铝胁迫对两个油菜品种生理特性及产量构成因素的影响

熊洁，丁戈，陈伦林，李书宇，邹小云，宋来强

(江西省农业科学院作物研究所，国家油料改良中心南昌分中心，农业部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室，江西省油料作物生物学重点实验室，江西 南昌 330200)

酸性土壤面积占世界耕地面积的30%～40%[1]，我国酸性土壤总面积达203万hm2，约占耕地面积的21%[2].近年来，由于化肥和酸雨的影响，土壤酸度增加，使难溶性铝转化成可溶性铝，对植物产生毒害作用，因而铝毒害已成为酸性土壤中限制作物生长的重要因素之一[3-6].铝毒对作物的影响主要表现为阻碍植物根系、叶片生长，抑制营养元素的吸收，导致植物内部生理代谢失调，保护酶系统和非保护酶系统失衡，最终造成作物减产[6-12].研究表明，铝胁迫明显抑制了油菜苗期根系总长、根表面积和根直径，降低了根系活力和氧化力[13-14]；油菜叶面积减小，光合利用率下降，最大荧光(Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、光化学量子产量等叶绿素荧光参数降低，初始荧光(Fo)参数升高，油菜根尖的柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶和乌头酸酶等的活性均增强[14-15]；抗氧化酶系统被激活，使得蛋白质含量、可溶性糖、游离脯氨酸含量、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、多酚氧化酶等均有所增加[16-17].

油菜是我国重要的油料作物之一，种植面积和总产量均占世界的30%左右[18].长江流域是中国也是世界最大的油菜种植带，但该区域铝毒危害较为严重[19-20].研究油菜对铝毒害的耐性机制，对于培育耐铝型油菜品种、提高油菜产量具有重要意义，同时也可为经济、有效、无污染的解决酸性土壤铝毒问题提供理论支持.前人关于油菜耐铝机制的研究多集中在苗期[13-16]，对耐铝性鉴定方面多采用单一的形态或生理指标来研究耐铝性[2,17,21]，而针对整个生育期抗逆生理和耐铝性鉴定指标的系统性研究还鲜有报道.为此，本研究以两种不同耐铝性的油菜品种为对象，研究不同铝浓度胁迫对油菜生理特性和产量性状的影响，以及各生理指标耐铝系数在整个生育进程中的变化，并通过典型相关分析法明确油菜耐铝性鉴定适宜的筛选时期和鉴定指标，旨在揭示油菜耐铝机理，为油菜耐铝型品种的鉴定、选育，以及铝胁迫条件下油菜产量的提高提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用的供试材料为‘湘杂油2号’(耐铝性较强XZY2)和‘蓉油10号’(耐铝性较弱RY10).详细筛选方法见熊洁等[20]研究.

1.2 试验设计

试验于2013～2014年在江西省农业科学院网室内进行.供试土壤为粘壤土，pH 5.28、活性铝含量6.13 mg/kg、有机质18.8 g/kg、全氮1.63 g/kg、全磷0.50 g/kg、全钾6.87 g/kg、碱解氮171.0 mg/kg、有效磷26.0 mg/kg、速效钾133.0 mg/kg.试验所用盆钵直径30 cm，高40 cm，每盆装土15 kg，土壤经自然风干、过筛去杂后装盆.每桶基施复合肥5 g(15-15-15)，在10 cm深的表土层拌匀.10月10日播种，每盆播种10粒，出苗后留5株.

试验设置1 mmol/L(L)、2 mmol/L(H)浓度的铝胁迫(AlCl3，pH=4.0)和对照(清水)3个处理，每处理种4盆.出苗后至油菜成熟期，铝胁迫处理每3 d浇灌500 mL对应浓度的铝溶液，对照浇灌清水.其他管理同常规大田.

1.3 测定项目和方法

1.3.1 生理指标的测定 分别于苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期取植株中上部叶6片，测定各生理指标.游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法，可溶性糖含量采用蒽酮比色法，可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝比色法，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑比色法，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法，过氧化氢酶(CAT)活性采用高锰酸钾滴定法，生理生化指标均参考李合生[22]的方法测定.

1.3.2 产量构成指标的测定 成熟后，各处理考察单株角果数、角果粒数、千粒质量、单株产量等指标.

1.4 数据处理与分析

为消除材料间的差异，各指标均采用耐铝系数进行比较.数据采用Excel 2003处理作图，DPS软件进行显著性、典型相关性分析.

