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Effects of citric acid on root growth and physiological characteristics of soybean under aluminum stress

柠檬酸对铝胁迫下大豆根系生长和生理特性的影响



全 文 :第 13卷第 4期
2015年 7月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 4
Jul􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 04􀆰 014
收稿日期:2014-04-28
基金项目:2014年上饶师范学院科技项目
作者简介:徐芬芬(1978—),女,江西奉新人,副教授,研究方向:作物逆境生理,E⁃mail:xffylm7875@ 163.com
柠檬酸对铝胁迫下大豆根系生长和生理特性的影响
徐芬芬
(上饶师范学院 生命科学学院,江西 上饶 334001)
摘  要:以大豆(Glycine max L.)幼苗为材料,研究柠檬酸处理对铝胁迫下,大豆根系生长和生理特性的影响。 结果
表明:与对照(CK)相比,在铝胁迫下,大豆根系长度、根系鲜质量、超氧化歧化酶(SOD)活性和根系活力等分别降
低 58􀆰 2%、40􀆰 6%、33􀆰 2%和 50􀆰 6%,丙二醛(MDA)含量和相对电导率分别增加 50􀆰 7%和 50􀆰 6%。 与单纯铝胁迫处
理相比,加入柠檬酸后,大豆幼苗根系长度、根系鲜质量、SOD 活性和根系活力等分别比铝胁迫处理提高 85􀆰 6%、
34􀆰 4%、44􀆰 8%和 81􀆰 3%,MDA含量和相对电导率分别比铝胁迫处理降低 26􀆰 7%和 30􀆰 3%。 柠檬酸缓解根系长度
的最佳处理浓度为 15 μmol / L,缓解其他指标的最佳浓度均为 20 μmol / L。 柠檬酸可降低铝对大豆根系的损伤。
关键词:铝胁迫;大 豆;柠檬酸;根系生长;生理特性
中图分类号:Q945􀆰 78        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)04-0075-04
Effects of citric acid on root growth and physiological characteristics
of soybean under aluminum stress
XU Fenfen
(Life Science College,Shangrao Normal University,Shangrao 334001,China)
Abstract:We studied the effects of citric acid on growth and physiological characteristics of soybean
(Glycine max L.) seedlings under the aluminum stress. Under the aluminum stress, root length,root fresh
weight,SOD activity and root activity of soybean significantly reduced ( 58􀆰 2%,40􀆰 6%,33􀆰 2%, and
50􀆰 6% lower than that of the control, respectively), whereas MDA content and relative conductivity
significantly increased(50􀆰 7%,and 50􀆰 6% higher than that of the control,respectively). After citric acid
treatment, root length,root fresh weight,SOD activity and root activity of soybean significantly increased
(85􀆰 6%,34􀆰 4%,44􀆰 8%,and 81􀆰 3% higher than under aluminum stress, respectively); MDA content
and relative conductivity significantly reduced after citric acid treatment (26􀆰 7%,and 30􀆰 3% lower than
under aluminum stress, respectively). The optimum concentration of citric acid for root length was 15
μmol / L,and that for other indicators was 20 μmol / L. Crtric acid can reduce the damage of soybean
seedlings under aluminum stress.
