Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Information@kau.se www.kau.se
Department of Biology Faculty of Social and Life Sciences
Karlstad University
Mikael Stridqvist
Inverkan av skilda koncentrationer av
aluminium på nitratupptaget hos
veteplantor (Triticum aestivum L.)
Effect of different concentrations of aluminium on nitrate
uptake in wheat plants (Triticum aestivum L.)
Biologi
C-Uppsats
Datum/Termin: 08-06-22
Handledare: Birgittta och Rune Klockare Examinator: Eva Bergman
Löpnummer: 08:30
[2]
Sammanfattning
Syftet med detta arbete var att undersöka huruvida trevärt aluminium, Al3+, inverkar på nitratupptaget hos veteplantor (Triticum aestivum L.). Vidare avsågs att undersöka om koncentrationen av jonen ifråga är av betydelse. Hypotesen som testades var att trevärda aluminiumjoner verkar hämmande på nitratupptaget och att hämningsgraden stiger med ökad koncentration av aluminium. I försöket användes veteplantor som togs i bruk på sjunde dagen efter det att de planterats i vermikulit. Provlösningarna utgjordes av fyra stamlösningar som endast skilde sig åt med avseende på aluminiumjonskoncentrationen. I en av lösningarna fanns inget tillsatt aluminium och i de andra förekom aluminium i 3, 12 respektive 24 µM.
Halten nitrat var densamma i alla lösningarna och uppgick till 645 M. Plantorna fick stå i provlösningarna med genomluftning under 16 timmar. Provlösningarna analyserades
spektrofotometriskt. För att tömma apoplasten fick plantorna stå i destillerat vatten under 20 minuter. Sedan torkades plantorna i 5 timmar varefter de vägdes. Resultaten visade på signifikant skillnad mellan referens och 3 µM Al relativt 12 respektive 24 µM Al.
Nitratupptaget var signifikant lägst i 24 µM Al och näst lägst i 12 µM Al. Ingen signifikant skillnad kunde påvisas mellan referens och 3 µM Al. Försöket indikerar att Al3+ har en hämmande verkan på nitratupptaget hos det veteslag som här har använts och att denna hämning tilltar med stigande koncentration av Al3+ i lösningen över de koncentrationer som brukats i denna studie.
Summary
The aim of the study was to investigate whether Al3+ affects the uptake of nitrate in wheat seedlings (Triticum aestivum L.). Furthermore the aim was to investigate if the concentration of the ion had any importance. The hypothesis at trial was that Al3+ has an inhibiting effect on the nitrate uptake and that the effect increases with elevated concentrations of aluminium. In the trial wheat seedlings were used on the seventh day after being planted in vermiculite. The test solutions were four stem solutions which only differed in the aluminium concentration. In one of the solutions there was no aluminium added. Further on aluminium were used at 3, 12, and 24 micro molars. The nitrate level was the same in all solutions and the amount was 645 µM. The plants were kept in the test solutions for 16 hours with aeration. The test solutions were analyzed spectrophotometricaly. The apoplast was empted by placing the plants in distilled water for 20 minutes. Afterwards the plants were dried for 5 hours and then weighed.
The result showed significant difference between the reference and 3 µM Al in respect to 12 respectively 24 µM Al. The nitrate uptake was significantly lowest in 24 µM Al and second lowest in 12 µM Al. No significant difference could be shown between reference and 3 µM Al. The study indicates that Al3+ has an inhibiting effect on the nitrate uptake of the wheat type which been used here and that the inhibition increases with elevated concentrations of Al3+ in the solutions over the range of concentrations used in this study.
[3]
Inledning
För att växter ska kunna upprätthålla cellfunktioner och tillväxa behöver de ett stort antal näringsämnen. Dessa tas upp i form av joner och inkorporeras i växtstrukturen eller lagras i cellsaften. Mineralnäringsämnen finns både i löst och bunden form. Den lösta formen finns endast i små mängder, mindre än 0,2 % (Larcher, 1995). Det mesta, ungefär 98 % finns bundet i organiskt detritus, humus och relativt olösliga oorganiska föreningar eller
inkorporerade i mineral. Denna näringsreserv blir åtkomlig genom vittring och mineralisering av humus. Detta sker dock mycket långsamt. De övriga runt 2 % finns adsorberade på
markkolloiderna. Både ler- och humuskolloider har negativ nettoladdning. De attraherar således framför allt katjoner. Bindningsstyrkan är beroende av laddningsstorlek och graden av hydratisering. Den förstnämnda ökar styrkan medan den senare sänker bindningsstyrkan med ökad grad av hydratisering. I fallande ordning binder t.ex. följande katjoner, Al3+, Ca2+, Mg2+, NH4+
, K+ och Na+. För några anjoner kan det se ut på följande sätt, PO43-
, SO42-
, NO3-
till Cl-.
