王瑞琳等

摘要[目的]為明確低磷、鋁毒單獨(dú)及復(fù)合脅迫下，不同水稻品種生理響應(yīng)的差異。[方法]采用營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗(yàn)，以秀水132（耐鋁型）和甬優(yōu)8號(hào)（鋁敏感型）為材料，研究了各脅迫下幼苗干物質(zhì)積累、光合能力和根系有機(jī)酸分泌量。[結(jié)果]低磷、鋁毒脅迫下根系和地上部干重、葉綠素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著下降。低磷鋁毒復(fù)合脅迫下幼苗干重及光合參數(shù)值均顯著低于單一脅迫處理；酒石酸、蘋果酸、檸檬酸和乙酸是根系各處理下分泌的主要有機(jī)酸。低磷、鋁毒脅迫下根系乙酸、蘋果酸和檸檬酸分泌量增加，復(fù)合脅迫時(shí)根系3種有機(jī)酸的分泌量高于單一脅迫處理。低磷、鋁毒脅迫下水稻幼苗干重、光合能力及根系有機(jī)酸分泌存在顯著的基因型差異。各脅迫下甬優(yōu) 8 號(hào)植株干重和光合參數(shù)的下降幅度高于秀水 132，而秀水132根系有機(jī)酸分泌量的增幅大于甬優(yōu) 8 號(hào)。[結(jié)論]低磷鋁毒復(fù)合脅迫引發(fā)水稻幼苗更嚴(yán)重的生理代謝抑制，以甬優(yōu)8號(hào)表現(xiàn)更明顯；復(fù)合脅迫下根系有機(jī)酸分泌量高于單一脅迫，以秀水132增幅更大。

關(guān)鍵詞水稻；低磷；鋁毒；干重；光合參數(shù)；有機(jī)酸分泌

中圖分類號(hào)S511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2014）06-01603-04

Abstract [Objective] The experiment was focused on the physiological response of two rice genotypes differing in Al tolerance to the treatments of phosphorus （P） deficiency and aluminum （Al） toxicity single and combinationed stresses. [Method] Hydroponic experiment was undertaken to study the seedlings growth， photosynthetic capacity and secretion of organic acid （OA） in the roots of rice cultivars exposed to the stress solution. [Result] P deficiency and Al toxicity both inhibited plants dry matter accumulation， significantly decreased chlorophyll content， photosynthetic rate， stomatic conductance and transpiration rate. P deficiency aggravated Al toxicity to the dry matter accumulation and photosynthetic capacity of rice seedlings. Tartaric acid malic acid， citric acid and acetic acid were the main OA secreted by rice roots irrespective of treatments. The secretions of malic acid， citric acid and acetic acid increased under P deficiency or Al stress， and the secretions were promoted when both excessive Al and P deficiency were present. There was significant cultivars difference in seedlings growth and OA secretion in response to P deficiency and Al toxicity， thus more severe growth inhibition was observed in Yongyou 8， while more OA secretion was detected in Xiushui 132. [Conclusion] Combination of Al and low P caused serious disturbance of physiological metabolisms， especially for Yongyou 8. Further， it induced powerful OA secretion and the more was observed in Xiushui 132.

Key words Rice； Phosphorus deficiency； Aluminum toxicity； Dry weight； Photosynthetic parameters； Secretion of organic acid在酸性紅壤中，有效磷（P）含量低和鋁（Al）離子活性高是限制作物生長的主要因素[1-2]。植物鋁毒害最典型的癥狀是根系生長受抑制，進(jìn)而影響根際養(yǎng)分的有效性，并且導(dǎo)致一些代謝關(guān)鍵酶的活性異常[3-4]。低磷脅迫可抑制植物干物質(zhì)積累，降低葉面積，并且引發(fā)光合效率下降和生化代謝途徑改變等[5-6]。植物可通過一定的形式避免或忍受逆境脅迫，其中根系分泌低分子量有機(jī)酸被認(rèn)為是較有效的耐鋁及耐低磷脅迫機(jī)制之一[7]。鋁脅迫下耐鋁植物根系分泌大量的有機(jī)酸，可在根區(qū)與鋁螯合，減少鋁進(jìn)入細(xì)胞的量，降低鋁毒性。磷效率低的酸土作物根系也會(huì)分泌大量的有機(jī)酸，以活化土壤中磷素[8]。此外，根系分泌的有機(jī)酸由于其分子結(jié)構(gòu)及荷電特性，影響土壤中的許多過程，對(duì)植物根際營養(yǎng)具有重要的作用。

