高铝低磷对油茶生长及其根系分泌有机酸的影响

王小东，狄岚，华小菊

(江西省林业科学院，江西 南昌 330013)

油茶(CamelliaoleiferaAbel.)是广泛分布于亚洲南部和东南亚的一种独特的经济林木，属山茶科[1-2]，在我国已有数千年的栽培历史和数百万公顷的种植面积，尤其南方地区分布较多[3]。然而，在我国南方酸性土壤中高铝与低磷毒害现象普遍存在，是限制作物生长的最重要和最普遍的因素[4-5]。铝胁迫不仅会限制植物养分吸收，损害其根系及茎叶生长，还会使植物根系产生有机酸、氨基酸和酚类物质等一系列代谢反应[6-7]。磷是植物生长发育的必需营养素，有研究表明，磷的添加可以减轻铝的毒性并改善植物的生长[8]。

根系分泌有机酸是目前最为重要的植物适应铝毒或低磷环境的机制[9]。铝胁迫下，植物根系分泌有机酸对铝的螯合使大量的铝被拒之于根表之外，可以起到解除或减轻铝毒的效果[10-11]。磷能够降低根系中铝的积累，刺激渗出不同的铝螯合有机酸来增强铝耐受性，减轻铝对植物的毒害[12-15]。目前，野生油茶对高铝低磷胁迫的适应性是否与其根系有机酸分泌有关的研究报道较少。本文以野生普通油茶及栽培品种赣油1号为试验材料，在水培条件下研究高铝低磷胁迫对油茶幼苗生长及其根系分泌有机酸的影响，从而为进一步研究野生油茶适应酸性土壤高铝低磷胁迫的机制提供实验证据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

野生油茶种子采集于江西省井冈山(26°33′N、114°07′E)；栽培种油茶(赣油1号)采集于江西省永丰县某油茶园(26°53′N、115°38′E)。种子采回实验室后，埋于沙中(相对湿度保持约5%)过冬。

1.2 试验设计

将上述过冬的种子置于含沙的塑料盘中萌发(保持相对湿度25%)。28 d后将幼苗移入盛有营养液(1/5倍Hoagland′s营养液，pH=4.5)的塑料桶中。另用小型增氧泵每天为营养液通气4 h(早晚各2 h)，试验期间营养液每5 d更换1次。温室培养126 d后，将长势一致的幼苗移入0.5 mmol·L-1CaCl2溶液(pH=4.5)中培养12 h后将幼苗分别转移至0(-P)和KH2PO40.2 mmol·L-1(+P)条件下，分别添加0、0.5、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 mmol·L-1的AlCl3·6H2O溶液(pH=4.5，用K2SO4维持K+浓度)的塑料桶中，每桶3株幼苗作为1个重复。继续培养126 d后测定油茶幼苗的生长指标及根系分泌有机酸的种类和数量。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 植株生长量的测定 试验结束后，收集植株，用蒸馏水彻底冲洗干净。在60 ℃干燥48 h后，将植株分为地上部和地下部分再分别称干重，将地上部分干重作为植物生长量进行比较分析。

1.3.2 根尖分泌物的收集方法 用去离子水冲洗油茶幼苗根系数次，再放入500 mL去离子水中(加少量微生物抑制剂)，使去离子水浸没整个根系，在光照条件下放置4 h以收集植株根系分泌物。将收集液于40 ℃恒温下旋蒸浓缩至10 mL，过0.45 μm滤膜，-20 ℃保存备用。

1.3.3 有机酸的测定 根据Zheng等[16]报道的方法浓缩、纯化根系分泌物中的有机酸。含根系分泌物的溶液先后通过装有5 g Amerlite IR-120B型阳离子树脂的层析柱(H+form，Muoreachi chemieal，16 mm×140 mm)和装有2 g Dowex 1×8型阴离子树脂的层析柱(100～200 mesh，formrate form，16 mm×140 mm)，再用15 mL的1 mmol·L-1HCl将吸持在阴离子树脂上的有机酸洗脱下来。洗脱液在40 ℃下减压浓缩至近干，最后用1 mL的Milli-Q(Bio-Cell)溶解，用于HPLC测定。

