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外源酚酸对铝处理下桉树幼苗生长及抗氧化系统的影响

2017-02-15翟志军李祖毅黄晓露刘军程飞杨梅

湖北农业科学 2016年20期
关键词:桉树生长

翟志军+李祖毅+黄晓露+刘军+程飞+杨梅

摘要:铝毒害被认为是酸性土壤中限制植物生长的主要因子之一,试验以巨尾桉9号(Eucalyptus grandis ×urophylla GLGU 9)组织培养苗为材料,探讨了5种外源酚酸(对羟基苯甲酸、香草酸、苯甲酸、阿魏酸和肉桂酸)对120 mg/L Al3+胁迫下桉树幼苗生长状况及其抗氧化酶活性的影响。结果表明,在Al3+胁迫下,桉树幼苗的生长受到抑制,同时幼苗体内的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氢酶(CAT)、多酚氧化酶(PPO)活性和丙二醛(MDA)含量明显升高,而叶绿素含量降低;在加入外源酚酸后,桉树幼苗的叶绿素含量、CAT、PPO活性呈上升趋势,而SOD活性和MDA含量呈下降趋势。添加低浓度的外源酚酸后,铝胁迫得到明显缓解,可促进桉树幼苗的生长,均以10 mg/L的香草酸和苯甲酸处理的缓解效果最佳;高浓度的酚酸处理则抑制桉树幼苗的生长。

关键词:桉树;铝胁迫;外源酚酸;生长;抗氧化系统

中图分类号:S792.39 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)20-5286-05

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.030

Abstract: Aluminium is one of the major factors to limit plant growth in acid soils. To investigate the impact of phenolic acids on the growth and antioxidant system of Eucalyptus grandis × urophylla GLGU 9 seedlings under aluminum stress, the treatments of five kinds of phenolic acids were conducted by adding P-hydroxybenzoic acid, Vanillic acid, Benzoic acid, Ferulaic acid, Cinnamic acid to the soils under 120 mg/L Al3+ treatments. The results showed that, under aluminium stress, the growth of Eucalyptus seedlings was restrained; the activity of SOD, CAT, PPO and content of MDA were obviously increased; while chlorophyll content were reduced. After addition of phenolic acids, the physiological indices of Eucalyptus seedlings varied under different concentration. In total, the content of chlorophyll and the activity of CAT, PPO increased, but the activity of SOD and content of MDA decreased. The aluminum stress was significantly relieved by some acids at certain concentration as the treatments of low concentration promoted the growth of Eucalyptus seedlings. Vanillic acid and benzoic acid had the best alleviation effect to aluminum toxicity at the concentration of 10 mg/L.

Key words: Eucalyptus; aluminium stress; phenolic acid; growth; antioxidant system

桉树是世界著名的三大速生树种之一,具有适应性强、树干通直、材质优良、用途广泛等特点,是重要的短周期工业用材树种。近年来,酸铝环境被证实是影响短轮伐期人工林地生产力下降的一个因素。中国南方土壤属于富铝化的酸性土壤,又由于工业化的不断发展、人工林连作及施用化学肥料等原因,更加剧了富铝化酸性土壤的酸化程度[1,2]。当土壤pH<5时,土壤中难溶性的铝被活化为可溶性的Al3+,这对大多数植物会产生毒害作用[3]。桉树属于比较喜酸的树种,适生的土壤pH为3.97~4.80[4],其生长环境中铝离子含量较高。有报道[5,6]称,浓度为120 mg/L的铝溶液对桉树幼苗的生长发育有显著的抑制作用,并且不同的桉树无性系耐铝性存在差异,巨尾桉9号(Eucalyptus grandis×urophylla GLGU 9)就对铝胁迫具有较强的适应性[7]。在桉树研究上,除了筛选耐铝品系外,如何缓解铝毒害的作用需要深入探索。

