張麗梅， 郭再華， 張 琳， 賀立源

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430070)

缺磷對不同耐低磷玉米基因型酸性磷酸酶活性的影響

張麗梅， 郭再華， 張 琳， 賀立源

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430070)

【目的】酸性磷酸酶活性與土壤及植株體內(nèi)有機(jī)磷的分解和再利用有著密切的關(guān)系。本研究以不同耐低磷玉米自交系為材料，研究低磷脅迫下玉米葉片、根組織內(nèi)以及根系分泌酸性磷酸酶活性的變化及基因型差異，探討酸性磷酸酶與玉米耐低磷之間的關(guān)系，以期更深入地了解玉米耐低磷的生理機(jī)制?！痉椒ā恳?個典型耐低磷自交系99180T、99239T、99186T、99327T、99184T和2個磷敏感自交系99152S、99270S為試驗(yàn)材料，采用營養(yǎng)液培養(yǎng)方法，設(shè)正常磷和低磷兩種處理，分別于缺磷處理3、8和12 d時調(diào)查取樣，測定地上部干重、根干重、葉片中無機(jī)磷(Pi)含量、根和地上部磷累積量、根系分泌APase活性以及葉片中APase活性，并于缺磷處理12 d測定根系內(nèi)APase活性?！窘Y(jié)果】1) 缺磷使玉米地上部干重下降，根干重、根冠比增加，隨著缺磷處理(3 d→8 d→12 d)時間的延長，根干重、根冠比增加幅度增大，且耐低磷自交系根干重增加幅度普遍大于敏感自交系。2)低磷條件下，玉米自交系磷吸收、利用效率存在基因型差異，耐低磷自交系99239T、99180T和99327T磷吸收效率較高，99186T和99184T磷利用效率高，敏感自交系99152S、99270S磷吸收和利用效率均較低。3)低磷處理使玉米自交系葉片無機(jī)磷(Pi)含量顯著下降，耐低磷自交系99184T、99327T和99239T下降幅度較小，相對葉片無機(jī)磷含量較高。4)缺磷誘導(dǎo)玉米根系分泌的APase活性升高。耐低磷自交系99184T和99186T根系分泌APase活性升高幅度較大，其余3個耐低磷自交系未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。缺磷處理3 d、 8 d，玉米根系分泌APase活性與磷累積量顯著正相關(guān)，而12 d時相關(guān)性不顯著；根系分泌APase活性與磷利用效率在缺磷處理12d時達(dá)顯著正相關(guān)。說明玉米根系分泌APase活性與磷吸收、利用效率相關(guān)關(guān)系不穩(wěn)定。5)缺磷處理12 d，各玉米自交系根組織內(nèi)APase活性與根系分泌APase活性變化情況較一致，兩者相關(guān)系數(shù)r=0.755(P<0.05)。6)缺磷條件下各玉米自交系葉片組織內(nèi)APase活性均有升高趨勢，并表現(xiàn)出明顯的基因型差異。缺磷處理8 d，耐低磷自交系99184T和99239T葉片組織內(nèi)APase活性升高幅度最大，其次是99327T和99186T，99180T、99270S和99152S升高幅度較小；缺磷處理12 d, 各玉米自交系葉片APase活性仍繼續(xù)增加，99239T、99184T、99327T和99186T的相對APase活性均較高，99270S和99152S的相對APase活性較低。相關(guān)性分析表明，缺磷條件下玉米自交系葉片中相對APase活性與葉片中相對無機(jī)磷(Pi)含量顯著正相關(guān)，與磷吸收、利用效率不顯著相關(guān)?！窘Y(jié)論】低磷誘導(dǎo)玉米葉片、根組織和根系分泌APase活性升高，根組織和根系分泌APase活性的大小與玉米耐低磷能力不完全相關(guān)，葉片APase活性與玉米耐低磷能力有較好的一致性。

玉米； 缺磷； 酸性磷酸酶； 基因型

酸性磷酸酶是一種重要的水解酶，它不僅在植物碳水化合物的轉(zhuǎn)化及蛋白質(zhì)的合成中起著重要作用，還與土壤及植株體內(nèi)有機(jī)磷的分解和再利用有著密切的關(guān)系〔4-5〕。缺磷條件下轉(zhuǎn)入酸性磷酸酶基因的白三葉草及紫花苜蓿利用有機(jī)磷的能力均提高[6-7]。低磷條件下油菜植株體內(nèi)各部位的APase活性大幅度提高，且衰老器官的酶活性高于新生器官[8]。缺磷條件下耐低磷基因型根系及根表面APase活性均增加，且增加的速度快、量大，敏感基因型僅根表面的APase活性增加，且增加的量小〔9〕。低磷脅迫能引起水稻根系酸性磷酸酶的升高，低磷敏感品種升高的幅度更大〔10〕。關(guān)于酸性磷酸酶活性與磷吸收、利用效率的關(guān)系報道也不一。Mclachlan等[11]提出小麥根系分泌的酸性磷酸酶活性與吸磷量呈顯著負(fù)相關(guān)。Zhang等〔12〕發(fā)現(xiàn)缺磷脅迫下油菜磷營養(yǎng)和磷吸收效率與根系分泌的酸性磷酸酶活性不直接相關(guān)，而葉片酸性磷酸酶活性與磷利用效率呈顯著正相關(guān)。有關(guān)酸性磷酸酶與作物耐低磷關(guān)系一直是土壤學(xué)和植物營養(yǎng)學(xué)界關(guān)注的研究課題之一，但目前仍很難確定酸性磷酸酶活性高低與植物對缺磷脅迫的調(diào)控有無明確的相關(guān)關(guān)系。

