几种豆科作物对酸性土壤逆境因子适应性研究

夏龙飞+吕娇+赵尊康+黎晓峰+王永雄

摘要：采用水培法对三种豆科作物在不同介质pH、磷水平、Al3+、Mn2+协迫条件下植株的生长、相关酶类活性、元素吸收及有机酸分泌及其差异性进行了探讨。结果表明，三种豆科作物存低pH条件下的生物产量显著降低，而根尖H+-ATPase活性显著提高，低pH溶液对作物影响顺序为：草木犀>苜蓿>大豆；低磷（0.05、0.10mmol/L）胁迫下三种豆科作物生物产量、植株磷含量均显著下降而根尖H+-ATPase活性显著提高，三种作物中苜蓿对低磷胁迫较敏感，而草木犀适应性最强；铝（3～10μmol/L）处理后苜蓿和草木犀根尖能被苏木精染为紫色，且苜蓿的染色较草木犀的深，而铝处理后的大豆根尖经苏木精染色后观察不到明显的紫色，且大豆根尖经30μmol/L处理后根系分泌柠檬酸。锰（50、100μmol/LMnSO4）处理对三种植株的生物产量和锰含量的影响顺序为大豆>苜蓿>草木犀。采用赋值法对三种豆科作物适应酸性土壤中低pH、低磷、高铝、高锰胁迫的适应能力的综合评价表明，三种豆科作物的综合适应能力顺序为大豆>草木犀>苜蓿。

关键词：豆科作物；酸性土壤；逆境；适应性；差异

中图分类号：S565.101+S551.01文献标识号：A文章编号：1001-4942（2015）04-0066-06

收稿日期：2014-11-04

基金项目：广西自然科学基金“酸性土壤上甘蔗幼苗失绿黄化成因、机理及对策研究”（2012GXNSFDA053010）

酸性土壤分布广泛，约占世界可耕地面积的40%[1]。酸性土壤中高酸度（低pH值）、过多的Al3+、Mn2+和缺磷问题突出。这些因子通常同存于土壤中[2]。低pH及过多的Al3+抑制土壤微生物活动、养分的转化及有效性、植物根的生长[3]，从而降低作物产量。另一方面，磷素是植物必需的营养元素，磷素缺乏可导致作物减产30%～40%[4]。因此，酸性土壤是世界上主要的低产土壤。而在长期的进化过程中植物建立了一系列适应酸性土壤不良环境的机制[2，5～7]，充分利用机制、合理布局抗性作物资源是酸性土壤资源高效利用的有效途径。

作物对酸性土壤不良环境适应性有明显的基因型差异。草木犀、苜蓿是我国重要豆科牧草资源，而大豆是我国重要的油料作物。这些作物对酸性土壤中主要逆境因素的适应性研究鲜有报道。为此，本试验对不同豆科作物应对酸性土壤低pH、磷缺乏、Al3+和Mn2+的毒害适应性进行了研究，以期为南方酸性土壤上豆科作物的生产和布局提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

试验选用草木犀（采自来宾红水河谷）、苜蓿（品种凯撒）、大豆（品种本地2号）为供试材料。

1.2试验方法

1.2.1水培试验试验在广西大学农业资源与环境科学系光照培养室进行，光照强度为8000lx，光黑交替（14L/10D），恒温25℃。

草木犀种子先用浓H2SO41～2mL浸泡1～2min，用自来水将残留在种子表面的酸液冲洗干净，和苜蓿种子一起经1%次氯酸钠溶液浸泡消毒15min后，水洗至无气味后浸泡5h，使种子充分吸胀。将浸泡后的草水犀、苜蓿种子用清水冲洗2～3次，平铺于18目下0.5mmol/LCaCl2溶液的塑料筛上，CaCl2溶液的液面刚好接触到塑料筛的底部，种子上覆盖湿润的滤纸，遮光育苗24h；大豆种子消毒浸种后，用清水冲洗干净放在事先铺有湿毛巾的托盘中，上盖一块湿毛巾。次日供试种子露白后将滤纸和毛巾移开，然后移栽至CaCl2溶液中培养，每天更换CaCl2溶液。三种豆科植物幼苗未长出侧根之前（苗期的第3～4天），选取长较一致的幼苗移到黑色培养杯（约1.2L）中，改用营养液（pH6.5）进行培养，板中央留通气孔。营养液为1/5霍格兰营养液。

1.2.2试验处理上述10日龄的植株分别于pH为4.5、5.5、6.5（CK）的培养液中培养。10d后，每处理切取1cm根尖15条，测定根类H+-ATPase活性[8]。20d后，收获植株，称重