Kväve är det 4:e största grundämnet i fytomassa efter kol, syre och kväve. Upptaget kan ske genom nitratjonen (NO3-
), ammoniumjonen (NH4+
), eller med hjälp av kvävefixerande bakterier. Båda jonerna är relativt lättrörliga, särskilt nitrat. Kvävet inkorporeras i
kolföreningar och aminogrupper. Det finns sålunda i viktiga ämnen som hormoner, klorofyll och aminosyror för att ta några exempel. Åtgången är därför stor hos alla arter. Snabbväxande spannmålsarter kan t.ex. extrahera så mycket som 200 till 300 kg N per ha från jorden under tillväxtsäsongen (Neeteson, 1985). Brist på kväve leder till kloros och hämmad tillväxt.
Hämning av tillväxten hos växter är vanligen ett resultat av många faktorer i kombination.
Här kan nämnas toxisk verkan hos aluminium (Al), mangan, samt vätejoner och brist på essentiella grundämnen som kalcium, magnesium, fosfor och molybden (Wright, 1989).
Bland metallerna är Al den vanligaste förekommande i jordskorpan, 7,1 % med avseende på vikt (Lindsay, 1979). De vanligaste aluminiuminnehållande mineralerna är fältspat och glimmer. När dessa vittrar frigörs Al och avsätts som sekundärt aluminiumsilikatmineral, vilket i sin tur vittrar och ger Al-oxider och Al-hydroxider. När dessa primära och sekundära mineraler löses i sura jordar (pH<5,0) avges Al till vattnet i jorden (Wright, 1989). Vid detta pH anses vanligen lösligt Al vara den viktigaste tillväxthämmande faktorn (Foy, 1988). Hur mycket Al som finns i jordlösningen är beroende av faktorer som pH, mängden mineral och utbytesjämvikter. Aluminium kan även vara skadligt i basiska miljöer som aluminatjon i alkalin flygaskavsättning eller som bauxitrester.
I sura mineraljordar utgör överskott på Al-joner en av de viktigaste faktorerna som bestämmer utbredningen av växter och ekotyper, och begränsar tillväxt och utbyte av grödor (Kinzel, 1983). Aluminiums effekt på tillväxten i denna miljö stöds även av t.ex. Wright (1989).
Tillväxthämning utgör ett problem på många ställen i världen, se fig. 1 (Wright, 1989).
Det är framför allt rötterna som påverkas av aluminium. Inhibering av t.ex. cellsträckning har observerats inom några timmar (Horst et al., 1992). Inte bara tillväxten hos roten hämmas av Al utan rotspets och sidorötter förtjockas och det sker reducering av rotförgrening och rothår (Wright, 1989). På cellnivå inverkar Al-toxicitet på membraners struktur och funktion, DNA- syntes, mitos, cellsträckning och upptag av mineralnäringsämnen (Taylor, 1988b). Flera studier har visat att speciellt nitratupptaget påverkas av aluminium (Calba & Jaillard, 1997;
Duriex et al., 1995).
Aluminium kan i jorden förekomma i många olika former som skiljer sig åt i fytotoxicitet (Wright, 1989). När aluminiuminnehållande mineral löses kommer den trevärda
[4]
aluminiumjonen, Al3+, att koordinera med sex vattengrupper. Med stigande pH avspjälkar varje vattengrupp i tur och ordning H+. Den mononukleära aluminiumjonen, Al3+, verkar vara den huvudsakliga toxiska formen (Kinraide, 1991) även om andra former också visat sig vara toxiska. Olika arter kan vara olika känsliga för respektive hydrolysprodukt. Monokotyledonen vete är t.ex. känslig för Al3+ men inte för Al(OH)2+ och Al(OH)2+
, medan däremot
dikotyledoner verkar känsliga för mononukleärt hydroxy-Al men opåverkat av Al3+. Försök har gjorts som visat att reducerad Al3+ aktivitet, genom att öka pH och addera
komplexbindande ligander till Al, har mildrat Al-toxiciteten (Parker et al., 1988; Kinraide &
Parker, 1987).
Det föreligger som framgått en del svårigheter med att ge någon generell bild av aluminiums verkan, bl.a. på grund av olika respons hos olika växter (Foy, 1988). Denna skillnad i tolerans kan ses som bättre rot- och skottillväxt och effektivare användande av näringsämnen hos de mindre känsliga. Det förekommer även skillnader i känslighet inom samma art. Det råder dock ingen tvekan om att Al i många fall verkar hämmande på växter och då framförallt på tillväxten. Detta utgör ett problem på så mycket som 40 % av världens odlingsbara
landområden (Foy et al., 1972).
Figur 1. De huvudsakliga områdena med naturligt sura jordar visas som skuggade områden på kartan.
Kartan baseras på material av van Wambeke (1976) och har sammanställts av Wright (1989).