耐铝系数=胁迫下的指标值/非胁迫下的指标值

2 结果与分析

2.1 铝胁迫对油菜叶片抗氧化酶活性的影响

图1可以看出，不同生育时期抗氧化酶系统对铝胁迫的响应不同.随着生育进程的推进，SOD、POD、CAT耐铝系数的变化趋势均为先上升后下降的趋势，SOD、POD耐铝系数在蕾薹期达到最大值，然后下降；CAT耐铝系数在低浓度铝胁迫下蕾薹期达到最大值1.61、1.50，高浓度铝胁迫下越冬期达到最大值1.22、1.12.低浓度铝胁迫下，SOD、POD、CAT的耐铝系数均大于高浓度铝胁迫处理，平均增加了18.3%、11.9%、33.1%，各生育阶段表现一致.铝胁迫对不同耐铝性油菜品种SOD、POD、CAT耐铝系数的影响也不同，同一浓度铝胁迫条件下，耐铝性较强品种‘湘杂油2号’的SOD、POD、CAT耐铝系数的增幅均高于耐铝性较弱品种‘蓉油10号’.可见，SOD、POD、CAT耐铝系数的增幅与耐铝性呈正相关.

SS：苗期；WS：越冬期；BS：蕾薹期；IAS：初花期；EAS：终花期.SS：Seedling stage；WS：Wintering stage；BS：Bud stage；IAS：Initial anthesis stage；EAS：End anthesis stage.图1 铝胁迫下油菜叶片SOD、POD、CAT耐铝系数的变化趋势Figure 1 The variation trend of the Al tolerance coefficients of superoxide dismutase (SOD),peroxidase (POD) and catalase (CAT) activities of rapeseed leaf under aluminum stress

2.2 铝胁迫对油菜叶片渗透调节能力和丙二醛的影响

图2表明，在铝胁迫条件下，随着生育进程的推进，油菜叶片脯氨酸耐铝系数和MDA耐铝系数均表现出增加的趋势，而可溶性糖和可溶性蛋白质的耐铝系数则呈现出先上升后下降的趋势，这2个指标均在蕾薹期时达到最大值.低浓度铝胁迫下，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质的耐铝系数均大于高浓度铝胁迫处理，平均增加了39.2%、13.5%、17.1%，而MDA的耐铝系数小于高浓度铝胁迫，各生育阶段表现一致.相同铝浓度胁迫下，耐铝性较强品种‘湘杂油2号’的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质耐铝系数的增幅均高于耐铝性较弱品种‘蓉油10号’，而MDA耐铝系数的增幅则低于‘蓉油10号’.这表明，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质耐铝系数的增幅与耐铝性呈正相关，MDA耐铝系数的增幅与耐铝性呈负相关.

2.3 铝胁迫对油菜产量和产量构成的影响

随着铝胁迫浓度的增加，单株产量、产量构成指标耐铝系数的下降幅度均增大(图3).高浓度铝胁迫下，单株角果数、角果粒数、千粒质量、单株产量的耐铝系数分别比低浓度处理减少了21.1%、14.9%、8.0%、28.7%.耐铝性较强品种‘湘杂油2号’在低浓度铝胁迫下产量性状各指标的降幅较小，高浓度铝胁迫下降幅增大；而耐铝性较弱品种‘蓉油10号’在两种铝胁迫浓度下各指标均明显下降；‘湘杂油2号’产量性状各指标的耐铝系数均高于‘蓉油10号’.

SS：苗期；WS：越冬期；BS：蕾薹期；IAS：初花期；EAS：终花期.SS：Seedling stage；WS：Wintering stage；BS：Bud stage；IAS：Initial anthesis stage；EAS：End anthesis stage.图2 铝胁迫下油菜叶片脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质、MDA耐铝系数的变化趋势Figure 2 The variation trend of the Al tolerance coefficients of praline,soluble sugar content,soluble protein content and malondialdehyde content (MDA) of rapeseed leaf under Aluminum stress

图3 铝胁迫对油菜单株角果数、角果粒数、千粒质量、单株产量耐铝系数的影响Figure 3 Effects of aluminum stress on Al tolerance coefficients of pods number per plant (PN),seeds number per pod (SN),weight of 1000 seeds (WTS) and yield per plant (YP) of rapeseed

2.4 生理指标与产量指标耐铝系数间的典型相关分析

各生育期生理指标与产量指标耐铝系数的典型相关分析表明(表1)，苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期生理指标与产量指标耐铝系数的第一典型相关系数均达极显著水平，初花期、终花期的第二典型相关系数也达到显著水平.第一典型相关系数以苗期的最大，蕾苔期次之，越冬期最小，说明苗期生理指标与产量指标耐性系数间的关系更为密切.

