010，30（11）： 2210-2218.

［19］赵可夫.植物抗盐生理［M］.北京：中国科学技术出版社，1993：9-10.

［20］孙方行，孙明高，夏阳，等.NaCl处理对海棠渗透调节的影响［J］.西北林学院学报，2005，20（3）：62-64，86.

［21］丁晓辉，任丽萍，张春荣，等.Cd2+胁迫对紫花苜蓿叶绿素和可溶性糖含量的影响［J］.华北农学报，2007，22（S1）：64-66.

［22］刘强，龙婉婉，柳正葳，等.酸铝胁迫对芒萁生长、光合特性和叶绿素荧光参数的影响［J］.河南农业科学，2016，45（11）：58-64.

［23］李晓红，李蕴，胡雪华，等.铝胁迫对喀西茄叶片的氧化伤害及抗氧化酶活性的影响［J］. 井冈山大学学报（自然科学版），2011，32（6）：41-45.

［24］孙方行，孙明高，魏海霞，等.NaCl胁迫对紫荆幼苗膜脂过氧化及保护酶活性的影响［J］. 河北农业大学学报，2006，29（1）：16-19.

［25］胡雪华，李蕴，邹天才.车前对铝胁迫生理响应的研究［J］.热带亚热带植物学报， 2014，22（5）：495-501.

［26］赵会娥，贺立源，章爱群，等.铝胁迫对植物光合作用的影响及其机理的研究进展［J］.华中农业大学学报，2008，27（1）：155-160.

［27］肖祥希，刘星辉，杨宗武，等.铝胁迫对龙眼幼苗光合作用的影响［J］.热带作物学报，2005，26（1）：63-69.

［28］应小芳，刘鹏.铝胁迫对大豆叶片光合特性的影响［J］.应用生态学报，2005，16（１）：166-170.

［29］肖宜安，李晓红，李蕴，等.铝胁迫对车前光合生理特性的影响［J］.井冈山大学学报（自然科学版），2010，31（1）：48-52.