全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (2): 227~232　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0428 227
收稿 2014-11-11　　修定 2015-01-15
资助 四川省育种攻关项目(2011NA0098-10)。
* 通讯作者(E-mail: w-xue@163.com; Tel: 0835-2882335)。
铝胁迫对柳杉组培苗生长及生理特性的影响
蒋时姣1, 钟宇1, 刘海鹰1, 张双1, 吴富雨1, 黄金亮1, 张帆2, 万雪琴1,*
1四川农业大学林学院, 四川雅安625014; 2四川农业大学风景园林学院, 成都610000
摘要: 用添加了不同浓度的AlCl3的培养基培养柳杉组培苗, 研究铝胁迫对柳杉生长及生理特性的影响。结果表明, 与对照
相比, 0.5~1.0 mmol·L-1 AlCl3处理能显著提高柳杉组培苗的根长、株高及生物量, 叶中的过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化
酶(SOD)、过氧化物酶(POD)等抗氧化酶活性以及可溶性蛋白含量升高; 当铝浓度处理为1.5 mmol·L-1时, 柳杉的生长受到
一定程度抑制, 但叶片内抗氧化酶活性以及可溶蛋白含量等指标仍高于对照, 说明此浓度对柳杉有轻微的胁迫但柳杉能通
过自身抗逆境能力缓解伤害; 而在铝浓度达到2.0 mmol·L-1 时, 柳杉生长受到严重抑制, 叶片内丙二醛(MDA)含量显著上
升。由此推测, 低浓度铝(<1.0 mmol·L-1)对该柳杉组培苗生长有一定的促进作用, 1.5 mmol·L-1 AlCl3浓度会影响该柳杉组培
苗的正常生长, 其耐铝阈值应在1.5~2.0 mmol·L-1之间。
关键词: 铝胁迫; 柳杉; 生长特征; 生理特性
Effect of Aluminum Stress on the Growth and Some Physiological Characteris-
tics in Cryptomeria fortunei Tisssue Culture Seedlings
JIANG Shi-Jiao1, ZHONG Yu1, LIU Hai-Ying1, ZHANG Shuang1, WU Fu-Yu1, HUANG Jin-Liang1, ZHANG Fan2, WAN Xue-
Qin1,*
1College of Forest, Sichuan Agricultural University, Ya’an, Sichuan 625014, China; 2College of Landscape Architecture, Sichuan
Agricultural University, Chengdu 610000, China
Abstract: The tissue culture seedlings of Cryptomeria fortunei were treated with different AlCl3 concentrations,
in order to investigate effects of aluminum stress on growth and some physiological characteristics of cedar
plantlets. The results showed that when compared with the contrast, the treatment of 0.5–1.0 mmol·L-1 AlCl3
could increase the root length, seedling height and biomass effectively, as well as the contents of superoxide
dismutase (SOD), catalase (CAT), peroxidase (POD) and soluble protein in leaves; with 1.5 mmol·L-1 AlCl3, the
growth of treated plants were inhibited, but the activities of antioxidases and the content of soluble protein were
still higher than contrast, this illustrated that the seedlings were slightly stressed and relieve the damage through
their anti-stress capability; the growth of seedlings were inhibited severely and the content of MDA were in-
creased significantly under the treatment of 2.0 mmol·L-1 AlCl3. So we included that lower concentration of alu-
minum (<1.0 mmol·L-1) could promote the growth of Cryptomeria fortunei tisssue culture seedlings and with
the concentration of 1.5 mmol·L-1, the seedlings’ normal growth would be inhibited, the concentration of AlCl3
between 1.5 and 2.0 mmol·L-1 was the threshold for damage.