进一步分析苗期生理指标与产量指标的第一对典型变量构成可以看出(表1)，U1以X6、X7、X4的权重系数较大，V1以Y2、Y4的权重系数较大，说明该对典型变量中可溶性糖、脯氨酸、CAT的耐铝系数与角果粒数、单株产量的耐铝系数间关系密切，呈正效应.

越冬期生理指标与产量指标的第一对典型变量构成中，U1以X14、X13的权重系数较大，V1以Y3的权重系数较大，表明脯氨酸、可溶性糖的耐铝系数与千粒重的耐铝系数相关最为密切，前者呈正效应，后者呈负效应.

蕾薹期生理指标与产量指标的第一对典型变量构成中，U1以X20、X21的权重系数较大，V1以Y3、Y1的权重系数较大，表明可溶性糖、脯氨酸的耐铝系数与千粒质量、单株角果数的耐铝系数相关最为密切.

分析初花期生理指标与产量指标的第一对典型变量构成可知，U1以X26、X28的权重系数较大，V1以Y1的权重系数较大，说明可溶性蛋白质、脯氨酸的耐铝系数与单株角果数的耐铝系数相关最为密切，X26、X28与Y1呈正效应.

终花期生理指标与产量指标的第一对典型变量构成中，U1以X30、X32的权重系数较大，V1以Y1、Y2的权重系数较大，表明POD、CAT的耐铝系数与单株角果数、每角粒数的耐铝系数间关系密切.

3 讨论

酸性土壤中铝毒害对植物的影响是一个世界性的问题，在铝胁迫条件下，植物体内会发生一系列的生理生化及形态结构变化[11-12,16]，以适应逆境，延续个体生存，不同植物耐铝性基因型对铝毒的反应具有明显的生理差异.

在逆境胁迫下，植株体内会产生对植物起毒害作用的活性氧离子，引发膜脂过氧化作用，使得其产物MDA含量增加，而植物体内的抗氧化酶系统能够在逆境胁迫中维持活性氧的代谢平衡并保护细胞膜结构，协同抵御不良环境的胁迫，保证植物正常生长[23-25].脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质等渗透调节物质也与植物的抗逆性紧密相关，当遇到胁迫时，植物通过提高渗透调节物质降低渗透势，提高植物细胞抵御逆境的能力[24,26-28].黄守程等[23]对高粱幼苗的研究发现，随着铝胁迫程度的加大，根尖MDA含量逐渐增加，而CAT和SOD在低浓度胁迫时活性增强，POD在低浓度胁迫时变化不显著，3种酶在高浓度胁迫时活性均显著下降.王伟等[29]研究发现，铝胁迫下小麦根尖SOD、POD、CAT等酶活性升高，不同耐铝小麦品种抗氧化胁迫能力差异显著.崔雪梅等[16]研究认为，铝胁迫下油菜叶片中可溶性糖、游离脯氨酸的含量均显著提高，CAT的含量先上升后下降.谢国生等[30]对不同耐铝性水稻进行铝胁迫处理发现，水稻地上部和根系中MDA、脯氨酸含量均不同程度地增加，敏感品种的MDA增幅较

表1 各生育期生理指标与产量指标耐铝系数间的典型相关分析

X1、X8、X15、X22、X29：分别为苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期SOD的耐铝系数；X2、X9、X16、X23、X30：分别为苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期POD的耐铝系数；X3、X10、X17、X24、X31：分别为苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期MDA的耐铝系数；X4、X11、X18、X25、X32：分别为苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期CAT的耐铝系数；X5、X12、X19、X26、X33：分别为苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期可溶性蛋白质的耐铝系数；X6、X13、X20、X27、X34：分别为苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期可溶性糖的耐铝系数；X7、X14、X21、X28、X35：分别为苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期脯氨酸的耐铝系数；Y1：单株角果数；Y2：角果粒数；Y3：千粒质量；Y4：单株产量.

