全 文 ：活性铝对小麦根生长及酶活性的影响*
朱雪竹1* * 黄 耀1, 3 宗良纲1 孔繁翔2
( 1 南京农业大学资源与环境学院,南京 210095; 2南京大学环境学院,南京 210093; 3 中国科学院大气物理研究所,
北京 100029)
摘要 利用铝形态分布与环境 pH 的相关性,通过改变染毒液 pH 条件,研究了不同浓度活性铝对小麦
根生长、蛋白质含量及酸性磷酸酶活性的影响,并探讨了不同形态活性铝植物毒性的差异. 本实验染毒液
中总铝浓度设置为 0( CK)、25( T 1)和 75 mol!L - 1( T 2) 3 组, 各组 pH 分别调至 4. 0、4. 5、5. 0 和 5. 5. 结果
表明, 微量Ala与 Alb对小麦根生长均具有抑制作用.但随染毒液中活性铝组分的改变, 小麦根蛋白质含量
和酸性磷酸酶活性显现相反变化趋势: T 1 和 T 2 组在 pH4. 0,活性铝主要成分为 Ala时( Ala 浓度高于活性
铝浓度的 90% ) ,小麦根细胞蛋白质含量显著下降,酸性磷酸酶活性显著上升; T 1和 T 2组在 pH5. 0, A la浓
度降低至与 Alb浓度接近, 且 Ala和 Alb浓度均低于 10 mol!L - 1时,根细胞蛋白质含量显著上升, 酸性磷
酸酶活性显著下降.
关键词 活性铝 小麦 蛋白质 酸性磷酸酶
文章编号 1001- 9332( 2005) 06- 1043- 04 中图分类号 X173 文献标识码 A
Effects of aluminum speciation on wheat root growth and its enzyme activity. ZHU Xuezhu1 , HUANG Yao 1, 3,
ZONG Lianggang1 , KONG Fanx iang2 ( 1 College of Resources and Environment Sciences , Nanj ing Agricultural
Univer sity , Nanj ing 210095, China; 2 College of Environment , Nanj ing Univ ersity , Nanj ing 210093, China;
3 I nstitute of A tmosphenic Physics , Chinese A cademy of Sciences, Beij ing 100029, China) . Chin. J . A pp l .
Ecol . , 2005, 16( 6) : 1043~ 1046.
Aluminum speciation is recognized to associate with environmental pH . In this paper , the effects of aluminum spe
ciation ( A la, Alb ) on the grow th, pro tein content , acid phosphatase ( AP) activ ity of w heat root were studied by
changing the pH of aluminum solut ions. Two concentrations of total aluminum, 25 mol!L- 1 ( T 1 ) and 75mol!
L - 1( T 2) , were set up in the test solutions, and four levels of pH, 4. 0, 4. 5, 5. 0 and 5. 5, w er e regulated for each
solution. The results indicated that the grow th of wheat root in T 1 and T 2 w as strong ly inhibited by low doses of
Ala and A lb, while the changing trend of protein content and AP activ ity varied when exposed to different compo
sition of activ e Al. When the Ala concentration w as above 90% of the activ e Al concentration, the pr otein content
was reduced w hile the AP activity was enhanced by Al at pH 4. 0, but it was reverse at pH 5. 0 when the concen
tration of Ala and A lb w as below 10mol!L - 1, respectively.
Key words Wheat, A luminum speciation, Acid phosphat ase ( AP) , Protein.
* 国家自然科学基金资助项目( 39570150) .
* * 通讯联系人.
2004- 03- 10收稿, 2004- 07- 05接受.
1 引 言
铝是土壤和植物生态系统中处处存在的元素.
大气污染引起酸雨, 导致土壤 pH 值下降,造成土壤
铝活化,使铝成为酸性土壤中作物生长的主要限制
因素之一[ 29] .我国现已成为继北欧和北美之后出现
的世界第三大酸雨区[ 15] , 且仍呈加速发展的趋势.
pH< 56降水等值线也自长江以南地区大幅度地向
西向北移动,越过了长江和黄河.酸性土壤中铝活化
对植物的影响已引起广泛关注[ 14] .