Jordbrukets avkastning har ökat i stor omfattning sedan tillkomsten av konstgödsel och bekämpningsmedel. Den viktiga spannmålsgrödan vete är inget undantag. Vete odlas idag över stora delar av värden och används för mat, foder och energiutvinning. Den goda
produktionsutvecklingen till trots så hämmas avkastningen inom jordbruket av olika faktorer.
En viktig faktor är löst aluminium i jorden (Foy et al., 1972). Effekterna på vete av aluminium är bland de som beskrevs ovan kring aluminium och dess effekter på växter. Övergripande effekter är tillväxthämning, rotskador och hämmat näringsupptag. Här studeras lite närmare hur upptaget av det viktiga näringsämnet nitrat påverkas hos unga veteplantor under inverkan av olika koncentrationer av aluminium.
I detta arbete avser jag att undersöka Al3+ inverkan på nitratupptaget hos veteplantor (Triticum aestivum L.). Vidare ska jag undersöka om koncentrationen av aluminium inverkar på
nitratupptaget. Utifrån litteraturstudier har jag tagit utgångspunkten att Al3+ har en toxisk
[5]
verkan på veteplantornas nitratupptag på så sätt att det hämmas. Jag antar vidare att denna hämning är beroende av koncentrationen av aluminium. En högre koncentration antas ha en större inverkan än en lägre på nitratupptaget.
Material och metod
Till försöket odlades veteplantor i plastkrukor med vermikulit som medium. Varje plastkruka stod i en mindre plastburk. Drivbänken belystes med en 1000 W lampa. Destillerat vatten användes genomgående för vattning, rensning och för spädningar.
Testerna utfördes med totalt fyra stamlösningar. Dessa innehöll samma koncentration av nitrat, 645 M. En av lösningarna hade inget aluminium tillsatt (referens) och i de tre övriga lösningarna fanns aluminium med koncentrationerna 3, 12 respektive 24 M. Behandlingarna betecknas med avseende på koncentrationen aluminium enligt följande: 0 Al (referensen, 0
M), 3 Al (3 M), 12 Al (12 M) och 24 Al (24 M). Salterna som användes var natriumnitrat och aluminiumnitrat.
Plantorna placerades vid försöket i ett dragskåp i 25 ml bägare och hölls på plats med en skumgummiskiva. För genomluftning under försöket användes trycklyft. En kopparpipa med flera kanaler till vilka plastslangar, med en innerdiameter på 2 mm, kopplats, gick ner i proverna och utgjorde luftningssystemet. På plastslangarna satt små tvingar för reglering av luften till plantorna. I dragskåpet belystes plantorna med en 1000 W lampa på ca 70 cm avstånd.
För analys av proverna användes en Aquatec 5400 Analyzer från Tecator. Apparaturen använder en spektrofotometrisk metod för haltbestämning av det valda ämnet. Provlösningen blandas med reagens i apparaturen. På denna lösning görs absorbansmätningen genom att provlösningen får reagera med ett flöde av NH4Cl, varpå lösningen passerar genom en Cd- reduktor. Här reduceras nitratet i lösningen till NO2-
(nitrit) varpå den reagerar med
sulfanilamidlösning vilket resulterar i att det uppstår en diazoförening. Denna kopplas med N- (1-naftyl)-Etylen Diamin Dihydroklorid, eller kortare NED. Slutresultatet är en purpur-azo- färgning vilken mäts vid 540 nm. Apparaturen anger sedan koncentrationen nitrat i
provlösningarna. För bestämning av respektive plantas rot- och bladvikt användes en analysvåg.
Vid odling lades vetefrön i rinnande destillerat vatten under två timmar och placerades därefter i krukor fyllda med blötlagd vermikulit. Ungefär 30–40 frön lades i varje kruka.
Fröna täcktes med ett tunt lager vermikulit och krukorna placerades på drivbänken med lampan ungefär 70 cm från krukorna. Med hjälp av en timer erhölls omväxlande 10 timmar ljus- respektive 14 timmar mörkerperioder. Krukorna vattnades så att en ca 1-2 cm hög vattennivå uppstod i burkarna vilka de var placerade i. Krukorna täcktes med plastfolie. Efter två dygn avtäcktes krukorna varpå de vattnades regelbundet med destillerat vatten så att vermikuliten hölls fuktig och det hela tiden fanns lite vatten på botten av burkarna. På den sjunde dagen från det att fröna sattes användes plantorna i försök.
Plantorna förbereddes för försöket genom att friläggas från vermikulit. Friläggningen gjordes genom att sänka ner bunten med vermikulit och rötter i en hink med destillerat vatten. Sedan lossades försiktigt planta efter planta tills närmare ett 30-tal var frilagda. Dessa sköljdes ytterligare en gång i ett bad med destillerat vatten och observerade rester av vermikulit avlägsnades med försiktighet. Plantorna sattes sedan fast mellan snittytor på en
[6]
skumgummiskiva. Denna skiva med apterade plantor sattes sedan i ett kärl med destillerat vatten så att rötterna hamnade under vattenytan. Efter 20 minuter skakades plantorna av och sattes i respektive provlösning.