酚酸物质是植物生理代谢过程中通过草莽酸途径产生的一类带酚基团的小分子有机酸[8],是参与植物自我防御的重要物质[9]。在生物胁迫和非生物胁迫下,植物根系会分泌相应的酚酸物质,以适应外界环境的变化,其为植物长期适应酸性贫瘠的土壤环境起到了有益作用,如储存养分、除去铝毒害、提高磷的有效性、调节氮循环、防止食草动物的摄取等。试验通过分析施用外源酚酸对铝处理下桉树幼苗叶片生理生化及形态特征的变化影响,讨论外源酚酸对铝毒害的缓解作用,筛选缓解作用较好的酚酸种类及其浓度,为找到缓解植物铝毒害的途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点设在广西大学林学院校内苗圃实验基地,为避免强光照和雨水对试验的影响,供试桉树幼苗置于育种棚育苗区内盆栽培养。选择长势基本一致的3个月巨尾桉9号组织培养苗作为试验材料,以黄心土与河沙(2∶1)混合作为盆中栽培基质。将桉树苗移栽至花盆后,以1/2 Hoagland营养液进行适应性培养1周后,再进行铝胁迫和酚酸处理。入试酚酸有對羟基苯甲酸(P-hydroxy benzoic acid)、香草酸(Vanillic acid)、苯甲酸(Benzoic acid)、阿魏酸(Ferulic acid)、肉桂酸(Cinnamic acid),处理浓度都分别为10、50、100 mg/L;铝处理为120 mg/L Al3+,pH=4.0,供试铝试剂为AlCl3·6H2O(分析纯);设空白对照(CK1)和铝胁迫对照(CK2);共17个处理,采用完全随机设计,每个处理3次重复,每个重复3株苗。每15 d施加铝溶液和酚酸处理液,每隔10 d向花盆浇200 mL 1/2 Hoagland营养液。试验时间2012年1月20日至4月20日,历时3个月。

1.2 测定方法

试验处理前后,分别测定桉树幼苗的苗高和地径;试验结束后,采集幼苗第三至第八片新鲜绿色叶片进行生理生化指标测定。参照李合生[10]的方法,叶绿素(Chlorophyll)含量采用丙酮法测定,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定,超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑比色法测定,过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定,多酚氧化酶(PPO)活性采用邻苯二酚法测定。

1.3 数据处理

试验所得数据采用Microsoft Office Excel 2003软件整理,并用其做图;在SPSS 19.0软件环境下进行显著性测验。

2 结果与分析

2.1 外源酚酸对铝处理下桉树幼苗生长的影响

2.1.1 对桉树幼苗苗高生长的影响 外源酚酸对铝处理下桉树幼苗苗高生长的影响情况见图1。从图1可见,铝处理后的桉树幼苗生长情况较差,施用酚酸后,苗木生长状况有所好转。铝胁迫对照(CK2)的幼苗苗高增长量明显小于空白对照(CK1),表明铝胁迫抑制了桉树幼苗的高生长。施加外源酚酸后,除了100 mg/L 肉桂酸处理外,其余处理的苗高增长量都大于CK1,说明外源酚酸缓解了铝毒,促进了桉树幼苗的高生长。各处理苗高增长量多呈显著差异(P<0.05)。在铝处理下,对羟基苯甲酸和肉桂酸在50 mg/L时苗高增长量最大;香草酸和苯甲酸均表现随处理浓度的增加,苗高增长量呈现下降趋势。5种酚酸对幼苗高生长促进作用的强弱排序为香草酸、苯甲酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸、肉桂酸。

2.1.2 对桉树幼苗地径生长的影响 在铝胁迫下,外源酚酸对桉树幼苗地径增长量的影响情况见图2。从图2可见,不同外源酚酸处理对铝胁迫的桉树幼苗地径生长量影响较小,其中CK1的幼苗地径增长量大于CK2,说明铝胁迫对桉树幼苗的地径生长有一定的负面影响。在不同酚酸、不同浓度的处理中,只有10 mg/L香草酸和10 mg/L苯甲酸2个处理的幼苗地径增长量(都为5.19 mm)大于CK1(4.88 mm)。不同浓度的对羟基苯甲酸、香草酸、苯甲酸、阿魏酸处理均表现为10 mg/L处理下的地径增长最大,随处理浓度的增加,地径增长量呈现下降趋势。

2.2 外源酚酸对铝处理下桉树幼苗生理的影响

2.2.1 对桉树幼苗叶片叶绿素含量的影响 叶绿素是植物完成光合作用的重要物质,试验对桉树幼苗叶片叶绿素含量的测定结果见图3。从图3可见,铝胁迫对照(CK2)的桉树幼苗叶片叶绿素总含量显著低于(P<0.05)空白对照(CK1),可见铝离子处理导致幼苗叶片叶绿素含量降低。同时5个施用不同酚酸处理的铝胁迫桉树幼苗叶片叶绿素含量变化各异,其中对羟苯甲酸、香草酸、苯甲酸、肉桂酸处理在10~100 mg/L范围内随浓度增加,叶片叶绿素含量皆呈现先增加后降低的变化趋势,对羟基苯甲酸处理的叶绿素含量最大值出现在50 mg/L,香草酸在10 mg/L,苯甲酸在50 mg/L,肉桂酸在50 mg/L;而阿魏酸处理在10~100 mg/L范围内随浓度增加呈现上升趋势。从图3还可见,除苯甲酸10 mg/L处理和肉桂酸100 mg/L处理外,其他处理的叶绿素含量皆高于CK2,且对羟基苯甲酸50、100 mg/L处理和苯甲酸50 mg/L处理、阿魏酸100 mg/L处理的叶绿素含量高于CK1,可见5种酚酸在一定浓度范围内缓解了铝离子对桉树叶片叶绿素的破坏;而苯甲酸10 mg/L处理和肉桂酸100 mg/L处理导致了叶绿素含量的进一步降低。总的来说,阿魏酸和对羟基苯甲酸对桉树幼苗叶片叶绿素含量的影响较大,变异系数分别为10.07%和12.03%,肉桂酸、苯甲酸、香草酸对桉树幼苗叶片叶绿素的影响依次减小。