Samuels等报道, 铝对植物的毒性症状首先表
现在根系[ 18, 25, 26] .通常, 活性铝破坏生物膜的结构
和功能[ 6, 23] , 影响和干扰离子特别是钙、镁、磷、钾
的吸收和平衡[ 19] , 从而诱导植物养分的缺乏[ 4, 5] .
铝的植物毒性与其形态极其相关[ 17, 28] . 研究表明,
没有形成络合物的铝的形态与环境 pH 值相关: pH
∀ 45时铝主要以 Al3+ 形态存在; 随着环境 pH 升
高,逐渐形成了 AlOH+2 、Al( OH) +2 等; Parker 也研
究证实在pH 5左右,铝形成了一种比单核铝毒性更
大的聚合铝 Al13 ( Alb 的主要形态) [ 16, 20, 22] . 但目前
研究多针对强酸性条件下单核铝( Ala)的生物毒性,
关于活性铝的另一形态低聚铝( Alb )毒性的研究较
少[ 25, 30] . 而有研究表明, 当土壤 pH> 50,即使在可
溶解铝检测不到的情况下,铝就已对植物生长造成
不良影响[ 4, 12] .
本研究利用铝在不同 pH 染毒液中形态分布的
差异,以冬小麦根系作为主要实验生物材料,研究低
应 用 生 态 学 报 2005 年 6 月 第 16 卷 第 6 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jun. 2005, 16( 6)#1043~ 1046
剂量活性铝Ala和Alb对小麦根生长、蛋白质含量和
酸性磷酸酶活性的作用, 深入探讨活性铝的植物毒
性及作用机理, 为防治酸性土壤中铝的植物毒害提
供理论依据.
2 材料与方法
21 供试材料
冬小麦( T r iticum aestiv um)品种为宁麦九号, 购自南京
市种子公司.种子用 0 1% Hg2Cl2 溶液表面灭菌 10 min, 蒸
馏水洗净,在 25 ∃ 、潮湿黑暗条件下催芽 2 d,然后在基本营
养液中培养至根长为 2 0 % 05 cm 的幼苗, 染毒. 基本营养
液配方为: 0 4 mmol!L - 1 CaCl2 , 0 65 mmol!L - 1 KNO3 , 025
mmol!L - 1 MgCl2! 6H2O, 0 01 mmol! L- 1 ( NH4 ) 2SO4 , 004
mmol!L- 1 NH4NO 3[ 1] .
22 试验方法
221 铝暴露试验 铝染毒液为在基本营养液中添加 Al2
( SO4) 3, 其总铝浓度分别为 0( CK )、25( T 1)和 75 mol!L - 1
( T 2) , pH 分别调至 4 0、4 5、5 0、5 5. 每个处理设置 3 个平
行.每 24 h 更新营养液. 培养条件: 25 ∃ , 光照强度 4 000~
5 000 lux ,光暗比 14 h#10 h. 96 h 后取样, 进行生化分析.
222 根生长抑制率的测定 先测定染毒前小麦幼苗根长
(最长根和次长根) ,然后将其进行铝暴露培养, 48 h 后再次
测定各组小麦根长.按根生长抑制率公式, 求出各暴露条件
下,根生长抑制率. 公式为: 根生长抑制率= (对照组小麦根
生长长度- 染毒组小麦根生长长度) &对照组小麦根生长长
度.
223 铝形态测定 采用 Ferr on 方法测定培养前后染毒液
中各活性铝的浓度. 按与 Ferr on 试剂络合速度的不同将铝
分为 3 种形态: 1 min内与 Ferron 试剂反应完全的 Ala(主要
为单核铝络合物) , 与 Ferron 试剂在 120 min 内反应的 Alb
(多核羟基铝络合物或聚合物) , 120 min 内不与 Ferr on 试剂
反应的 Alc(多核铝, 如 Al( OH) 3( am)等 ) [ 22] . 本实验认为, 单
核铝( Ala)和多核铝( Alb )为活性铝, 具有植物毒性; Alc 为非
活性铝,忽略其植物毒性[ 16, 21] .