目前，關(guān)于低磷和鋁毒單一脅迫對(duì)植物生長、代謝的毒害及植物產(chǎn)生的抗性機(jī)制已有許多報(bào)道。雖然研究低磷和鋁毒復(fù)合脅迫的生態(tài)意義更大，但關(guān)于二者復(fù)合脅迫下水稻生長、根系有機(jī)酸分泌情況的報(bào)道不多見。水稻作為我國主要的糧食作物，其耐鋁性相對(duì)較強(qiáng)，但不同品種間的耐鋁性差異很大。筆者利用前期篩選獲得的耐鋁性差異較大的水稻品種為材料，研究了低磷、鋁毒單獨(dú)及復(fù)合脅迫條件下植株生長、光合能力及根系有機(jī)酸分泌種類和數(shù)量，旨在鑒定不同耐鋁水稻品種的耐低磷能力，明確不同品種脅迫下有機(jī)酸分泌情況，為水稻耐酸土機(jī)制研究提供參考。

1材料與方法

1.1材料培養(yǎng)與處理

試驗(yàn)于學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。所用水稻品種由中國水稻所提供，并經(jīng)前期依據(jù)植株生長情況對(duì)近 60 個(gè)品種進(jìn)行耐鋁性篩選而得。供試材料分別為耐鋁水稻品種秀水 132 和鋁敏感品種甬優(yōu) 8 號(hào)。

每個(gè)處理取 5 株完整植株，將其根系于早上 9：00靜置在自來水中0.5 h，然后依次用自來水、蒸餾水和去離子水輕輕清洗5～10次后，放置在 500 ml 含百里酚（微生物抑制劑）、0.5 mmol/L CaCl2 的溶液中，自然光下收集 5 h。根系分泌物收集液經(jīng)中速濾紙過濾后，用 DEAE 纖維素層析柱濃縮，然后采用反向高效液相色譜（RPHPLC）法測定根系分泌物樣品中的草酸、酒石酸、蘋果酸、乙酸、檸檬酸和琥珀酸等有機(jī)酸含量[9]。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。數(shù)據(jù)采用 SPSS 13.0（SPSS Inc.，19892004）軟件進(jìn)行 ANVOA 方差分析和多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1植株干重

由圖1可知，低磷、鋁毒單獨(dú)及復(fù)合脅迫下2個(gè)水稻品種植株生長均顯著受到抑制。鋁脅迫下根系短粗，呈褐色，表現(xiàn)出較明顯的中毒癥狀，導(dǎo)致根系干重顯著下降，而地上部干重的降幅相對(duì)較小，如單一鋁脅迫下2個(gè)品種平均根系和地上部干重分別下降為對(duì)照組的64.8%和80.7%。低磷脅迫時(shí)水稻根系生長與對(duì)照組差異不大，但地上部生長明顯受到抑制，如單一低磷脅迫下2個(gè)品種平均根系和地上部干重分別下降為對(duì)照組的 90.4% 和 71.9%。低磷和鋁毒復(fù)合脅迫時(shí)各器官干重均在0.05水平顯著低于單一脅迫水平。由此可見，脅迫處理下甬優(yōu) 8 號(hào)根系和地上部干重下降幅度均高于秀水 132。

