铝胁迫对西瓜幼苗生长的影响范文

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《农业环境科学学报》2014年第八期

1材料与方法

1.1供试材料供试西瓜品种为市售超甜地雷王（DL）、早佳84-24（ZJ）、早蜜王（ZM）、早春红玉（HY）。供试试剂为十八水合硫酸铝[分子式Al2（SO4）3•18H2O]，分析纯。

1.2试验设计挑选大小均匀、健康饱满的西瓜种子，55℃热水浸种，自然冷却后继续浸种6h，将种子用湿纱布包好在恒温箱内（28℃，湿度90%）催芽至露白，然后播种在装有珍珠岩的育苗盘里。待各品种幼苗第一片真叶完全展开后分别选长势一致的幼苗移栽到装有珍珠岩的塑料盆里，每盆3株，用1/3Hoagland营养液浇灌。幼苗进入五叶期后将各品种幼苗分成5个处理组，每8盆为一个处理，每个处理3次重复。以1/3Hoagland营养液为母液，用硫酸铝[Al2（SO4）3•18H2O，分析纯]配制铝浓度为0、250、500、1000、1500μmol•L-1的处理液，用H2SO4和NaOH调节溶液pH=4.5±0.3（模拟酸性土壤pH条件，使添加铝主要以A13+形态存在）。用各浓度的处理液分别浇灌各组西瓜幼苗，每日一次，每次每盆浇灌150mL。铝处理后第5、10、15d分别进行各项指标测定，根据铝处理第15d所测4种不同基因型西瓜根长、干重、根系活力指标，筛选耐铝性差异明显的2种不同基因型的西瓜，对比分析此2种不同基因型西瓜随铝处理浓度升高、时间延长其膜脂伤害及渗透调节相关指标和抗氧化酶指标的变化规律。

1.3测定项目及方法根长用直尺测量；将地下部与地上部分开后在105℃烘箱中杀青30min后转入80℃下烘干至恒重，分别称地上部和地下部干重；根系活力用TTC法测定[11]；脯氨酸（Pro）含量用酸性茚三酮法测定[11]；丙二醛（MDA）含量用硫代巴比妥酸法测定[11]；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光还原法[11]，520nm波长下测定吸光度；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定[11]，以单位质量新鲜样品1min吸光度变化值表示酶活性大小，单位为Δ470•g-1FW•min-1；用分光光度法测定过氧化氢酶（CAT）活性[12]，以Δ240=0.1为一个活力单位（U），以新鲜样品每分钟活力变化表示CAT活性，单位为U•g-1FW•min-1。

1.4数据统计采用SPSS进行单因素方差分析，选择最小显著性差异法（LSD法）进行均值多重比较，用Excel作图。

2结果与分析

2.1西瓜不同品种耐铝性差异的筛选表1是4个西瓜品种在铝处理后15d的生长情况。随Al3+浓度升高，DL、ZJ、ZM、HY4个西瓜品种的根长都呈先增后减的趋势。DL在1500μmol•L-1的铝处理下根长显著低于对照，ZM在Al3+≥500μmol•L-1时根长显著低于对照，而ZJ和HY各处理组根长与对照差异不显著。从根长来看，4个西瓜品种的耐铝性依次为HY≈ZJ＞DL＞ZM。铝处理对4个西瓜品种地下部和地上部的干重影响不同：铝处理后HY地下部和地上部干重均增加，而且各处理均显著高于对照；各浓度铝处理下ZM的生物量显著减小，可见铝抑制了ZM生长；铝浓度为500μmol•L-1时DL、ZJ生物量较对照均增加，高浓度的铝（1000~1500μmol•L-1）处理DL、ZJ地下部以及ZJ地上部干重均减小，仅DL地上部干重略有增加，但与对照差异不显著。从生物量来看，耐铝性依次为HY＞DL≈ZJ＞ZM。250μmol•L-1铝处理下4个西瓜品种的根系活力均有所降低，其中ZM根系活力与对照达显著水平。铝浓度为1500μmol•L-1时，DL、ZJ、ZM的根系活力均低于对照，其中ZJ、ZM与对照差异显著，而HY根系活力升高并显著高于对照和其他各浓度处理。从根系活力来看，耐铝性依次为HY＞DL≈ZJ＞ZM。综合根长、干重、根系活力来看，ZM对铝最敏感，HY耐铝性最强，DL、ZJ介于二者之间。因此，以下选用西瓜品种ZM、HY，对其叶片相关生理指标进行对比分析，探讨铝处理下此二者生理变化的差异。

2.2耐铝性差异明显的2种基因型西瓜的生理指标对比分析

2.2.1铝对西瓜叶片丙二醛含量的影响由图1（a）可知，ZM叶片MDA含量仅在250μmol•L-1铝处理下、第15d时低于对照，其余各处理下MDA含量均显著高于对照；Al3+≥500μmol•L-1处理下MDA含量为对照的131.6%~171.1%，膜系统伤害严重。由图1（b）可知，不同浓度铝处理同样导致HY叶片MDA含量的上升。Al3+≤1000μmol•L-1处理下，HY的MDA含量第5d时为对照的126.2%~152.3%，第10d为对照的93.2%~109%，第15d为对照的104.3%~128.7%，说明随着铝处理时间的延长HY膜系统伤害得到一定程度的恢复。1500μmol•L-1铝处理下，HY叶片MDA含量在第5、10、15d均显著高于对照，说明此时膜系统伤害不可恢复，分别为对照的162.1%、142.9%、140.1%。