224 生物指标的测定 铝暴露 96 h 后, 收获小麦根, 液氮
速冻, 真空冷冻干燥, - 30 ∃ 保存备用. 蛋白质含量测定按
色素结合法,以小牛血清蛋白( BAS)为标准蛋白[ 2, 9] . 酸性磷
酸酶( EC 3 132)活性的测定按蒋传葵法[ 7] .
3 结果与讨论
31 铝形态与小麦根生长
营养液中铝存在形态与其 pH 相关(图 1) . pH
为 40时, 80%以上的铝以 Ala形态存在; pH∋50
时,染毒前染毒液中活性铝浓度低于总铝浓度的
20% ,80%以上的铝为没有植物毒性的 Alc. 40 ∀
pH ∀ 50时, Ala 浓度随溶液 pH 的上升而迅速减
少, Ala浓度与 pH 值呈负相关, 其相关系数达到-
098;但 Alb 浓度并不随 pH 的上升而降低, Alb 浓
度随总铝浓度升高而增大. 染毒 24 h 后营养液中活
性铝浓度有所改变:强酸性条件下( pH40)染毒液
中活性铝浓度在培养后下降; 而当 pH ∋45 时, 营
养液中活性铝浓度在培养后上升.
图 1 25( a)和 75( b) mol!L- 1铝染毒液中铝形态分布
Fig. 1 Concent rations of Ala and Alb in the test solut ions w ith 25( a) and
75( b) mol!L- 1 Al at diff erent pH.
结果表明, 48 h 铝暴露后, 25 mol!L - 1组( T 1)
和 75 mol!L- 1组( T 2)根生长显著被抑制(图 2) .
pH 较低时( 40 ∀ pH ∀ 50) , 小麦根生长抑制率随
总铝浓度提高而上升. T 1在 pH45、T 2 在pH40,根
生长抑制率达到同浓度组的最大值, 分别为51 %和
82%.经统计, 当[ Ala] > 20 mol!L- 1时, 根生长抑
制率与[ Ala ]正相关, 相关系数为 0928; 而当[ Ala]
< 20 mol!L- 1时, 根生长抑制率与 Alb 浓度正相
关,其相关系数达 0951. 这表明单核铝( Ala)、聚合
态铝( Alb)均对小麦根生长具有抑制作用.
图 2 铝在不同 pH 条件下对小麦根生长的影响
Fig. 2 Effect of 25 and 75 mol!L- 1 Al on the root grow th of w heat at
diff erent pH.
T 1 组小麦根生长抑制率并不简单地随染毒液
pH 的降低、Ala浓度的上升而增大. 由图 2 可见, T 1
1044 应 用 生 态 学 报 16卷
在pH40时 Ala 浓度为 207 mol!L - 1,远高于其
在 pH45时 Ala浓度( [ Ala ]为 102 mol!L- 1 ) , 而
T 1在 pH40时根生长抑制率低于其在 pH45时的
抑制率.这现象与 Thomas[ 8]提出的 H + 能缓解铝毒
性的报道相一致. Parker[ 21, 22]也曾提出, pH 较高时
铝会生成一种单核水化物, 并推测一些低聚铝为重
要的铝毒形态, 其毒性比 Al3+ 大.比较染毒液中 Alb
浓度, T 1组在 pH 45时, Alb 浓度达到了本组最高
值 38 mol!L - 1,是其在 pH 40时浓度的 4倍. 由
此可以推断, Ala与 Alb 毒性大小的差异是 H + 能缓
解铝毒现象的部分原因.
32 活性铝对小麦根蛋白质含量的影响
由图 3可见,随染毒液中铝形态改变,小麦根细
胞中蛋白含量呈现相反变化趋势: pH 40 时, 染毒
液中铝的主要存在形态为 Ala ( Ala浓度高于活性铝
浓度的 90%) , 根细胞蛋白含量随活性铝浓度上升
而显著地降低( P< 001) ; 相反 pH 50时, Ala浓度
降低至与 Alb 浓度相近, Ala 和 Alb 浓度均低于 10
mol!L - 1, 小麦根细胞蛋白含量显著提高 ( P <
001) ; T 1 与 T 2 在 pH 45与 55, 其根细胞蛋白含
量与 CK相比无显著差异( P> 005) .
图 3 活性铝对小麦根蛋白质含量的影响
Fig. 3 Ef fect of Al speciat ion on the protein contents in w heat root .
