铝镁钙复合作用对杉木幼苗叶片丙二醛MDA含量及抗氧化酶活性的影响
摘要[目的]研究不同铝、镁、钙复合处理对杉木幼苗叶片丙二醛（MDA）含量及抗氧化酶活性的影响。[方法]以1年生不同耐铝型杉木实生苗为研究对象，采用正交试验设计，设置铝、镁、钙复合共计16个处理，研究铝、镁、钙复合处理对不同耐铝型杉木幼苗叶片MDA含量和抗氧化酶活性的影响。[结果]耐铝型杉木幼苗叶片MDA含量与敏感型相比其含量较低；耐铝型杉木幼苗叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性受铝离子的影响较快，而敏感型受鎂离子影响较快；耐铝型杉木幼苗叶片过氧化物酶（POD）活性受钙离子的影响最快，且随着时间的增加其影响作用逐渐增大，而敏感型杉木幼苗叶片POD活性受铝离子的影响最快，且影响作用逐渐增大；耐铝型杉木幼苗叶片过氧化氢酶（CAT）活性受镁离子的影响最快，钙离子则对敏感型的影响最快，随着胁迫处理时间的延长，不同耐铝型杉木幼苗叶片CAT活性的主要影响因素均为铝离子。[结论]该研究可为杉木铝毒害作用的研究提供一定的理论基础。
关键词杉木幼苗；铝毒；铝镁钙复合作用；丙二醛；抗氧化酶活性
中图分类号S718.43文献标识码A文章编号0517-6611（2018）25-0092-04
Effects of Combined Effects of Aluminum， Magnesium and Calcium on MDA Content and Antioxidant Enzyme Activities in Leaves of Chinese Fir Seedlings
YAN Shaoyu
（Fujian Forestry Vocational Technical College，Nanping，Fujian 353000）
Abstract[Objective]To study the effects of combined effects of aluminum， magnesium and calcium on MDA content and antioxidant enzyme activities in leaves of Chinese fir seedlings.[Method]The effects of aluminum， magnesium and calcium on the MDA content and antioxidant enzyme activity in the leaves were studied by orthogonal experiment design with 16 treatments of aluminum， magnesium and calcium combined with 1 year old Chinese fir seedlings. [Result]The content of MDA in leaves of aluminum tolerant Chinese fir seedlings was lower than that of sensitive ones. The activity of SOD in leaves of aluminum tolerant Chinese fir seedlings was affected by aluminum ions faster， while sensitive type was more affected by magnesium ions. The effect of calcium ion on the POD activity in leaves of Chinese fir seedlings was the most important， and with the increase of time， the effect of POD in leaves of sensitive Chinese fir seedlings was the fastest， and the effect increased gradually.The effect of magnesium ion on the CAT activity in leaves of aluminum resistant Chinese fir seedlings was the fastest， and the calcium ion had the fastest effect on the sensitive type. With the prolonged stress treatment time， the main factors affecting the CAT activity in leaves of different aluminum resistant Chinese fir seedlings were aluminum ions.[Conclusion]The study provides theoretical basis of the study of aluminum toxicity of Chinese fir.
