酸铝环境马尾松根系分泌物特性及其缓解铝毒的根际效应

发布时间：2020-06-03 22:39

【摘要】：铝(Al)在土壤中通常以硅酸盐等形式存在,对作物生长的影响较小,但土壤pH≤5.0时,Al~(3+)、Al(OH)~(2+)、Al(OH)_2~+等可溶态活性铝就会大量溶出,即使是微摩尔级(10μM)Al~(3+)处理也可以迅速抑制大多数植物根系的生长。我国酸性土壤总面积约为2.03×10~7 hm~2,土壤酸化导致土壤活性铝胁迫被认为是森林衰退的主要因素。铝对植物生长的影响与其在土壤溶液中的化学形态关系着密切,土壤中Al~(3+)、Al(OH)~(2+)和Al(OH)_2~+等高活性铝是导致植物铝毒伤害的最主要因素,而根系分泌物可以改变土壤中铝的存在形态和土壤微生态环境,有利于减轻土壤铝对植物的毒害作用。尽管目前在植物铝毒害及其耐铝毒机理方面做了大量研究工作,但这些研究主要集中在草本植物上,而木本植物是否与草本植物具有相同的机制还没有定论。马尾松(Pinus massoniana)是酸性土壤中木本植物的典型代表,也是我国南方主要的造林和工业原料树种,在林业生产中占有重要地位。近年来出现了马尾松大面积生长衰退的现象,刘厚田等研究认为酸铝危害是马尾松衰亡的主要原因之一,我们研究也发现铝胁迫下马尾松生长会受到显著的抑制。因此,如何缓解铝对马尾松的毒害作用,已成为我国南方酸铝环境区马尾松产业持续发展亟需解决的关键问题。为探明马尾松耐铝及铝毒缓解机理,本研究以不同耐铝型马尾松幼苗为试验材料,通过土培方式研究了酸铝胁迫下马尾松根系的分泌特性及根系分泌物对土壤铝形态、土壤微生态的调控作用;通过水培方式研究了根系分泌有机酸对马尾松根系及根尖亿铝毒的调控作用及机制;同时探讨了有机酸对马尾松铝吸收与运输的调控能力。旨在明确根系分泌物对酸铝土壤微生态及马尾松铝毒的调控作用,揭示马尾松铝毒的缓解机制。主要研究结果如下:1.明确了酸铝环境下马尾松根系的分泌特性。铝胁迫下耐铝型马尾松(FJ5)较铝敏感型(GD20)能分泌更多的有机酸是耐铝型马尾松耐铝的主要机制之一。铝胁迫下耐铝型和铝敏感型马尾松根系分泌物酸性磷酸酶的能力均显著增强,且耐铝型均高于铝敏感型,说明外源Al~(3+)促进根系酸性磷酸酶分泌可能是耐铝型马尾松耐铝的机制之一。铝胁迫下虽然耐铝型和铝敏感型马尾松根系分泌总酚的能力均显著增强,但铝敏感型高于耐铝型,说明外源Al~(3+)刺激根系总酚分泌并不是马尾松耐铝的机制。虽然耐铝型马尾松根系分泌物中蛋白质和氨基酸的含量始终高于铝敏感型,但Al~(3+)胁迫并未刺激蛋白质和氨基酸的分泌,说明马尾松根系分泌物中蛋白质和氨基酸的变化并不是马尾松耐铝的机制。2.揭示了酸铝环境下马尾松根系分泌物对土壤铝形态的调控作用。马尾松根际土壤和外源根系分泌物处理的土壤中有机态络合铝和腐植酸铝高于非根际土壤,而单聚体羟基铝[Al(OH)~(2+)、Al(OH)_2~+]、交换态铝Al~(3+)和酸溶无机铝[Al(OH)_3]低于非根际土壤,说明马尾松根系分泌物可使土壤中活性铝向腐殖酸铝和有机态络合铝形态转化,降低了土壤活性铝的含量,从而减轻了铝对植物的毒害,是马尾松根系分泌物缓解铝胁迫的主要原因之一。在GD20土壤中有机态络合铝的含量比FJ5低,而酸溶无机铝的含量比FJ5高,说明FJ5根系分泌物更容易将土壤中的活性铝络合成稳定的有机态络合铝,FJ5缓解土壤铝毒的能力更强。3.明确了马尾松根系分泌物对土壤微生态的调控能力。A1~(3+)胁迫可使土壤细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、AM真菌、放线菌及原生生物等土壤微生物的PLAF含量降低;马尾松根系分泌物有利于土壤微生物的生长与繁殖,根际土壤和外源根系分泌物处理的土壤中微生物PLAF含量均显著高于非根际土壤,土壤微生物的PLAF含量顺序为根际土壤㧐外源根系分泌物处理的土壤㧐非根际土壤;FJ5根际土壤和添加根系分泌物土壤中的微生物PLAF含量均高于铝GD20。