玉米是我國主要的糧食作物、飼料作物和工業(yè)原料。土壤缺磷已成為玉米營養(yǎng)限制的重要因素之一。前期研究表明，不同基因型玉米存在顯著的磷效率差異[13]。為評估缺磷條件下酸性磷酸酶對玉米磷效率的貢獻(xiàn)，本文研究了低磷脅迫下玉米植株磷累積量、葉片無機(jī)磷含量、葉片和根組織內(nèi)酸性磷酸酶的變化，玉米根系分泌酸性磷酸酶活性的動態(tài)變化及基因型差異，進(jìn)一步探討玉米酸性磷酸酶與耐低磷之間的關(guān)系，以期更為深入地了解玉米耐低磷的內(nèi)在機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 供試材料

前期對國內(nèi)外不同遺傳背景的300份玉米自交系進(jìn)行多次土培篩選，以篩選出的5個典型耐低磷自交系99180T、99239T、99186T、99327T、99184T和2個磷敏感自交系99152S、99270S為供試材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 樣品采集與測定

分別于缺磷處理3 d、8 d和12 d調(diào)查取樣，測定地上部干重、根干重、葉片中無機(jī)磷(Pi)含量、根和地上部全磷含量、根系分泌APase活性以及葉片中APase活性，并于缺磷處理12 d測定根系內(nèi)APase活性。

葉片中無機(jī)磷(Pi)測定參照潘曉華等〔14〕的方法。取玉米第三片葉0.5 g，加入5 mL(1 mL 10%TCA+4 mL蒸餾水)提取液，用酸洗石英砂碾磨，4層紗布過濾，3500×g離心10 min，吸取0.1 mL上清液于試管中，再加入0.4 mL蒸餾水，1.5 mL磷試劑(6 mol/L硫酸 ∶蒸餾水 ∶2.5%鉬酸銨水溶液 ∶1%抗壞血酸=1 ∶4 ∶2 ∶2配制)。45℃溫浴30 min，于660 nm處比色。

根和地上部全磷測定，采用硫酸-高氯酸消化，鉬銻抗比色法測定。

根系分泌APase活性的測定〔9〕：取生長一致的玉米幼苗2株(第1次取樣)或1株(第2、3次取樣)，將其根系放入盛有50 mL(第1次)或100 mL(第2、3次)由0.1 mol/L 醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(pH=5.8)為溶劑的0.1 g/L 對硝基苯磷酸二鈉酶反應(yīng)液中，反應(yīng)瓶外裹有黑塑料袋，在黑暗條件下，25℃處理60 min后，取出幼苗并向反應(yīng)液中加入1 mL 1 mol/L NaOH溶液終止酶促反應(yīng)，于405 nm下比色測定酶活性。酶活性以單位時間內(nèi)單位重量的根水解對硝基苯磷酸二鈉生成的對硝基苯酚的量來表示[μmol/(g·h), FW]。

葉片中APase活性的測定參考林啟美等〔15〕的方法，鮮葉用蒸餾水洗凈吸干后，用直徑0.6 cm的打孔器取6個葉餅立即放入含5 mL(pH為5.8)50 mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液和5 mL 5 mmol/L的P-NPP(對硝基苯磷酸二鈉)中。30℃下恒溫培養(yǎng)箱中保持30 min，加入1 mL 1 mol/L NaOH溶液終止反應(yīng)，405 nm下比色。同時做空白對照，即在加入葉片前加入1 mL 1 mol/L NaOH溶液。

根組織中APase活性的測定采用勻漿法〔9〕，取部分鮮根洗凈吸干稱重后，充分剪碎，混勻，加入2 mL pH 5.8的50 mmol/L醋酸-醋酸鈉緩沖液在研缽中研磨成漿，再加入3 mL醋酸-醋酸鈉緩沖液將其物質(zhì)全都洗入離心管中，在0℃，轉(zhuǎn)速為9000 r/min的條件下，離心30 min，取200 μL上清液于培養(yǎng)皿中加入5 mL 5 mmol/L對硝基苯磷酸二鈉置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中，保持30 min，取出后加1 mL 1 mol/L NaOH溶液終止反應(yīng)，于405 nm下比色，測定APase活性，同時做空白試驗(yàn)。酶活性以單位時間內(nèi)單位質(zhì)量的根生成的對硝基苯酚(PNP) 的量來表示[μmol/(g·min), FW]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

為了消除不同基因型間固有的個體差異，各玉米自交系之間的比較采用相對值。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel和SPSS 14.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 缺磷對玉米幼苗生長的影響

苗情調(diào)查發(fā)現(xiàn)，缺磷處理3 d，各自交系均未出現(xiàn)缺磷癥狀，與對照相比，植株生長較正常；缺磷處理8 d，敏感自交系99152S和99270S出現(xiàn)葉片發(fā)紫的缺磷癥狀；缺磷處理12 d，兩個敏感自交系缺磷癥狀加重，植株生長矮小，耐低磷自交系未出現(xiàn)葉片發(fā)紫的缺磷癥狀或缺磷癥狀很輕(99327T)，但與對照相比，植株生長也稍緩慢。與正常磷處理相比，缺磷處理促進(jìn)玉米根系生長，使根系變細(xì)變長。