HPLC测定条件：色谱柱(离子排斥柱，Shodex R Spak KC-811，300 mm×8 mm)前端接保护柱(50 mm×8 mm)，流动相为稀HClO4溶液(pH= 2.1)，流速为0.8 mL·min-1，柱温为40 ℃，检测波长为210 nm。

1.4 数据处理分析

数据采用Microsoft Office Excel 2019进行初步处理，运用SPSS 17.0进行统计分析，应用OriginPro 2018对分析数据进行图形转换。

2 结果与分析

2.1 高铝低磷胁迫对油茶生长的影响

不同小写字母为处理间差异极显著(P<0.01)，下同。

由图1可知，在无磷(-P)或者低磷(P 0.2 mmol·L-1)条件下，野生油茶的生长量高于人工栽培，且无论是无磷还是低磷条件，野生油茶和人工栽培油茶的生长量均随铝浓度的增加而增加，当铝的浓度达到1.4 mmol·L-1时，达到最大值；而铝浓度为1.5、1.6 mmol·L-1时，油茶的生长量呈下降趋势。野生油茶和栽培油茶与各自的对照(铝浓度为0 mmol·L-1)相比，当铝浓度为0.5、1.0、1.2、1.4、1.5 mmol·L-1时，在无磷条件下，野生油茶的生长量分别增加1.79%、30.78%、73.04%、78.96%、45.47%，人工栽培品种赣油1号的生长量分别增加4.04%、23.25%、31.38%、42.80%、14.44%；在低磷条件下，野生油茶的生长量分别增加25.52%、61.60%、112.69%、120.79%、82.23%，人工栽培品种赣油1号的生长量分别增加10.67%、45.64%、71.31%、88.05%、58.69%。油茶在受铝毒胁迫后，其生长量受到一定程度的抑制，而磷的调节能够减轻油茶中铝的毒性[17]，因此，相较于无磷条件，在低磷条件下油茶生长量增加更多，这与前人的研究结果基本一致。

从表1油茶生长量及有机酸分泌总量配对t检验可以看出，野生油茶的生长量明显高于人工栽培品种的生长量(P<0.01，配对样本相关系数0.9705)，低磷条件下的油茶生长量明显高于无磷条件下的生长量(P<0.01，配对样本相关系数0.9573)。这说明磷能显著促进油茶的生长，而野生油茶通过根系分泌有机酸，缓解低磷胁迫的影响，从而使其生长量高于普通油茶。

2.2 高铝低磷胁迫对油茶根系有机酸分泌总量的影响

由图2可知，低磷(P 0.2 mmol·L-1)情况下，随着铝浓度的增加，野生油茶、人工栽培油茶的根系有机酸分泌开始时变化不明显；但当铝浓度为1.2 mmol·L-1时，有机酸分泌量迅速增加；铝浓度为1.4 mmol·L-1时，根系有机酸分泌量达到峰值，分别为39.67、32.86 μg·g-1；当铝浓度达1.5 mmol·L-1时，有机酸分泌量显著降低，与最大值相比，分别下降了33.35%、42.97%，说明土壤中铝达到一定的浓度会显著降低油茶根系有机酸总量的分泌。由表1的配对t检验显示，野生油茶根系的有机酸明显高于栽培品种赣油1号(P<0.05，配对样本相关系数0.9916)。因此，高铝低磷胁迫对油茶根系分泌总有机酸含量产生一定程度的影响，而且与油茶种类有关。