T 2 组在 pH 40 ( 677 mol! L- 1 [ Ala ] , 54
mol!L- 1[ Alb] ) ,根细胞蛋白含量降至本实验最低
值,为对照( CK)的 73 %; T 2 在 pH 50( 38 mol!
L- 1[ Ala] , 100 mol!L- 1 [ Alb] ) , 蛋白质含量达到
本实验最高值, 为 CK 的 120%.
已报道的关于铝对植物蛋白含量影响的结果常
存在矛盾. 在强酸性 ( pH 40)条件下, 活性铝主要
成分为 Ala时, 铝暴露使根细胞蛋白含量下降,这结
果与前人报道的铝胁迫下真菌细胞内蛋白合成受到
抑制相符[ 10] ; 而 pH 50 时, 活性铝两组分 Ala 和
Alb浓度接近, 铝暴露使小麦根细胞蛋白含量上升,
这是否存在已报道的铝胁迫下植物根尖部某种蛋白
的诱导与积累[ 3, 24] , 需进一步验证.
33 活性铝对小麦根酸性磷酸酶活性的影响
pH 40时, 活性铝胁迫下根细胞中酸性磷酸酶
活性上升. T 2 组在 pH 40, 根中酸性磷酸酶活性达
最高值, 为 CK 的 186%; pH 50时,活性铝胁迫下
根中酸性磷酸酶活性降低, T 1 和 T 2 根中酸性磷酸
酶活性分别为 CK 根中的 90% 和 83% ( P < 001)
(图 4) .
图 4 活性铝对小麦根酸性磷酸酶活性的影响
Fig. 4 Ef fect of Al spectiation on the activity of acid phosphatase in
w heat root of T1 and T2.
Ala浓度高于 207 mol!L- 1时,根中酸性磷酸
酶的活性显著升高; [ Ala ] ∀ 102 mol!L - 1且06 ∀
[ Alb] ∀ 100 mol!L - 1时,小麦根中酸性磷酸酶活
性显著下降;其他条件下,铝对小麦根中酸性磷酸酶
活性无显著性影响( P> 005) .
酸性磷酸酶是植物体内将有机磷降解为游离磷
和无机磷的一种关键酶, 降解有机磷为具有生物活
性的磷酸盐及焦磷酸, 在小麦磷代谢中起重要作用.
植物体内酸性磷酸酶活性与植物利用环境中磷的能
力显著相关[ 27] .酸性磷酸酶活性增强是植物对磷饥
饿进行自我拯救的重要机制之一[ 27] . 通常认为, 铝
可与磷在植物根表面或质体外发生吸附沉淀反应,
减少了磷进入根内以及向地上部的运输[ 13] . 本实验
中当铝主要存在形态为 Ala 时( [ Ala ] > 207 mol!
10456 期 朱雪竹等:活性铝对小麦根生长及酶活性的影响
L- 1) ,小麦根中酸性磷酸酶活性上升, 可由此推断
Ala可能引起了小麦磷饥饿. 而浓度相接近的微量
Ala 和Alb 通过抑制小麦根中 AP 活性,降低了其吸
收磷的能力.这与已报道的铝会诱导植物体内酸性
磷酸酶活性降低的结论一致[ 11] .染毒液中活性铝分
布发生变化时, 酸性磷酸酶的不同反应说明, Ala 与
Alb 影响小麦磷营养的途径存在差异.
研究中发现, T 1 与 T 2 中铝在 pH 45和 50条
件下, 对小麦蛋白质含量与酸性磷酸酶活性影响不
同.究其原因, 在该 pH 条件下活性铝组成由以 Ala
为主的状况转变为Ala和Alb 浓度为同一数量级, 而
Ala 和Alb 毒作用的差异导致了不同 pH 条件下蛋白
质和酸性磷酸酶变化趋势的改变.
4 结 论
41 微量 Ala与 Alb 均对小麦根生长具有抑制作
用.
42 T 1 ( 25 mol!L- 1 )处理在强酸性条件下出现
的H+ 对铝毒的缓解作用,其原因与 Alb 毒性相对较
大有一定联系.