2.2.2 对桉树幼苗叶片MDA含量的影响 试验对桉树幼苗叶片MDA含量的测定结果见图4。从图4可见,铝胁迫对照(CK2)的桉树幼苗叶片MDA含量显著高于(P<0.05)空白对照(CK1),说明铝离子处理增强了膜脂过氧化反应,导致幼苗叶片MDA含量增加。同时5个施用不同酚酸处理的铝胁迫桉树幼苗叶片的MDA含量变化各异,其中对羟基苯甲酸各浓度处理的叶片MDA含量与CK2相差不大,阿魏酸则高于CK2,两者对铝毒害的缓解作用较小;香草酸在低浓度(10 mg/L)处理后,MDA含量略高于CK2,但在中高浓度(50、100 mg/L)处理后,MDA含量急剧降低,比CK2分别下降了51%、53%;苯甲酸100 mg/L处理和肉桂酸50、100 mg/L处理后,与香草酸在中高浓度时的MDA含量差异不显著(P>0.05),变异系数分别为44.34%、34.81%、28.33%,说明苯甲酸100 mg/L处理和肉桂酸50、100 mg/L处理可减轻铝对植物的伤害。

2.2.3 对桉树幼苗叶片SOD活性的影响 试验对桉树幼苗叶片SOD活性的测定结果见图5。从图5可见,桉树幼苗叶片SOD活性在铝胁迫对照(CK2)处理后略高于空白对照(CK1),除在肉桂酸50、100 mg/L处理后SOD活性变化2个对照相比差异显著(P<0.05)外,其他不同酚酸处理的SOD活性变化差异则未达到显著水平(P>0.05)。其中对羟基苯甲酸处理的桉树幼苗SOD活性随处理浓度的升高呈下降趋势;香草酸和阿魏酸处理的桉树幼苗SOD活性变化趋势刚好与对羟基苯甲酸处理相反。与CK2相比,苯甲酸的3个处理浓度的SOD活性略低,但波动幅度较小;肉桂酸在低浓度(10 mg/L)处理后,SOD活性与CK2最相近,而浓度为50、100 mg/L时,SOD活性急剧下降,分别比CK2降低了8%、9%。出现这种现象的原因可能是高浓度的肉桂酸处理带来的活性氧增加远远超过正常的歧化能力,破坏了细胞内酶的活性和多种功能,进而影响新陈代新,使SOD活性反而受到抑制。总的来看,各种酚酸不同浓度处理对桉树幼苗SOD活性的影响都不强,变异系数也小,5种酚酸对桉树幼苗叶片SOD活性作用的强弱排序为肉桂酸、香草酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸、苯甲酸。

2.2.4 对桉树幼苗叶片CAT活性的影响 试验对桉树幼苗叶片CAT活性的测定结果见图6。从图6可见,在铝胁迫下,桉树幼苗体内的CAT活性明显升高,即CK2>CK1;在不同酚酸处理后,桉树幼苗叶片的CAT活性变化差异较大,部分处理与CK2或CK1之间差异达显著水平(P<0.05)。其中对羟基苯甲酸和肉桂酸处理后桉树幼苗叶片CAT活性在50 mg/L处最高;香草酸和阿魏酸在10 mg/L处理后最高,苯甲酸则在100 mg/L处理后达到最高。除香草酸50、100 mg/L、苯甲酸10 mg/L、阿魏酸50 mg/L、肉桂酸10和100 mg/L处理外,其他处理的叶片CAT活性皆高于CK2;苯甲酸10 mg/L、肉桂酸100 mg/L处理的叶片CAT活性低于CK1。说明外源酚酸对桉树幼苗CAT活性的影响较大,各酚酸对桉树幼苗叶片CAT活性作用的强弱排序为肉桂酸、苯甲酸、香草酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸,变异系数分别为91.98%、69.37%、55.17%、45.80%、34.24%。

