楊松花,石貴陽(yáng),王晶琴,陳 竹

(貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

大豆[Glycinemax(L.) Merr.]含有豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白、不飽和脂肪酸和鈣,是膳食中優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的重要來(lái)源,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,栽培廣泛,是喜磷作物之一。無(wú)機(jī)磷含量在大部分土壤中占有主導(dǎo)地位,其中絕大部分以吸附態(tài)和固體礦物態(tài)存在,導(dǎo)致植物難以吸收利用。土壤全磷含量不低,但可被大豆利用的有效磷含量并不高。有研究表明,在酸性和石灰性土壤中,缺磷更可能成為大豆高產(chǎn)的重要限制因素之一[1]。增加磷肥的施入量是緩解土壤磷與農(nóng)作物生長(zhǎng)矛盾的傳統(tǒng)方法,但磷易被土壤固定,施入土壤的磷肥在酸性環(huán)境土壤中主要以難溶性鐵磷(Fe-P)、鋁磷(Al-P)和閉蓄態(tài)磷(O-P)形式被固定,在堿性土壤中主要以鈣磷(Ca-P)形式被固定,降低磷肥的利用率,不能有效解決作物缺磷問(wèn)題,反而增加了農(nóng)業(yè)成本。另一方面,磷肥被淋洗進(jìn)入水體后,易造成環(huán)境污染,加重環(huán)境污染負(fù)擔(dān)[2]。近年來(lái),為解決作物缺磷的關(guān)鍵問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外研究紛紛致力于挖掘作物自身對(duì)磷的利用潛力和提高土壤中難溶態(tài)磷的生物有效性。

根系分泌物中的有機(jī)酸、磷酸酶等對(duì)活化土壤中的難溶性磷具有重要作用[3]。研究發(fā)現(xiàn),白羽扇豆[4-5]、木豆[6-7]、菜豆[8-9]、紫云英[10]和蠶豆[11]等豆科植物的根系分泌物能提高土壤磷素的有效性,進(jìn)而提高作物對(duì)難溶性磷酸鹽的活化。這主要是因?yàn)槿绷酌{迫能增加豆科植物根系分泌物中有機(jī)酸的分泌量,顯著提高對(duì)難溶性磷的活化效果。楊利寧等[12]的研究發(fā)現(xiàn),缺磷條件下苜蓿根系分泌物對(duì)土壤中難溶性磷的活化效果高于供磷條件下。降低根際pH值,促進(jìn)難溶性磷的溶解,提高磷的生物有效性,是有機(jī)酸活化土壤難溶性磷的機(jī)制之一;有機(jī)酸通過(guò)螯合Fe、Al、Ca等,促進(jìn)難溶性磷酸鹽的溶解,釋放出磷酸根離子,同時(shí),也可以通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)土壤表面吸附位點(diǎn),來(lái)降低土壤對(duì)磷酸根的吸附。研究發(fā)現(xiàn),外加低分子量的有機(jī)酸能促進(jìn)大豆植株磷的吸收積累,活化土壤中難溶性無(wú)機(jī)磷[13]。研究大豆根系分泌物對(duì)土壤中難溶性磷的活化作用,對(duì)如何改善土壤中磷素利用率,增加大豆吸磷量,充分挖掘磷素這一養(yǎng)分庫(kù)以提高大豆產(chǎn)量和品質(zhì),對(duì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?；诖?本試驗(yàn)選擇10種大豆品種,在低磷脅迫條件下收集根系分泌物,測(cè)定有機(jī)酸組分及分泌量,并用分泌物進(jìn)行土壤培養(yǎng),旨在探明大豆根系分泌物對(duì)土壤中難溶性磷的活化效果,為今后篩選磷高效大豆品種、提高土壤中難溶性磷利用率的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試大豆品種為鐵豆40號(hào)(Td)、川豆14(Cd)、黔豆11號(hào)(Qd11)、鐵豐31號(hào)(Tf)、滇86-4(Dd)、矮選(Ax)、晉豆23號(hào)(Jd23)、冀豆12號(hào)(Jd12)、汾豆62號(hào)(Fd)和黔豆7號(hào)(Qd7),供試材料均由課題組老師提供。供試大豆品種的特征如下：鐵豆40號(hào),有限結(jié)莢習(xí)性,百粒重23.8 g,屬中熟品種, 生育期132 d左右;川豆14,直立生長(zhǎng),株形收斂,有限結(jié)莢習(xí)性,百粒重24 g,春播大豆,生育期110 d左右;黔豆11號(hào),有限結(jié)莢習(xí)性,百粒重18～22 g,春播大豆,生育期116.3 d;鐵豐31號(hào),株形收斂,有限結(jié)莢習(xí)性,百粒重18～22 g,屬中晚熟春大豆品種,生育期133 d左右;滇86-4,直立有限結(jié)莢習(xí)性,百粒重19.1 g,中早熟品種,生育期122 d左右;矮選,株形開(kāi)張,百粒重13～15 g,生育期110 d左右;晉豆23號(hào),株形收斂,無(wú)限結(jié)莢習(xí)性,百粒重21.0～23.5 g,春大豆,生育期128～133 d左右;冀豆12號(hào),株形呈塔形,有限結(jié)莢習(xí)性,百粒重22～24 g,黃淮夏中早熟品種,生育期100 d左右;汾豆62號(hào),植株直立,株形開(kāi)張,無(wú)限結(jié)莢習(xí)性,百粒重17 g,屬晚熟品種,生育期139 d;黔豆7號(hào),株形收斂,有限結(jié)莢習(xí)性,百粒重15.9 g,南方春、夏大豆,生育期平均116 d。

