氯化镧对铝胁迫下大豆幼苗抗氧化能力及光合性能的影响

黄守程，高青海，舒英杰，何庆元，陆晓民，*(.安徽科技学院　生命科学学院，安徽　凤阳　3300;.安徽科技学院　农学院，安徽　凤阳　3300)



氯化镧对铝胁迫下大豆幼苗抗氧化能力及光合性能的影响

黄守程1，高青海1，舒英杰2，何庆元1，陆晓民1，*
(1.安徽科技学院生命科学学院，安徽凤阳233100;2.安徽科技学院农学院，安徽凤阳233100)

摘要:目的:探究镧对大豆铝胁迫的缓解效应;方法:以铝敏感大豆BD2为材料，进行50 μmol/L铝胁迫处理，然后添加不同浓度氯化镧(10、100和1000 mgL/L)测定大豆幼苗抗氧化及光合指标;结果:与对照组相比较，铝胁迫导致大豆幼苗根系伸长率、根冠比、鲜重及干重显著降低，叶片SOD、POD活性显著降低，且MDA含量显著升高，叶绿素与类胡萝卜素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度及胞间CO2浓度也均显著下降;而与铝胁迫处理相比，不同浓度镧处理对大豆幼苗根长、鲜重与干重、SOD与POD活性有不同程度地促进作用，并显著降低MDA含量，同时提高叶绿素与类胡萝卜素含量，增强光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度，其中以10 mg/L镧处理效果最好;结论:适宜浓度的镧处理能够通过增强大豆幼苗的抗氧化能力，提高其光合性能，提高大豆幼苗对铝胁迫的适应能力，有效缓解铝对大豆幼苗生长的毒害。

关键词:大豆;稀土元素;镧;光合作用;抗氧化能力

土壤酸化导致可溶铝含量增加，严重抑制作物的生长和发育［1］。据统计，全球酸性土壤约占耕地面积的40%，而我国南方的酸性土壤也占全国土地面积的20%以上［2］。大豆［Glycine max (L.) Merr］是我国传统的粮油作物，在我国农业生产中占有极其重要的地位。然而，我国南方的酸化土壤严重抑制大豆等作物的生产［3］。大豆虽是酸性土壤改良的“先锋作物”，但其对铝毒的耐性只是相对的，酸性土壤铝毒害仍是限制大豆生产的主要因素［4］。研究表明，高浓度铝胁迫降低大豆幼苗的株高、鲜重和干重［5］，同时降低叶绿素含量和气孔导度，进而导致光合速率和蒸腾速率下降［6］。因此，如何缓解酸性土壤中的铝毒害，增强大豆等农作物生长性能，是亟待解决的问题。

稀土元素又称镧系元素，共17种，其中镧的含量相对丰富。自上个世纪70年代以来，作为我国首创的稀土农用技术已经在农业生产中大面积使用，且居世界领先水平［7］。稀土元素具有重要的生理活性，调节植物的生长和发育。适宜浓度的稀土能显著改善植物的光合性能，增强植物的抗逆性，促进植物生长［8］。研究发现，稀土元素能够增强植物对水分、盐以及低温等胁迫的抗性，维持较好的生长性能［9－11］;此外，稀土元素镧还能够有效缓解重金属镉对大豆、玉米的伤害，提高其光合能力［12－13］。然而，对于稀土元素能否改善铝胁迫下大豆的生长性能，国内外鲜见报道。因此，本试验以铝敏感大豆为材料，研究不同浓度稀土镧对铝胁迫下大豆幼苗的抗氧化酶活性以及光合能力的影响，以期为施用稀土元素镧缓解酸性土壤中大豆的铝毒害提供理论依据。

