钙对酸化处理下平邑甜茶根系形态及生理生化特性的影响

摘要

由于不合理的农业施肥、环境污染以及酸雨沉降等原因，中国土壤呈现出大规模的酸化。土壤酸化面积已超过国土面积的20％，随着工农业生产的不断发展，其酸化状况逐步恶化。钙是植物生长发育所必需的大量元素，是偶联胞外信号与胞内生理反应的第二信使，在调节植物细胞对逆境反应和逆境适应性过程中发挥着重要作用。本实验以平邑甜茶为试材，通过调节根区营养液的pH，研究根区酸化以及外源钙对其根系形态、生理生化特性的影响，旨在探讨根区酸化对平邑甜茶根系的伤害机理，以及钙在酸化条件下的生理功能及作用机理，为进一步揭示土壤酸化危害植物的机理奠定基础。
　　 将平邑甜茶(Malus hupehensis var.pingyiensis)幼苗根系分别置于pH4、pH4.5、pH5和pH6(对照)的1/2Hoagland营养液及3个钙离子浓度梯度(10、20、30mmol·L-1)的pH4、pH4.5和pH5的1/=2Hoagland营养液中，于第4、8、12天利用专业版的WinRHIZO2007根系分析软件测定根系各参数指标。将幼苗分2组分别置于pH3、pH4、pH5和pH6(对照)的1，2Hoagland营养液及3个钙离子浓度梯度(10、20、30mmol·L-1)的pH3、pH4和pH5的1，2 Hoagland营养液中，于第0、2、3、4天分别测定抗氧化酶活性及线粒体指标。主要研究结果如下：
　　 (1)酸化处理下，平邑甜茶幼苗根系的根系总长度、主根长度、侧根长度均显著下降，且随着酸化强度的增加及处理时间的延长，侧根长度下降幅度最大，与主根相比，侧根更易受到酸化抑制。平邑甜茶幼苗根系的分形维数、平均直径、表面积、体积均显著下降，且具有明显的剂量效应，酸化强度越大，下降越明显。平邑甜茶幼苗根系的根系组成发生明显变化，随着酸强度的增加及处理时间的延长，0＜D≤0.5mm细根所占的比例下降，0.5＜D≤1.5mm的中等粗度的根系所占的比例提高，即酸化处理主要抑制了细根的生长，降低了细根所占的比例，影响了根系的组成。
　　 (2)酸化处理使得平邑甜茶根系抗氧化酶活性呈现先上升后下降的趋势，各处理的SOD、CAT酶活性在处理的第2天达到最大值，POD酶活性变化不一，pH3与pH4处理在第2天达到最大值，pH5处理在第3天达到最大值。
　　 (3)酸化处理促进了MPTP开放，线粒体△Ψm不断下降，根系线粒体Cytc/a降低，H2O2含量先降低后升高，线粒体呼吸Ⅲ态明显下降，呼吸Ⅳ态明显升高，呼吸控制率显著下降，P/O比值下降，酸度越强，伤害越严重。
　　 (4)在酸化处理下，低浓度Ca2+(10、20mmol·L-1)缓解不同酸化强度对根系形态构型的抑制，但效果并不显著；高浓度的Ca2+(30mmol·L-1)处理会加重对其根系构型的改变。
　　 (5)在酸化处理下，低浓度Ca2+(10、20mmol·L-1)能够明显诱导抗氧化酶(SOD、CAT、POD)的活性，而高浓度的Ca2+(30mmol·L-1)加重了对抗氧化酶(SOD、CAT、POD)的胁迫。
　　 (6)与单独酸化处理相比，低浓度的Ca2+(10mmol·L-1和20mmol·L-1)能够抑制MPTP开放，△Ψm的下降，Cytc的流失，线粒体H2O2的积累，线粒体呼吸作用的减弱，而较高浓度的Ca2+(30mmol·L-1)对线粒体功能的破坏与H2O2的积累则有促进作用。