油茶對鋁的吸收積累及其耐性機(jī)理研究.pdf

1、鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，通常以難溶性硅酸鹽或氧化鋁的形式存在，對植物沒有毒害，但在南方酸性土壤條件下，可溶性的鋁（主要是Al3+）對大多數(shù)植物都會(huì)產(chǎn)生毒害，抑制植物的營養(yǎng)生長，減少植物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，降低農(nóng)林產(chǎn)品的食用品質(zhì)，因此對植物耐鋁機(jī)理研究具有重要的科學(xué)價(jià)值和生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。鋁對油茶而言是一種比較特殊的元素，通常情況下不僅未對其產(chǎn)生毒害作用，而且富集在油茶體內(nèi)。為深入探究油茶對土壤鋁的吸收、積累和耐鋁機(jī)理，本研究以油茶主栽品種‘

2、華金’為試驗(yàn)材料，綜合利用酶動(dòng)力學(xué)、分子生物學(xué)、植物生理生化等科學(xué)原理和相關(guān)技術(shù)，開展了油茶對Al3+的吸收積累規(guī)律、鋁誘導(dǎo)油茶相關(guān)基因的表達(dá)、根系和葉片對鋁的生理響應(yīng)機(jī)制等方面的研究，主要研究結(jié)果如下:
　　(1)油茶對鋁的吸收積累特性研究。采用水培法處理油茶幼苗，運(yùn)用酶動(dòng)力學(xué)原理研究油茶對鋁的吸收方式。結(jié)果表明:在鋁濃度≤2 mmol·L-1處理下，油茶對Al3+的吸收為主動(dòng)吸收，其吸收量隨時(shí)間延長而持續(xù)增加，吸收速率隨時(shí)間的

3、推移而下降;而鋁濃度＞2 mmol·L-1時(shí)，油茶對Al3+吸收為被動(dòng)擴(kuò)散。不同濃度鋁處理下，油茶具有很高的鋁積累能力，其地上部分鋁含量是地下部分的1.15～2.03倍，說明油茶體內(nèi)的鋁主要聚集在地上部分。進(jìn)一步研究鋁在油茶葉片中的分布情況，結(jié)果表明大部分鋁(70％～80％)都富集在細(xì)胞壁中，有效阻止Al3+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，降低鋁對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞。不同濃度鋁處理對油茶其他營養(yǎng)元素的吸收影響程度不同，鋁處理有利于油茶對Cu和P元素的吸收，但

4、抑制了油茶對Ca和Mg元素的吸收，對K、Fe、Mn和Zn元素的吸收與介質(zhì)中Al3+濃度的高低相關(guān)，鋁濃度≤2 mmol·L-1時(shí)，促進(jìn)其吸收，反之則抑制吸收。
　　(2)油茶耐鋁分子生理研究。通過鋁脅迫誘導(dǎo)，采用RACE技術(shù)，從油茶幼苗根系中發(fā)現(xiàn)了2個(gè)油茶耐鋁基因。其中一個(gè)克隆獲得了全長cDNA序列，全長1725bp，編碼574個(gè)氨基酸，命名為CoALMT4;另一個(gè)獲得了cDNA片段，命名為CoMATE5。通過blast比對，顯示

5、CoMATE5序列與其他物種該基因相似度達(dá)到91％以上;CoALMT4與其他植物的ALMT4基因所編碼的氨基酸相似度在70％以上。通過對CoALMT4基因進(jìn)一步分析表明，CoALMT4是一個(gè)穩(wěn)定的疏水性蛋白，并具有4個(gè)確定跨膜域，4個(gè)疑似跨膜域，蛋白由α螺旋（約占56.45％）、延伸鏈和β轉(zhuǎn)角構(gòu)成，屬于全α型蛋白，具有耐鋁基因的主要特征。實(shí)時(shí)定量qRT-PCR結(jié)果表明，CoMATE5和CoALMT4在根系中的表達(dá)顯著受到介質(zhì)中鋁濃度的誘