1　材料和方法

1.1材料培养与处理

以铝敏感大豆(BD2)为材料，选取圆润饱满的种子，经0.1%升汞表面消毒15 min，以蒸馏水清洗5次。置于25°C恒温箱中浸种12h，然后播种于珍珠岩中暗处萌发。萌发后于光照培养箱继续培养4 d，培养条件为:白天26°C/夜晚22°C，16h/8h光周期，光照强度为400 μmol/m/s，相对湿度为70%。4 d后取长势一致的幼苗移植于塑料桶中(20cm×20cm)，采用溶液培养法进行如下处理: CK(Hoagland营养液)，Al胁迫(Hoagland +50 μmol/L AlCl3) ;稀土镧(La)处理: Al + La处理1(Hoagland +50 μmol/L AlCl3+10 mgL/L LaCl3)，Al + La处理2(Hoagland +50 μmol/L AlCl3+100 mgL/L LaCl3)，Al + La处理3(Hoagland + 50 μmol/LAlCl3+1000 mgL/L LaCl3)，分别简称为La1、La2、La3，上述溶液均用HCl调至pH 4.5。每个处理3个重复，每桶15株幼苗，单因素随机区组设计，自然光照条件下培养10 d后测定相关形态及生理生化指标。

1.2指标测定

根系伸长率测定采用Jorge的方法［14］。以幼苗根系鲜重除以地上部分鲜重的比值作为根冠比。鲜重及干重采用常规称量方法、SOD测定采用氮蓝四唑法、POD测定采用愈创木酚法、MDA测定采用硫代巴比妥酸法进行［15］;光合指标测定:于晴天上午9～11时，待叶片光合稳定之后，在自然光下采用TPS－2便携式光合仪(美国PPSYSTEMS公司)测定倒数第一片真叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等光合参数［16］。

1.3数据统计与分析

上述指标测定均3次重复(平均值±标准差)，数据差异显著性分析运用IBM SPSS Statistics 19.0软件进行(LSD多重比较，α=0.05显著水平)。

2　结果与分析

2.1氯化镧对铝胁迫下大豆幼苗生长的影响

如图1所示，铝胁迫下大豆幼苗根系生长受到抑制，其主根长度明显低于对照。而镧处理后根系的生长得以恢复，甚至优于对照组。进一步研究表明，铝胁迫下大豆根系的伸长率也显著降低，添加不同浓度镧后根系伸长率均显著高于铝胁迫组，且10和100 mgL/L镧处理后根系伸长率高于对照(表1)，表明适宜浓度的镧处理能够促进铝胁迫下根系的伸长，有效解除铝对大豆幼苗根系的抑制作用。

铝胁迫下大豆幼苗的根冠比、单株鲜重和干重分别比对照下降了30.8%、8.3%和22.7%，均达到显著水平。不同浓度镧处理后幼苗的根冠比分别较铝胁迫组显著增加了141.3%、122.2%和55.6%; 10 mgL/L镧处理后幼苗的鲜重和干重均显著高于铝胁迫组，达到或略高于对照水平，但100 mgL/L和1000 mgL/L镧处理后幼苗的鲜重和干重与铝胁迫组差异不显著。以上结果表明，铝胁迫抑制大豆幼苗的生长，而适宜浓度的镧处理能够增加根冠比，提高幼苗生物量，有效缓解铝毒害。

图1　氯化镧促进铝胁迫下大豆幼苗的根系生长Fig.1　 LaCl3promoted the root growth of soybean seedlings under Al3 +stress

表1　氯化镧对铝胁迫下大豆幼苗生长的影响Table 1　 Effects of lanthanum chloride on the growth of soybean seedlings under Al3 +stress

2.2氯化镧对铝胁迫下大豆幼苗叶片抗氧化能力的影响

图2　氯化镧对铝胁迫下大豆幼苗抗氧化酶活性的影响Fig.2　 Effects of LaCl3on the antioxidant performance of soybean seedlings under Al3 +stress