Keywords:aluminum stress; soybeans(Glycine max L.); citric acid; root growth; physiological characteristic
    铝是地壳中含量最丰富的金属元素[1],在碱性
或中性土壤中,铝主要以氧化物或硅酸盐沉淀物的
形式存在,对植物和环境无毒;而在酸性土壤(pH<
5)中,结合态的铝变为可溶而进入土壤溶液,对大
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多数植物产生毒害[2-3]。 近年来,随着环境酸化问
题的日益严重,尤其是酸雨的频繁发生和生理酸性
肥料的施用,土壤酸化加剧,铝溶出量增加,严重伤
害了植物的生长[4]。 目前,铝已经成为酸性土壤中
抑制农作物生长的重要因素[5-8]。 刘尼歌等[9]研究
发现,50 μmol / L 的高铝胁迫显著降低大豆的发芽
率,抑制根系的生长,酸性土铝胁迫已明显影响到
大豆的产量,因此寻找快速缓解大豆铝毒的方法迫
在眉睫。 刘宁[10]研究发现,铝胁迫条件下外加水杨
酸可缓解铝对大豆的毒害。 铝胁迫下大豆根系分
泌柠檬酸可能是大豆对铝排斥的一个原因[11]。 金
婷婷等[12]研究比较了柠檬酸、草酸和苹果酸 3 种有
机酸对铝胁迫下大豆根系活力和根系长度的影响,
发现柠檬酸对大豆根系铝毒的缓解效果最好。 金
婷婷等[13]通过研究外源柠檬酸对短期铝胁迫下大
豆根系的影响,发现外源柠檬酸处理后大豆根所含
蛋白质、糖类等有机物的含量均有所增多,一定程
度上体现了外源柠檬酸对大豆根系铝胁迫的缓解。
上述关于柠檬酸对大豆根系铝毒缓解效应方
面的研究主要集中在大豆根系形态、根系活力和根
系合成能力等方面,而并未涉及对根系其他生理指
标的研究。 因此,本试验研究外源柠檬酸对铝胁迫
下大豆根系形态和生理特性的影响,以进一步阐明
柠檬酸缓解大豆铝胁迫的生理机制。
1  材料与方法
1􀆰 1  试验材料
供试大豆品种为“日本青(六月豆)”,开原市鹤
丰种子有限公司。
1􀆰 2  试验方法
种子萌发 3 d 后,挑选根伸长一致的大豆幼苗
转移到 0􀆰 5 mmol / L CaCl2简单营养液中培养 12 h
(pH 4􀆰 5),然后将幼苗转移到含有 50 μmol / L AlCl3
营养液的塑料营养钵中培养,以不含铝的营养液为
对照(CK),培养 12 h后,铝处理的幼苗分别加入 0、
5、10、20和 50 μmol / L 等浓度的柠檬酸。 每处理重
复 3个营养钵,每钵种植幼苗 10株。
1􀆰 3  测定指标
1􀆰 3􀆰 1  生长指标
处理前测定大豆幼苗的根系长度,处理 3 d 后
每处理随机取 5株测定幼苗根长和根系鲜质量,结
果取平均值,并计算根系相对伸长率。
根系相对伸长率 =铝处理根系伸长量 /对照根
系伸长量×100%
1􀆰 3􀆰 2  生理指标
处理 3 d 后分别测定根系 SOD 活性、根系相对
电导率、MDA含量和根系活力等。 根系相对电导率
用 DDS 307型电导仪测定[14];根系活力的测定采
用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[14],超氧化物歧化酶
(SOD)活性测定采用比色法[14];丙二醛(MDA)含
量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)显色法[14]。
1􀆰 4  数据处理
上述指标的测定结果均采用 SAS 软件Duncan′s
新复极差多重比较进行差异显著性分析。
2  结果与讨论
2􀆰 1  柠檬酸处理对铝胁迫下大豆幼苗根系生长的
影响
    用不同浓度的柠檬酸处理铝胁迫下的大豆幼
苗 3 d后,分别测定根系相对伸长率和根系鲜质量,
结果见图 1和图 2。 由图 1和图 2可知:铝胁迫处理
根系相对伸长率和根系鲜质量均显著低于对照,加
入柠檬酸后,两指标均有所缓解,且随柠檬酸浓度
的增加呈现先增后降的趋势,在柠檬酸浓度处理超
过 20 μmol / L时,根系相对伸长率和根系鲜质量又
有所降低。
图中大小写字母分别表示差异达极显著(P<0􀆰 01)和
显著(P<0􀆰 5)水平
图 1  各处理大豆的根系相对伸长率
Fig􀆰 1  Relative root elongation in each treatment
根系相对长度在各处理间差异达显著水平(P<
0􀆰 01),各浓度柠檬酸处理根系长度均显著高于单
纯铝胁迫处理 (P < 0􀆰 01),在柠檬酸浓度达到 15
μmol / L时,根系相对伸长率可缓解到最佳水平;根
系鲜质量的变化趋势与根系长度基本一致,但各处
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图中大小写字母分别表示差异达极显著(P<0􀆰 01)
和显著(P<0􀆰 05)水平
图 2  各处理大豆幼苗根系鲜质量