铝胁迫下马尾松土壤中的脲酶、磷酸酶、转化酶、多酚氧化酶、脱氢酶和过氧化氢活性均有显著降低,而非根际土壤的降幅最大,根际降幅最小;根系分泌物能提高Al~(3+)胁迫下土壤酶的活性,土壤酶活性顺序均为根际土壤㧐外源根系分泌物处理的土壤㧐非根际土壤。Al~(3+)胁迫可使土壤的基础呼吸速率显著降低;马尾松根系分泌物的存在可使土壤环境中微生物更为活跃,释放更多的CO_2,根际土壤和外源根系分泌物处理土壤的基础呼吸速率显著高于非根际土壤。4.明确了酸铝环境下有机酸对马尾松根系铝毒的调控作用。Al~(3+)胁迫下2种马尾松根系生长均受到抑制,根系活力显著降低,细胞膜受到伤害,MDA显著升高。Al~(3+)胁迫可刺激马尾松自身产生应激响应,使根系可溶性糖、可溶性蛋白、Pro等渗透调节物质含量显著升高;POD、SOD和CAT等抗氧化酶活性也显著升高;Al~(3+)对铝敏感型的抑制作用强于耐铝型。适宜浓度的有机酸可以缓解Al~(3+)胁迫对马尾松根系生长的抑制,可使根系活力增强,溶性糖、可溶性蛋白、Pro等渗透调节物质和MDA含量逐渐趋于恢复正常水平,维持POD、SOD和CAT等抗氧化酶活性处于较高水平。草酸的最佳缓解浓度为0.2mmol·L~(-1),柠檬酸的最佳缓解浓度为0.02mmol·L~(-1),苹果酸的最佳缓解浓度为0.01mmol·L~(-1)。5.揭示了酸铝环境下有机酸对马尾松根尖铝毒的调控机理。Al~(3+)胁迫下2种马尾松根尖细胞壁半纤维素Ⅰ中总糖均显著积累,而半纤维素Ⅱ中总糖无显著变化,说明铝在马尾松根尖的主要结合位点在细胞壁的半纤维素Ⅰ中。2种马尾松根尖细胞壁半纤维素中总糖含量无显著差异,说明根尖细胞壁纤维素中总糖积累并不是马尾松耐铝的主导因素。Al~(3+)胁迫下GD20根尖细胞壁中糖醛酸显著积累,而FJ5无显著变化,说明根尖细胞壁中糖醛酸与铝鳌合是马尾松铝敏感型的表现而非耐铝机制。外源有机酸可以减少GD20根细胞壁果胶和半纤维素与铝的结合,达到缓解铝毒的效果,而外源草酸的缓解效果要优于柠檬酸。Al~(3+)胁迫可使马尾松根尖H_2O_2和MDA含量升高,对马尾松产生氧化伤害;Al~(3+)胁迫也可刺激马尾松产生应激响应,使根尖POD、APX和GR活性升高,清除过多的过氧化物来维持系统的平衡;IDH和GO可能是影响马尾松耐铝性的主要代谢酶。有机酸可有效降低根尖H_2O_2和MDA含量,较少由Al~(3+)胁迫应激产生的抗氧化酶和相关代谢酶活性,使马尾松系统恢复平衡体系。6.明确了有机酸对马尾松植株铝吸收与运输的调控作用。铝胁迫可使马尾松根系和植株内铝含量增加,GD20各部位铝含量均高于FJ5,表明根系斥铝能力也是马尾松的一种耐铝机制。耐铝型马尾松FJ5铝迁移系数小于GD20,较小铝迁移系数可能是其J5耐铝的主要原因。适宜浓度的外源有机酸可以降低马尾松体内铝含量,降低铝的迁移系数,以达到缓解铝毒的作用;以0.2mmol·L~(-1)的草酸、0.02mmol·L~(-1)的柠檬酸及0.01mmol·L~(-1)的苹果酸缓解效果最佳,且对GD20的缓解效果好于FJ5。综合上述几方面的研究结果,本研究得到以下几点结论:(1)铝胁迫可抑制马尾松的根系生长、降低根系活力,破坏根系生理代谢平衡。(2)铝诱导根系有机酸及酸性磷酸酶分泌是耐铝型马尾松耐铝的主要机制。(3)细胞壁半纤维素Ⅰ是铝在马尾松根尖的主要结合位点,而根尖细胞壁中糖醛酸与铝鳌合是马尾松铝敏感型的表现而非耐铝机制。(4)根系分泌物调控根际土壤活性铝向腐殖酸铝和有机态络合铝形态转化是马尾松根系分泌物缓解铝胁迫的主要原因之一。(5)铝胁迫下马尾松根系分泌物可通过改变土壤微生态特性来缓解铝毒的伤害。(6)有机酸调控根系生理特性变化、减少马尾松根系对铝的吸收、降低铝的迁移系数是其缓解铝毒的主要机制。
【图文】：

