肖曉明 劉軍生 周程 王國霞 陳國云 岳海

摘 要 以生土為基質(zhì)，研究澳洲堅果幼苗在3個施磷水平下排根的產(chǎn)生量、根系有機酸的分泌及磷素利用情況。結(jié)果表明：隨著施磷水平升高，排根產(chǎn)生量、排根及非排根酸性磷酸酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；澳洲堅果幼苗排根及非排根分泌的有機酸種類至少有7種，但在分泌總量上差異明顯，檸檬酸是其中的主要成分；隨著土壤中磷素水平的增加，排根及非排根中檸檬酸的分泌量呈現(xiàn)減少趨勢。綜上所述，磷脅迫降低了根系酸性磷酸酶的活性，卻提高了檸檬酸的分泌量，可能是由于澳洲堅果幼苗根系及葉片中的磷素含量隨施磷水平升高而升高的原因。

關(guān)鍵詞 澳洲堅果；排根；有機酸分泌；酸性磷酸酶活性；檸檬酸

中圖分類號 S667.9 文獻標(biāo)識碼 A

磷是植物生長所需的大量營養(yǎng)元素，參與植物體內(nèi)許多生理生化反應(yīng)的調(diào)節(jié)，對植物生長發(fā)育至關(guān)重要[1]。雖然土壤中積累的總磷水平較高，但植物能利用的有效磷很低[2]，尤其是在酸性土壤（形成氧化態(tài)或氫氧化態(tài)的鐵磷或鋁磷復(fù)合體），低磷有效性極大限制了作物的生長[3]。植物已經(jīng)形成了一些適應(yīng)性的機制來提高其對磷的吸收和獲取能力。如一些植物適應(yīng)土壤低有效磷的重要機制，即產(chǎn)生排根來增加植物對磷的有效吸收[4-7]。排根（cluster root）也叫山龍眼根（proteoid root），由于在山龍眼科（如澳洲堅果）植物中首先發(fā)現(xiàn)而得名[8]，排根是數(shù)十條密集排列的次級側(cè)根、狀似刷子的根簇。因為類似的根隨后在其它科（如木麻黃科[4]、葫蘆科[5]、豆科[6]、楊梅科[7]）均有發(fā)現(xiàn)，所以統(tǒng)稱為排根，排根可有效增加根系對難溶性磷或被吸附的磷素的吸收[9]。排根大量分泌2種物質(zhì)，即羧酸類物質(zhì)[10-11]和磷酸酶[12]來提高對磷的吸收。

據(jù)研究，植物通過根系向根際分泌有機酸類來減輕某些逆境脅迫[2、13]。不同植物間根系分泌有機酸的分泌量不同，從5%（玉米）到15%～21%（小麥）不等；在磷脅迫條件下，紫花苜蓿分泌的有機酸，如檸檬酸的量僅占其干重的0.3%[14]，白羽扇豆根系檸檬酸分泌量可占其植株干重的11%[15]～23%[16]；不同環(huán)境條件下不同種類植物的排根所分泌的有機酸種類不同[17]。在植物根系分泌的有機酸中，活化土壤難溶性磷能力最強的是檸檬酸，草酸、蘋果酸和酒石酸次之，能力最差是的乙酸、琥玻酸和乳酸[18]。

澳洲堅果（Macadamia integrifolia M. Tetraphylla）現(xiàn)為云南省重要發(fā)展的經(jīng)濟作物，原產(chǎn)于澳大利亞昆士蘭與新南威爾士的亞熱帶雨林，是山龍眼科（Proteaceae）澳洲堅果屬（Macadamia）常綠喬木果樹。20世紀(jì)70年代中國開始引種試種澳洲堅果，到2011年底，全國種植面積達2.19 hm2，其中云南省種植面積達到2.14 hm2。目前國內(nèi)外對澳洲堅果排根及其分泌有機酸的類型缺乏研究，本研究探討在不同磷濃度下，研究澳洲堅果幼苗排根形成、酸性磷酸酶及有機酸分泌的反應(yīng)，旨在揭示澳洲堅果在低磷條件下排根適應(yīng)性功能的生理反應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地基本情況 本試驗在景洪市云南省熱帶作物科學(xué)研究所的試驗基地內(nèi)實施，據(jù)西雙版納州氣象局資料，該地年均溫22.6 ℃，年蒸發(fā)量1 310.6 mm，≥10 ℃的積溫8 100.4 ℃，年降雨量1 161.8 mm[19]。本試驗基質(zhì)為磚紅壤生土，其理化性質(zhì)為：有機質(zhì)10.3 g/kg，有效氮（堿解氮）21.4 mg/kg，有效磷3.6 mg/kg，速效鉀88.3 mg/kg，pH5.4。