2.2.5 对桉树幼苗叶片PPO活性的影响 PPO也是一种氧化还原酶,是一种重要的抗逆性生化指标。试验对桉树幼苗叶片PPO活性的测定结果见图7。从图7可见,铝胁迫对照(CK2)处理后桉树幼苗叶片PPO活性显著高于空白对照(CK1),可见铝胁迫处理导致幼苗叶片PPO活性增大。铝胁迫后,随酚酸浓度增加,对羟基苯甲酸处理的桉树幼苗叶片PPO活性呈现上升的变化趋势,香草酸、苯甲酸处理的PPO活性呈现出先下降后上升的变化趋势,阿魏酸和肉桂酸处理后PPO活性则是先上升后下降的变化趋势。其中对羟基苯甲酸10和50 mg/L处理、香草酸50 mg/L处理、苯甲酸全部浓度处理的叶片PPO活性低于CK2,而阿魏酸、肉桂酸各处理皆高于CK2。可见对羟基苯甲酸、香草酸和苯甲酸在一定浓度范围内减缓了铝胁迫处理下叶片PPO活性上升的程度,而阿魏酸和肉桂酸则进一步促进了叶片PPO活性的增强。各酚酸对桉树幼苗叶片PPO活性作用的强弱排序为香草酸、对羟基苯甲酸、苯甲酸、阿魏酸、肉桂酸。

3 小结与讨论

植物对铝毒的抗性涉及到多个信号分子和信号途径[11],利用化学信号物质缓解植物铝毒效应的研究逐渐受到关注。近几年一些学者分别报道了硅、抗坏血酸、水杨酸等物质对铝胁迫下水稻、大麦、菊芋等农作物的生长、叶绿素、MDA及抗氧化酶等指标的评价,表明这些物质对铝毒害具有一定的缓解作用[12-14],而目前有关酚酸物质对铝毒的缓解作用尚未引起关注。酚酸被认为具有较强的化感活性[15],化感效应与酚酸物质的种类及浓度有关,多表现出低促高抑的现象[16,17],另一方面,酚酸也是植物在逆境环境下进行自我防御的重要物质,这在农业生产上具有广泛的应用价值[18]。试验结果表明,在铝胁迫下,施用酚酸对桉树幼苗生长及生理的影响因酚酸种类和浓度的不同而异。

叶绿素是植物完成光合作用的重要物质,植物受铝毒后,叶绿体被膜遭到破坏,叶绿素含量下降,总光合作用和光合速率也会降低[19]。桉树幼苗在铝胁迫下叶绿素含量下降,MDA含量显著升高;施加一定浓度范围内的外源酚酸后,整体表现出低浓度处理的幼苗叶绿素含量高、高浓度处理的幼苗叶绿素含量低的趋势;而MDA含量随处理浓度的升高呈现下降趋势,说明外源酚酸有助于缓解铝毒。SOD是植物抗氧化系统的第一道防线,当植物体内活性氧含量升高时,SOD活性也升高,其先把活性氧转化成H2O2,然后通过CAT、POD等将H2O2转化为H2O和O2,从而有效地阻止活性氧和H2O2对植物的伤害。PPO活性的降低可避免植物体内酚类物质向醌类物质的转化,也能减轻铝毒对植物的毒害[20]。铝胁迫下,对桉树幼苗施用外源酚酸会使SOD活性和MDA含量下降,而CAT和PPO的活性呈上升趋势。

外源酚酸对铝胁迫后桉树幼苗生长表现为低浓度促进、高浓度抑制。低浓度外源酚酸对铝毒的缓解机制可能是外源酚酸与土壤中可溶性Al3+螯合成难溶性的稳定物质,从而降低了植物根系对Al3+的吸收,并刺激根系的生长,进而缓解了铝对植物的毒害。由于外源酚酸是化感物质,当处理浓度高到一定程度时,过多的酚酸对植物的生长会产生抑制作用。因此,高浓度的酚酸会抑制光合作用和酶的活性,从而抑制植物的生长。所以对植物要施用合适浓度的外源酚酸,才能对铝毒产生一定的缓解作用。

鋁胁迫下外源酚酸对植物铝毒的缓解作用与植物的种类、酚酸种类、酚酸浓度以及作用机理有关,合适浓度的外源酚酸对桉树幼苗的生长有促进作用。对羟基苯甲酸、香草酸、苯甲酸、阿魏酸、肉桂酸5种外源酚酸对铝毒的缓解作用虽有差异,但总体上表现出双重性,即低浓度对铝毒有缓解作用,促进桉树幼苗的生长;而高浓度的外源酚酸则对桉树幼苗的生长表现出抑制作用。试验中对铝毒有较好缓解作用的2个外源酚酸处理为香草酸(10 mg/L)和苯甲酸(10 mg/L)。

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