供試有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)品為乙酸、乳酸、延胡索酸、檸檬酸、琥珀酸、蘋(píng)果酸、草酸、酒石酸。這8種有機(jī)酸在植物根系分泌物中占有重要比例,其中檸檬酸、蘋(píng)果酸和草酸等的研究報(bào)道較多?；诖?本研究選擇測(cè)定這8種有機(jī)酸,探究低磷脅迫下其分泌量的變化。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)正常供磷的對(duì)照處理(0.5 mmol·L-1KH2PO4,NP)和低磷脅迫處理(0.02 mmol·L-1KH2PO4,LP),每個(gè)處理重復(fù)6次。選取大小均勻的大豆種子,1%次氯酸鈉浸泡5 min后用無(wú)菌水洗凈,避光發(fā)芽。幼苗發(fā)芽后先移入滅菌基質(zhì)中栽培,待子葉展開(kāi)后,移入光照培養(yǎng)箱,營(yíng)養(yǎng)液水培,每小時(shí)向營(yíng)養(yǎng)液通氣15 min,每3 d用0.1 mol·L-1的KOH 或HCl調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH值至5.9～6.0。供試營(yíng)養(yǎng)液配方如下：硝酸鉀1.5 mmol·L-1、硝酸鈣1.2 mmol·L-1、硝酸銨0.4 mmol·L-1、硫酸鉀0.3 mmol·L-1、硫酸鎂0.5 mmol·L-1、氯化鎂0.025 mmol·L-1、硫酸錳0.001 5 mmol·L-1、硫酸銨0.3 mmol·L-1、硫酸鋅0.001 5 mmol·L-1、硫酸銅0.000 5 mmol·L-1、鉬酸銨0.000 15 mmol·L-1、硼酸鈉0.002 5 mmol·L-1、氯化鈷0.000 1 mmol·L-1、EDTA-鐵鹽0.04 mmol·L-1、磷酸二氫鉀0.5 mmol·L-1。缺素處理12 d后收獲植株,測(cè)定根系分泌物中的有機(jī)酸含量,并將分泌物倒入土壤中進(jìn)行培養(yǎng)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 根系分泌物的收集

用去離子水將根系沖洗干凈后,以250 mL的CaCl2(0.5 mmol·L-1)溶液作為收集液,并向收集液中加入3滴百里酚(20 g·L-1)作為微生物抑制劑,將根系浸入收集液中,根部避光培養(yǎng)5 h后,取出根系,所得到的溶液即為根系分泌物收集液,每個(gè)處理重復(fù)6次,3個(gè)用于測(cè)定其組分和含量,另外3個(gè)用于培養(yǎng)土壤試驗(yàn),用濾紙過(guò)濾后移入-20 ℃環(huán)境中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 有機(jī)酸的測(cè)定