Vid varje försöksomgång användes tjugo plantor och två stamlösningar. Totalt kom varje stamlösning att användas två gånger. Det ger 20 prover med samma stamlösning efter två försök och varje försök gav tio prover med två stamlösningar. Sammanlagt utfördes fyra försöksomgångar för att få 20 prover av varje stamlösning. Vid aptering av plantorna till bägarna sattes varannan planta i en bägare med den ena lösningen och varannan i en bägare med den andra lösningen. Plantorna var fästa i snittytan på en skumgummiskiva vilken sedan pluggades i provbägaren. Så mycket som möjligt av rotmassan var nerstoppad i
provlösningen. Bägarna med plantorna flyttades sedan över till dragskåpet och den tända lampan. Sedan fördes en luftslang ner i varje bägare varpå trycklyften sattes på. För att möjliggöra en god rotaktivitet reglerades lufttillförseln så att det stilla bubblade i varje bägare när försöket startade. Med stängd lucka till dragskåpet fick sedan försöket pågå under 16 timmar från det att plantorna apterats till respektive lösning.
Försöket avbröts genom att slangarna avlägsnades från bägarna med luften fortfarande påslagen. Hållarna med bägarna sattes på en bänk, ”locket” avlägsnades och plantorna lyftes upp och skakades försiktigt över bägarna och fick rinna av i någon sekund över de samma.
Varannan planta togs från den ena lösningen och varannan från den andra tills alla 20 var upptagna och lagda på ett hushållspapper där de fick ligga och lufttorka under fem timmar.
Provlösningarna späddes till ursprungsnivån i bägarna och ur varje prov togs med en
mätpipett 100 mikroliter från varje bägare och sattes till 20 provrör. Varje prov späddes sedan hundra gånger. Provrören sattes till analysapparaten för automatisk mätning.
Plantorna klipptes efter lufttorkningen ner i aluminiumformar som stått i rummet under minst ett dygn. Vikten av varje form var framtagen med hjälp av analysvåg. Vid bestämning av plantans vikt klipptes först rotmassan ner och sedan gröndelarna och den sammanlagda vikten registrerades med analysvågen. Sedan avlägsnades gröndelarna och vikten av rötter och form antecknades. Utifrån dessa data kunde sedan massan hos rötterna respektive totalvikten av plantan bestämmas.
Med nitrathalterna från proverna, ursprungshalten nitrat, tiden och plantans vikt beräknades sedan nitratupptaget (nitrathalten genom tiden genom plantans vikt). Upptaget anges i millinitratenheter per timme (med brukade enheter blir halten dimensionslös). Resultaten testades parvis för att undersöka huruvida det fanns någon statistisk skillnad mellan behandlingarna. Testningen utfördes som ett t-test och beräkningarna utfördes i Microsoft Excel. Signifikant skillnad mellan paren sattes vid P-värde på <0,05. Alla behandlingarna testades inte vid ett och samma tillfälle och t-test mellan samtliga behandlingar utfördes för att få en statistisk jämförelse av resultaten för respektive behandling. Samtliga behandlingar gav 20 stycken prover förutom referensen (0 Al) där 17 stycken av de ursprungliga 20 proverna gick att använda.
[7]
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
Nitratupptag (millinitratenheter per timme)
Aluminiumbehandlingar
Nitratupptag vid respektive aluminiumbehandling
0 Al 3 Al 12 Al 24 Al
Resultat
Figur 2. Nitratupptag vid respektive aluminiumbehandling. Diagrammet återger upptaget efter behandling med aluminiumkoncentrationer på 0 µM (0 Al), 3 µM (3 Al), 12 µM (12 Al) och 24 µM (24 Al). Behandlingarna anges med stigande koncentration från vänster till höger.
Antalet prov var 20 stycken för varje behandling förutom vid 0 Al där 17 prov analyserades. Felstaplarna anger standardavvikelsen för respektive aluminiumbehandling. Upptaget anges i millinitratenheter per timme.
Tabell 1. Analys beträffande signifikant skillnad mellan aluminiumbehandlingarna. Jämförelserna görs parvis för samtliga möjliga parvisa kombinationer av behandlingar. Aluminiumbehandlingarna var på 0 µM (0 Al), 3 µM (3 Al), 12 µM (12 Al) och 24 µM (24 Al). I tabellen anges t-värdet för respektive behandlingsjämförelse och konfidensnivån (P-värdet) inom vilket respektive t-värde inryms. P-värde
<0,05 anger statistisk säkerställd skillnad mellan aluminiumbehandlingarna (95 % konfidensintervall).
Df, anger frihetsgraderna för respektive jämförelse.