1.1.2 參試材料及處理方法 參試品種：OC（Own Choice）；本研究采用土柱法：將長1.5 m、直徑0.2 m的工程塑料硬管縱向分為兩半，固定后立于深1.5 m的土坑中，管內(nèi)裝入“配合土壤”，其配比為：細(xì)土（過篩）∶ 細(xì)沙=3 ∶ 1，其基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)7.7 g/kg，有效氮（堿解氮）16.1 mg/kg，有效磷2.7 mg/kg，速效鉀66.3 mg/kg，pH5.2。每個根管裝“配合土壤”30 kg，試驗設(shè)3個磷梯度：0（CK）、50、500 mg/kg，以KH2PO4作為磷源，每處理的N（NH4NO3）150 mg/kg、K（KNO3）150 mg/kg，微量元素如Fe、Mn、Zn、Cu（硫酸鹽形式）每千克土施5 mg，試驗期間常規(guī)管理。

2011年10月15日栽植一年生無性繁殖幼苗，每個根管1株；栽前將澳洲堅果苗根用清水漂洗干凈并滅菌（0.5%次氯酸鈉），再用蒸餾水漂洗后栽植，每個處理10株。2012年10月15日取出測試各項指標(biāo)。

1.2 測定項目與方法

排根產(chǎn)生數(shù)：每處理隨機取5株幼苗對其排根進行計數(shù)；酸性磷酸酶活性測定參考Cameron等[20]的方法；植株全磷含量測定參照Motomizu等[21]的方法。

根系分泌物的收集：將澳洲堅果幼苗整個根系用去離子水洗凈，后用根系分泌物收集液（μmol/L：H3BO3 5，CaCl2 600，KCl 100和 MgCl2 200，pH調(diào)至5.6）沖洗3次后，將不同施磷處理的澳洲堅果幼苗根系分為非排根和排根，最后用黑塑料布將整個根系蓋住，然后將不同類型的根系轉(zhuǎn)至盛有50 mL收集液并持續(xù)通氣的100 mL燒杯中進行根系分泌物的收集，光照下收集4 h后，取約10 mL收集液，加入3滴微生物抑制劑抑制微生物對有機酸的分解，然后迅速置于-18 ℃冰箱冷凍保存?zhèn)溆?；各處理重?fù)3次。根系分泌物中有機酸的高效液相色譜檢測參照Wang等[22]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003和DPS軟件對相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷水平下澳洲堅果幼苗排根產(chǎn)生量及根系酸性磷酸酶活性變化

由圖1可知，與不施磷相比，適度施磷水平（50 mg/kg）澳洲堅果排根產(chǎn)生量極顯著升高117.67%，而高磷水平（500 mg/kg）澳洲堅果排根產(chǎn)生量顯著降低29.94%。與之相對應(yīng)的是，隨著磷水平的升高，澳洲堅果幼苗排根和非排根酸性磷酸酶活性也呈現(xiàn)升高趨勢，在適度施磷水平（50 mg/kg）達到最高，而500 mg/kg磷處理降低酸性磷酸酶活性（圖2），也進一步說明，適度的供磷處理能激發(fā)根系酸性磷酸酶活性的增加。與不施磷相比（圖2），施磷均能提高排根和非排根的酸性磷酸酶活性，其中排根酸性磷酸酶活性比不施磷極顯著升高88.65%（50 mg/kg）和33.29%（500 mg/kg），而非排根酸性磷酸酶活性比不施磷顯著升高108.23%（50 mg/kg）和45.74%（500 mg/kg）。不同施磷水平下的根系酸性磷酸酶活性， 排根均極顯著高于非排根， 其中排根平均比非排根高359.47%（0 mg/kg）、 285.36%（50 mg/kg）和318.44%（500 mg/kg）。

2.2 不同磷素水平下澳洲堅果幼苗根系有機酸分泌量變化

從澳洲堅果幼苗排根及非排根的根系分泌物中分泌的有機酸分別為：檸檬酸、酒石酸、草酸、蘋果酸、乳酸、乙酸和丁二酸等7種。據(jù)研究，檸檬酸活化土壤磷的能力最強，而根系分泌物中與磷活化相關(guān)的主要是檸檬酸、酒石酸、草酸和蘋果酸[16]。