Key wordsChinese fir seedlings；Aluminium toxicity；The compound effect of aluminum， magnesium and calcium；Malondialdehyde；Antioxidant enzyme activity
我国南方土壤大多以酸性为主，酸性土壤面积占全国土壤面积的22.7%[1]。酸雨和不合理的耕作方式等进一步加剧了土壤酸化，土壤酸化对植物生长发育会产生严重的破坏作用[2]。酸性土壤对植物生长发育的影响主要来源于酸性土壤中的活性铝，研究表明土壤pH下降，活性铝浓度会随之增大，进而危害植物生长发育[3]。目前，铝毒害对植物影响的研究多从植物形态、细胞结构、代谢酶活性、光合呼吸作用和营养元素含量等方面进行。玉米幼苗受铝毒害影响后主要表现为抑制侧根生长，降低生物量[4-5]；铝毒害对细胞结构的影响则主要表现在破坏细胞骨架[6]、细胞壁变硬变厚[7-8]、细胞膜僵化[9]等；植物光合速率和呼吸作用受铝毒害影响也表现出降低的趋势[10]；铝离子总体上对钙离子、镁离子、钾离子等阳离子的吸收和利用产生抑制作用[11]。
杉木[Cunninghama lanceolata（ Lamb.）Hook]是我国南方重要的经济速生用材树种[12]，广泛分布于福建、湖南等16个省区。我国南方土壤以红壤为主，土壤富铝化严重，其中杉木受铝毒害作用明显。前人研究表明钙离子与镁离子对铝毒害均存在不同程度的缓解作用[13]，但目前关于铝、钙和镁复合作用对杉木幼苗丙二醛（MDA）含量和抗氧化酶活性影响的研究较少。笔者以不同耐铝型（耐铝型和敏感型）杉木1年生幼苗为材料，采用正交试验设计，利用水培方式对杉木进行铝、钙、镁复合处理，分析不同耐铝型杉木幼苗MDA含量和抗氧化酶活性特征，以期为杉木铝毒害作用的研究提供一定的理论基础。
1材料与方法
1.1材料
供试材料为福建省尤溪国有林场3代林的2个不同耐铝型[耐铝型（RN）和敏感型（MG）]杉木1年生幼苗，选取长势良好且一致的幼苗作为供试苗木，采用水培方式进行处理。容器为4 L黑色塑料小桶。
1.2试验设计
采用正交试验设计，2种耐铝型幼苗分别进行1组正交试验，每个处理3次重复，每个重复种植3株，共计288株（表1、2）。采用完全营养液配方对杉木幼苗驯化30 d，期间每15 d更换1次营养液。复合处理的铝、钙和镁分别以AlCl3、CaCl2和MgSO4的形态加入到营养液中，营养液配方为大量元素：KNO3 0.51 mg/L、Ca（NO3）2·4H2O 0.82 mg/L、KH2PO4 0.136 mg/L、MgSO4·7H2O 0.49 mg/L；微量元素：H3BO4 2.86 μmol/L、MnCl2·4H2O 1.81 μmol/L、ZnSO4·7H2O 0.22 μmol/L、CuSO4·5H2O 0.08 μmol/L、H2MoO4 0.062 3 μmol/L、Fe-EDTA（Fe-EDTA由FeSO4·7H2O和EDTA-2Na分别称取2.78 g和3.73 g定容至500 mL，每升营养液中加入2.5 mL）。
驯化结束后，将每个处理分别换上相应的营养液进行处理，期间每15 d更换1次营养液。于试验处理后0、15、30和45 d取样，分别标注为T0、T1、T2和T3。
1.3测定指标及方法
MDA含量（μmol/g）采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法测定[14]；超氧化物歧化酶（SOD）活性[U/（g·min）]采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法测定[14]；过氧化氢酶（CAT）活性[U/（g·min）]采用紫外吸收法测定[14]；过氧化物酶（POD）活性[U/（g·min）]采用愈创木酚法测定[14]。
1.4数据整理与分析
采用Excel 2003、SPSS 18.0软件对数据进行整理和统计。
2结果与分析
2.1铝、镁、钙复合作用对MDA含量的影响
由图1-RN可知，耐铝型杉木幼苗不同铝、钙、镁复合处理下叶片MDA含量表现不同的特征。其中D1、D2、D4、D7、D10、D12、D13和D16处理叶片MDA含量随着胁迫时间的增加呈逐渐上升的趋势，均在胁迫45 d时达到最大值，与初始值相比分别提高了120%、80%、93%、85%、43%、96%、133%和84%；D3、D6、D8、D11和D14处理叶片MDA含量则呈先上升后下降的趋势，最大值均出现在胁迫处理后的30 d；D5和D9处理叶片MDA含量也呈先上升后下降的趋势，不同的是D5和D9处理的最大值出现在胁迫处理后的15 d；与其他处理不同，D15处理叶片MDA含量呈先上升后下降再上升的趋势。
