有机酸对铝胁迫下油菜生长生理及缓解机制研究

摘要

酸铝是影响农作物产量和品质的重要限制因子，与大豆、荞麦的耐铝性相比，油菜被认为是耐铝性较弱的植物，因而比较容易受到铝毒的危害。目前有关酸铝胁迫下植物缓解铝毒机制的研究主要集中在根系分泌物（分泌位点、分泌组分、分泌时间和分泌量）、细胞壁组分、边缘细胞等的研究。对内源有机酸缓解铝毒的研究也日趋成熟，但对铝毒胁迫下外源有机酸对油菜的生长、元素吸收及运输、体内铝形态的研究鲜有报道。本试验从11个油菜品种中筛选出铝耐受型品种核杂7号和铝敏感型品种中农油6号作为实验材料，通过水培法，研究外源有机酸（柠檬酸和苹果酸）对铝胁迫下油菜根系形态及生物量、抗氧化系统、营养状况、根系铝含量及铝形态进行研究，探讨铝胁迫下外源有机酸缓解油菜铝毒的作用机理，为油菜的耐铝毒机制的深入研究提供理论基础，为酸铝地区优质、高产、耐铝性油菜品种的培养和种植推广提供理论依据。本研究结果如下:
　　1.油菜耐铝毒品种筛选的试验结果:通过对油菜11个品种的根系相对伸长率的分析发现，铝处理3d后核杂7号和和中农油13号的根相对伸长率要明显高于其它品种，分别为99.84％，98.43％。而希望98和中农油6号的根相对伸长率较低，分别为82.59％和76.40％。当处理6d时核杂7号仍然保持较高的根伸长率，而中农油6号根系伸长率却降至69.03％，表明在铝胁迫下，核杂7号的耐铝毒能力较强，而中农油6号对铝毒较为敏感。因此选择核杂7号（铝耐受型）和中农油6号（铝敏感型）作为后续相关实验的实验材料。
　　2.通过对根系形态的研究发现，铝胁迫下中农油6号根系总长、表面积、体积与对照相比有明显的下降，有机酸的加入增加了其根系总长，增大了根系表面积和体积，同时有机酸对核杂7号根系形态的缓解效果不如中农油6号显著。此外对生物量（鲜重、干重、含水量、根冠比）的研究发现，核杂7号地下部的生物量与对照相比在单铝和铝有机酸混合处理中均有所上升，其中以铝+柠处理较为显著，地上部生物量在单铝处理时与对照、铝有机酸混合处理相比有所下降。而中农油6号在单铝处理下各生物量与对照相比均有所下降，其中地下干重、根冠比出现显著性下降，当加入外源有机酸后，各生物量与单铝处理相比均有所升高。
　　3.有机酸对铝胁迫下油菜根系抗氧化系统的影响发现:两个油菜品种根系的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸专一性过氧化物酶(APX)活性在加入外源有机酸时其活性与单铝处理相比明显增大（除中农油6号中铝+柠+苹），且在中农油6号（敏感型）中的活性明显高于核杂7号（铝耐受型）。单铝诱导了油菜根系MDA、可溶性糖和细胞壁多糖含量的增加，加入外源有机酸后，MDA、可溶性糖、细胞壁多糖含量均显著性下降。通过隶属函数均值分析发现铝毒胁迫下苹果酸对两个油菜品种根系形态、抗氧化系统及细胞壁多糖的缓解效果最好。
　　4.外源有机酸的加入增加了铝在油菜地下部的积累，但却只有很少一部分铝被运输到地上部，这对植物修复来说是非常有利的。有机酸对不同品种的作用不同，在核杂7号中柠檬酸处理对地下部铝吸收有明显的促进作用，与单铝处理相比铝含量增加了50％，而中农油6号中柠檬酸和苹果酸混合处理对地下部铝吸收影响最显著，铝含量是单铝处理的近3倍。对营养物质的吸收及运输的研究中我们发现:外源有机酸能够促进中农油6号和核杂7号地上部对Ca、K、Fe元素的吸收，同时有机酸还能促进中农油6号（铝敏感品种）地下部对Mg、Ca、K、Fe、P元素的吸收，有机酸对核杂7号地下部对Mg、 Ca、K、Fe元素的吸收影响不显著，但却增强了核杂7号中元素的运输能力。隶属函数分析发现苹果酸对核杂7号、柠檬酸对中农油6号元素吸收及运输的缓解效果最好。
　　5.27Al NMR波谱法研究发现:单铝处理下两个油菜品种根系中铝主要以毒害性较强的Al13形态存在，峰值在63 ppm左右。加入外源有机酸后在油菜根系检测到了铝-柠檬酸(1∶1)复合物，吸收峰为11.13 ppm和11.21 ppm，苹果酸主要与铝形成铝-苹果酸(1∶3)复合物(11.4 ppm和11.36 ppm)，但当环境条件为中强酸时铝还容易与高浓度的-OH形成二聚体Al(OH)24+，其化学位移为2.39 ppm和2.42 ppm。此外我们还发现了无毒的Al-F和Al2(OH)42+。说明外源有机酸的加入会使部分游离态的铝与其形成无毒或毒性较小的络合物，从而达到缓解铝毒的目的。
　　6.通过对根系分泌物各组分的测定发现，与单铝相比，外源有机酸显著增加了油菜根系分泌物中柠檬酸、苹果酸的分泌量;有机酸对根系分泌物中酸性磷酸酶活性和可溶性糖含量的影响较小;此外，在单铝胁迫下，两个油菜品种中的脯氨酸含量明显升高，加入外源有机酸后，与单铝相比，脯氨酸含量显著性下降，且在铝敏感品种中农油6号中下降幅度较大，说明有机酸的加入调控了油菜根系分泌物的分泌，从而达到缓解铝毒的目的。