20日苗龄的供试植株分别于含0.05、0.10、0.20（CK）mmol/L磷培养液中培养20d，收获植株，称重，测定植株全磷含量[9]。

4日龄供试植株存0、3、5、10μmol/LAlCl3溶液（含0.5mmol/LCaCl2，pH4.5）中培养24h根尖经0.1%苏木精染色后观察其染色程度并拍照。

20日苗龄的植株分别以含0.30μmol/LAlCl3的CaCl2溶液处理24h后，培养液中的有机酸采用HPLC（600，美国Waters公司）分析。植株收获后称重。

20日苗龄供试植株分别于2.5（Ck）、50、100μmol/LMnSO4处理水平培养20d后，收获，称重，测定锰含量[9]。

上述试验均设置3次重复。

1.3数据统计

试验数据采用新复极差法进行差异显著性检验。相对生物产量（%）=处理后植株的生物产量/对照的生物产量×100

2结果与分析

2.1不同豆科作物对低pH环境适应性差异

图1表明，低pH条件下，三种豆科作物的相对生物产量均显著下降，降幅达2.32%～33.16%。但是，低pH对不同豆科植物生长的影响有明显的差异，草木犀和苜蓿经pH值为5.5的培养液处理后，植株生物产量显著低于对照处理（pH6.5），而pH5.5和6.5处理后的大豆生物产量的差异并不显著。介质的pH值降到4.5后，大豆的相对生物产量也显著降低。这些结果表明，苜蓿和草木犀对低pH的敏感性明显高于大豆。

在低pH胁迫下，根尖质膜H+-ATPase活性会显著提高。然而，低pH对三种豆科植物根尖质膜H+-ATPase活性的影响强弱不同（图2）。草木犀、苜蓿、大豆经pH值4.5培养液处理后根尖质膜H+-ATPase活性分别为对照（pH6.5）的7.70、1.99、1.29倍。低pH对草木犀根尖质膜H+-ATPase活性的影响显著高于苜蓿和大豆，且大豆受到的影响最小，表明大豆对低pH的抗性最强，而草木犀敏感性最强。endprint

2.2不同豆科作物对低磷胁迫适应性差异

2.2.1低磷胁迫对不同作物生长及磷含量的影响及作物间的差异性由图3可知，低磷胁迫极显著抑制了豆科作物的生长。0.05、0.10mmol/L磷处理后，供试作物的生物产量降低17.2%～45.5%。低磷胁迫对苜蓿生长的影响最大，0.05、0.10mmol/L磷处理后的生物量仅为对照的54.5%和73.8%。大豆、草木犀的生长受低磷胁迫的影响较小，低磷胁迫条件下的相对生物产量均高于80%。由此可知，苜蓿对低磷胁迫较敏感，而大豆与草木犀对低磷环境的适应性较强。

如图4所示，随着磷浓度的降低，地上部全磷含量极显著降低。在0.10和0.05mmol/L磷胁迫下，大豆、草木犀、苜蓿地上部全磷含量相比对照分别减少了22.2%、35.1%、21.6%和35.0%、56.0%、76.4%。低磷胁迫下大豆、草木犀和苜蓿根系中磷含量也显著减少，而草木犀根系中磷含量在低磷处理间差异不显著。以上结果暗示苜蓿对极低磷胁迫环境最敏感。

2.2.2低磷胁迫下根尖H+-ATPase活性及作物间的差异性如图5所示，低磷胁迫下，大豆、苜蓿、草木犀根尖质膜H+-ATPase活性均显著提高，分别为对照的1.66、2.33、7.91倍，三种作物根尖质膜H+-ATPase活性增加量大小的顺序为草木犀>苜蓿>大豆。由于根系质膜H+-ATPase活性提高常常伴随着H+分泌，从而有利于介质中无机磷的溶解，上述研究结果暗示草木犀在低磷胁迫下活化溶解和利用土壤中难溶性无机磷或有机磷磷的能力可能较强。

2.3不同豆科作物对铝毒的敏感性

销毒害的原初反应部位为根尖，由图6可知，随着铝浓度的增加，根尖染色变深，且不同豆科作物问根尖染色存在差异。草木犀、苜蓿在3μmol/LAlCl3溶液处理下，植株根尖呈现明显紫色，随着AlCl3浓度的升高，染色加深，而大豆在3～10μmol/LAlCl3处理后根尖均未染色（图6）。以上结果表明，大豆耐铝性明显强于草木犀和苜蓿。

根系分泌有机酸是植物抵御铝毒害的有效机制。大豆经30μmol/LAlCl3溶液处理后，根系分泌物的HPLC图谱上有一柠檬酸峰（图7）。而草木犀和苜蓿根系分泌物中未检测出苹果酸或者柠檬酸等有机酸。这些结果进一步暗示，大豆对铝的抗性较强。