由表1可知，缺磷處理3 d，各玉米自交系地上部、根及根冠比受影響均不明顯，從相對比值看，也不存在基因型差異。隨著缺磷處理時間延長，各自交系相對地上部干重逐漸減小，而相對根干重呈增加趨勢，尤其在缺磷處理12 d后，各自交系地上部干重低于正常磷處理，但根干重均明顯高于正常磷處理，說明玉米根系最先感受到缺磷脅迫，并有較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力，把地上部較多的光合產(chǎn)物分配到根系中去，以保證根系生長，增大根系體積，吸收更多的磷來滿足植株生長需要。多重比較發(fā)現(xiàn)，耐低磷自交系99186T、99184T、99327T根干重增加幅度較大，而敏感自交系99152S增加幅度較小。

從根冠比看，正常磷處理時，隨著玉米植株的生長，根冠比減小；低磷處理時，隨著脅迫時間的延長，根冠比呈增大趨勢，低磷處理12 d 各自交系根冠比大于低磷處理8 d時的根冠比。缺磷使各自交系根冠比增加，但不同自交系增加幅度不同，缺磷處理8 d，相對根冠比以99270S、 99186T較大，99152S最小，其他四個自交系介于它們之間且差異不顯著；缺磷處理12 d時， 相對根冠比以99184T、 99186T最大，99327T最小?？梢姡绷讜r不同耐低磷玉米自交系在根冠比上的表現(xiàn)與耐低磷能力沒有明顯相關(guān)。這與張可煒等〔16〕、劉淵等〔17〕的研究結(jié)果相似，缺磷處理時根冠比增大可能是作物適應(yīng)低磷逆境的一種主動適應(yīng)機(jī)制，但不能作為磷效率的評價標(biāo)準(zhǔn)。有些耐低磷自交系，如99327T在缺磷時雖然根干重有所增加，但由于地上部受影響較小，生物量較大，表現(xiàn)為根冠比增加幅度??；低磷敏感自交系99152S缺磷時根干重增加最少，但由于地上部受影響更大，因此根冠比較大。

2.2 缺磷對玉米磷吸收和利用效率的影響

植株P(guān)累積量與供磷水平密切相關(guān)，缺磷處理時玉米植株P(guān)累積量明顯低于正常磷處理時植株P(guān)累積量，隨著缺磷時間的延長，相對P累積量下降，說明植株P(guān)累積量受缺磷影響程度增加(見表2)。從相對值看，低磷處理8 d，99239T、99180T和99184T植株相對磷累積量較高；低磷處理12 d，99239T、99180T和99327T植株相對磷累積量較高。說明低磷條件下，這幾個耐低磷自交系磷吸收效率仍較高。敏感自交系99152S、99270S和耐低磷自交系99186T受低磷脅迫時植株相對磷累積量始終較低，表明磷吸收效率低。

磷利用效率是指單位磷產(chǎn)生的干物重的多少。表2結(jié)果表明，在缺磷逆境中不同基因型玉米在磷利用效率上都有一定的適應(yīng)能力，隨著缺磷時間的延長，各玉米自交系的磷利用效率均不同程度地持續(xù)升高。從相對磷利用率比較，缺磷時99186T相對磷利用率最高，表明缺磷時這個自交系磷利用效率最高，99184T次之。

2.3 缺磷對玉米葉片無機(jī)磷(Pi)含量的影響

表2 不同磷處理對玉米磷累積量和利用效率的影響Table 2 Effects of P treatments on P uptake and P use efficiency of 7 maize inbreds

注(Note): 數(shù)值后不同字母表示同一處理不同品種間在0.05水平差異顯著 Values followed by different lowercase letters are significantly different among cultivars in the same treatment at 0.05 level.

2.4 缺磷對玉米根系分泌酸性磷酸酶的影響

從圖1和表4可看出，缺磷處理后各玉米自交系根系分泌APase活性均明顯高于正常磷處理。隨著缺磷處理時間的延長(3 d→8 d→12 d)，根系分泌APase活性持續(xù)增加，且不同自交系A(chǔ)Pase活性增加幅度不同(見表4)。缺磷處理3d，99184T和99180T的APase活性最高，99327T其次，99152S和99270S的APase活性較低。以相對值比較，99184T、99327T的APase活性升高幅度較大，分別是正常磷處理的1.67、1.58倍。缺磷處理8 d，99180T的APase活性最高，其次是99184T、99327T和99270S，99152S的APase活性最低，其相對APase活性也最小。缺磷處理12 d，99184T、 99270S、 99327T、 99186T的APase活性較高。相對值比較，99184T的相對APase活性最高，缺磷處理是正常磷處理的3.99倍；其次是99186T。有機(jī)磷是土壤磷素的重要組成部分[3]，而酸性磷酸酶可以促進(jìn)土壤有機(jī)磷的水解，因此根系分泌酸性磷酸酶活性的增加對提高土壤磷的生物有效性具有非常重要的意義。缺磷脅迫后耐低磷自交系99184T、 99186T根系分泌APase活性升高幅度較大，表明這兩個自交系在缺磷土壤中可能具有較強(qiáng)的利用有機(jī)磷的能力。其余3個耐低磷自交系未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

圖1 不同處理時間玉米根系分泌的APase活性差異Fig.1 Activity differences of APase secreted from root at different treatment days表4 根系分泌酸性磷酸酶活性相對值 (-P/+P比值)Table 4 Relative activity of APase secreted by maize roots

自交系Inbred3d8d12d99180T1.23±0.16b1.91±0.01a2.11±0.20c99239T1.15±0.09b1.72±0.05a2.16±0.28c99186T1.20±0.04b1.77±0.11a3.17±0.12b99327T1.58±0.09a1.94±0.12a2.22±0.11c99184T1.67±0.02a1.59±0.19a3.99±0.39a99152S1.22±0.12b1.11±0.06b1.79±0.20c99270S1.07±0.09b1.87±0.11a2.26±0.19c

注(Note): 同列數(shù)值后不同字母表示不同品種間在0.05水平差異顯著Values followed by different lowercase letters in a column are significantly different among cultivars at 0.05 level.