Nitratupptaget efter 16 timmar var störst för behandlingen med 3 µM aluminium (3 Al) där upptaget låg på 0,51 m.N.U.h-1 (stdav 0,085 m.N.U.h-1). Närmast efter låg referensen (0 Al) där upptaget uppgick till 0,48 m.N.U.h-1 (stdav 0,078 m.N.U.h-1). Det lägsta upptaget hade behandlingen med 24 µM aluminium (24 Al) som låg på 0,29 m.N.U.h-1 (stdav 0,053 m.N.U.h-1) och näst lägst upptag visade behandlingen med 12 µM aluminium som hade ett upptag på 0,41 m.N.U.h-1 (stdav 0,081). Figur 2 visar resultatet i diagramform. Den statistiska analysen visade att det inte fanns någon signifikant skillnad i nitratupptag mellan referensen och 3 Al. Båda dessa visade dock signifikant skillnad i nitratupptag relativt övriga två
behandlingar. Behandlingarna 12 Al och 24 Al visade även sinsemellan på signifikant skillnad i nitratupptag. En sammanställning över de parvisa jämförelserna finns i tabell 1.
Variabel 0 Al : 3 Al 0 Al : 12 Al 0 Al : 24 Al 3 Al : 12 Al 3 Al : 24 Al 12 Al : 24 Al
t-värde -1,394 2,619 8,333 3,430 9,981 5,419
P-värde >0,05 <0,05 <0,001 <0,01 <0,001 <0,001
df 35 35 35 38 38 38
Jämförelser
[8]
Diskussion
Aluminium verkade hämmande på vetets nitratupptag i de två högre koncentrationerna (12 och 24 µM) men inte i de två lägre koncentrationerna (0 µM och 3 µM). Försöket med 0 Al resulterade 17 prover gentemot övriga försök som gav 20 prover. Det innebar att alla parvisa jämförelser med denna behandling kom att ha färre frihetsgrader än i övriga fall och därmed inverka på ”toleransnivån” för spridningen inom behandlingen vid jämförelse med andra behandlingar. Resultatet blev att det utifrån materialet inte går att särskilja någon effekt på nitratupptaget mellan referensen och den svagaste behandlingen. Därför går det inte heller att säga om t.ex. koncentrationer av Al på 3 µM verkar stimulerande på nitratupptaget relativt referensen eller inte.
Aluminiums toxiska verkan
Det förefaller troligt att det råder en faktisk skillnad i upptag mellan de plantor som bara fått nitratlösning och de som även fått Al3+, då försök visat att aluminium inverkar på områden som rör cellmembranets egenskaper. Nitrat tas upp av cellen via transportsystem i membranet.
Denna transport är energiberoende och verkar kopplad till H+-flöden. Dessa i sin tur är beroende av H+-gradienten som genereras av plasmamembran-adenosin-trifosfosfater (Glass, 1988). Det har visat sig att aluminium påverkar den elektriska potentialen hos cellerna på rötternas yta (Kinraide et al., 1992) och membranets permeabilitet och struktur (Huag & Shi, 1991; Taylor, 1988a). Förändringar av membranet av detta slag kan mycket väl inverka på växtens förmåga att t.ex. ta upp näringsämnen. Studier har visat (Durieux et al., 1993;
Durieux et al., 1995) att bl.a. upptaget av NO3-
påverkas av Al3+, och en tolkning skulle kunna vara att det är redan existerande NO3--transportörer i det externa rotcellmembranet som påverkas (Durieux et al., 1995). I dessa studier visade sig Al3+ ha en hämmande verkan på nitratupptaget. Det visade sig också att den maximala inhibitionen av nitratupptaget erhölls vid Al-koncentrationer under de som krävdes för att erhålla inhibering av rottillväxt.
Författarna menar på att detta skulle kunna indikera att nitratupptaget är känsligare än rotsträckningen för Al. I föreliggande studie är nitratupptaget i centrum och rottillväxten har inte undersökts närmare. Det gjorda försöket verkar dock indirekt stödja påståendet att nitratupptaget är känsligare än rottillväxten för aluminium. Tecken på det är att medan nitratupptaget var påverkat av de olika koncentrationerna av aluminium så verkade inte rottillväxten att vara påverkad. Rötterna verkade frodas väl i samtliga fall vilket mätningar av rotmassan indikerade. Vid koncentrationer av aluminium som använts i denna studie verkar nitratupptaget vara känsligare än rottillväxten för aluminium.
Reduktion av nitratupptag och en försurning av rhizosfären hos majs på grund av Al har påvisats (Calba & Jaillard, 1997). Dessa effekter var relaterade till mängden Al som ackumulerades i rötterna per rotlängdenhet, vilket i sig är en funktion av Al-aktiviteten i lösningen. Det verkar möjligt att mängden Al skulle vara av betydelse. En låg koncentration av Al i lösningen skulle ge en mindre inlagring i rötterna och mindre påverkan på
rotfunktionen, medan större halter skulle kunna resultera i större inlagring och större
inverkan. Dock sker mättnadseffekter vid höga nivåer av Al-aktivitet som minskar mängden Al adsorberad på rotcellernas väggar (Kinraide, 1994). Detta skulle enligt Kinraide (1994) kunna förklara varför det endast sker en delvis reduktionen i nitratupptag över vissa koncentrationer med Al. Det vill säga att över vissa halter med Al så sker ingen fortsatt minskning i nitratupptag även vid höga nivåer av Al-aktivitet.