2.4锰毒对不同豆科作物生长的影响

由表1可知，随着锰胁迫的加重，大豆和苜蓿的地上部、根系生物量均显著降低，而草木犀无显著变化。由图8可知，随着锰处理浓度的增大，大豆、草木犀、苜蓿地上部和根系的锰含量均显著增加，且地上部明显高于根系。50μmol/L锰胁迫下，地上部锰含量约为对照的9.62～12.24倍，根系锰含量为对照的4.95～10.03倍。100μmol/L锰胁迫下，地上部锰含量为对照的15倍以上，其中大豆增加幅度最大，为对照的22.84倍。锰毒胁迫下，三种供试作物中大豆锰含量最高，草木犀次之，苜蓿最低。综上可知，锰毒对大豆、苜蓿的生长有显著的抑制作用，而对草木犀的影响较小。

2.5不同豆科作物酸性土壤逆境适应性综合评价

低pH值、缺磷、铝毒和锰毒是酸性土壤中植物生长的主要限制因子，且几种胁迫均阻碍植株的生长。假定酸害、低磷、铝毒及锰毒等胁迫在协同毒害作用中影响所占比重一样，将大豆、草木犀、苜蓿对单一逆境胁迫的忍耐性分为高、中、低三个等级，分别赋值3、2、l，最后将各项得分相加，根据分值的高低综合评价大豆、草木犀、苜蓿对酸性土壤逆境的适应能力，结果如表2所示。三种豆科作物酸性土壤逆境综合适应性顺序为：大豆>草木犀>苜蓿。这些结果为进一步研究豆科植物对酸性土壤逆境的抗性机制和酸性土壤豆科作物的布局提供了参考。

3结论与讨论

本研究结果表明，不同豆科作物对酸性土壤环境的适应性有明显差异，三种作物对低pH值、铝毒、锰毒及缺磷的适应性大小依次为：大豆>草木犀>苜蓿。

缺磷胁迫下三种豆科作物的生物产量均显著降低，其中苜蓿的降幅居三者之首，说明苜蓿生长对缺磷胁迫最敏感，而草木犀对低磷胁迫抗性最强。结合三种豆科植物的地上部和根系磷含量结果可推测，苜蓿对低磷胁迫最敏感，主要表现在对磷的吸收及利用能力均最低，而草木犀主要表现在对磷的利用能力最强。许多研究报道，大豆、菜豆等植物在低磷胁迫下能分泌质子、小分子有机酸、氨基酸等物质提高磷的有效性[10，11]。本研究显示，低磷胁迫下三种豆科植物根尖H+-ATPase活性均有很大程度的提高，且草木犀根尖H+-ATPase活性提高最多，这暗示植株根尖分泌质子能力的差异可能是三种豆科植物应对低磷胁迫的抗性/敏感性具有显著差异的主要原因。

铝毒也是酸性土壤中主要限制因子，植株受到铝毒害的原初部位是根系，根系对铝的忍耐性指示着植物耐铝性的强弱[12]。本研究表明，草木犀、苜蓿在3μmol/L铝胁迫下，根尖积累了大量Al3+，根生长受到严重影响。且随着铝处理浓度的增大，草术犀根尖铝含量显著增加，而苜蓿根尖铝增加趋势稍缓慢，只在10μmol/L铝处理下，根尖铝含量才显著增加。而大豆根尖吸收铝很少而未受到伤害，且通过有机酸测定发现唯有大豆明显分泌有机酸。这些结果显示三种供试作物中大豆具有较强的铝毒抗性，而根尖分泌柠檬酸可能是大豆具有较强耐铝能力的一种有效机制。

锰是植株生长必需的微量元素之一，它的缺少或者过量都会对植物产生危害[3]，酸性土壤上常发生锰中毒。锰毒害症状最先在地上部较老器官中观察到，不同的豆科作物出现锰毒害的时间和症状有差异。过量的锰不同程度抑制植株生长，在Mn2+浓度为50～100μmol/L时，大豆、苜蓿的生长受到显著抑制，且锰对地上部的抑制作用更大，而草木犀对锰的过量有着较强的抵抗能力，生长没有受到显著抑制。锰胁迫下植株锰含量显著升高，且主要累积在地上部，50、100μmol/L锰条件下大豆根系锰含量显著高于草木犀、苜蓿。这些结果表明植株地上部、根系对锰的吸收、分布和累积决定了过量的锰对植株生物性状和生长的影响，根系大量积累锰可能是植株适应酸性土壤中锰毒害的一种途径。endprint