外源复合有机酸对菊芋耐铝的调控作用

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菊芋(Helianthus tuberosus L.)属菊科向日葵属多年生草本植物,因其具有极强的抗逆性、营养价值高等特点在我国多地均有种植。近几十年来,随着酸雨频繁沉降,土壤酸化加剧,铝毒已成为南方酸性土壤中限制农作物生长的主要因素。有机酸分泌是植物适应铝毒胁迫的外部排斥铝的主要机制之一,其种类、数量与铝毒缓解程度密切相关。苹果酸、柠檬酸和草酸是多数植物响应铝毒的主要有机酸种类,也是植物适应铝毒环境的极佳螯合剂。本研究以江苏徐州菊芋和四川资阳菊芋为材料,采用土培法,确定苹果酸、柠檬酸和草酸三种有机酸组合缓解菊芋铝毒的最佳浓度,并从光合特性、抗氧化能力等方面明确复合有机酸缓解铝毒的效应和作用机制。研究结果如下:(1)以四川资阳菊芋为材料,采用土培法培养21 d,通过L9(34)正交实验表明300μmol/L苹果酸、700μmol/L柠檬酸和1000μmol/L草酸复合喷施处理的根相对伸长率最高,比单Al组增加103.26%,表明该种有机酸复合处理对菊芋铝毒缓解效果最好,作为后续实验的外源有机酸复合喷施浓度。(2)以江苏徐州菊芋(耐铝品种)和四川资阳菊芋(铝敏感品种)为材料进行土培实验,明确苹果酸、柠檬酸和草酸复合有机酸对铝胁迫下菊芋生长及光合损伤的缓解效果和作用机制。结果表明,Al处理7、14、21d,徐州菊芋和资阳菊芋根系和株高相对伸长率、根系和地上部的干物质积累量与对照相比显著降低。叶绿素a、叶绿素b、叶绿素荧光参数,叶片气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)均有不同程度降低。外源喷施复合有机酸(OA)后,徐州菊芋和资阳菊芋的根系和地上部相对伸长率比Al处理显著增加,地上部及根系干重增加89.69%、68.42%和148.39%、97.95%,叶面积最大增加16.86%和25.52%,Gs最大增加193.22%和195.45%,叶绿素含量升高,Pn和Tr均有所回升。表明外源复合有机酸处理减缓铝毒害对PSII反应中心的破坏,并在一定程度上削弱铝毒引起的光合抑制和光合结构受损,提高叶片蒸腾速率和净光合速率,降低铝胁迫对菊芋叶片光合系统的干扰,使得光合作用可正常进行。(3)采用土培实验,叶面喷施苹果酸、柠檬酸和草酸,以探究复合有机酸对铝胁迫下菊芋生理响应及抗氧化能力的影响。结果表明,与对照相比,徐州菊芋和资阳菊芋的根系活力在Al处理第21 d降低37.25%和57.96%,叶片脯氨酸含量升高155.56%和94.83%。SOD活性增加,CAT活性最大降幅分别为24.69%和24.74%,MDA含量显著增加92.61%和131.96%。叶面喷施复合有机酸后,徐州菊芋和资阳菊芋Al+OA处理组较单Al组根系活力最大增长率达43.14%和74.36%,Al诱导的脯氨酸含量增加得到有效缓解,抗氧化酶活性升高,抗氧化物质抗坏血酸(As A)、谷胱甘肽(GSH)最大增长率为22.00%和25.00%、51.96%和81.01%,MDA减少25.51%和30.44%。表明外源施用有机酸可增强菊芋的保护酶活性和增加抗氧化物质含量,提高抗氧化能力,降低菊芋在铝毒生境下的膜脂过氧化程度。(4)通过外源施用复合有机酸,研究有机酸对铝胁迫下菊芋根尖Al积累及根系有机酸和可溶性糖分泌的影响。Al胁迫下徐州菊芋和资阳菊芋的Al含量比对照升高32.21和36.13倍。根系柠檬酸和草酸分泌量分别比对照增加43.94%和32.63%、120.63%和38.91%。进行外源有机酸喷施处理后,徐州菊芋和资阳菊芋的根尖Al含量比单Al处理减少17.26%和27.66%,根系柠檬酸、苹果酸和草酸分泌量最大上升22.38%和40.24%、86.11%和44.18%、52.31%和59.69%,根系可溶性糖含量显著增加。表明外源复合有机酸可改善菊芋生长、降低根尖铝含量,提高菊芋柠檬酸、草酸和苹果酸、可溶性糖的根系分泌能力,以应对铝毒对菊芋生长带来的不利影响。
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