由图1-MG可知，敏感型杉木幼苗不同铝、钙、镁复合处理叶片MDA含量表现不同的特征。其中D1和D2处理叶片MDA含量随着胁迫时间的增加呈先上升后下降再上升的趋势；D4、D7和D12处理下叶片MDA含量随着胁迫时间的增加呈逐渐增大的趋势，处理45 d时达到最大值，与初始值相比分别提高了119%、155%和153%；D3、D5、D6、D8、D9、D10、D11、D14、D15和D16处理叶片MDA含量随着胁迫时间的增加呈先上升后下降的趋势，除D5处理的最大值出现在15 d，其他处理的最大值均出现在处理后30 d；D13处理MDA含量随着胁迫时间的增加呈逐渐下降的趋势，胁迫45 d后达到最低值，与初始值相比降低了37%。
由图1可知，不同耐铝型杉木幼苗叶片MDA含量表现为耐铝型相比敏感型而言对环境变化具有较低的敏感度，主要表现为杉木幼苗叶片MDA含量的变化幅度较为缓和。
2.2铝、镁、钙复合作用对抗氧化酶活性的影响
2.2.1铝、镁、钙复合作用对SOD活性的影响。由图2-RN可知，耐铝型杉木幼苗不同铝、钙、镁复合处理叶片SOD活性表现出不同的特征。就不同处理而言，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12和D15处理叶片SOD活性均表现出随胁迫处理时间的增加呈先下降后上升再下降的趋势，在处理后30 d叶片SOD活性出现不同程度的增加，与15 d时相比分别提高了5.64%、9.18%、4.49%、7.33%、1121%、1218%、18.92%、13.21%、8.64%、11.40%、15.01%、4.55%和0.90%；D14处理叶片SOD活性随胁迫处理时间的增加呈逐渐降低的趋势，与初始值相比，45 d时SOD活性降低了2059%；D16处理叶片SOD活性随胁迫处理时间的增加则呈先上升后下降的趋势，其中最大值出现在处理15 d。
由图2-MG可知，敏感型杉木幼苗不同铝、钙、镁复合处理叶片SOD活性表现出不同的特征。就不同处理而言，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13和D16處理叶片SOD活性均表现出随胁迫处理时间的增加呈先下降后上升再下降的趋势，在处理后30 d叶片SOD活性出现不同程度的增加，与15 d时相比分别提高了4%、12%、7%、11%、11%、12%、28%、10%、15%、18%、11%、22%、1%和2%；D14处理叶片SOD活性随胁迫处理时间的增加呈逐渐降低的趋势，与初始值相比，45 d时SOD活性降低了2%；D15处理叶片SOD活性随胁迫处理时间的增加则呈先上升后下降的趋势，其中最大值出现在处理15～30 d期间。
由图2可知，不同耐铝型杉木幼苗叶片SOD活性表现为耐铝型相比敏感型而言具有较高的活性。以D2处理为例，耐铝型杉木幼苗和敏感型杉木幼苗SOD活性在处理后的15、30和45 d均表现出耐铝型SOD活性高于敏感型，分别高出3.25%、5.69%和4.42%。
2.2.2铝、镁、钙复合作用对POD活性的影响。由图3-RN可知，耐铝型杉木幼苗不同铝、钙、镁复合处理叶片POD活性表现出相似的特征。D1和D3处理叶片POD活性最大值出现在胁迫后30 d，D1处理叶片POD活性30 d时比0、15和45 d时分别高出117.77%、0.31%和87.55%，D3处理叶片POD活性30 d时比0、15和45 d时分别高出170.62%、2016%和66.94%；D2、D4、D5、D6、D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15和D16处理叶片SOD活性的最大值出现在胁迫后15 d；D7处理叶片POD活性则随着胁迫处理时间的增加呈先上升后下降再上升的趋势，最大值出现在处理后15 d。
由图3-MG可知，敏感型杉木幼苗不同铝、钙、镁复合处理叶片POD活性表现出不同的特征。就不同处理而言，D8和D16处理叶片POD活性随着胁迫处理时间的增加呈先上升后下降再上升的趋势，其中D8最大值出现在45 d，D16最大值则出现在15 d；D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D9、D10、D11、D12、D13、D14和D15处理叶片POD活性随着胁迫处理时间的增加呈先上升后下降的趋势，其中D1、D3、D5、D6、D7、D9、D10、D11和D13处理叶片POD活性最大值出现在15 d，以D1处理为例，15 d時叶片SOD活性比0、30和45 d分别高出27111%、39.52%和101.45%；D2、D4、D12、D14和D15处理叶片POD活性最大值则出现在30 d时，以D1处理为例，30 d时叶片SOD活性比0、15和45 d分别高出27111%、3952%和101.45%。