使用冷凍干燥機(jī)將根系分泌物收集液濃縮至10 mL,過(guò)0.22 μm濾膜后使用Agilent LC1260型號(hào)高效液相色譜儀測(cè)定有機(jī)酸濃度,并計(jì)算有機(jī)酸分泌量。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：分別準(zhǔn)確稱取色譜純的標(biāo)準(zhǔn)樣品草酸、酒石酸、蘋(píng)果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、延胡索酸、琥珀酸,用超純水配成濃度為200 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)樣品儲(chǔ)備液,過(guò)0.22 μm濾膜后,保存于4 ℃冰箱中備用。將8個(gè)酸的儲(chǔ)備液按0.5∶2.5∶5∶10∶5∶5∶0.05∶10的比例配制成混酸標(biāo)樣,然后再分別稀釋0、2、4、6、8、10倍,以配置標(biāo)準(zhǔn)曲線。

具體色譜條件如下：色譜柱為ZORBAX SB-C18(4.6 mm×250mm 5-Micron);流動(dòng)相為0.01 mol·L-1KH2PO4(pH值1.70)和CH3OH(體積比為97∶3),檢測(cè)波長(zhǎng)為210 nm,流速為0.5 mL·min-1,柱溫25 ℃,進(jìn)樣量為10 μL,采用外標(biāo)法定量。

1.3.3 土壤培養(yǎng)

準(zhǔn)確稱取過(guò)100目篩的風(fēng)干土10 g于小燒杯中,分別加入濃縮后的根系分泌物 10 mL,以加入10 mL 去離子水為對(duì)照。每個(gè)處理重復(fù)3次。于恒溫培養(yǎng)箱(25 ℃)中培養(yǎng) 10 d。

1.3.4 難溶性磷的測(cè)定

用0.5 mol·L-1NH4F提取Al-P;用0.1 mol·L-1NaOH提取Fe-P;用0.3 mol·L-1檸檬酸鈉和連二亞硫酸鈉混合溶液提取O-P;用0.25 mol·L-1H2SO4提取Ca-P。利用不同化學(xué)浸提劑將土壤中的無(wú)機(jī)磷酸鹽逐級(jí)分離后,用鉬銻抗比色法測(cè)定,參考酸性土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)的分級(jí)測(cè)定方法[14]。供試土壤的基本理化性質(zhì)如下：pH值為5.35,有機(jī)質(zhì)含量為16.08 mg·kg-1,有效磷含量為4.1 mg·kg-1,Al-P含量為224 mg·kg-1,Fe-P含量為133.91 mg·kg-1,O-P含量為266.71 mg·kg-1,Ca-P含量為17.89 mg·kg-1。活化率為培養(yǎng)前后磷含量差值與培養(yǎng)前磷含量的比值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用WPS表格軟件整理數(shù)據(jù),用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用Origin 2018軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷脅迫對(duì)大豆根系分泌物中有機(jī)酸含量的影響

對(duì)根系分泌物有機(jī)酸含量進(jìn)行方差分析(表1)發(fā)現(xiàn),不同大豆品種、磷水平以及品種與磷水平之間的交互效應(yīng)對(duì)有機(jī)酸的含量均有影響,不同品種之間的有機(jī)酸含量均達(dá)到極顯著,磷水平對(duì)乙酸、乳酸、延胡索酸、琥珀酸、蘋(píng)果酸和總酸含量的影響達(dá)到極顯著,品種與磷水平間的交互效應(yīng)對(duì)各有機(jī)酸組分和總酸含量的影響均達(dá)到極顯著。上述結(jié)果表明,低磷脅迫影響有機(jī)酸的分泌量。