43 小麦根细胞中蛋白质含量与酸性磷酸酶活性,
在不同Ala与Alb 浓度暴露下存在相反变化趋势.
44 活性铝Ala和 Alb对小麦磷代谢影响差异的部
分原因是: Ala引起了小麦的磷饥饿,而 Alb 是通过
抑制酸性磷酸酶活性而降低小麦对磷的利用能力.
参考文献
1 Aniol A. 1984. Induct ion of alum inum tolerance in w heat seedlings
by low doses of aluminum in the nutrient solut ion. Plant Physiol ,
75: 551~ 555
2 Chen YQ(陈毓荃) . 1995. Biochemist ry Research T echniques. Bei
jing: China Agricultural Press. 86~ 87( in Chinese)
3 Hamilton CA, Good AG, Taylor GJ. 2001. Induct ion of vacuolar
ATPase and mitochondrial ATP synthase by aluminum in an alu
minumresistant cultivar of w heat . Plant Physiol , 125: 2068~ 2077
4 Heim A, Brunner I, Frossard E, et al . 2003. Aluminum ef fects on
Picea abies at low solut ion concent rat ions. Soil S ci Soc A m J , 67:
895~ 898
5 Huang JW, Pellet DM, Papernik LA, et al . 1996. Aluminum inter
actions w ith voltage dependant calcium transport in plasma mem
brane vesicle isolated from roots of aluminumsensit ive and resistant
w heat cult ivars. Plant Physiol , 110: 561~ 569
6 Ishikawa S , Wagatsuma T . 1998. Plasma membrane permeabilit y of
roottip cells follow ing temporary exposure to Al ions is a rapid
measure of Al tolerance among plant species. Plan t Cel l Physiol , 39
( 5) : 516~ 525
7 Jiang CK (蒋传葵) . 1982. Tool Enzyme Act ivity M easurement .
S hanghai: Shanghai Science and Technology Press. 62~ 64( in Chi
nese)
8 Kinraide TB, Ryan PR, Kochian LV. 1992. Interactive ef fects of
Al3+ , H+ , an d other captions on root elongation considered in terms
of cellsurface elect rical potent ial. Plant Physiol , 99: 1461~ 1468
9 Kong FX(孔繁翔) , Ch en Y(陈 颖) . 1995. Effect of aluminum
and zinc on enzyme act ivit ies in the alga Selenast rum cap ricor nu
tum. B ull E nv iron Contam T oxicol (环境污染与毒理学通报) ,
55: 759~ 765( in Chinese)
10 Kong FX(孔繁翔) , Chen Y(陈 颖) , Zhang M(章 敏 ) . 1997.
Effect s of nick el, zinc and aluminum on the grow th and enzyme ac
tivit ies of green alga Selenastr um capri corn utum . A cta Sci Ci rc
(环境科学学报) , 17( 2) : 193~ 198( in Chinese)
11 Kong FX(孔繁翔) , Sang WL(桑伟莲) ,Hu W (胡 伟) . 1998.
Biochemical responses of Scenedesmus obliquus to low pH, Al and
rat io of Ca to Al. Env i ron Sci (环境科学) , 19( 4) : 56~ 58( in Ch i
nese)
12 Larsen PB, Degenhardt J, T ai CY, et al . 1998. Aluminumresistant
Arabidop si s mutants that exhibit altered patterns of aluminum ac
cumulat ion and organic acid release f rom roots. Plant Physiol , 117:
9~ 18
13 Li DH(李德华) , He LY(贺立源) . Li JS(李建生) , et al . 2004.
The characterist ics of nutrit ion in maize with diff erent Alt olerant .