目录

论文说明

摘要

一、文献综述

1．1 铝的存在及毒害形态

1．2 铝对植物的毒害

1．2．1 铝毒作用位点

1．2．2 铝对植物的毒害机理

1．3 植物对铝毒的耐性机制

1．3．1 内部解毒及外部斥铝机制

1．3．2 有机酸的种类及结构特征

1．3．3 有机酸在铝的内部解毒机制中的应用

1．3．4 有机酸在铝的外部解毒机制中的作用

1．4 有机酸调控机理

1．4．1 有机酸代谢

1．4．2 有机酸运输

1．5 本研究的目的意义

1．6 主要研究内容及研究技术路线

1．6．1 主要研究内容

1．6．2 研究技术路线

二、油菜铝耐受型和铝敏感型品种的筛选

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 筛选方法

2．1．3 数据处理

2．2 结果与分析

2．2．1 铝耐受型品种和铝敏感型品种的筛选

2．3 讨论

三、外源有机酸对铝胁迫下油菜根系形态及抗氧化系统的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验设计

3．1．3 实验方法

3．1．4 数据处理

3．2 结果与分析

3．2．1 有机酸对铝胁迫下油菜根系形态的影响

3．2．2 有机酸对铝胁迫下油菜根系超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

3．2．3 有机酸对铝胁迫下油菜根系过氧化物酶(POD)活性的影响

3．2．4 有机酸对铝胁迫下油菜根系过氧化氢酶(CAT)活性的影响

3．2．5 有机酸对铝胁迫下油菜根系抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的影响

3．2．6 有机酸对铝胁迫下油菜根系丙二醛(MDA)含量的影响

3．2．7 有机酸对铝胁迫下油菜根系可溶性糖含量的影响

3．2．8 有机酸处理下油菜根系各测定指标的隶属函数值

3．3 讨论

四、有机酸对铝胁迫下油菜元素吸收和运输规律的影响

4．1．材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验设计

4．1．3 实验方法

4．1．4 数据处理

4．2 结果与分析

4．2．1 有机酸对铝胁迫下油菜地下部、地上部铝含量的影响

4．2．2 铝胁迫下外源有机酸对油菜营养元素吸收和运输的影响

4．2．3 铝胁迫下外源有机酸对油菜细胞壁多糖含量及酶活的影响

4．2．4 铝胁迫下油菜元素吸收与隶属函数均值分析

4．3 讨论

4．3．1 对铝及营养元素吸收的影响

4．3．2 对细胞壁多糖成分的影响

五、有机酸对铝胁迫下油菜根系铝形态的27Al NMR分析

5．1 实验材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 铝的形态测定

5．1．3 数据统计方法

5．2 结果与分析

5．2．1 油菜根系中铝的形态分析

5．3 讨论与结论

六、有机酸对铝胁迫下根系分泌物的调控

6．1 实验材料与方法

6．1．1 实验材料

6．1．2 实验设计

6．1．3 实验方法

6．1．4 数据处理

6．2 结果与分析

6．2．1 有机酸对油菜根系分泌物中柠檬酸含量的影响

6．2．2 有机酸对油菜根系分泌物中苹果酸含量的影响

6．2．3 有机酸对油菜根系分泌物中可溶性糖含量的影响

6．2．4 有机酸对油菜根系分泌物中脯氨酸含量的影响

6．2．5 有机酸对油菜根系分泌物中酸性磷酸酶活性的影响

6．2．6 有机酸对油菜根系分泌物中总酚含量的影响

6．2．7 有机酸对油菜根系分泌物含量影响的隶属函数分析

6．3 讨论与结论

七、研究总结

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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