2.2.2铝对西瓜叶片脯氨酸含量的影响由图2（a）可知，ZM叶片中Pro含量第5、10、15d均在250μmol•L-1铝处理下达最大值且均显著高于对照。第5d时，Al3+≥500μmo•lL-1处理下各组ZM叶片Pro含量与对照差异均不显著；随时间延长，第10d时在500、1000μmol•L-1的铝处理下显著高于对照，1500μmol•L-1铝处理下显著低于对照；第15d时在Al3+≥500μmol•L-1处理下均显著低于对照。由图2（b）可知，随铝浓度的升高，HY叶片Pro含量在第5d呈先升后降的趋势，仅在1500μmol•L-1铝处理下较对照有所降低；第10d也呈先升后降的趋势，第15d时呈升高趋势，第10、15d处理组Pro含量均显著高于对照。HY处理组叶片Pro含量在第5、10、15d分别为对照的92.4%~115.9%、121.3%~176.4%、143.3%~165.4%。

2.3铝对西瓜叶片抗氧化酶（SOD、POD、CAT）的影响由图3（a）可知，在250μmol•L-1铝处理下第5、10d和500、1000μmol•L-1铝处理下第10、15d，ZM叶片SOD活性显著高于对照，其中1000μmol•L-1铝处理下第15d增幅最大，为对照的119.1%。1500μmol•L-1铝处理下ZM叶片SOD活性在第5、10、15d均显著低于对照。由图3（b）可知，HY叶片SOD活性随铝处理浓度的升高呈先升后降的趋势。随时间的延长，相对SOD活性呈先降后升的趋势，第5、15d时HY各处理组SOD活性均显著高于对照，为对照的108.8%~163%。由图4（a）可知，随铝浓度的升高，ZM叶片POD活性第5、10d均呈先升后降的趋势，250μmol•L-1铝处理下达最大值；第15d呈下降趋势，各铝浓度处理下均显著小于对照。由图4（b）可知，第5d时，HY叶片POD活性随铝浓度的升高呈先升后降的趋势，1000μmol•L-1铝处理下达最大值；第10、15d时，各处理组POD活性均显著高于对照。从升降幅度来看，铝处理下ZM叶片POD活性升幅较小，降幅较大，为对照的50.4%~136.6%；HY叶片POD活性升幅较大，降幅较小，为对照的89.7%~254.5%。由图5可知，不同浓度铝处理下ZM叶片CAT活性为对照的93.5%~106.9%，HY叶片CAT活性为对照的70.7%~113.8%。HY各浓度处理第5、10d时CAT活性均小于对照，且第10dAl3+≥500μmol•L-1处理下与对照达显著水平；第15d时，Al3+≤1000μmol•L-1处理下HY叶片CAT活性高于对照，且250、500μmol•L-1处理下达显著水平。说明HY在低浓度的铝处理下随着时间的延长，CAT活性得到恢复。