Key words: aluminum stress; Cryptomeria fortunei; growth traits; physiological features
我国南方富铁铝化酸性(pH 4.5~6.5)土壤约占
2/3, 遍及14个省区, 燃煤和工业废气形成的酸雨以
及农业中生理酸性肥料的大量施用, 更加重了土
壤酸化过程及其危害性。自Ulrich和Pankrath
(1983)提出了由于酸雨导致土壤酸化, 进而引起铝
活化而产生森林衰退的铝毒害假说后, 大量研究
表明铝毒害是酸性土壤上作物生长的主要限制因
素, 也是引起人工林地力衰退和森林大面积退化
的主要因素(张健等1999; Halman等2013; Rehmus
等2014)。柳杉作为重要的速生用材树种, 在南方
地区普遍种植, 其由于酸铝为主要危害导致的森
林衰退已有报道(邹翠翠等2014; 孟小星等2003)。
此外, 柳杉人工林种植区多为杉木老产区, 地力衰
退, 土壤板结, 对其中、幼林前期生长有一定影响
(雷波等2014; 陈爱玲等2006)。近年来, 同为人工
林主要树种的杉木(张帆等2005)、桉树(杨梅等
植物生理学报228
2012)、马尾松(王水良等2010)等多种植物耐铝生
理和生态方面已开展不少工作, 但以柳杉为试验
材料的研究还较少, 所以有必要对柳杉铝胁迫生
理响应及耐铝毒机理进行研究。然而田间试验容
易受气候因子干扰而影响评价结果, 植物组织培
养技术提供了一个遗传基础相同、苗木生长一
致、环境条件可控的研究体系。根系尤其是根尖
是植物对铝毒害最为敏感的器官(吴道铭等2014;
Matsumoto和Motoda 2013), 相对于愈伤组织、细
胞等外植体, 整体植物研究可提供更多的研究信
息。因此, 利用组织培养研究柳杉在不同铝浓度
胁迫下的生长及生理响应, 为其抗逆性生理机制
的深入研究以及耐铝性筛选提供理论基础和技术
指导, 同时对促进柳杉在南方酸性土壤上的种植,
深入研究其耐铝性和适应机制具有重要意义。
材料与方法
1 材料
柳杉(Cryptomeria fortunei Hooibrenk)组培苗
由柳杉种子在无菌条件下萌发的幼苗经组织培养
获得。柳杉种子采自四川省洪雅林场国家杉木柳
杉良种基地, 采种母树为柳杉第一代无性系种子
园的优良无性系单株。
2 方法
2.1 铝胁迫的处理
将无菌幼苗接种在DCR (琼脂7 g·L-1, 蔗糖30
mg·L-1, pH 5.4)+6-BA 0.2 mg·L-1和DCR+6-BA 0.2
mg·L-1+IBA 0.05 mg·L-1培养基上进行丛生芽的诱
导和增殖。剪取丛生芽中长约3 cm的带顶芽的单
苗接种于DCR (琼脂10 g·L-1, 蔗糖30 mg·L-1, pH
5.0)+NAA 0.01 mg·L-1+IBA 0.2 mg·L-1生根培养基
上进行生根培养, 同时添加不同浓度的AlCl3溶液
(0、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol·L-1, 相应的水溶性铝
离子浓度为0、0.320、0.754、1.030和1.334
mmol·L-1) (李九玉等2004)进行铝胁迫处理 , 0
mmol·L-1为对照, 每处理接种50株, 重复3次。在光
照时间为16 h·d-1, 光强为30~40 µmol·m-2·s-1, 培养
温度(23±2) ℃的条件下连续培养70 d, 30 d开始第
一次采样, 以后每隔20 d采样一次, 共采样三次, 取
植株叶片测量其生理指标。最后一次进行株高、
根长、生物量以及根冠比等生长指标的测定。
2.2 指标的测定
生长指标的测定: 铝胁迫处理70 d后, 随机选
取20株组培苗, 测定其株高、根长及其地上部分
和地下部分的鲜重, 在105 ℃下烘干15 min杀青,
80 ℃烘干至恒重分别称干重。株高为茎基到茎顶
端的生长点长度; 根长为根基到根尖的长度; 总生
物量(DW)为茎、叶、根的总干重; 根冠比=根干重/
茎、叶干重。
生理指标的测定 : 分别在铝胁迫处理后的
30、50和70 d时测定, 超氧化物歧化酶(SOD)活性
测定采用氮蓝四唑法(Giannopolitis和Ries等1997),
以抑制NBT光化还原的50%为1个酶活性单位(U);
过氧化物酶(POD)活性测定参照愈创木酚法, 将每
分钟OD增加0.01定义为1个酶活性单位(U); 过氧
化氢酶(CAT)活性测定采用紫外分光光度法, 以1
min内OD减少0.1为1个酶活性单位(U); 丙二醛
(MDA)与可溶性糖(SS)含量测定采用硫代巴比妥
酸加热显色法; 可溶性蛋白含量测定采用考马斯
亮蓝G250染色法(熊庆娥2003)。
2.3 数据统计分析
采用SPSS 17.0数据分析系统和Microsoft Excel
