水杨酸对铝胁迫下栝楼生长的调控机理研究

【摘要】：铝毒是南方酸性红壤中制约作物生长的重要因素之一,目前,酸雨的频降与农药化肥等的滥施滥用日趋增多,致使铝毒在酸性土壤中更加严重,因此,寻求一条经济、简捷又有效的缓解土壤铝毒对作物生长影响的方法便成为了目前植物逆境生物学的研究热点之一。本研究以寻找缓解铝毒新途径为出发点,采用浙江省广泛种植的草质藤本植物——栝楼为实验材料,通过水培实验,先了解栝楼对铝的承受能力,选取适宜的铝浓度,主要通过检测根系质膜透性、根系活力、各种抗氧化酶及其同工酶电泳、根尖铝积累情况及根尖桑色素染色的观察等栝楼根系的生长情况判定；第二步,采用不同的外源水杨酸添加方式,一方面研究水杨酸不同添加方式对植物产生影响的区别,另一方面探究不同添加方式对缓解栝楼铝胁迫的内部机理。在外施水杨酸组实验中,主要研究栝楼根系及地上部分的生物量、各种抗氧化酶活性、质膜损伤程度、活性氧的产生等整体植株的生理指标,另外由于外施水杨酸,水杨酸直接作用于叶片上所以对叶片的代谢有较大影响,所以叶绿素含量、叶绿素荧光参数等针对叶片的指标也有所涉猎；另一种添加方式是直接将与外施同浓度的水杨酸添加到处理液中,从根部探究水杨酸对栝楼铝毒的缓解机制。这一部分主要检测栝楼的根系伸长及生长、对营养元素的吸收、运输及储存的影响、质膜的损伤情况及一些抗氧化物的含量,另外,本章还检测了三种在植物的木质素合成中起着重要作用的酶的活性,探究铝胁迫对栝楼植株(特别是根部)木质化的影响,以及外源水杨酸的添加对这种影响的改变。主要结果概述如下： (1)铝对栝楼根系生长及铝积累的研究结果表明：随着铝处理浓度升高,栝楼根系活力增大,根系质膜透性无显著变化；过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸专一性过氧化物酶(APX)的酶活升高,过氧化物酶(GPX)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性降低,多种抗氧化酶的同工酶谱均有多条同工酶谱带出现,并且酶带颜色的深浅变化与各自的抗氧化酶活性变化相一致；根尖过氧化氢(H2O2)染色随着铝处理浓度的增大而颜色渐深,表面根表产生的过氧化氢呈上升趋势；根尖相对铝含量随着铝处理浓度的升高而增大,桑色素染色情况显示,荧光梯度与根尖相对铝含量的测定结果相一致,并且观察到根尖以上根毛处细胞的荧光较为强烈,推测可能是凸起的细胞较之平整排列的根细胞更容易积累铝。 (2)外施水杨酸对铝胁迫下栝楼抗氧化系统及叶绿素荧光参数影响的研究结果表明：铝胁迫显著降低了栝楼的生物量,水杨酸的施加使生物量显著提高,其中10μmol/L对铝胁迫下栝楼生长的促进效果最为显著；A13+诱导了植株H2O2含量及MDA含量的升高；激活了SOD、CAT、APX、GPX等抗氧化酶,使其活性升高；显著降低了叶绿素总量,特别是叶绿素a含量；最大光化学量子产量(Fv/Fm)、初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)值也在铝处理下显著降低。外施水杨酸有效缓解了质膜的过氧化损伤,降低了栝楼体内H2O2含量和APX、CAT、SOD的酶活性,根部GPX活性有所提高；外施水杨酸还提高了栝楼叶绿素含量及Fv/Fm、Fo、Fm等参数值,并且10μmol/L水杨酸能够有效促进栝楼叶片伸展和生长；单SA对植物生长无明显促进作用,高浓度甚至产生毒害效果。实验表明：低浓度SA能够有效降低质膜过氧化损伤与植株体内H2O2含量,缓解铝处理对栝楼造成的氧化胁迫,进而维持叶绿素含量与比例正常,减轻铝处理对光系统Ⅱ的伤害,增强了栝楼对铝毒的耐性。 (3)营养液中添加水杨酸对栝楼生长与营养元素吸收的研究结果表明：铝处理短时间内促进了栝楼对Mg和Ca的吸收以及K、Mg和Ca由根系向地上部分的运输,但20d处理后K、Mg和Ca含量均下降,只有Na含量升高,比较多的聚集在根部。水杨酸的添加使K、Mg和Ca这三种元素的吸收量增多,并且两种水杨酸浓度与铝交互处理下,栝楼叶片中的Ca含量和总Ca含量分别较之铝处理组高出了12%、16%和4%、4.4%,说明水杨酸缓解了铝胁迫对栝楼Ca的运输所造成的阻断；但水杨酸的添加降低了Na的含量,可能是为了维持细胞内外的离子平衡。单独10μmol/L水杨酸增加了植株对K、Mg和Ca的吸收,但50μnol/L却抑制植株这些元素的吸收和运输。铝胁迫使栝楼体内MDA含量、AsA含量以及GSH含量显著升高,低浓度外源水杨酸的添加有效降低了质膜过氧化损伤,抗氧化物含量也有所降低。铝诱导了CAD、GPX、 PAL三种酶活性的升高,加速了栝楼根系木质化进程,抑制了根系的伸长和根系鲜重的增加；外源水杨酸的添加降低了这三种酶的活性,解除了铝胁迫给根系带来的生长抑制,使根系恢复生长。然而单水杨酸处理无论从生理上还是元素吸收上都表现出了对栝楼生长的不利作用。