2.5 缺磷對玉米根組織內(nèi)酸性磷酸酶活性的影響

缺磷處理12 d，各玉米自交系根組織內(nèi)APase活性均升高，但不同自交系升高幅度存在差異。敏感自交系99152S升高幅度最小，缺磷處理僅為正常磷處理的1.02倍；耐低磷自交系99186T和99184T根組織中APase活性升高幅度最大，為正常磷處理的1.32倍左右 (表5)。此時各自交系根組織中相對APase活性與根系分泌APase活性(表4)相關(guān)系數(shù)r=0.755*，在0.05水平上顯著相關(guān)，推測根系分泌APase活性與根組織中APase活性有關(guān)。

表5 不同玉米自交系缺磷處理12 d根組織內(nèi) 酸性磷酸酶活性差異 [μmol/(g·min), FW]Table 5 Genotypic difference of root APase activities under low-P stress for 12 days

注(Note): 同列數(shù)值后不同字母表示不同品種間在0.05水平差異顯著 Values followed by different lowercase letters in a column are significantly different among cultivars at 0.05 level.

2.6 缺磷對玉米葉片酸性磷酸酶活性的影響

與正常磷處理相比，缺磷條件下各玉米自交系葉片APase活性均有升高趨勢，從相對值看，缺磷處理3 d到12 d，隨著缺磷處理時間的延長，酶活性升高幅度增大(表6)。缺磷處理3 d, 除99184T外，大部分玉米自交系葉片APase活性與正常磷條件下的APase活性差異不明顯。缺磷處理8 d，各玉米自交系葉片APase活性增加，并表現(xiàn)出顯著的基因型差異，以相對值比較，耐低磷自交系99184T和99239T的升高幅度最大，其次是99327T和99186T，99180T、99270S和99152S的升高幅度較小。缺磷處理12 d, 各玉米自交系葉片APase活性仍繼續(xù)增加，99239T相對APase活性最高，99184T、99327T和99186T次之，敏感自交系99270S和99152S的相對APase活性均較低。葉片相對APase活性的差異，是否表明缺磷條件下不同玉米自交系利用自身有機(jī)磷的能力存在明顯差異？苗情調(diào)查發(fā)現(xiàn)，缺磷處理8d，敏感自交系99152S和99270S已開始出現(xiàn)葉片發(fā)紫的缺磷癥狀，缺磷處理12 d，這兩個自交系缺磷癥狀已較嚴(yán)重，但葉片酶活性升高幅度小于耐低磷自交系，可能表明其利用自身有機(jī)磷的能力較差。耐低磷自交系葉片未出現(xiàn)缺磷癥狀，植株生長雖受缺磷影響，但影響程度相對較小，是否與其通過自身調(diào)節(jié)，提高葉片APase活性，加快磷的重復(fù)利用，提高磷的利用效率有關(guān)？

2.7 酸性磷酸酶活性與葉片無機(jī)磷含量、植株磷吸收和利用效率的關(guān)系

從表7結(jié)果可知，磷處理3 d、8 d，玉米根系分泌APase活性與植株磷累積量顯著正相關(guān)，12 d時相關(guān)性不顯著，以相對值比較，缺磷處理3 d時根系分泌APase活性與植株磷累積量顯著負(fù)相關(guān)，8 d和12 d時均未達(dá)顯著水平。根系分泌APase活性與磷利用效率相關(guān)性在缺磷處理12 d時呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7392*。缺磷處理12 d，玉米根組織中APase活性與磷累積量相關(guān)不顯著，與P利用率呈顯著正相關(guān)(r=0.7765*)。缺磷處理3 d、8 d、12 d，玉米自交系葉片中相對APase活性與葉片中相對無機(jī)磷(Pi)含量相關(guān)系數(shù)分別為0.8980**、0.7138*和0.7096*，均呈極顯著或顯著正相關(guān)。不管在正常磷還是缺磷條件下，葉片中APase活性與磷累積量、磷利用率均不顯著相關(guān)。

表7 不同供磷水平下不同組織中酸性磷酸酶活性與植株磷積累量、葉片無機(jī)磷含量和磷利用率的相關(guān)性Table 7 Correlation of APase activities from different tissues of maize with plant P uptake, P use efficiency and leaf inorganic P concentration under different P levels

注(Note): *—P<0.05; **—P<0.01.