表1 根系分泌有機(jī)酸含量的雙因素分析

低磷脅迫下不同品種有總機(jī)酸分泌量如圖1所示,與正常供磷相比,Qd11、Ax、Jd12和Fd的總有機(jī)酸分泌量在低磷脅迫下增加,達(dá)到極顯著差異,Jd23達(dá)到顯著差異,其余品種總有機(jī)酸分泌量未增加。低磷脅迫條件下,各品種的總有機(jī)酸分泌量表現(xiàn)為Cd>Jd23>Qd11>Ax>Jd12>Dd>Td>Fd>Tf>Qd7,其中Cd、Jd23、Qd11的分泌量分別為32.996、22.893、17.896 mg·h-1·g-1。

2.2 低磷脅迫不同大豆品種根系分泌物中有機(jī)酸不同組分分泌量的影響

不同磷水平處理的大豆根系分泌物中有機(jī)酸組分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2,不同大豆品種無(wú)論在正常磷或是低磷條件下,均檢測(cè)到乙酸、乳酸、延胡索酸、檸檬酸、琥珀酸、蘋(píng)果酸、草酸和酒石酸共8種有機(jī)酸。低磷脅迫影響了有機(jī)酸的含量,不同大豆品種根系分泌的有機(jī)酸組分在數(shù)量上存在差異,Td、Cd、Qd11、Tf、Dd和Qd7以分泌草酸為主,Ax、Jd23、Jd12和Fd以分泌酒石酸為主。低磷脅迫下,Qd11的檸檬酸、蘋(píng)果酸和草酸的分泌量顯著增加,是正常磷的3.1、2.4和5.3倍,Dd的琥珀酸和草酸的分泌量是正常磷的3.4和2.3倍,Ax的蘋(píng)果酸和酒石酸的分泌量是正常磷的3.2和5.8倍,Jd12的琥珀酸和酒石酸的分泌量是正常磷的2.2和2.5倍。琥珀酸(除了Qd11)和蘋(píng)果酸(除了Td、Cd和Dd)是大多數(shù)品種缺磷處理下有增多趨勢(shì)的有機(jī)酸,從不同大豆品種的琥珀酸分泌量來(lái)看,在低磷條件下,Dd的分泌量最高,為3.030 mg·h-1·g-1,Fd的分泌量低,為0.638 mg·h-1·g-1。從不同基因型大豆蘋(píng)果酸分泌量來(lái)看,Qd7的分泌量最高,為1.047 mg·h-1·g-1,其他各品種分泌的量較少,分泌量在0.082～0.510 mg·h-1·g-1。結(jié)果表明,不同大豆品種分泌的主要有機(jī)酸不同。

表2 不同磷水平下大豆根系有機(jī)酸分泌量

2.3 根系分泌物對(duì)難溶性無(wú)機(jī)磷的活化作用

2.3.1 不同大豆品種根系分泌物對(duì)土壤Al-P的活化效果

各大豆品種根系分泌物對(duì)土壤中難溶性磷有不同程度的活化作用(圖2-A),磷水平對(duì)Al-P活化率的影響不顯著,但品種以及品種與磷水平的交互作用對(duì)Al-P的活化率的影響達(dá)到極顯著水平。蒸餾水(CK)的活化率為11.4%,無(wú)論是正常磷還是低磷脅迫下,各大豆品種根系分泌物對(duì)土壤難溶性Al-P的活化效果均高于CK,其中Td、Cd、Jd23和Fd這4個(gè)品種在低磷處理下收集的根系分泌物對(duì)Al-P的活化效果高于正常供磷處理;低磷處理下,各大豆品種的活化效果表現(xiàn)為Jd23>Jd12>Cd>Qd11>Td>Tf>Ax>Fd>Dd>Qd7,Jd23根系分泌物的活化率達(dá)32.39%;活化效果最弱的是Qd7,活化率為12.55%。上述結(jié)果說(shuō)明,大豆根系分泌物對(duì)土壤中Al-P有活化效果。

圖2 各大豆品種根系分泌物對(duì)Al-P和Fe-P的活化Fig.2 Activation of Al-P and Fe-P by root exudates of soybean varieties