如图2所示，铝胁迫10 d后，大豆幼苗叶片的SOD活性显著降低22.4，POD活性显著降低71.8%。10 mgL/L镧处理显著提高铝胁迫下幼苗叶片的SOD活性，而100和1000 mgL/L镧处理对铝胁迫下SOD活性无显著影响;不同浓度镧处理均显著提高铝胁迫下幼苗叶片的POD活性。铝胁迫下，大豆幼苗叶片的MDA含量显著高于对照，10和100 mgL/L镧处理能显著降低叶片的MDA含量。以上结果表明，铝胁迫造成大豆幼苗叶片的抗氧化酶活性下降以及MDA含量上升，而适宜浓度镧处理能显著提高其抗氧化能力，减轻氧化胁迫，从而缓解铝毒害。

由图3可知，与对照组相比，铝胁迫导致大豆幼苗的总叶绿素和类胡萝卜素含量下降了18.6%和24.2%;与铝胁迫组相比，10 mgL/L镧处理则能显著提高幼苗的总叶绿素含量，而100和1000 mgL/L镧处理后总叶绿素含量有一定程度的增加，但不显著;与铝胁迫组相比，不同浓度镧处理均能显著提高幼苗的类胡萝卜素含量，使其含量达到对照水平。

研究发现，铝胁迫下大豆幼苗的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度分别下降39.9%、17.6%、29.7%和8.6%，而10和100 mgL/L氯化镧处理后大豆幼苗的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均显著高于铝胁迫组，与对照组水平相近; 1000 mgL/L氯化镧处理不能提高铝胁迫下幼苗的光合速率，但能显著提高蒸腾速率和气孔导度。不同浓度镧处理后幼苗胞间CO2浓度恢复至对照水平。以上结果表明，适宜浓度氯化镧处理能够提高铝胁迫下大豆幼苗合色素含量，增强其光合能力，促进铝胁迫下大豆幼苗的生长，缓解铝对幼苗的伤害。

图3　氯化镧对铝胁迫下大豆幼苗光合性能的影响Fig.3　 Effects of LaCl3on the photosynthetic pigments and photosynthetic parameters of soybean seedlings under Al3 +stress

3　结论与讨论

酸性土壤(pH≤5.5)中的活性铝毒害是造成作物生长受抑、产量下降的主要因素之一［17］，而作为直接接触土壤的器官，植物根系是受铝毒害最为严重的部位［18］。铝胁迫严重抑制大豆幼苗的根系生长并降低其根冠比，由于根系是植物吸收水分及矿质养分的主要器官，根系生长受抑必然导致地上部分生长受阻，因此，铝胁迫下大豆幼苗鲜重和干重均显著低于对照，这与俞慧娜研究结果相吻合［19］。肖祥希等研究表明铝胁迫导致叶绿素、类胡萝卜素含量显著下降［20］，此外，铝胁迫下叶片光合速率、蒸腾速率以及气孔导度也显著减低［21］，这与本研究的结果也是一致的。研究表明，铝胁迫下叶片胞间CO2浓度升高［21］，但也有研究发现胞间CO2浓度降低［22］，造成这种不一致可能与铝胁迫的程度有关。本研究发现铝铝胁迫下大豆幼苗胞间CO2浓度降低，而气孔导度也显著下降，表明气孔因素和非气孔因素均是限制光合作用的关键因子。

SOD和POD是植物体内最重要的抗氧化酶类，参与活性氧的清除，其活性与机体所受的胁迫程度以及机体的抗逆性有关［23］。本研究发现，铝胁迫下大豆幼苗叶片的SOD和POD活性均显著下降，而MDA含量显著上升。当机体遭遇逆境后，短期内抗氧化酶活性的迅速升高是一种应激性反应，但当超过一定的时间限度后，机体抗氧化防护系统受到破坏，抗氧化酶活性会显著降低［24］。