2.3有機(jī)酸分泌量由圖2可知，

水稻根系分泌物中可檢測出酒石酸、蘋果酸、檸檬酸、草酸、乙酸，其中各處理下草酸分泌量均較低，酒石酸分泌量雖較高但較恒定，2種有機(jī)酸各處理間分泌量差異均不顯著。受脅迫影響分泌量變幅較大的是檸檬酸、蘋果酸和乙酸，且三者的變化趨勢相似，即各脅迫處理均導(dǎo)致3種有機(jī)酸的分泌量顯著增加，增幅以鋁毒和低磷復(fù)合脅迫下最高，其次為單一低磷處理，再者為單一鋁毒處理。比較3種有機(jī)酸含量，可見乙酸受脅迫影響的增幅最大，其次為蘋果酸，檸檬酸增幅相對(duì)最小，如復(fù)合脅迫下甬優(yōu)8號(hào)根系乙酸、蘋果酸和檸檬酸分泌量分別為對(duì)照組的649、5.26、3.61倍，秀水132 根系乙酸、蘋果酸和檸檬酸分泌量分別為對(duì)照組的8.16、6.91、4.75倍。比較不同品種，可見脅迫處理下 3 種有機(jī)酸的分泌量均以秀水 132 高于甬優(yōu) 8 號(hào)。

3討論

研究中，低磷和鋁毒脅迫均顯著抑制水稻幼苗根系和地上部生長，但鋁毒主要影響根系生長，而低磷脅迫主要抑制地上部生長。這與 Tan等[10] 的報(bào)道一致。他們發(fā)現(xiàn)，0.4 mg/L Al 和低于正常水平的 P 供應(yīng)分別導(dǎo)致高粱植株根系和地上部生長嚴(yán)重受抑制。與甬優(yōu) 8 號(hào)相比，各種脅迫下秀水 132 植株干重降幅較小。這表明從水稻種質(zhì)中篩選獲得兼耐鋁和低磷脅迫的品種是可行的。低磷和鋁毒復(fù)合脅迫對(duì)水稻幼苗生長的抑制效應(yīng)強(qiáng)于單一脅迫水平，表明低磷和鋁毒對(duì)水稻幼苗干物質(zhì)積累的抑制呈正協(xié)同效應(yīng)。

脅迫環(huán)境會(huì)影響植物葉片的生理生化功能。該研究表明，低磷和鋁毒處理下2個(gè)水稻品種葉片葉綠素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率等光合參數(shù)均顯著下降。相比葉綠素含量，光合速率的降幅更顯著。葉綠素含量的下降可能是由于脅迫環(huán)境使得葉綠素酶活性增加，導(dǎo)致葉綠素分解加快[11]。由于葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，葉綠素含量下降必然會(huì)影響植物的光合能力。同時(shí)，脅迫環(huán)境下葉片氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞會(huì)因失水而導(dǎo)致氣孔縮小，進(jìn)而影響葉片的氣孔導(dǎo)度。氣孔導(dǎo)度的下降影響CO2 進(jìn)入，也會(huì)影響光合速率，并使水分向外排放的阻力增大，導(dǎo)致蒸騰速率下降。此外，脅迫逆境也會(huì)降低光合的關(guān)鍵酶 Rubisco 活性[12]，影響光合系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、轉(zhuǎn)變以及構(gòu)成光合系統(tǒng)所需物質(zhì)的合成及葉綠素結(jié)構(gòu)的破壞等[13]，最終導(dǎo)致葉片的光合能力下降。低磷和鋁毒復(fù)合脅迫時(shí)各光合參數(shù)均在0.05水平顯著高于單一脅迫處理，表明低磷加強(qiáng)鋁毒對(duì)葉綠素的破壞和光合能力的抑制作用。2個(gè)品種間相比，脅迫處理下甬優(yōu) 8 號(hào)葉綠素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均低于秀水 132。這些均表明秀水 132 抗低磷、鋁毒脅迫的能力更強(qiáng)。