2.3.2 不同大豆品種根系分泌物對(duì)土壤Fe-P的活化效果

不同大豆品種根系分泌物對(duì)Fe-P的活化效果見(jiàn)圖2-B,品種和磷水平及其交互作用對(duì)Fe-P的活化率的影響均達(dá)到極顯著水平。CK的活化率為13.9%,大豆根系分泌物對(duì)土壤難溶性Fe-P活化的同時(shí),也存在吸附作用,各品種的活化效果均不如CK;不同品種間根系分泌物對(duì)Fe-P的活化效果存在顯著性差異,在低磷脅迫下,除了Cd、Tf和Dd,其他品種分泌物的活化效果提高,其中Qd7的活化效果最好,活化率為12.60%,其次是Qd11,活化率為11.81%。

2.3.3 不同大豆品種根系分泌物對(duì)土壤O-P的活化效果

如圖3-A所示,品種和磷水平及其交互作用對(duì)O-P的活化率的影響均達(dá)到極顯著水平。CK對(duì)土壤中O-P的活化率為11.2%,除低磷處理下Cd的活化效果低于CK外,其他處理的各品種根系分泌物對(duì)O-P的活化效果均高于CK。相比正常磷處理,在低磷處理下,除了Cd和Dd外,其他品種的分泌物對(duì)難溶性磷的活化率均有提高,說(shuō)明低磷能促進(jìn)大豆根系分泌物對(duì)土壤O-P的活化作用,其中,Qd11表現(xiàn)最好,極顯著高于正常磷處理,活化率為32.69%,其次是汾豆62號(hào),活化率為28.18%,低磷脅迫下,各大豆品種活化效果表現(xiàn)為Qd11>Fd>Qd7>Tf>Jd23>Dd>Ax>Jd12>Td>Cd。

圖3 各大豆品種根系分泌物對(duì)O-P和Ca-P的活化Fig.3 Activation of O-P and Ca-P by root exudates of soybean genotypes

2.3.4 不同大豆品種根系分泌物對(duì)土壤Ca-P的活化效果

不同品種根系分泌物對(duì)Ca-P的活化效果見(jiàn)圖3-B,品種和磷水平及其交互作用對(duì)Ca-P的活化率的影響均達(dá)到極顯著水平。CK的活化率為19.42%,除了Cd和正常磷處理下的Jd23,其余各大豆品種的分泌物對(duì)Ca-P的活化率均高于CK。低磷處理下,除了Tf和Ax,其他大豆品種分泌物的活化率均高于正常磷處理,說(shuō)明低磷能促進(jìn)大豆根系分泌物對(duì)土壤Ca-P的活化作用?？偟膩?lái)說(shuō),活化效果表現(xiàn)為Qd11>Fd>Dd>Ax>Qd7>Jd12>Jd23>Td>Tf>Cd14,Qd11的活化率為41.73%。

比較不同品種對(duì)于4種難溶性磷的活化效果差異,整體上Ca-P的活化效果最佳,其次是O-P和Al-P,最弱的是Fe-P;大部分品種在低磷處理下的根系分泌物對(duì)土壤難溶性無(wú)機(jī)磷的活化效果要高于正常供磷處理,說(shuō)明低磷脅迫下大豆根系的分泌物對(duì)難溶性磷有一定的活化作用。不同品種大豆對(duì)不同難溶性無(wú)機(jī)磷的活化效果不同,整體來(lái)說(shuō),Qd11和Qd7的根系分泌物對(duì)4種難溶性磷的活化效果較好。

2.3.5 不同大豆品種根系分泌物對(duì)土壤總無(wú)機(jī)磷的活化效果

不同大豆品種根系分泌物對(duì)無(wú)機(jī)磷總含量的活化效果見(jiàn)圖4,無(wú)論在正常磷還是低磷處理,添加大豆分泌物對(duì)土壤中無(wú)機(jī)磷總量的活化有促進(jìn)作用,均減少了無(wú)機(jī)磷在土壤中的含量。相比正常磷處理,在低磷脅迫下,Td、Qd11、Jd23、Fd和Qd7的根系分泌物加入到土壤中后,顯著減少了無(wú)機(jī)磷含量,但Cd、Tf和Dd的無(wú)機(jī)磷含量增加,而Ax和Jd12的無(wú)機(jī)磷總量在培養(yǎng)前后無(wú)顯著差異。