稀土元素促进植物生长发育的作用已经众所周知。李靖梅等研究表明20 mgL/L CeCl3处理能显著提高大豆幼苗的光合能力。刘冰等研究发现20 mgL/L镧处理能提高镉胁迫下玉米幼苗的根长、根重、根系面积等生物量指标，缓解镉对玉米的伤害［13］。同样地，张治安研究表明适量施镧能一定程度上缓解大豆幼苗镉胁迫所致的叶绿素含量及光合速率的下降，同时提高SOD和POD活性，降低活性氧水平［12］。本研究结果显示，与铝胁迫相比，低浓度镧(10 mgL/L)能够显著提高幼苗根冠比及生物量，这可能是由于叶绿素及类胡萝卜素含量的提高，促进了光能的吸收和转化，增强了光合能力，从而促进有机物的积累所致;此外，10 mgL/L镧处理能够提高幼苗叶片的SOD和POD含量，降低MDA水平，从而增强了机体的抗氧化能力，减轻了铝胁迫下活性氧对细胞膜的损伤。

综上所述，铝胁迫显著降低抗氧化酶活性，降低其光合色素含量及光合性能，进而抑制大豆幼苗的生长，而适宜浓度的镧能够显著增强铝胁迫下的幼苗叶片的抗氧化能力，促进其光合作用，从而有利于大豆幼苗的生长，有效缓解铝对大豆幼苗生长的毒害作用。

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(责任编辑:马世堂)

Effects of LaCl3on the Photo－synthesis and Anti－oxidant Capacity of Soybean Seedlings Under Aluminum Stress

HUANG Shou－cheng1，GAO Qing－hai1，SHU Ying－jie2，HE Qing－yuan1，LU Xiao－min1，*
(1.College of Life Science，Anhui Science and Technology University，Fengyang 233100，China;
2.College of Agriculture，Anhui Science and Technology University，Fengyang 233100，China)

Abstract:Objective: To investigate the alleviation effects of trace earth element on soybean seedlings under aluminum stress.Methods: Aluminum(Al) sensitive soybean cultivar BD2 was exposed to 50μmol/L Al3 +stress and determined the antioxidant performance and photosynthesis parameters after the addition of different concentrations of lanthanum chloride (LaCl3，10、100、1000 mgL/L).Results: Compared with the control，Al stress led to significant decrease of root elongation rate，root－shoot ratio，fresh and dry weight as well as the SOD and POD activities，but caused the increase of MDA content of soybean seedlings.Al3 +stress also resulted in the decrease of chlorophyll and carotenoid contents，leaf photosynthetic rate，transpiration rate，stomatal conductance and intercellular CO2concentration.However，comparing with the Al stress treatment，addition of La can not only promote the root elongation，root－shoot ratio，fresh and dry weight as well as SOD and POD activities while reduced the MDA content of soybean seedlings in varied degrees，but also enhance chlorophyll and carotenoid contents，photosynthetic rate，transpiration rate，stomatal conductance and intercellular CO2concentration.And 10 mgL/L La was found to be the most effective concentration.Conclusions: Appropriate addition of LaCl3，therefore，can enhance the antioxidant capacity and the photosynthetic performance of soybean，through which enhances its tolerance to Al3 +stress，and finally alleviates Al toxicity on the growth of soybean seedlings.

Key words:Soybean; Rare earth elements; Lanthanum; Photosynthesis; Antioxidant capacity

中图分类号:Q945.78

文献标识码:A

文章编号:1673－8772(2016) 02－0010－06

收稿日期:2016－01－20

基金项目:安徽省高等学校自然科学项目(KJ2016A172) ;安徽省现代农业产业技术体系专项－蔬菜产业技术体系(AHCYTX－13) ;安徽科技学院蔬菜学重点学科(AKZDXK2015C05) ;安徽省自然科学基金项目(1608085MC69)，安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqzd2016216)。

作者简介:黄守程(1980－)，男，安徽省六安市人，硕士，讲师，主要从事植物抗性生理研究。*通讯作者:陆晓民，教授，E－mail: luxm@ ahstu.edu.cn。