Fig􀆰 2  Weight of fresh root in each treatment
理间的差异较根系长度小,其最佳柠檬酸处理浓度
为 20 μmol / L。 由此可知,大豆根系长度较根系鲜
质量对铝胁迫更敏感。
2􀆰 2  柠檬酸处理对铝胁迫下大豆幼苗根系生理指
标的影响
    用不同浓度的柠檬酸处理铝胁迫下的大豆幼
苗 3 d 后,分别测定根系 SOD 活性、根系相对电导
率、MDA含量和根系活力等指标,结果见表 1。 由
表 1可知,铝胁迫处理根系 SOD活性和根系活力均
显著低于 CK(P<0􀆰 01),加入柠檬酸后,SOD活性和
根系活力均有所增加,其中,10 ~ 50 μmol / L 的柠檬
酸处理后,SOD活性和根系活力均显著高于单纯铝
胁迫处理(P<0􀆰 01),在柠檬酸处理浓度达 20 μmol / L
时,SOD活性和根系活力达到最大值,但与 CK 差异
不显著。
    铝胁迫下,MDA含量和相对电导率均显著高于
CK(P<0􀆰 01)。 柠檬酸处理后,两个指标均有所缓
解,且随柠檬酸浓度的增加呈现先降后升的趋势,
15~50 μmol / L柠檬酸处理,MDA 含量和相对电导
率均显著低于铝胁迫处理(P<0􀆰 01),且在柠檬酸浓
度达到 20 μmol / L时,两指标均达最低。
铝胁迫下,大豆根系 SOD 活性显著降低,MDA
含量和相对电导率均显著提高,可能与铝(P<0􀆰 01)
胁迫下保护酶对活性氧的清除能力降低,已不能阻
止自由基在细胞内的积累,从而导致膜系统的伤
害,这时细胞内多种功能受到破坏,生理代谢紊乱,
进而导致根系生长受到抑制。
上述分析结果表明,15~50 μmol / L柠檬酸处理
均可显著提高铝胁迫下大豆幼苗的根系活力和
SOD活性(P<0􀆰 01),保护根系细胞膜,防止铝胁迫
导致的膜质过氧化,其中柠檬酸处理的最佳浓度为
20 μmol / L。
由于根系与土壤直接接触,因此根系对土壤中营
养元素的缺乏或过剩以及有毒物质的反应也往往是最
为迅速。 因此,常用根系的形态和生理指标来反映作
物受铝胁迫的程度。 通过对铝胁迫下大豆根系生长和
生理指标的研究,发现铝胁迫显著降低了大豆根系长
度、根系鲜质量、SOD活性和根系活力等(P<0􀆰 01),显
著提高了MDA含量和相对电导率(P<0􀆰 01)。 综合比
较上述各个指标发现,铝胁迫对根系长度的影响最大。
这因此可说明,根长是大豆对 Al 毒害较为敏感的指
标,可作为大豆抗铝品种的鉴定指标,与前人在其他作
物上[15-17]的研究结果一致。 加入柠檬酸后,大豆的根
系相对伸长率和根系活力均较单纯铝胁迫处理提高,
与金婷婷等[12]的研究结果一致。
表 1  柠檬酸处理对铝胁迫下大豆幼苗根系生理指标的影响
Table 1  Effects of citric acid treatment on physiological index of soybean seedlings root under aluminum stress
处理方法 SOD活性 /(U·g-1)
MDA含量 /
(μmol·g-1)
根系活力 /
(μg·g-1·h-1)
相对电导率 /

CK 214􀆰 56 ± 12􀆰 24aA 9􀆰 56 ± 0􀆰 71dC 43􀆰 42 ± 2􀆰 91aA 11􀆰 26 ± 1􀆰 14dC
Al 143􀆰 21 ± 8􀆰 24dD 14􀆰 32 ± 1􀆰 24aA 21􀆰 43 ± 1􀆰 71dE 17􀆰 75 ± 1􀆰 89aA
Al+5 μmol / L柠檬酸 153􀆰 54 ± 10􀆰 20dCD 13􀆰 65 ± 1􀆰 33abA 25􀆰 75 ± 2􀆰 46dDE 16􀆰 54 ± 1􀆰 56abAB
Al+10 μmol / L柠檬酸 178􀆰 65 ± 11􀆰 14cBC 12􀆰 76 ± 1􀆰 05bAB 31􀆰 54 ± 2􀆰 18cCD 14􀆰 35 ± 1􀆰 45bcABC
Al+15 μmol / L柠檬酸 186􀆰 12 ± 11􀆰 54bcAB 11􀆰 35 ± 1􀆰 01cBC 34􀆰 65 ± 2􀆰 04bcBC 13􀆰 64 ± 1􀆰 16cdBC
Al+20 μmol / L柠檬酸 207􀆰 32 ± 12􀆰 61abAB 10􀆰 53 ± 0􀆰 83cdC 38􀆰 85 ± 2􀆰 42abAB 12􀆰 38 ± 1􀆰 32cdC
Al+50 μmol / L柠檬酸 184􀆰 22 ± 11􀆰 35cABC 11􀆰 32 ± 1􀆰 03cBC 34􀆰 97 ± 2􀆰 12 bcBC 13􀆰 53 ± 1􀆰 15cdBC
  注:表中同列大小写字母分别表示差异达极显著(P<0􀆰 01)和显著(P<0􀆰 05)水平。
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3  结论
通过采用不同浓度的柠檬酸处理铝胁迫下的
大豆幼苗,测定了大豆幼苗根系相对伸长率、根系