圖4 各大豆根系分泌物培養(yǎng)前后總無(wú)機(jī)磷的變化量Fig.4 Changes of total inorganic phosphorus in soybean root exudates before and after culture

2.4 有機(jī)酸對(duì)土壤中難溶性磷的影響

對(duì)8種有機(jī)酸的分泌量和4種難溶性磷的活化率進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),草酸的分泌量與Ca-P的溶解量有相關(guān)性,P值為0.091,酒石酸的分泌量與Al-P的溶解量有相關(guān)性,P值為0.098,蘋(píng)果酸的分泌量與Fe-P的溶解量達(dá)到顯著相關(guān),P值為0.012,琥珀酸分泌量與鈣磷的溶解量呈顯著正相關(guān),P值為0.023。

3 結(jié)論與討論

磷在土壤中的移動(dòng)性極弱,缺磷是植物生長(zhǎng)的重要限制因子,為了獲取磷,磷高效植物進(jìn)化出了一系列機(jī)制。其中,增加低分子量的有機(jī)酸,如草酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸和酒石酸的分泌,對(duì)改善植物磷營(yíng)養(yǎng)具有十分重要的作用。有機(jī)酸可以與磷酸鐵、磷酸鋁、磷酸鈣等難溶性無(wú)機(jī)磷發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),生成移動(dòng)性強(qiáng)的磷酸二氫根離子,促進(jìn)植物對(duì)難溶性磷的吸收。分泌能力強(qiáng)的植物,可以將25%的光合同化產(chǎn)物以根系分泌物的形式排放到根際,改善根際環(huán)境。本研究表明：無(wú)論是否受到低磷脅迫,所有大豆品種都會(huì)向根系外分泌有機(jī)酸,占其總生物量的2%～15%(圖1)。低磷脅迫下,Qd11、Ax、Jd23、Jd12和Fd的有機(jī)酸分泌量顯著增加,這表明分泌有機(jī)酸是這些品種的重要耐低磷機(jī)制。除了分泌有機(jī)酸外,植物還可以通過(guò)增加根冠比,與菌根共生等機(jī)制改善磷營(yíng)養(yǎng)狀況。在本研究中,與正常供磷處理相比,Cd、Tf、Dd在低磷脅迫下有機(jī)酸分泌量沒(méi)有顯著性差異,而Td和Qd的有機(jī)酸分泌率甚至顯著降低,表明這些品種可能采取其他策略。例如,在土壤容重更低的環(huán)境下,植物可能通過(guò)擴(kuò)大根系體積來(lái)獲取磷,而菌根真菌豐富的環(huán)境下,與菌根共生更有利于植物對(duì)磷的吸收。

在缺磷脅迫下,植物通過(guò)增加低分子量有機(jī)酸的分泌,來(lái)促進(jìn)自身對(duì)土壤中難溶性含磷化合物的利用,改善其體內(nèi)磷營(yíng)養(yǎng)狀況[15]。本研究發(fā)現(xiàn),低磷脅迫對(duì)大豆有機(jī)酸的分泌有影響,這與紫云英[10]、菜豆[8]、大豆[16-17]等豆科植物的研究結(jié)果一致。Qd11在低磷脅迫下,檸檬酸、蘋(píng)果酸和草酸的分泌率顯著增加,分別是正常磷的3.1、2.4和5.3倍。這與張振海等[18]的研究結(jié)果一樣,他指出耐低磷基因型大豆相比敏感型分泌出更多的有機(jī)酸,且差異顯著。王美麗等[19]的研究也發(fā)現(xiàn),大豆在磷脅迫時(shí)草酸的分泌量高于供磷處理。本研究結(jié)果顯示,低磷脅迫下,Ax、Jd23、Jd12和Fd主要增加酒石酸的分泌。田中民等[20]的研究結(jié)果表明,缺磷條件下白羽扇豆根系分泌的有機(jī)酸為蘋(píng)果酸、檸檬酸和反丁烯二酸。束良佐[21]指出,白羽扇豆在低磷條件下形成的排根能大量釋放檸檬酸,以活化土壤中難溶性的磷。秦麗鳳[22]的結(jié)果顯示,低磷脅迫下,木豆根系分泌蘋(píng)果酸。由此可見(jiàn),不同作物或者不同品種根分泌的優(yōu)勢(shì)有機(jī)酸不同。