由图3可知，不同耐铝型杉木幼苗叶片POD活性表现为耐铝型相比敏感型而言敏感度较低。以D13处理为例，在处理后15、30和45 d均表现出耐铝型SOD活性低于敏感型，分别降低167.26%、237.66%和136.94%。
2.2.3铝、镁、钙复合作用对CAT活性的影响。由图4-RN可知，耐铝型杉木幼苗不同铝、钙、镁复合处理叶片CAT活性表现出不同的特征。就不同处理而言，D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12和D14处理叶片CAT活性均随着胁迫处理时间的增加呈递增的趋势，至45 d时达到最大值，与初始值相比分别高出5 393.55%、4 376.32%、4 436.36%、2 500.00%、3 743.59%、5 522.22%、2 974.36%、2 557.14%和2 706.00%；D1、D3、D4和D15处理叶片CAT活性均随着胁迫处理时间的延长呈先上升后下降的趋势，其中D1和D15处理在15 d时达到最大值，D3和D4处理的最大值出现在处理后30 d；D2、D13和D16处理叶片CAT活性均随着胁迫处理时间的延长呈先上升后下降再上升的趋势。
由图4-MG可知，敏感型杉木幼苗不同铝、钙、镁复合处理叶片CAT活性表现出不同的特征。就不同处理而言，D7、D8、D10、D11、D12和D13处理叶片CAT活性均随着胁迫处理时间的增加呈递增的趋势，至45 d时达到最大值，与初始值相比分别高出405.58%、407.30%、869.35%、354.89%和78785%；D1、D3、D5和D16处理叶片CAT活性均随着胁迫处理时间的延长呈先上升后下降的趋势，其中D1、D3和D5处理叶片CAT活性的最大值出现在处理后30 d，D16的最大值则出现在15 d；D2、D4、D6、D9、D14和D15处理叶片CAT活性均随着胁迫处理时间的延长呈先上升后下降再上升的趋势。
由图4可知，不同耐铝型杉木幼苗叶片CAT活性间整体差异较小。其中值得注意的是，D10处理耐铝型杉木叶片CAT活性高于敏感型，处理15、30和45 d时耐铝型杉木叶片CAT活性比敏感型分别高出2.40%、73.59%和42.53%。
3讨论与结论
MDA是氧自由基作用于脂质发生过氧化反应的一种产物[15]，能与细胞内各种成分发生反应[16]，且具有细胞毒性。另外MDA能够抑制细胞保护酶活性和降低抗氧化物的含量，从而加剧膜脂过氧化[17]。研究表明在植物组织多种酶和膜系统遭到破坏时，MDA含量会大幅度提高[18]。因此，MDA能够反映植物组织抗氧化能力的强弱。在植物抗性生理研究中，MDA含量能够衡量植物对外部逆境的抵御能力[19]。该研究发现耐铝型杉木幼苗叶片MDA含量与敏感型相比其含量较低。
植物保护酶系统在清除超氧自由基、H2O2和过氧化物以及阻止或减少羟基自由基形成等方面发挥着重要作用[20-21]。SOD是植物细胞中清除活性氧自由基最重要的酶类之一，CAT是细胞过氧化体中清除H2O2的重要酶类，其他细胞器中产生的H2O2进入过氧化体中也能够被CAT清除[22]。POD广泛存在于植物中，在不同种植物、不同生长发育期和不同组织器官间POD活性差异显著，且功能多样[23]。逆境下植物抗氧化酶保护系统中的POD增多，以清除体内活性氧，降低活性氧的积累来降低逆境胁迫对植物的伤害[24]，POD、SOD与CAT这3种酶相互协调，使植物体内活性氧自由基处于相对稳定的水平[25-26]。该研究发现铝、钙、镁不同复合处理对杉木幼苗叶片POD、SOD与CAT活性存在不同程度的影响。不同耐铝型杉木抗氧化酶活性系统表现出不同的规律特征，其中耐铝型杉木幼苗叶片SOD活性受铝离子的影响较快，而敏感型受镁离子影响较快，值得注意的是在胁迫45 d时2种不同耐铝型杉木幼苗叶片SOD活性受钙离子影响最快；就POD活性而言，耐铝型杉木幼苗叶片POD活性受钙离子的影响最快，且随着时间的增加其影响作用逐渐增大，而敏感型杉木幼苗叶片POD活性受铝离子的影响最快，且影响作用逐渐增大；就CAT活性而言，耐铝型杉木幼苗叶片CAT活性受镁离子的影响最快，钙离子则对敏感型的影响最快，随着胁迫处理时间的延长，不同耐铝型杉木幼苗叶片CAT活性的主要影响因素均为铝离子。
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