Koncentrationen av Al har visat sig vara av betydelse för inverkan på växternas nitratupptag.
Hos t.ex. sojabönor skedde en reducering av nitratupptaget då aluminiumkoncentrationen i lösningen ökade från 10 till 50M (Rufty et al., 1995). Vidare tycks verkan av Al kunna vara
[9]
ganska snabb. Redan efter 1-2 min erhölls reduktion av nitratupptaget hos t.ex. majs (Durieux et al., 1993).
Al och gynnat nitratupptag
Det finns dock studier som visat på att Al har en gynnande verkan på nitratupptaget. Så var fallet i en studie med sojabönor (Klotz & Horst, 1988) och i en studie med korn (Nichol et al., 1993). Vidare finns även fall där låga koncentrationer av Al3+ specifikt har visat på gynnad tillväxt hos växter (Foy, 1984; Tang Van Hai et al., 1989). Dock kan sägas att i de tidigare fallen skedde försöken i förhållanden som gav upphov till surhetsstress, pH på 4,2 respektive 4,0, och med Ca-koncentrationer i lösningarna (Rufty et al., 1995). Tillsats av katjoner, t.ex.
Ca2+ kan minska de toxiska effekterna av Al3+ (Kinraide & Parker, 1987; Kinraide et al., 1992). En förklaring till dessa resultat skulle kunna vara att Ca2+ och även Al3+ kan reducera H+-inducerat läckage hos membranet (Horst et al., 1992), gynna H+-utsöndringen (Bennet et al., 1987; Keltjens, 1988) och under vissa förhållanden öka den elektriska polariteten över membranet (Kinraide, 1988; Lindberg et al., 1991).
Beträffande de positiva effekterna av Al på tillväxt kan följande observationer göras (Kinraide, 1993): (1) Al3+ stimulering av tillväxten sker generellt vid låga pH (Foy, 1984;
Tang Van Hai et al., 1989); (2) Inhibering av tillväxten på grund av H+ mildras även av andra katjoner än Al3+ i följande ordning C3+ > C2+ > C+ (Kinraide et al., 1992); (3) De effekter på membranet som beskrevs ovan; (4) Kontinuerlig utsöndring av H+ kan vara essentiellt för rottillväxten vid låga pH (Yan et al., 1992).
I en studie, utförd efter detta arbete, har skillnader i effekt till följd av aluminium mellan Al- känsliga och Al-resistenta veteplantor belysts. I denna studie (Tabuchi et al., 2004) kunde visas att en viktig skillnad mellan känsliga och resistenta sorter av vete, beträffande tålighet mot Al, låg i rotcellernas förmåga att upprätthålla en osmotisk potential som möjliggjorde fortsatt upptag av vatten. En mekanism hos tåliga sorter kan vara att ha förmågan att öka halten av vissa osmotiskt aktiva ämnen i cellsaften under inverkan av Al. Därmed kan även cellsträckning upprätthållas trots minskad elasticitet i cellväggen, som har visats vara en effekt av aluminium. Aluminium kan således på en del sorter verka stimulerande genom att inducera ökad halt av vissa ämnen i cellsaften (t.ex. vissa sockerarter och K+) och därmed sänka den osmotiska potentialen och således gynna, alternativt upprätthålla, vattenupptaget hos rotcellerna. I ljuset av detta hade det varit intressant att kunna tolka hur vida det var någon skillnad mellan 0 µM och 3 µM Al på nitratupptaget i det här försöket. Det skulle kunna tänkas att det t.ex. finns en gradvis motståndskraft mot effekten av Al på nitratupptaget.
Klarar växten att bibehålla, eller rent av får gynnat, vattenupptag under inverkan av Al så kan eventuellt också näringsupptaget fortsätta att fungera. I detta fall kanske en eventuell
motståndskraft hade kunnat ses över de lägre koncentrationerna i försöket som en ökad rotaktivitet, i detta fall ett gynnat nitratupptag. I rådande fall går det dock bara att spekulera kring detta.
Varför olika resultat?
Motstridiga resultat till trots verkar det inte råda någon tvekan om att Al har toxiska effekter på växter. Detta visar det faktum att spannmålsavkastningen är reducerad på sura jordar där aluminium finns löst. Den stora svårigheten ligger framförallt i att veta utefter vilka
mekanismer som Al utövar sin toxiska verkan, det är här som det finns många olika
hypoteser. En del av dessa verkar motsäga varandra medan andra kompletterar varandra. Att man uppnått en massa olika resultat kanske främst bottnar i att växternas förmåga att tåla aluminium mycket väl kan utgör ett system som involverar flera gener. För att använda
[10]
Taylors (1991) egna ord ”It is my belief that further research will show that each one of the mechanisms is, in itself, incapable of accounting for the range of Al tolerance which we see, even within species. This is because I find it hard to believe that adaptation to such a strong edaphic stress could be anything less than multigenic system with a number of different strategies for exclusion of Al from the cytosol and detoxification of Al inside the cytosol”.