3 討論

植物根系是活躍的吸收和合成器官，也是植物最先感受并傳導(dǎo)養(yǎng)分脅迫信號的部位，植物感受這一逆境信號后就會作出相應(yīng)的反應(yīng)，例如改變根系形態(tài)和分布、提高根系活力、根系特異性分泌物的形成和分泌以及誘導(dǎo)某些酶及蛋白活性的變化等，以提高植物在缺磷環(huán)境中對磷素的吸收和利用[18-20]。本研究結(jié)果表明，缺磷脅迫促使玉米根系變長變細(xì)，根干重、根冠比增加，隨著缺磷處理時間延長，根干重、根冠比增加幅度增大。耐低磷自交系99180T、99327T、99184T根系較大，根系適應(yīng)性較強(qiáng)，缺磷時相對根干重較大。99186T根系較小，但也表現(xiàn)出良好的根系適應(yīng)性，缺磷時相對根干重、相對根冠比較大。敏感自交系99152S根系小、適應(yīng)性差，不管在正常磷還是低磷條件下，根干重均明顯小于其它自交系；從變化的幅度來看，低磷處理初期根冠比增加幅度較小，后期增加幅度大，說明與其它自交系相比，99152S缺磷脅迫初期，同化產(chǎn)物向根系的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較差，脅迫后期，缺磷對其地上部的影響遠(yuǎn)大于對根系的影響導(dǎo)致根冠比增大。敏感自交系99270S受缺磷影響時根冠比、根干重增加幅度較大，地上部受低磷影響同樣較大，說明缺磷脅迫時其根系生長適應(yīng)能力較強(qiáng)，可能其它原因?qū)е缕淠偷土啄芰^差，這還有待進(jìn)一步研究。

從礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)的角度看，作物磷高效是通過營養(yǎng)吸收利用效率來實(shí)現(xiàn)的。對于不同的磷高效基因型來講，磷效率的兩個構(gòu)成因素哪個更重要，具體原因如何，尚無統(tǒng)一報道。有人認(rèn)為磷高效基因型兼?zhèn)涓叩牧孜招屎土桌眯蔥21]；有人認(rèn)為能更好地利用吸收的磷產(chǎn)生干物質(zhì)是造成磷效率差異的主要原因[22]。筆者前期通過大量土培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較強(qiáng)的磷吸收能力是導(dǎo)致玉米自交系磷高效的主要原因[13]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，耐低磷自交系99239T、99180T和99327T磷吸收效率均較高，99186T和99184T磷利用效率高；兩個敏感自交系吸收和利用效率均較低。本次試驗(yàn)采用營養(yǎng)液培養(yǎng)方法，采用可溶性無機(jī)磷源，由于培養(yǎng)介質(zhì)不同，玉米的磷吸收利用效率表現(xiàn)與土培試驗(yàn)不完全一致。如99186T、99184T在低磷條件下根系分泌APase活性升高幅度較大，可能這兩個自交系在缺磷土壤中具有較強(qiáng)的利用有機(jī)磷的能力，由于營養(yǎng)液培養(yǎng)中無有機(jī)磷，因此，這方面優(yōu)勢得不到發(fā)揮。

植株根系分泌的酸性磷酸酶活性高低直接關(guān)系著介質(zhì)中有機(jī)磷有效性的大小，根系分泌酸性磷酸酶活性升高被認(rèn)為是植物適應(yīng)低磷脅迫的一個適應(yīng)性機(jī)制。以往的研究結(jié)果也表明在受到低磷脅迫時，花生[23]、甜菜[24]、落葉松[25]等植物根系分泌的酸性磷酸酶活性增加。但對于根系分泌酸性磷酸酶活性的高低與植物對缺磷脅迫的耐性之間是否有明確的相關(guān)關(guān)系，仍存在爭議。孫海國和張福鎖〔26〕提出，苗期小麥完整根系分泌的酸性磷酸酶活性可作為有效篩選磷高效小麥的一個生理指標(biāo)。而Mclanchlan提出缺磷脅迫下小麥根系分泌酸性磷酸酶活性的高低與小麥磷效率之間沒有明確的相關(guān)性〔27〕。Marschner等〔28〕和George等〔29〕的研究表明，根系分泌的酸性磷酸酶活性有利于土壤有機(jī)磷的利用和吸收，但并不能解釋植物的磷營養(yǎng)。本研究結(jié)果表明，缺磷促使玉米根系分泌的APase活性升高，隨脅迫時間延長，酶活性升高幅度增加。不同自交系A(chǔ)Pase活性增加幅度不同，但增加幅度的高低與玉米耐低磷能力并不完全相關(guān)。低磷脅迫下，耐低磷自交系99184T和99186T根系分泌APase活性升高幅度較大，其余3個耐低磷自交系未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。這也更加說明了玉米耐低磷機(jī)制的復(fù)雜性，有些自交系通過根系分泌APase來提高耐低磷能力，有些自交系不是。

對于根系分泌APase活性與磷吸收、利用效率的關(guān)系，前人也作了一些研究，得到的結(jié)論并不相同。如Mclachlan等[11]提出小麥根系分泌的酸性磷酸酶活性與吸磷量呈顯著負(fù)相關(guān)。Zhang等〔12〕報道缺磷條件下油菜根系分泌的酸性磷酸酶活性與磷吸收效率不直接相關(guān)。本研究分析了玉米根系分泌APase活性與磷吸收、利用效率的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，缺磷處理3 d、8 d，玉米根系分泌APase活性與磷累積量顯著正相關(guān)，而12 d時相關(guān)性不顯著。根系分泌APase活性與磷利用效率在缺磷處理12 d時達(dá)顯著正相關(guān)。因此，相關(guān)關(guān)系并不穩(wěn)定。究其原因有兩方面，一是玉米根系分泌APase活性因脅迫時間、生長時間而異；二是缺磷條件誘導(dǎo)了玉米根系分泌的酸性磷酸酶活性升高，由于介質(zhì)中沒有有機(jī)磷源，分泌的APase發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，植物不能從介質(zhì)中吸收有機(jī)磷素，因此導(dǎo)致根系分泌的酸性磷酸酶與植株體內(nèi)磷累積量之間不能維持顯著的相關(guān)性。