6、導(dǎo)，隨著鋁濃度的增加而顯著提高。由此可見，油茶在鋁處理下，通過誘導(dǎo)耐鋁基因的表達(dá)，促進(jìn)根系蘋果酸和檸檬酸的分泌以螯合根際周圍活性鋁，從而提高油茶對鋁的耐受性。
　　(3)油茶耐鋁根系生理研究。采用砂培法鋁脅迫培養(yǎng)油茶幼苗，通過對根系形態(tài)的觀測和根系生理指標(biāo)的測定，結(jié)果表明，在鋁濃度為0.5 mmol·L-1～2.0 mmol·L-1時(shí)，油茶幼苗并沒有出現(xiàn)鋁毒害癥狀，其株高、地徑、干重、根系體積等均隨鋁濃度的升高而增加;根系活力、木

7、質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)速率和游離脯氨酸含量較對照處理分別提高了122％、50％、90％，說明適當(dāng)濃度鋁促進(jìn)了油茶根系生長，增強(qiáng)了根系的運(yùn)輸能力。當(dāng)鋁濃度達(dá)到4 mmol·L-1時(shí)，油茶幼苗的生長受到了抑制，根系質(zhì)膜透性顯著增強(qiáng)，是對照處理的1.77倍;利用透射電鏡觀察油茶根尖細(xì)胞，其細(xì)胞壁周邊開始形成囊泡，細(xì)胞壁發(fā)生斷裂，質(zhì)膜遭到破壞，出現(xiàn)質(zhì)壁分離的現(xiàn)象，內(nèi)含物減少，這也進(jìn)一步證明此時(shí)油茶根系受到損害。
　　(4)油茶耐鋁光合生理研究。測定和分

8、析不同濃度鋁處理下油茶葉片光合生理。結(jié)果表明:適當(dāng)濃度的鋁(≤2 mmol·L-1)供給能夠提高油茶葉片的光合色素含量;顯著增強(qiáng)油茶葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr); PEPC酶活性的變化趨勢與Rubisco酶活性變化相反，可有效彌補(bǔ)Rubisco酶活性降低帶來的副作用;隨著鋁濃度的增加葉綠熒光參數(shù)Fv/Fm、ΦPSⅡ值和NPQ值升高，由此可見油茶對適當(dāng)濃度鋁處理有較強(qiáng)的光合適應(yīng)能力。

9、但是鋁濃度達(dá)到4mmol·L-1時(shí)，油茶葉片的光合作用受到顯著抑制，其葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，基粒片層膨脹，淀粉粒顯著減少，嗜餓顆粒增加。
　　(5)油茶耐鋁抗氧化生理研究。對油茶葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和保護(hù)酶系統(tǒng)的測定結(jié)果表明，在鋁濃度≤2 mmol·L-1處理下油茶葉片可溶性蛋白含量顯著提高，是對照處理的1.7倍;可溶性糖含量與對照處理相比提高了28％; SOD、POD和CAT活性隨著鋁濃度的升高而顯著增強(qiáng)，比對照處理分別提高了29％

10、、63％和28％，說明抗氧化酶對植物鋁毒存在一定的緩解和耐受作用。但這種作用有一定限度，鋁濃度達(dá)到4.0 mmol·L-1時(shí)，3種保護(hù)酶活性均呈下降趨勢，MDA含量顯著增加，說明該濃度鋁處理誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS過量積累，超出其對自由基的清除能力，導(dǎo)致葉肉細(xì)胞膜受損。
　　綜上所述，油茶在鋁濃度≤2 mmol·L-1處理下，通過誘導(dǎo)耐鋁基因的表達(dá)，促使根系分泌較多的蘋果酸和檸檬酸，以螯合根際周圍的活性鋁，降低鋁毒害;啟動(dòng)油茶根系生理響應(yīng)