Vid studier av hur eventuella effekter uppkommer har det således visat sig svårt att hitta en förklaring som kan anses allmängiltig. Det går däremot att vara relativt överens om att påtagliga effekter som störningar i tillväxt och näringsupptag faktiskt föreligger som resultat av inverkan av Al.
Generell slutsats
Även om det finns undantag så verkar den generella verkan av Al inte vara av stimulerande effekt på växterna, utan ämnet har snarare toxisk verkan. De fall där positiva effekter har erhållits har som sagt varit vid små koncentrationer av Al, pH-stress och närvaron av andra katjoner. Emellertid kommer dessa positiva effekter snart att ersättas med toxiska verkningar som nekros och upphörande av fysiologiska funktioner när Al-koncentrationen stiger
(Kinraide, 1993). Den skadliga verkan av Al kan vidare belysas med att det sker en snabb inhibering av respirationen hos rotspetsar av vete (Copelande & de Lima, 1992; de Lima &
Copelande, 1994) till följd av inverkan från Al. Vidare har visats att Al koncentrationer som inom några minuter ger inhibering på rotsträckning och reducerar nettoflödet av K+ också reducerar NO3--upptaget hos rötter av sojabönor (Horst et al., 1992; Sasaki et al., 1992).
Utifrån gjorda studier förefaller tolkningen av resultaten i denna undersökning rimlig. Denna är att Al3+ har toxisk verkan på nitratupptaget hos veteplantor (av det slag som brukats i försöket), d.v.s. hämmar detsamma. Hämningen tilltar med högre koncentration av Al3+ över det intervall som användes i försöket. Hämning av nitratupptaget kunde påvisas för
aluminiumkoncentrationerna på 12 respektive 24 µM relativt avsaknad av aluminium respektive vid aluminiumhalt på 3 µM. Ett större material för statistisk analys hade behövts för att få klarhet i eventuella skillnader mellan referensen och behandlingen med 3 µM aluminium. Det hade då varit möjligt att avgöra om 3 µM Al faktiskt stimulerade nitratupptaget relativt referensen eller ej.
[11]
Referenser
Bennet, R.J., Breen, C.M. & Fey, M.V. 1987. The effects of aluminium on root cap function and root development in Zea mays L. Environ. Exp. Bot. 27: 91-104.
Calba, H. & Jaillard, B. 1997. Effect of aluminium on ion uptake and H+ release by maize. New Phytol. 1997, 137: 607-616.
Copeland, L. & de Lima, M.L. 1992. The effect of aluminium on enzyme activities in wheat. J. Plant Physiol. 140: 641-645.
de Lima, M.L. & Copeland, L. 1994. The effect of aluminium on respiration of wheat roots. Physiol. Plant. 90: 51-58.
Durieux, R.P., Bartlett, R.J. & Magdoff, F.R. 1995. Separate mechanisms of aluminium toxicity for nitrate uptake and root elongation. Plant and Soil. 1995, 172: 229-234.
Durieux, R.P., Jackson, W.A., Kamprath, E.J. & Moll, R.H. 1993. Inhibition of nitrate uptake by aluminium in maize. Plant and Soil. 151: 97-104.
Foy, C.D. 1984. Physiological effects of hydrogen, aluminium, and manganese toxicities in acid soil. In: Soil Acidity and Liming, 2nd ed. (Adams F., ed.), pp. 57-97. Am. Soc. Agron., Madison, WI. ISBN 0- 89118-080-X.
Foy, C.D. 1988. Plant adaptation to acid, aluminium-toxic soils. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 19: 959-987.
Foy, C.D., Fleming, A.L. & Gerloff, G.C. 1972. Differential aluminum tolerance in two snapbean varieties. Agron. J. 64:815-818.
Glass, A.D.M. 1988. Nitrogen Uptake by Plant Roots. ISI Atlas of Science: Animal and Plant Science.
Horst, W.J., Asher, C.J., Cakmak, J., Szulkiewicz, P. & Wissemeier, A.H. 1992. Short- term responses of soybean roots to aluminium. J. Plant Physiol. 140:174-178.
Keltjens, W.G. 1988. Short-term effects of Al on nutrient uptake, H+ efflux, root respiration and nitrate reductase activity of two sorghum genotypes differing in Al susceptibility. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 19: 1155-1163.
Kinraide, T.B. 1988. Proton extrusion by wheat roots exhibiting severe aluminium toxicity symptoms. Plant Physiol. 88: 418-423.