对试验观察数据资料进行方差分析、LSD多重比
较等, 柱状图采用SigmaPlot10.0绘图软件绘制。
实验结果
1 铝胁迫对柳杉组培苗生长发育的影响
随着铝处理浓度的升高, 柳杉组培苗的株高、
根长、生物量及根冠比整体呈先增加后减少的趋
势(表1)。当添加少量铝时, 组培苗的株高、根长及
总生物量显著增加(P<0.05), 0.5~1.0 mmol·L-1 AlCl3
时的总生物量分别比对照增加46.25%、43.24%,
说明低浓度的铝在一定程度上促进了柳杉的生长;
超过1.5 mmol·L-1 AlCl3时各指标均低于对照, 说明
此时柳杉生长受到抑制。从根冠比来看, 0.5~1.0
mmol·L-1 AlCl3时的增加说明低浓度铝对根的促进
作用大于对地上部分的影响, 而随着铝浓度的增
加 , 根冠比减小且分别比对照减少2 3 . 4 0 %、
48.94%, 说明高浓度的铝抑制了组培苗的生长且
对根的抑制作用大于对地上部分的影响。
2 铝胁迫对柳杉组培苗抗氧化保护酶活性的影响
各处理的抗氧化保护酶活性随着处理时间的
蒋时姣等: 铝胁迫对柳杉组培苗生长及生理特性的影响 229
延长而增加, 不同铝浓度处理后柳杉组培苗叶片
中SOD、POD、CAT 3种酶活性变化并不一致, 柳
杉组培苗叶片内的SOD活性以及CAT活性均随着
胁迫浓度的增加呈现先增加后降低的趋势, POD酶
的活性则随着铝胁迫浓度的增加而增加。由图
1-A可知, SOD活性在1.0 mmol·L-1 AlCl3处理下达
到最大, 1.5 mmol·L-1处理下开始下降, 2.0 mmol·L-1
时继续下降并低于对照, 70 d与对照相比下降了
14.05%; 图1-B可以看出, CAT活性在1.5 mmol·L-1
AlCl3时达到最大, 2.0 mmol·L
-1时下降至与对照差
异不显著(P>0.05)。与SOD、CAT不同的是, 铝处
理后, 柳杉叶片内POD酶活性持续升高, 其中2.0
mmol·L-1 AlCl3时的活性显著高于其他浓度(图
1-C)。
3 铝胁迫对柳杉组培苗渗透调节物质及丙二醛含
量的影响
本试验中, 可溶性蛋白含量随着铝胁迫时间
的增加, 表现出缓慢上升后降低的趋势(图1-D), 在
处理30~50 d时, 1.0~2.0 mmol·L-1的可溶性蛋白含
量有所上升 , 处理到7 0 d后均显著下降 , 2 . 0
mmol·L-1时下降到最低。而各处理浓度叶片可溶
性糖含量随着铝胁迫时间的增加而呈上升趋势(图
1-E), 低浓度处理有所下降, 在1.5 mmol·L-1时有所
回升但仍低于对照, 2.0 mmol·L-1时比对照分别上
升12.96%、9.28%、10.17%。
图1-F表明, 处理30 d时, 随着胁迫浓度的增加,
MDA含量先下降后上升, 0.5~1.0 mmol·L-1时显著
低于对照, 在1.5 mmol·L-1时显著高出对照(P<
0.05)。而随着胁迫时间的延长, 0.5~1.0 mmol·L-1
时MDA的含量有所上升但与对照之间的差异并不
显著(P>0.05), 50 d时1.5 mmol·L-1处理的MDA含量
仍然显著高于对照(P<0.05), 而70 d 时1.5 mmol·L-1
处理的MDA含量最低, 与对照相比下降了13.48%,
而2.0 mmol·L-1的含量一直显著高于对照。
讨　　论
通常认为 , 铝通过与蛋白质以及脂质、糖
类、核酸等结合, 干扰植物细胞内的离子代谢, 影
响生理生化过程的正常进行, 从而抑制植物的生
长。然而, 也有研究表明(张美艳等2013; 彭尽晖等
2013), 铝虽为植物生长的非必需元素, 但低浓度铝
可维持细胞膜的稳定性, 减少细胞内的外渗物而
对植物生长有利 , 过量的铝才会对植物产生危
害。本试验结果发现 , 当铝浓度为 0 . 5 ~ 1 . 0
mmol·L-1时, 柳杉组培苗的根长、株高及生物量均
显著高于对照(P<0.05), 说明该低浓度铝对植物的
生长有一定的促进作用且以0.5 mmol·L-1时最为明
显。有关铝促进植物生长的作用机理的研究已有
不少报道, 但并无定论。López-Bucio等(2014)和
Augusto等(2013)等的研究认为铝可以通过促进植
物对磷与钾的吸收来缓解铝造成的毒害, 同时提
高了叶绿素含量增加光合作用能力; 刘鹏等(2003)
通过铝对大豆种子萌发影响的研究认为低浓度铝
可能会维持细胞的稳定性, 减少细胞内的外渗物;
Martins等(2013)以及林郑和和陈荣冰(2009)认为铝
还可以通过提高保护酶活性或者降低脂质过氧化
程度来促进植物的生长发育。在本实验中, 0.5~1.0
mmol·L-1时, 体内SOD、CAT、POD酶含量以及可
溶性蛋白含量均增加, 因此可以认为, 少量的铝可