低磷誘導(dǎo)玉米自交系葉片APase活性升高，隨著缺磷處理時間延長葉片APase活性升高幅度增大。不同自交系反應(yīng)不同。總體來看，耐低磷自交系葉片APase活性升高幅度較大，尤其是99184T，受缺磷脅迫后APase活性顯著升高，表明其對低磷反應(yīng)快，對體內(nèi)有機(jī)磷的再利用能力較強(qiáng)，其它耐低磷自交系，缺磷處理8 d到12 d時葉片APase活性也明顯升高。敏感自交系99270S和99152S，在缺磷處理8 d到12 d時，已出現(xiàn)葉片發(fā)紫的缺磷癥狀，但其葉片酶活性升高幅度明顯低于耐低磷自交系，表明其利用自身有機(jī)磷的能力較差。葉片APase活性與玉米耐低磷能力有較好的一致性，葉片APase活性與玉米耐低磷指數(shù)(植株干重與缺磷癥狀的加權(quán)平均值)相關(guān)系數(shù)0.8495**，極顯著正相關(guān)。與磷吸收、利用效率不顯著相關(guān)，因?yàn)樗鄺l件下并不是所有的耐低磷玉米自交系都表現(xiàn)為磷吸收效率高或磷利用效率高，而是有的耐低磷自交系表現(xiàn)為磷吸收效率高，有的自交系磷利用效率高，所以吸收、利用效率與耐低磷能力也并不顯著相關(guān)。玉米自交系葉片APase活性與磷吸收和利用效率的關(guān)系需在土培條件下進(jìn)一步驗(yàn)證。對于葉片APase活性與磷效率之間關(guān)系的研究報道也不一致，Yan等〔30〕利用2個大豆親本及其重組自交系研究葉片酸性磷酸酶活性與磷吸收和利用效率的關(guān)系，結(jié)果表明葉片酸性磷酸酶活性與其磷吸收效率和利用效率的相關(guān)性均不顯著。而梁霞等〔31〕、丁宏等〔32〕對不同基因型大豆的研究表明，在低磷脅迫條件下，葉片酸性磷酸酶活性與植株干重、全磷含量及產(chǎn)量呈顯著相關(guān)，葉片酸性磷酸酶活性可以作為評價磷效率的指標(biāo)。不同研究者得到的試驗(yàn)結(jié)果存在差異，原因可能是由于試驗(yàn)材料的不同，植物生長環(huán)境的不同，低磷處理時間的不同造成。

植株體內(nèi)的酸性磷酸酶具有將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷的能力，因此在缺磷條件下，葉片酸性磷酸酶活性的增高理論上會造成植株體內(nèi)的無機(jī)磷含量的增高。本研究也發(fā)現(xiàn)，缺磷條件下玉米自交系葉片中相對APase活性與葉片中相對無機(jī)磷(Pi)含量顯著正相關(guān)。但葉片酸性磷酸酶活性的變化與無機(jī)磷濃度的變化并不同步，缺磷處理3 d，葉片無機(jī)磷(Pi)含量已明顯下降，但大多數(shù)自交系葉片APase活性升高不明顯，隨著缺磷處理時間的延長，葉片APase活性升高幅度增大。

[1] 張寶貴, 李貴桐. 土壤生物在土壤磷有效化中的作用[J]. 土壤學(xué)報, 1998, 35(1): 104-111. Zhang B G，Li G T. Roles of soil organisms on the enhancement of plant availability of soil phosphorus[J]. Acta Pedologica Sinica, 1998, 35(1): 104-111.

[2] Lynch J P. Roots of the second green revolution[J]. Australian Journal of Botany, 2007, 55: 1-20.

[3] Dalal R C. Soil organic phosphorus[J]. Advances in Agronomy, 1977, 29: 83-117.

[4] Asmar F, Gahoonia T S, Nielsen N E. Barley genotypes differ in activity of soluble extracellular phosphatase and depletion of organic phosphorus in the rhizosphere soil[J]. Plant and Soil, 1995,172: 117-122.

[5] Helal H M. Varietal differences in root phosphatase activity as related to the utilization of organic phosphates[J]. Plant and Soil, 1990,123: 161-163.

[6] Ma X F, Wright E, Ge Y Xetal. Improving phosphorus acquisition of white clover (TrifoliumrepensL.) by transgenic expression of plant-derived phytase and acid phosphatase genes[J]. Plant Science, 2009, 176: 479-488.

[7] Ma X F, Tudor S, Wang Z Y. Transgenic expression of phytase and acid phosphatase genes in alfalfa (Medicagosativa) leads to improved phosphate uptake in natural soils[J]. Molecular Breeding, 2012, 30(1): 377-391.

[8] 石磊, 梁宏玲, 徐芳森, 王運(yùn)華. 甘藍(lán)型油菜幼苗體內(nèi)磷組分差異與磷高效關(guān)系的研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2008, 14(2): 351- 356. Shi L, Liang H L, Xu F S, Wang Y H. Genotypic variation in phosphorus fractions and its relation phosphorus efficiency in seedlings ofBrassicanapusL[J]．Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(2): 351- 356.

[9] Liu Y, Mi G H, Chen F Jetal. Rhizosphere effect and root growth of two maize (ZeamaysL.) genotypes with contrasting P efficiency at low P availability[J]. Plant Science, 2004, 167: 217-223.