Kinraide, T.B. 1991. Identity if the rhizotoxic-aluminium species. Plant Soil. 134: 167- 178.
Kinraide, T.B. 1993. Aluminium enhancement of plant growth in acid rooting media. A case of reciprocal alleviation of toxicity by two toxic cations. Physiol. Plant. 88: 619-625.
[12]
Kinraide, T.B. 1994. Use of Gouy-Chapman-Stern model for membrane-surface electrical potential to interpret some features of mineral rhizotoxicity. Plant Physiology. 106: 1583- 1592.
Kinraide, T.B. & Parker, D.R. 1987. Cation amelioration of aluminium toxicity in wheat.
Plant Physiol. 83: 546-551.
Kinraide, T.B., Ryan, P.R. & Kochian, L.V. 1992. Interactive effects of Al3+, H+, and other cations on root elongation considered in terms of cell surface electrical potential.
Plant Physiol. 99: 1461-1468.
Kinzel, H. 1983. Influence of limestone, silicates and soil pH on vegetation. In:
Physiological Plant Ecology III. Lange, O.L., Nobel, P.S., Osmond, C.B. & Ziegler, H.
(Eds.) Enzyclopedia of Plant Physiol. New Series, Vol. 12C, Springer Verlag, Berlin, pp.
201-244.
Klotz, F. & Horst, W.J. 1988. Genotypic differences in aluminium tolerance of soybean (Glycine max L.) as affected by ammonium and nitrate-nitrogen nutrition. Journal of Plant Physiology. 132: 702-707.
Larcher, W. 1995. Physiological Plant Ecology. 3:e upplagan.Springer - Verlag New York Berlin Heidelberg. ISBN 0-387-58116-2.
Lindberg, S., Szynkier, K. & Greger, M. 1991. Aluminium effects on transmembrane potential in cells of fibrous roots of sugar beet. Physiol. Plant. 83: 54-62.
Lindsay, W.L. 1979. Chemical equilibria in soils. Wiley and Sons, New York, NY.
Neeteson, J.J. 1985. Stikstofbemesting en stikstofverliezen in de landbouw. Meststoffen. 2:
8-13.
Nichol, B.E., Oliveira, L.A., Glass, A.D.M. & Siddiqi, M.Y. 1993. The effects of aluminium on the influx of calcium, potassium, ammonium, nitrate, and phosphate in an aluminium-sensitive cultivar of barley (Hordeum vulgare L.). Plant Physiology. 101: 1263- 1266.Parker, D.R., Kinraide, T.B. & Zelazny, L.W. 1988. Aluminum speciation and phytotoxicity in dilute hydroxy-aluminum solutions. Soil Sci. Soc. Am. J. 52: 438-444.
Rufty, T.W., MacKown, C.T., Lazof, D.B. & Carter, T.E. 1995. Effects of aluminium on nitrate uptake and assimilation. Plant, Cell and Environment. 18: 1325-1331.
Sasaki, M., Kasai, M., Yamamoto, Y. & Matsumoto, H. 1992. Root elongation and ion flux of wheat varieties differing in aluminium tolerance. In: Plant cell walls as biopolymers with physiological functions. Yamada Science Foundation, Osaka, pp. 401-403.
Tabuchi, A., Kikui, S. & Matsumoto, H. 2004. Differential effects of aluminium on osmotic potential and sugar accumulation in the root cells of Al-resistant and Al-sensitive wheat. Physiologia Plantarum. 120: 106-112.
Tang Van Hai, Truong Thi Nga & Laudelout, H. 1989. Effect of aluminium on the mineral nutrition of rice. Plant Soil. 114: 173-185.
[13]
Taylor, G.J. 1988a. The physiology of aluminium stress response: the physiological basis of tolerance. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 19: 1179-1194.
Taylor, G.J. 1988b. The physiology of aluminium phytotoxicity. In: Metal Ions in Biological Systems. Vol. 24. Aluminium and its role in biology. Sigel, H. (ed.). Marcel Dekker, Inc., New York, NY. pp. 123-163.
Taylor, G.J. 1991. Current views of the aluminium stress response; The physiological basis of tolerance. Current Topics in Plant Biochemistry and Physiology. Vol. 10: 57-93, p. 89.
Van Wambeke, A. 1976. Formation, distribution and consequences of acid soils in
agricultural development. In: Conference proceedings, Plant adaptation to mineral stress in problem soils. Cornell Univ. Wright, M.J. (ed.). Press, Ithaca, NY. pp. 15-24.
Wright, R.L. 1989. Soil aluminium toxicity and plant growth. Commun. Soil. Sci. Plant.
Anal. 20: 1479-1497.
Yan, F., Schubert, S. & Mengel, K. 1992. Effect of low root medium pH on net proton release, root respiration, and root growth of corn (Zea mays L.) and broad bean (Vicia faba L.). Plant Physiol. 99: 415-421.