表1 油茶幼苗生长量及其根系有机酸分泌总量配对t检验

2.3 高铝低磷胁迫对油茶根系分泌有机酸种类的影响

图2 高铝低磷对油茶根系有机酸分泌量的影响

高铝低磷胁迫对油茶根系分泌有机酸的影响见图3。由图3可以看出，P0Al1(0 (-P)+AlCl3·6H2O 1.5 mmol·L-1)、P0Al0(0 (-P) +AlCl3·6H2O 0 mmol·L-1)、P1Al1(KH2PO40.2 mmol·L-1+AlCl3·6H2O 1.5 mmol·L-1)、P1Al0(KH2PO40.2 mmol·L-1+AlCl3·6H2O 0 mmolL-1)4个处理的油茶根系分泌总有机酸含量，包括苹果酸、柠檬酸的量均存在显著差异(P<0.01)，且呈现出相同的趋势，由高到低依次为P0Al1>P1Al1>P0Al0>P1Al0。其中P0Al1和P1Al1处理的油茶根系分泌总有机酸、苹果酸和柠檬酸的量均显著高于P0Al0和P1Al0处理，这是油茶根系对高铝低磷胁迫的一种响应机制，即油茶根系分泌总有机酸、苹果酸、柠檬酸的量随着胁迫程度的加剧而增大，说明有机酸分泌与油茶适应高铝低磷环境有密切关系。

图3 高铝低磷胁迫对油茶根系分泌有机酸种类的影响

3 讨论与结论

铝是仅次于氧和硅的第三大富集元素，主要以氧化铝和铝硅酸盐的形式存在，对植物无毒，但由于在酸性土壤中，碱性阳离子(Ca2+、Mg2+和K+)的流失，以及随着土壤pH的下降(pH≤5)，铝转变为有毒的Al3+和必要养分(磷、镁等)可以很容易地被植物吸收，干扰植物的正常生长机制[18-19]。孙红英[20]研究表明，铝毒胁迫下，杉木根系活力降低，生长受到抑制。磷是一种重要的营养素，在植物生长代谢过程中能够合成大分子物质，如核酸、磷脂、ATP和NADP，对植物生长起着重要的作用[21]。余平福等[22]研究不同供磷水平对油茶幼苗生长生理指标和养分含量的影响，结果表明随着供磷水平的增加，油茶幼苗的生理指标(树高、地径、净光合速率Pn)、叶片的养分含量(全氮、全磷、全钾)均有所增加。本研究结果表明铝毒对油茶生长会有一定的抑制作用，而磷能够促进油茶的生长，这与前人研究结果一致。

由于土壤中低磷和铝毒害同时存在，高铝低磷胁迫会对植物生长抑制存在正的协同作用，目前也有许多关于植物磷、铝交互作用方面的研究。林英春等[23]研究表明，高铝低磷胁迫下，玉米总根长变短，根系活力、光合速率、叶绿素含量均降低，根直径、根表面积减小。据报道，添加磷可减轻铝毒引起的症状，如生长抑制、光合作用降低和氧化损伤等[24]。本研究发现在无磷(-P)的情况下，铝毒对油茶幼苗的生长有不利的影响，而在铝胁迫下，磷的加入(P 0.2 mmol·L-1)能够显著降低铝的胁迫，从而增加油茶幼苗的生长量。

铝胁迫下油茶根中有机酸含量降低的原因主要有两方面：一方面是铝毒可能会降低光合作用碳同化和转运至根系的能力，从而减少根系的糖酵解—三羧酸(Glycolysis-TCA)循环，最终导致有机酸在TCA循环中积累[24]；另一方面是植物应对铝毒害的普遍机制是通过铝诱导植物根系分泌有机酸来螯合铝，从而减少了铝在根中的积累[25]。李朝苏等[26]、师瑞红等[27]研究表明，有机酸可缓解铝毒对荞麦和水稻的毒害作用和生长抑制。刘玉民[28]研究表明铝胁迫对马尾松根系产生毒害，而加入有机酸后铝毒作用得到缓解，说明有机酸能够调控马尾松根尖的防御体系。本研究表明，无论是野生油茶还是人工栽培油茶，土壤中铝达到一定的浓度会使油茶根系有机酸总量的分泌显著降低，而高铝低磷胁迫都会使其根系分泌的有机酸总量显著降低，包括柠檬酸和苹果酸，这与Zhang等[29]的报道结果一致。