3讨论

根尖是遭受铝毒害的最初部位，根长测定是植物耐铝毒鉴定的通用方法[13]。生物量是可以直观反应植株生长状况、也是筛选植物耐铝品种的重要指标[14]。国内外根据这些形态指标对小麦、油菜、大麦、大豆等的耐铝性都进行过多次筛选[14-17]。本研究中，从根长变化来看，HY根长变化最小，ZM根长生长受抑制最为严重；从生物量变化来看，ZM在Al3+≥500μmol•L-1时地上部、地下部干重均显著低于对照；HY地上部、地下部干重在铝处理下均表现为促进作用；DL、ZJ根长、生物量变化介于二者之间。综合根长、生物量两个指标可以筛选出对铝敏感的西瓜品种ZM和耐铝性较强的西瓜品种HY。根系活力可以客观反映植物根系生命活动的强弱，也和植物耐铝性存在密切关系[3，18]。ZM根系活力随铝浓度升高显著下降，说明随铝处理浓度的升高所受胁迫不断加深。HY在Al3+≤1000μmol•L-1的铝处理有很强的适应性，根系活力变化不明显；铝浓度升高至1500μmol•L-1时促使根系活力显著升高，这与周媛等研究中高浓度（1000μmol•L-1）铝处理下栝楼根系活力变化的研究结果相一致[19]，可能是HY西瓜品种可通过提高代谢水平、增强根系活力，从而缓解铝胁迫。对比ZM和HY两个西瓜品种根系活力变化，可以说明根系TTC相对还原强度与植物的耐铝性有很好的一致性[20]，根系活力的分析结果再次说明4个西瓜品种中ZM对铝最为敏感，HY耐铝性最强。本试验结果表明，通过根长和生物量对西瓜耐铝性进行筛选，然后再根据根系活力进行验证，可以对西瓜耐铝性进行有效的鉴定。本试验还对铝敏感性西瓜ZM和耐铝性西瓜HY在铝胁迫下内部生理特性的变化进行了研究。铝胁迫会导致植物膜脂过氧化破坏膜结构，这是植物受铝毒害的重要原因之一[21-23]。MDA是膜脂过氧化的产物，可以反映膜脂过氧化程度和膜脂伤害程度。本试验表明，铝处理均提高了ZM和HY叶片内的MDA含量，已经对西瓜细胞膜结构的稳定性造成不利的影响。ZM在Al3+≥500μmol•L-1时，MDA含量维持较高水平，细胞膜伤害严重且不可恢复，而HY在Al3+≤1000μmol•L-1下，随着处理时间的延长膜系统伤害可得到一定程度的恢复。说明在一定浓度和时间范围内，西瓜可通过自身调节使膜系统所受铝毒害得到一定程度恢复，且耐性品种HY对铝浓度的耐受范围大于铝敏感品种ZM。因此，MDA含量的变化可以作为判断不同基因型西瓜的耐铝程度的生理指标之一。脯氨酸是重要的渗透调节物质和抗氧化物质，具有防御膜脂过氧化伤害的功能，与植物清除活性氧也有密切关系，因此脯氨酸常被作为反应植物耐铝性的一个重要生理指标[24]。本研究中ZM在最低铝浓度250μmol•L-1处理下积累Pro较多；在Al3+≥500μmol•L-1，铝处理第15d时Pro含量均显著小于对照。HY在铝处理第5、10、15d相比对照均有较多Pro积累，可见西瓜可通过提高Pro含量抵御铝胁迫，而HY即使在较高铝浓度处理下仍可维持较高Pro含量。综合MDA、Pro分析，铝胁迫下HY叶片Pro含量的升高与其在较高铝浓度下膜系统的维持有密切关系，推测脯氨酸积累是西瓜缓解铝毒害的生理原因之一。活性氧自由基的产生是铝毒害的原因之一，非生物胁迫导致植物体内活性氧含量上升[25]。活性氧升高会导致抗氧化酶活性升高，植物抗氧化酶系统对于及时清除细胞内活性氧自由基、保护细胞膜的结构稳定性具有重要意义。抗氧化酶系统中SOD专一清除O-2•，其产物H2O2则由POD和CAT清除[26]。许多研究都表明铝胁迫可以激发植物SOD酶活性的升高[27-28]。本研究中，铝处理下ZM叶片SOD活性增幅较小，HY叶片SOD活性在铝处理5、15d时均有较大增幅，可见耐铝性西瓜品种HY在铝处理下对SOD酶活的激发强于铝敏感西瓜品种ZM。一定浓度及时间的铝处理下，ZM、HY叶片POD活性均可升高，对小麦、水稻等作物的诸多研究中也都发现铝胁迫会导致POD活性上升[29-31]，而在长时间及高浓度的铝处理下ZM叶片POD活性较对照下降明显，HY则在铝处理第10、15d时各处理POD活性均显著高于对照，可见ZM和HY的POD酶活性在对铝的反应上存在差异。本研究中ZM、HY在铝处理下叶片CAT活性较对照变化均较小，可能在铝胁迫条件下西瓜活性氧清除体系中CAT作用相对较小。因此CAT不适合单独作为鉴定西瓜耐铝性指标。此外值得注意的是第10d时，随铝处理浓度升高HY叶片SOD、CAT活性均有所降低，表现为负协同作用，POD活性反而升高，可能是三种酶发挥效应的时间阶段不同，与韦冬萍对油菜铝胁迫研究的结果相一致[32]。很多逆境胁迫的研究表明，SOD、CAT在植物抵抗逆境中确实存在协同的作用[33-34]，已有研究通过转基因手段同时提高烟草SOD、CAT活性，从而使植物抵抗逆境胁迫能力增加[35]。然而抗氧化酶的表达机制十分复杂，遗传信息、生长期及处理条件等内外因素的差异均会造成结果的差异，因此对于西瓜铝胁迫中抗氧化酶清除活性氧的机制有待进一步进行全面而深入的研究与探讨。

4结论

不同基因型的西瓜在铝处理下的反应有一定的差异性，根据根长、地上部及地下部干重、根系活力可以从4个不同基因型西瓜中选出铝敏感品种ZM和耐铝品种HY。随铝处理浓度、时间的变化，铝敏感品种ZM膜脂伤害指标MDA含量升高较HY更明显且膜脂伤害更难恢复；耐铝品种HY在铝处理下Pro可以维持在较高水平，SOD、POD酶活性可受更大激发。因此，MDA、Pro、SOD、POD是反映西瓜耐铝性的重要生理指标。此外，CAT不适合单独作为西瓜耐铝指标。

作者：贾松涛郑阳霞邱爽张伟伟单位：四川农业大学园艺学院