以通过提高保护酶活性以清除代谢过程中产生的
活性氧自由基等有害物质, 使柳杉处于比较旺盛
的新陈代谢中, 为体内有机物合成提供充足的氮
源, 从而促进了柳杉组培苗的生长。
试验表明, 植物对铝胁迫的忍耐能力存在着
表1 铝胁迫对柳杉组培苗生长的影响
Table 1 Effects of aluminum stress on the growth of C. fortuner plantlets
处理号 铝处理浓度/mmol·L-1 株高/cm 根长/cm 总生物量/mg 根冠比
1 0 6.00±0.35a 10.72±1.38b 45.47±1.64b 0.47±0.09b
2 0.5 6.42±0.78a 13.16±1.38a 66.50±2.53a 0.97±0.14a
3 1.0 6.48±0.39a 12.16±0.35a 65.13±3.92a 0.91±0.12a
4 1.5 5.12±0.25b 9.72±0.45b 36.57±1.27c 0.36±0.03b
5 2.0 4.50±0.24c 4.50±0.60c 32.40±2.13d 0.24±0.01c
　　表中数据为平均值±标准差, 对数据进行LSD法显著性检验, 同列数字旁不同小写字母表示0.05水平上的差异显著, 下表同此。
植物生理学报230
图1 铝胁迫下柳杉组培苗叶片内的生理变化
Fig.1 Physioplogical changes in leaves of C. fortunei tisssue culture seedlings under aluminum stress
A: SOD活性变化; B: CAT活性变化; C: POD活性变化; D: 可溶性蛋白含量变化; E: 可溶性糖含量变化; F: MDA含量变化。图例Al 0、
Al 0.5、Al 1.0、Al 1.5和Al 2.0分别表示铝处理浓度为0、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol·L-1 AlCl3。图中小写字母表示0.05水平上的差异显著。
一定的极限, 即铝毒对植物的影响存在阈值, 当铝
浓度超过阈值时就会对植物造成伤害。不同的植
物 , 如马尾松(赵志刚等2007)、龙眼(肖祥希等
2006)、杨树(李俊钰等2012)以及杉木(张帆等
2005)等植物铝毒阈值明显不同, 而同一植物其不
同品种在铝毒阈值上仍存在差异 (Arroyave等
蒋时姣等: 铝胁迫对柳杉组培苗生长及生理特性的影响 231
2013), 应小芳和刘鹏(2005)则认为即使是同一品
种的不同阶段, 植物铝毒的阈值也是不同的。有
关柳杉铝毒研究报道很少, 尚未见其铝毒阈值的
报道。在本试验中, 1.5 mmol·L-1铝浓度时的根长
较0.5~1.0 mmol·L-1铝浓度时有所减少, 但与对照
并无明显差异, 叶片内各氧化酶活性以及可溶性
蛋白含量仍高于对照, 说明此时柳杉已受到轻微
胁迫, 但通过诱导保护酶活性的升高从而减轻了
铝毒在生长形态上的的危害。一般研究认为生理
反应比生长形态反应更为敏感(Samac和Tesfaye
2003), 在试验中后期也发现, 70 d后1.5 mmol·L-1铝
浓度时柳杉叶片内的MDA含量明显低于对照, 说
明植物通过长时间的适应调节已减轻了铝浓度对
其的伤害。刘鹏等(2005)通过对南方4种草本植物
的铝胁迫生理响应研究也认为植物对中低浓度铝
的生理适应为其耐铝性提供了基础。也有研究表
明在非致死浓度下, 铝胁迫能刺激POD活性升高,
从而在一定程度上降低铝对植物的伤害(李朝苏等
2006)。而2.0 mmol·L-1铝浓度处理下柳杉根长、
株高、生物量等均明显低于对照, 叶片内各氧化
酶活性以及可溶性蛋白含量与对照相比明显下降,
MDA含量则显著高于对照, 各项指标均表明此时
柳杉已受到严重胁迫。
综合本试验6项逆境生理指标和铝胁迫下的
生长变化可知, 0.5~1.0 mmol·L-1铝浓度(相应的水
溶性铝离子浓度为0.320~0.754 mmol·L-1)可以促进
柳杉组培苗的生长, 其中以0.5 mmol·L-1铝浓度促
进作用最为显著; 当铝浓度为1.5 mmol·L-1时, 柳杉
组培苗会受到一定伤害, 该伤害可以通过长期的
适应以及植物自身抗逆境机制的调节而得到一定
缓解; 当铝浓度达到2.0 mmol·L-1时会对柳杉组培
苗造成严重伤害, 可以认为该柳杉耐铝阈值在1.5~
2.0 mmol·L-1 (相应的水溶性铝离子浓度为1.030~
1.334 mmol·L-1)之间。由此可知, 该柳杉对酸雨造
成的铝毒具有一定的适应能力, 这也为柳杉在南
方酸性土壤上的大面积种植提供了一定的参考。
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