[10] 李鋒, 李木英, 潘曉華, 朱安繁. 不同水稻品種幼苗適應(yīng)低磷脅迫的根系生理生化特性[J]. 中國水稻科學(xué), 2004, 18(1): 48-52. Li F, Li M Y, Pan X H, Zhu A F. Biochemical and physiological characteristics in seedlings roots of different rice cultivars under low-phosphorus stress[J]. Chinese Journal of Rice Science， 2004, 18(1): 48-52.

[11] Mclachlan K D．Acidphosphatase activity of intact root sandphosphorus nutrition in plants. 2 variations among wheat roots[J]．Australian Journal of Agricultural Research, 1980, 31(3): 441-448．

[12] Zhang H W, Huang Y, Ye X S, Xu F S. Analysis of the contribution of acid phosphatase to P efficiency inBrassicanapusunder low phosphorus stress[J]. Plant and Soil, 2009, 320: 91-102.

[13] Zhang L M, He L Y, Li J S, Xu S Z. Phosphorus nutrient characteristics of different maize (ZeamaysL.) inbreds for tolerance to low-P stress[J]. Agricultural Sciences in China, 2005, 4(1): 101-105.

[14] 潘曉華，劉水英，李 鋒，李木英．低磷脅迫對不同水稻品種幼苗光合作用的影響[J]．作物學(xué)報，2003，29(5)：770-774. Pan X H, Liu S Y, Li F, Li M Y. Effect of low phosphorus stress on leaf photosynthesis in the seedlings of different rice (OryzasativaL.) cultivars[J]. Acta Agronomica Sinica, 2003, 29(5): 770-774.

[15] 林啟美, 黃德明. 應(yīng)用酸性磷酸酶進(jìn)行番茄磷素診斷[J]. 華北農(nóng)學(xué)報, 1991, 6(2): 78-83. Lin Q M, Huang D M. Evaluation of an acid phosphatase assay for detection of phosphorus deficiency in tomato leaves[J]. Acta Agriculturae Boreali Sinica, 1991, 6(2): 78-83.

[16] 張可煒, 李坤朋, 劉治剛, 張舉仁. 磷水平對不同基因型玉米苗期磷吸收利用的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2007, 13(5): 795-801. Zhang K W, Li K P, Liu Z G，Zhang J R. Effect of phosphorus level on phosphorus absorption and utilization of different genotype maize seedlings[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(5): 795-801.

[17] 劉淵, 李喜煥, 孫星, 張彩英. 磷脅迫下大豆酸性磷酸酶活性變化及磷效率基因型差異分析[J]. 植物遺傳資源學(xué)報, 2012, 13(4): 521-528. Liu Y, Li X H, Sun X, Zhang C Y. Variation of acid phosphatase activity and analysis of genotypic difference in P efficiency of Soybean under phosphorus stress[J]. Journal of Plant Genetic Resources, 2012, 13(4): 521-528.

[18] Gaume A, M?chler F, Leòn C Detal. Low-P tolerance by maize genotypes: significance of root growth, and organic acids and acid phosphatase root exudation[J]. Plant and Soil, 2001, 228: 253-264.

[19] MacDonald G K, Bennett E M, Potter P A. Ramankutty N. Agronomic phosphorus imbalances across the world’s croplands[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011, 108: 3086-3091.

[20] 李濤, 曹翠玲, 田霄鴻, 胡景江. 低磷脅迫下熊貓豆側(cè)根增多的生理機(jī)制研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013,19(4): 926-933. Li T, Cao C L, Tian X H, Hu J J. Physiological mechanism of increasing lateral roots of Pha seolus coccineus L. under P deficiency[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013,19(4): 926-933.

[21] Horst W J, Abdou M, Wiesler F. Genotypic difference in phosphorus efficiency in wheat[J]. Plant and Soil, 1993, 155/156: 293-296

[22] Gardiner D T and Christen N W. Characterization of phosphorus efficiencies of two winter wheat cultivars[J]. Soil Science Society of America Journal, 1990, 54: 1337-1340.

[23] 魏志強(qiáng), 史衍璽, 孔凡美．缺磷脅迫對花生磷酸酶活性的影響[J]. 中國油料作物學(xué)報, 2002, 24(3): 44-46. Wei Z Q, Shi Y X, Kong F M. The effect of phosphorus deficiency stress on acid phosphatase in peanut[J]. Chinese Journal of Oil Crop Science, 2002, 24(3): 44-46.

[24] 周建朝, 韓曉日, 奚紅光. 磷營養(yǎng)水平對不同基因型甜菜根磷酸酶活性的效應(yīng)[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2006, 12(2): 233-239. Zhou J C, Han X R, Xi H G. Effects of phosphorus rate on root phosphatase activities of different sugar beet genotypes[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12(2): 233-239

[25] 陳永亮，李修嶺，周曉燕．低磷脅迫對落葉松幼苗生長及根系酸性磷酸酶活性的影響[J]．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2006, 28(6): 46-50. Chen Y L, Li X L, Zhou X Y．Effects of phosphate deficiency on the grow th and acid phosphatase activity ofLarixgmeliniiseedlings[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2006, 28(6): 46-50

[26] 孫海國，張福鎖．缺磷條件下的小麥根系酸性磷酸酶活性研究[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2002, 13(3): 379-381. Sun H G, Zhang F S. Effect of phosphorus deficiency on activity of acid phosphatase exuded by wheat roots[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2002, 13(3): 379-381.

[27] Mclanchlan K D. Acid phosphatase activity of intact roots and phosphorus nutrition in plants.Ⅰ. Assay conditions and phosphatase activity[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1980, 31: 429-440.