根系分泌物,土壤微生物,相互作用

但在缺氮条件下豆科植物通过根系分泌黄酮和异黄酮类物质，能够刺激根瘤菌表达结瘤基因而形成根瘤。根系分泌物还对根际微生物的生长和发育产生影响（图1-1），如抗枯萎病黄瓜品种的根系分泌物对枯萎病菌孢子萌发、菌丝生长及病原菌生物量均有明显的抑制作用，而感病品种恰相反（韩雪等，2006）；大豆根系分泌物中的糖类物质对半裸镰刀菌、粉红粘帚菌、尖孢镰刀菌的生长多表现低促高抑，，而氨基酸和有机酸组分对3种病菌的生长均表现显著的促进作用（韩丽梅等，2004）。被植物根系分泌物诱导后的稳定微生物群落可以活化营养元素，还可以直接产生植物生长所需调节物质，起到促进植物生长的作用。如豆

根系分泌物,马尾松,土壤,标准差

可溶性铝的转化效果更好。图4-1 马尾松根系分泌物对根际土壤可溶性铝的影响（平均值±标准差）Fig.4-1 Effects of soluble aluminum in soil in the roots exudates of P.Massoniana (mean ±SD)注：图中不同字母表示相同品种同一土壤在不同铝处理浓度下的差异显著（P＜0.05），下同。different letters indicate the significant difference among Al3+treatments of the same soil type（P<0.05）.The samebelow.4.2.2 马尾松根系分泌物对土壤有机态络合铝的调控土壤中有机态络合铝主要包括铝与有机酸、酚类化合物结合形成的和含有多基配体的腐殖酸结合形成的有机化合物。在碱性条件下焦磷酸钠与土壤作用，腐殖物质及其铁、铝等衍生物与焦磷酸钠发生不可逆交换，腐植酸与铁、铝等均以焦磷酸钠盐的形态进入溶液。随着铝处理浓度的增大，非根际土壤、根际土壤和外源根系分泌物处理的土壤中的有机态络合铝均呈升高的趋势，根际土壤中的有机态络合铝升高的幅度最大，外源根系分泌物处理的土壤次之，非根际土壤升高的幅度最小（图4-2）。在相同铝处理浓度下，根际土壤和外源根系分泌物处理的土壤中的有机态络合铝含量均比非根际土壤有显著升高
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S791.248;S714

【参考文献】