鲜质量和根系活力、根系相对电导率、MDA 含量和
SOD活性等指标。 研究结果表明,铝胁迫显著降低
了大豆根系长度、根系鲜质量、SOD 活性和根系活
力等(P<0􀆰 01),显著提高了 MDA 含量和相对电导
率(P<0􀆰 01);15 ~ 50 μmol / L 柠檬酸处理可显著提
高铝胁迫下大豆的根长、根系鲜质量、根系活力和
SOD活性(P<0􀆰 01),柠檬酸缓解大豆根系长度的最
佳处理浓度为 15 μmol / L,缓解其他指标的浓度均
为 20 μmol / L。 因此可说明 15 ~ 20 μmol / L 柠檬酸
可显著缓解大豆铝胁迫。
参考文献:
[ 1 ]  黄巧云,李学垣,徐凤琳.铝对小麦幼苗生长和根的某些生理
特性的影响[J] .植物生理学通讯,1994,30(2):97 100.
[ 2 ]   Kinraide T B. Identity of the rhizotoxic aluminum species [ J] .
Plant Soil,1991,134(1):167⁃178.
[ 3 ]   杨志敏,汪瑾.植物耐铝的生物化学与分子机理[J] .植物生理
与分子生物学学报,2003,29(5):361⁃366.
[ 4 ]   刘强,郑绍建,林咸永.植物适应铝毒胁迫的生理及分子生物
学机理[J] .应用生态学报,2004(9):1641⁃1649.
[ 5 ]   Ma J F,Ryan P R,Delhaize E.Aluminum tolerance in plants and
the complexing role of organic acids[J] .Trends Plant Sci,2001,
6:273⁃278.
[ 6 ]   Yamamoto Y,Kobayashi Y,Matsumoto H.Lipid peroxidation is an
early symptom triggered by aluminum,but not the primary cause
of elongation inhibitionin pea roots[J] .Plant Physiol,2001,125:
199⁃208.
[ 7 ]   Kochian L V,Hoekenga O A, Piros M A. How do crop plants
tolerate acid soils mechanisms of aluminum tolerance and
phosphorus efficiency [ J ] . Ann Rev Plant Biol, 2004, 55:
459⁃493.
[ 8 ]   Kochian L V, Pineros M A, Hoekenga O A. The physiology,
genetics and molecular biology of plant aluminum resistance and
toxicity[J] .Plant Soil,2005,274(1 / 2):175⁃195.
[ 9 ]   刘尼歌,莫丙波,严小龙.大豆和水稻对铝胁迫响应的生理机
制[J] .应用生态学报,2007,18(4):853⁃858.
[10]   刘宁.水杨酸对大豆耐铝性的调控机制[ D].长春:吉林大
学,2011.
[11]   类淑霞.铝胁迫对大豆根系生理特性的影响及镁、硼对铝毒
的缓解效应[D].长春:吉林大学,2005.
[12]   金婷婷,刘鹏,徐根娣,等.外源有机酸对铝毒胁迫下大豆根
系形态的影响[J] .中国油料作物学报,2006,28(3):302⁃308.
[13]   金婷婷,刘鹏,张志祥,等.外源柠檬酸缓解大豆根系短期铝
胁迫的 FTIR特征分析[J] .光谱学与光谱分析,2009,29(2):
367⁃371.
[11]   刘萍,李明军.植物生理学实验技术[M].北京:科学出版
社,2007.
[15]   Foy C D,Dkue J A,Dvenie T E.Tolerance of soybean germplasm
in acid subsoil[J] .Plant Nurt,1992,15:527⁃547.
[16]   Bnneet R J, Breen C M, Fey M V. The aluminum signal: new
demensions of aiuminum tolernace [ J] . Plant Soil, 1991, 134:
153⁃166.
[17]   Deazle E, Ryna P R. Update on environment stress aluminum
toxicity and tolerance in plants [ J] . Plant Physiol, 1995, 107:
315⁃3219.
(责任编辑  荀志金)
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