Plant N utr Fert Sci (植物营养与肥料学报) , 10( 4) : 374~ 379( in
Chinese)
14 Liang YC(梁永超) , Sh en QR(沈其荣) , Zhang AG(张爱国) , et
al . 1999. Effect of calcium and silicon on grow th of and nut rient
uptake by w heat exposed to simulated acid rain, Chin J App l Ecol
(应用生态学报) , 10( 5) : 589~ 592( in Chinese)
15 Liu B ( 刘 彬 ) . 2001. Format ion, harm and prevent ion of acid
rain. Env ir on Sci Technol (环境科学与技术) , ( 4) : 21~ 23 ( in
Chinese)
16 Liu WX( 刘文新 ) , Luan ZK (栾兆坤) , T ang HX( 汤鸿霄 ) .
1996. The chemical species and ecological ef fect s of aluminum in
natural w aters. A cta Ecol S in (生态学报) , 16( 2) : 212~ 220 ( in
Chinese)
17 Liu WX( 刘文新 ) , Luan ZK (栾兆坤) , T ang HX( 汤鸿霄 ) .
1999. Bioavailabilit y of aluminum and it s ecological effect- A re
view on related studies. Chin J App l Ecol (应用生态学报 ) , 10
( 2) : 251~ 254( in Chinese)
18 Ma JF, Yamamoto R, Nevins DJ, et al . 1999. Al binding in the epi
dermis cell w all inhibit ion cell elongat ion of Okra Hypocotyl. Plant
Cel l Physiol , 40( 5) : 549~ 556
19 Nichol BE, Oliveira LA, Glass ADM, et al . 1993. T he ef fects of a
lum inum on the in flux of calcium, potassium, ammonium, nitrate,
and phosphate in an aluminumsensitive cult ivar of barley. Plant
Physiol , 101: 1263~ 1266
20 Parker DR, Kinraide T B, Zelazny LW . 1988. Aluminum speciat ion
and phytotoxicity in dilute hydroxyalum inum solutions. S oi l Sci
A m J, 52: 438~ 444
21 Parker DR, et al . 1989. On the phytotox icity of polynuclear hy
droxyaluminum complexes. Soi l Sci A m J , 53: 789~ 796
22 Parker DR. 1992. Ident if icat ion and quant if icat ion of ( Al13) tride
cameric polycation using ferron. En vi ron Sci T ech nol , 26: 908~
914
23 Rengel Z, Elliot t DC. 1992. M echanism of aluminum inhibit ion of
net 45Ca2+ uptake by A mar anth us protop lasts. Plan t Physiol , 98:
632~ 638
24 Rocio CO, Ow nby JD. 1993.A protein similar to PR( pathogenesis
related) protein is elicited by metal toxicity in w heat. Physiol
Plan t , 89: 211~ 219
25 Sam uels TD, Kucukakyuz K, Rincon ZM. 1997. Al part it ioning pat
terns and root grow th as related to sensit ivity and Al tolerance in
w heat . Plant Physiol , 113: 527~ 534
26 Sivaguru M, Horst WJ. 1998. The distal part of the t ransition zone
is the most aluminumsensitive apical root zon e of maiz e. Plant
Physiol , 116: 155~ 163
27 Sun HG(孙海国) , Zhang FS(张福锁) . 2002. Effect of phospho
rous def iciency on act ivity of acid phosphatase exuded by w heat
root s. Chin J App l Ecol (应用生态学报 ) , 13( 3) : 379~ 381 ( in
Chinese)
28 Wang JW (王建武 ) , Luo SM (骆世明) , Feng YJ ( 冯远娇 ) .
2000. Aluminum forms in acid sulfate soils. Chin J App l Ecol (应用
生态学报) , 11( 5) : 735~ 740( in Chinese)
29 Wang LF(王连峰) , Pan GX(潘根兴) , Shi SL(石盛莉 ) , et al .
2003. Dissolved aluminum and organic carbon in soil solut ion under
six t ree stands in Lushan forest ecosystems. Chin J Ap pl E col ( 应用生态学报) , 14( 10) : 1602~ 1606( in Chinese)
30 Yin DQ(尹大强) , Jin H J( 金洪钧 ) , Sun AL( 孙爱龙 ) , et al .
1997. Effect of low pH, Al and Ca on toxicity and superox ide dis
mutase( SOD) act ivity of Cor tinariu s russus . Chin J Appl Ecol (应用生态学报) , 8( 6) : 659~ 662( in Chinese)
作者简介 朱雪竹, 女, 1969 年生, 讲师, 在读博士. 主要从
事环 境 生 物 学 方 面 研究, 已 发 表 论 文 3 篇. T el:
13813923276; Email: zhuxuezhu@ njau. edu. cn
1046 应 用 生 态 学 报 16卷