[28] Marschner P，Solaiman Z，Rengel Z．Brassica genotypes differ in growth，phosphorus uptake and rhizosphere properties under P-limiting conditions[J]．Soil Biology & Biochemistry, 2007, 39: 87-98.

[29] George T S, Gregoryb P J, Hockinga P, Richardsona A E. Variation in root-associated phosphatase activities in wheat contributes to the utilization of organic P substrates in vitro，but does not explain differences in the P-nutrition of plants when grown in soils[J]. Environmental and Experimental Botany, 2008, 64: 239-249.

[30] Yan X，Liao H，Trull M Cetal．Induction of a major leaf acid phosphatase does not confer adaptation to low P availability in common bean[J]．Plant Physiology, 2001, 125: 1901-1911.

[31] 梁霞，劉愛琴，馬祥慶，等．磷脅迫對不同杉木無性系酸性磷酸酶活性的影響[J]．植物生態(tài)學(xué)報， 2005， 29(1)： 54-59. Liang X, Liu A Q, Ma X Qetal. The effect of phosphorus deficiency stress on activities of acid phosphatase in different clones of Chinese fir[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2005， 29(1)： 54-59.

[32] 丁洪，李生秀．酸性磷酸酶活性與大豆耐低磷能力的相關(guān)研究[J]．植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 1997, 3(2): 123-128. Ding H, Li S X. Study on correlation between acid phosphatase activity and low phosphorus tolerance of soybean[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1997， 3(2)： 123-128.

Effects of phosphate deficiency on acid phosphatase activities of different maize genotypes tolerant to low-p stress

ZHANG Li-mei, GUO Zai-hua, ZHANG Lin, HE Li-yuan

(CollegeofResourcesandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

【Objectives】Acid phosphatases affects P acquisition and use efficiency of crops. In this study, seven maize inbred lines (five low-P tolerant and two low-P sensitive maize genotypes) were used to study their differences in acid phosphatase(APase)activities in maize leaves, root tissue and root exudation under low P stress, and to discuss relationship between the APase activities and P efficiency. These results may explain the physiological mechanism of low phosphorus tolerance in maize.【Methods】 A hydroponic experiment were designed in two P levels and used five low-P tolerant (99180T, 99239T, 99186T, 99327T and 99184T) and two low-P sensitive (99152S and 99270S) maize genotypes as materials. We determined the shoot dry weight, root dry weight, P accumulation in root and shoot, inorganic P content in leaves, APase in leaves and root exudation under the phosphorus deficiency treatments after 3 d, 8 d and 12 d, and APase in root was analyzed under the phosphorus deficiency treatments after 12d. 【Results】 1)The shoot dry weight was decreased, the root dry weight and root-shoot ratio of maize are significantly increased in the low-P tolerant maize genotypes with elongated treated time from 3 d to 8 d and 12 d in the low-P stress treatment. 2) There are significant differences in P uptakes and utilization efficiencies among different maize genotypes. Three low-P tolerant inbreds of 99239T, 99180T and 99327T have high uptake efficiency and 99186T and 99184T have high P-utilization efficiency, while both the P-sensitive inbreds 99152S and 99270S have low P-uptake and utilization efficiency. 3) The inorganic phosphorus (Pi) contents in leaves of maize are decreased significantly under the low-P stress, but the decreases in the low-P tolerant inbreds 99184T, 99327T and 99239T are less than in 99186T and 99184T under the low P, and the relative Pi contents in the leaves of the former three ones are higher than the latter two. 4) The APase activities in root exudation are increased in the low P level, and the activities in root exudation of the low-P tolerant inbreds, 99184T and 99186T, are higher than in other inbreds. The activities of root secreted APase are positively correlated with the P uptake efficiencies at the 3 and 8 d of low-P stress, and positively correlated with the P utilization efficiencies at the 12 d of low-P stress. These results indicate there are no significant correlations between the APase activities of root secreted and the P uptake and utilization efficiencies. 5) On the 12th day under low-P stress, changes of the root APase activities are consistent with root exudates in all the maize inbreds with the correlation coefficientr=0.755(P<0.05). 6) Compared with the normal P treatment, the APase activities in leaves are significantly increased under the low-P treatment, and there are significant differences among seven maize inbreds. The increases of the APase activities in leaves are in order of 99184T and 99239T > 99327T and 99186T > 99180T, 99270S and 99152S after 8 d under the low-P stress. The APase activities in leaves of all maize inbreds are gradually increased after 12 d under the low-P stress, and the APase activities of 99239T, 99184T, 99327T and 99186T are higher than those of 99270S and 99152S. The APase activities in leaves of maize show no significant correlation with the P uptake and utilization efficiency. There is a significant positive correlation between the APase activity and the relative Pi content in leaves of maize under the P deficient condition. 【Conclusions】 The APase activities in leaves, roots and root exudation of all the tested inbreds are increased in response to the P deficiency. The low-P tolerance are significantly correlated with the APase activities in leaves of maize, but not those in the roots in the low P condition.

maize; phosphate deficiency; acid phosphatase; genotype

2014-04-08 接受日期： 2015-01-28 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2015-05-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40701076)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB946)資助。

張麗梅(1970—)， 女， 浙江蘭溪人， 高級工程師，從事植物逆境生理生態(tài)研究。Tel： 027-87280522，E-mail：lmzhang@mail.hzau.edu.cn

S346+.2； S513

A

1008-505X(2015)04-0898-13