眾多研究表明，鋁毒和低磷脅迫下根系分泌低分子量有機(jī)酸是植物主要的耐性機(jī)制之一[14-15]。根系分泌的有機(jī)酸可螯合鋁離子，其中檸檬酸、草酸和酒石酸能與鋁形成穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是較強(qiáng)的鋁解毒劑；蘋果酸、丙二酸、水楊酸與鋁形成復(fù)合物的穩(wěn)定性稍低，是中等鋁解毒劑；琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、鄰苯二甲酸則是弱解毒劑[16]。根系分泌的有機(jī)酸還可將 P 從 FeP、AlP 復(fù)合物中釋放出來，增加 P 的有效性。此外，植物本身分泌的有機(jī)酸也可以被植物再吸收利用，有利于植物營養(yǎng)元素的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。研究表明，酒石酸、蘋果酸、乙酸和檸檬酸是水稻根系各處理下分泌的主要有機(jī)酸。鋁毒和低磷脅迫下2個(gè)品種蘋果酸、檸檬酸和乙酸的分泌量增加，增幅最大的為乙酸，其次為蘋果酸，檸檬酸變幅相對(duì)較小。由于乙酸為弱解毒劑，水稻根系主要通過增加蘋果酸和檸檬酸分泌量以緩解毒害。類似地，楊建立等[17] 研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫下小麥根系可分泌大量蘋果酸，保護(hù)根尖不受鋁的毒害；Ma 等[18] 發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫可刺激決明根系檸檬酸分泌量的增加；黎曉峰[19] 報(bào)道，鋁誘導(dǎo)下水稻根系檸檬酸分泌量增加。試驗(yàn)中低磷脅迫根系分泌有機(jī)酸量也增加，且高于鋁毒害處理。關(guān)于低磷脅迫下植物根系有機(jī)酸分泌也有許多報(bào)道，如 Zhang 等[20-21]發(fā)現(xiàn)低于正常水平的磷供應(yīng)可促進(jìn)小蘿卜和油菜根系蘋果酸和檸檬酸的分泌量顯著增加；李德華等[22] 指出，低磷處理后水稻根系蘋果酸等有機(jī)酸分泌量增加，尤其是耐低磷材料。但是，Wang 等[23] 報(bào)道，低磷和鋁毒脅迫下白羽扇豆根系雖分泌檸檬酸，但分泌的部位不同，低磷脅迫下檸檬酸分泌部位為集群根，而鋁毒脅迫時(shí)集群根和側(cè)根均分泌檸檬酸。此外，研究還發(fā)現(xiàn)各脅迫下耐鋁品種秀水132根系分泌的有機(jī)酸量均高于鋁敏感品種甬優(yōu) 8 號(hào)。這與前人的報(bào)道一致，即大豆耐鋁性與其根系分泌有機(jī)酸量密切相關(guān)，耐鋁品種分泌量更多[24]；檸檬酸和蘋果酸分泌量與玉米耐鋁性密切相關(guān)[25]。在低磷和鋁毒復(fù)合脅迫下，2個(gè)水稻品種根系蘋果酸和檸檬酸的分泌量均高于單一鋁毒或低磷處理。同樣，Li 等[26] 發(fā)現(xiàn)，與單一脅迫相比，低磷和鋁毒復(fù)合處理時(shí)柱花草根系檸檬酸分泌量顯著增加。Liao等[24，27]報(bào)道，低磷和鋁毒復(fù)合脅迫下2種豆科植物——大豆和白羽扇豆根系檸檬酸分泌量增加。但是，Jemo等[28]指出，鋁毒害可促進(jìn)豇豆根系分泌蘋果酸，低磷和鋁毒復(fù)合脅迫下僅可促進(jìn)耐鋁品種根系蘋果酸分泌量的增加。低磷和鋁毒是酸土的2個(gè)主要植物生長限制因素。該研究對(duì)于明確酸土毒害及作物耐酸土脅迫機(jī)制具有重要意義。

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