X1、X8、X15、X22、X29：Al-tolerance coefficient of SOD at seedling stage,wintering stage,bud stage,initial anthesis stage and end anthesis stage；X2、X9、X16、X23、X30：Al-tolerance coefficient of POD at seedling stage,wintering stage,bud stage,initial anthesis stage and end anthesis stage；X3、X10、X17、X24、X31：Al-tolerance coefficient of MDA at seedling stage,wintering stage,bud stage,initial anthesis stage and end anthesis stage；X4、X11、X18、X25、X32：Al-tolerance coefficient of CAT at seedling stage,wintering stage,bud stage,initial anthesis stage and end anthesis stage；X5、X12、X19、X26、X33：Al-tolerance coefficient of soluble protein content at seedling stage,wintering stage,bud stage,initial anthesis stage and end anthesis stage；X6、X13、X20、X27、X34：Al-tolerance coefficient of soluble sugar content at seedling stage,wintering stage,bud stage,initial anthesis stage and end anthesis stage；X7、X14、X21、X28、X35：Al-tolerance coefficient of praline at seedling stage,wintering stage,bud stage,initial anthesis stage and end anthesis stage；Y1：Al-tolerance coefficient of pods number per plant；Y2：Al-tolerance coefficient of seeds number per pod；Y3：Al-tolerance coefficient of weight of 1000 seeds；Y4：Al-tolerance coefficient of yield per plant.

大，而耐铝品种的脯氨酸增幅较大.本研究表明，在低浓度铝胁迫下，油菜叶片中的SOD、POD、CAT、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质的耐铝系数均大于高浓度铝胁迫处理；而MDA的耐铝系数小于高浓度铝胁迫处理，各生育阶段表现一致.相同铝浓度胁迫下，耐铝品种‘湘杂油2号’SOD、POD、CAT、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质的耐铝系数均高于敏感型品种‘蓉油10号’，而MDA的耐铝系数低于敏感型品种，这与前人的研究结果相似[30-31].同时，本研究还对油菜整个生育期的耐铝性生理指标进行了分析，在铝胁迫条件下，随着生育进程的推进，油菜叶片中脯氨酸、MDA的耐铝系数均表现出增加的趋势；而SOD、POD、CAT、可溶性糖、可溶性蛋白质的耐铝系数表现出先升后降的趋势，除高浓度铝胁迫下CAT的耐铝系数在越冬期达最大值外，其余各指标耐铝系数均在蕾薹期达到最大值.

铝胁迫对植物的毒害作用最终体现在对产量和产量构成的影响[32].本研究表明，铝胁迫对油菜产量性状有显著影响，随着铝胁迫浓度的增加，单株产量、单株角果数、角果粒数、千粒质量耐铝系数的下降幅度均增大，其中，单株产量的降幅最大，单株角果数的降幅次之.相同铝浓度胁迫下，耐铝品种‘湘杂油2号’单株产量、单株角果数、角果粒数、千粒质量的耐铝系数均高于敏感型品种‘蓉油10号’.铝毒害对油菜产量的影响是复杂的生理生化过程，受多种因素影响，各因素作用不同且存在相互联系.

典型相关分析是研究两组变量之间相关关系的一种统计方法，通过研究两组综合指标之间的关系来反映两组变量间的相关[33].本研究运用典型相关分析方法，研究各生育期生理指标与产量指标耐铝系数之间的关系，研究发现苗期、越冬期、蕾薹期、初花期、终花期生理指标与产量指标耐铝系数的第一典型相关系数均达极显著水平，初花期、终花期的第二典型相关系数也达到显著水平.第一典型相关系数以苗期的最大，蕾苔期次之，越冬期最小，说明苗期生理指标与产量指标耐性系数间的关系更为密切.对苗期生理指标与产量指标的第一对典型变量构成进一步分析表明，油菜苗期的可溶性糖、脯氨酸、CAT耐铝系数与角果粒数、单株产量耐铝系数关系密切，可以作为耐铝性的鉴定指标.

4 结论

不同耐铝基因型油菜对铝胁迫的生理生化响应机理是显著不同的，耐铝油菜品种SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性和脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质等渗透调节物质的增幅均大于敏感型品种，而产量、产量构成等指标的降幅均低于敏感型品种.因此，生产上种植耐铝油菜品种是解决红壤地区铝毒害最经济有效的方法.

选择多个指标、多个生育时期，采用耐铝系数、典型相关分析结合的方法来揭示油菜的耐铝机理，避免单一指标、单一生育时期的片面性和不稳定性.结果表明苗期各生理指标耐性系数与产量指标耐性系数间的第一典型相关系数最大，其中苗期的可溶性糖、脯氨酸、CAT耐铝系数与角果粒数、单株产量耐铝系数关系密切.因此在油菜耐铝品种选育时可将苗期作为耐铝性鉴定适宜的筛选时期，以苗期的可溶性糖、脯氨酸、CAT耐铝系数作为耐铝性鉴定的首选指标.