由表1可知，澳洲堅果排根及非排根分泌的4種有機酸中，檸檬酸是其中的主要成分。隨著土壤中磷素水平的增加，排根及非排根中檸檬酸的分泌速率有減少趨勢，在不同磷素處理下，排根中檸檬酸的分泌占4種分泌物的29.64%～54.97%，不施磷及施高磷（500 mg/kg）處理比中磷（50 mg/kg）處理的檸檬酸的分泌速率高118.84%和48.41%；非排根中檸檬酸的分泌占4種分泌物的41.89%～69.57%，不施磷及施高磷（500 mg/kg）處理比中磷（50 mg/kg）處理的檸檬酸的分泌速率高70.21%和30.97%。

2.3 不同磷水平對澳洲堅果幼苗磷含量的影響

由圖3可知，澳洲堅果幼苗葉片和根系全磷含量均隨著施磷水平的升高而升高，不同施磷水平之間差異均達到顯著水平（葉片）和極顯著水平（根系）；施磷的澳洲堅果幼苗葉片全磷含量比不施磷的平均高16.11%（50 mg/kg）和27.83%（500 mg/kg）；與對照相比，不同施磷處理下澳洲堅果幼苗根系全磷含量平均高39.91%（50 mg/kg）和68.40%（500 mg/kg）。

3 討論與結(jié)論

缺磷或低磷條件下，一些植物可被誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的排根[23-24]，山龍眼科植物主要通過排根分泌大量有機酸性及酸性磷酸酶進入根際，活化并吸收難溶性的土壤磷[10，17，24]，與之不同的是山龍眼科的澳洲堅果和宜安草（Telopea speciosissima），在中等供磷水平下產(chǎn)生排根的量最多[25-27]。本研究結(jié)果與之類似，在施磷水平為50 mg/kg時，其排根產(chǎn)生量最多（圖1）。據(jù)研究，缺磷可提高植物根系酸性磷酸酶的活性，根系分泌酸性磷酸酶的現(xiàn)象在排根區(qū)最顯著[10，17，24]，而且比不缺磷的植株高出20倍[28]，而澳洲堅果幼苗排根產(chǎn)生量與其酸性磷酸酶活性呈現(xiàn)高度正相關(guān)，在中等磷素水平下根系酸性磷酸酶活性最高[24-25]。本研究澳洲堅果幼苗在施磷水平為50 mg/kg時，酸性磷酸酶活性最高。上述結(jié)果表明，缺磷誘導(dǎo)的根系分泌生理的改變高度依賴于植物種類。

在排根的根系分泌物中，較受關(guān)注的有機酸是檸檬酸。在缺磷或低磷條件下，植物通過排根大量分泌檸檬酸活化難溶性磷，從而改善根際環(huán)境是其應(yīng)對缺磷或低磷的一種有效的機制[17，29]。據(jù)已有研究結(jié)果表明，植物種類不同，其分泌的有機酸類型也不相同，如油菜在低磷水平下主要分泌的是檸檬酸和蘋果酸[30]，而紫云英以分泌草酸為主[31]。在本研究條件下，檸檬酸是澳洲堅果根系分泌物中的主要成分，與供磷相比，缺磷明顯增加了澳洲堅果根系的檸檬酸分泌（表1），這些結(jié)果與在玉米（Zeamays）[32]、 菜豆[33]、 白羽扇豆[9]和紫羽扇豆（Lupinus pilosus）[34]中的報道結(jié)果相一致。本研究中隨著施磷水平增加，排根或非排根檸檬酸的分泌開始減少（表1）；同樣在白羽扇豆[35-36]和山龍眼科的Hakea prostrata[37]中，其根系檸檬酸的分泌量隨著外界磷供應(yīng)的增加或植株體內(nèi)磷濃度的增加而減少。本研究中排根分泌檸檬酸的速率遠遠高于非排根（表1），在白羽扇豆中，成熟排根檸檬酸分泌速率（以鮮重計）可達到非排根部位根系的5倍[36]。

有賴于排根的產(chǎn)生及根系大量分泌有機酸類，儲存磷成為了山龍眼科植物的一個重要特點[10，17，24]。而檸檬酸和酸性磷酸酶是根系中活化磷素的2種主要物質(zhì)[10-12]，本研究中，隨著施磷量的增加，根系中檸檬酸分泌速率呈現(xiàn)降低的趨勢（表1），而根系和葉片中的磷濃度隨著施磷量的增加而升高，這可能是由于澳洲堅果對磷的吸收利用依賴于另一種機制，即通過根系分泌酸性磷酸酶的產(chǎn)生作用，釋放有機物中的磷以供植株利用。本研究中，澳洲堅果幼苗根系（排根和非排根）酸性磷酸酶活性在施磷條件下均高于不施磷處理（圖2）；而澳洲堅果幼苗根系中磷酸酶的活性與檸檬酸的分泌，在澳洲堅果幼苗吸收磷素的過程中所起作用的分工，還有待于進一步研究。

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