有機(jī)酸向根際的釋放受有機(jī)酸陰離子蛋白的調(diào)控,缺磷脅迫下根系有機(jī)酸的釋放與植物體內(nèi)有機(jī)酸代謝酶有關(guān),如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、蘋(píng)果酸脫氫酶、檸檬酸合成酶的活性升高,有機(jī)酸分泌主要靠質(zhì)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,如ALMT蛋白負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)蘋(píng)果酸,MATE蛋白負(fù)責(zé)檸檬酸陰離子的分泌[23]。李嬌嬌等[24]對(duì)磷高效大豆的研究表明,低磷脅迫顯著增加三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物蘋(píng)果酸的分泌,并克隆了蘋(píng)果酸轉(zhuǎn)運(yùn)酶GmALMT基因,暗示低磷可能通過(guò)調(diào)控蘋(píng)果酸轉(zhuǎn)運(yùn)子基因的表達(dá)或其蛋白活性來(lái)促進(jìn)蘋(píng)果酸的分泌。草酸在根系中的合成前體可能是檸檬酸或草酰乙酸,但目前沒(méi)有大豆乙醇酸氧化酶或草酰乙酸裂解酶的相關(guān)研究。下一步研究中可以結(jié)合大豆全基因組測(cè)序結(jié)果,探索不同大豆品種有機(jī)酸分泌對(duì)低磷脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制。

不同有機(jī)酸組分對(duì)土壤難溶性磷的活化效果有較大差異。我們的研究表明,草酸與Ca-P的活化量呈正相關(guān)關(guān)系(P=0.091,r=0.423),這與Strom等[32]和劉慧等[33]的研究一致。草酸根能與Ca2+形成草酸鈣沉淀,促使Ca-P的釋放。蘋(píng)果酸與Fe-P(P=0.012,r=0.581)活化量呈正相關(guān)關(guān)系,分泌到土壤中的這些有機(jī)酸可以通過(guò)氫離子的酸效應(yīng)和陰離子的絡(luò)合效應(yīng)來(lái)促進(jìn)磷的活化,且隨著有機(jī)酸濃度增大,其氫離子的酸效應(yīng)和陰離子的絡(luò)合效應(yīng)也增強(qiáng)。但總有機(jī)酸與總無(wú)機(jī)磷活化量之間相關(guān)性較差,出現(xiàn)較多與總體趨勢(shì)不一致的異常品種。例如Tf31和Qd7在低磷處理中總有機(jī)酸分泌量分別為2.67 mg·h-1和2.79 mg·h-1,但他們對(duì)難溶無(wú)機(jī)磷的活化量達(dá)105.02 mg·kg-1和111.80 mg·kg-1,而Cd14在低磷處理中總有機(jī)酸分泌量高,但它對(duì)難溶無(wú)機(jī)磷的活化量?jī)H為61.77 mg·kg-1。這可能有兩方面的原因：一方面,大豆根系能合成磷高效轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GmPHT1,GmPHT1在吸收磷的過(guò)程中,會(huì)與H+-ATPase協(xié)同,促使后者向根系中分泌H+,降低土壤pH值,促進(jìn)難溶磷的溶解;另一方面,Tf31和Qd7可能合成了某些未知的對(duì)難溶磷有很強(qiáng)活化效果的有機(jī)酸。

本研究結(jié)果顯示,貴州本地育成品種Qd11和Qd7受低磷脅迫后,其根系分泌物對(duì)土壤難溶性無(wú)機(jī)磷的活化效果顯著高于正常供磷處理。本實(shí)驗(yàn)所用的土壤為極端貧瘠的貴州黃壤,其有效磷僅為4.1 mg·kg-1,說(shuō)明本地品種對(duì)黃壤具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。