低磷脅迫對(duì)玉米磷吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及IAA和CTK水平與分布的影響.pdf

1、磷素作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，不僅是植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)成分，而且在細(xì)胞的代謝調(diào)控及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用。由于磷素在土壤中的相對(duì)不可移動(dòng)性，土壤有效磷不足成為限制植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的主要因素之一。為應(yīng)對(duì)土壤低磷，植物已進(jìn)化出低磷耐受機(jī)制，在根系結(jié)構(gòu)、磷吸收和體內(nèi)磷周轉(zhuǎn)利用等方面做出適當(dāng)調(diào)整，以更好地適應(yīng)低磷環(huán)境。近年來，植物磷吸收調(diào)節(jié)的研究已取得了一定的進(jìn)展，但有關(guān)于磷吸收與體內(nèi)磷濃度之間的關(guān)系仍有待于進(jìn)一步研究；對(duì)于低磷狀況下葉細(xì)胞

2、的磷吸收動(dòng)力學(xué)特性及其生理意義也有待于揭示；對(duì)植物激素在植物低磷反應(yīng)中作用的認(rèn)識(shí)也需要拓寬和深入。本工作以玉米自交系Qi319為材料，分析了植株的磷吸收與體內(nèi)磷濃度之間的關(guān)系；研究了低磷條件下成熟葉的細(xì)胞磷吸收動(dòng)力學(xué)特征的變化，進(jìn)而探討了該變化在葉片磷輸出轉(zhuǎn)運(yùn)中的生理學(xué)意義；比較了Qi319與其衍生的耐低磷自交系99037在不同供磷條件下的根系構(gòu)型和根部IAA、玉米素的水平與分布，觀察了外源激素和化學(xué)抑制劑對(duì)根系構(gòu)型的影響，進(jìn)一步揭示了

3、玉米磷吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控機(jī)制，以及激素在低磷誘導(dǎo)的根系構(gòu)型改變中的作用。 一、玉米根系磷吸收的調(diào)節(jié)1.植株磷吸收狀態(tài)與體內(nèi)磷濃度之間的關(guān)系將Qi319植株在不同供磷條件(0.1-1000 μM KH2PO4)下進(jìn)行溶液培養(yǎng)25天，分析植株的供磷水平、體內(nèi)磷濃度與磷吸收之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，植株的體內(nèi)磷濃度隨供磷水平的提高而增大，磷吸收速率(Vmax)和對(duì)磷(phosphate，Pi)的親和力則隨供磷水平的提高而減小。相關(guān)性分析表明

4、，在0.1-1000 μM供磷范圍內(nèi)，磷吸收表觀Vmax值與供磷水平、莖葉及根部磷濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，在75-1000 μM的供磷范圍內(nèi)，表觀Km和Cmin值與供磷水平、莖葉及根部磷濃度呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)。當(dāng)供磷水平處在0.1至75 μM之間時(shí)，表觀Km和Cmax值變化不顯著(P＞0.05)。偏相關(guān)性分析顯示，植株的磷吸收Vmax、Km和Cmin，值與體內(nèi)磷濃度顯著相關(guān)(P＜0.01、P＜0.05、P＜0.05)

5、，而與供磷水平之間無顯著的相關(guān)性(P＞0.05)。這些結(jié)果表明植株的磷吸收狀態(tài)與體內(nèi)磷濃度具有密切的關(guān)系。在含1000 1.μM KH2PO4的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)23天后，Qi319植株轉(zhuǎn)入無磷營(yíng)養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)10天，觀察缺磷脅迫期間植株的體內(nèi)磷濃度和磷吸收的變化。結(jié)果顯示，隨缺磷脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，植株的體內(nèi)磷濃度逐漸降低，而磷吸收Vmax和對(duì)Pi的親和力則逐漸增大。相關(guān)性分析表明在缺磷脅迫期間植株的磷吸收Vmax、Km和Cmin塒加值與莖葉及

6、根部磷濃度之間也存在顯著相關(guān)性(P＜0.01)。 對(duì)在無磷營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的玉米植株進(jìn)行葉面供磷處理3天，發(fā)現(xiàn)植株的體內(nèi)磷濃度逐漸升高，且莖葉與根部磷濃度存在較大差異。當(dāng)莖葉磷濃度已達(dá)足磷水平時(shí)，根部磷濃度雖有所增加，但仍處在嚴(yán)重缺磷狀態(tài)，而此時(shí)植株的根系磷吸收表觀Vmax和對(duì)Pi的親和力顯著減小(P＜0.01)。上述結(jié)果表明，葉面供磷處理植株的根系磷吸收與莖葉磷濃度有關(guān)，這為系統(tǒng)磷信號(hào)調(diào)控根系磷吸收的觀點(diǎn)提供了新證據(jù)。 2

7、.依據(jù)莖葉磷濃度估測(cè)植株的磷吸收狀態(tài)玉米植株磷吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)與體內(nèi)磷濃度之間存在著顯著的相關(guān)性，預(yù)示著可依據(jù)體內(nèi)磷濃度來估測(cè)玉米植株的磷吸收狀態(tài)。本研究對(duì)玉米植株的磷吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)(Vmax、Km和Cmin)與莖葉磷濃度進(jìn)行線性回歸分析，得到三個(gè)具有較高擬合優(yōu)度(R2)的線性方程式。利用這三個(gè)方程式，依據(jù)莖葉磷濃度估算不同磷處理植株的磷吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并與傳統(tǒng)的離子耗竭法測(cè)定的參數(shù)值相比較。結(jié)果顯示，除缺磷預(yù)處理植株在恢復(fù)供磷后的幾天內(nèi)

8、，Vmax的估算值比離子耗竭技術(shù)的測(cè)定值偏低外，不同磷處理植株的磷吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)(Vmax、Km和Cmin)的估算值均與離子耗竭法的測(cè)定值相吻合。以上結(jié)果表明，玉米莖葉磷濃度可反映根系的磷吸收狀態(tài)，因此，依據(jù)莖葉磷濃度估算根系磷吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)可成為一個(gè)方便快捷的估測(cè)玉米植株磷吸收狀態(tài)的新方法，該方法對(duì)指導(dǎo)玉米精準(zhǔn)化施用磷肥和玉米高產(chǎn)有一定意義。 二、低磷脅迫對(duì)玉米成熟葉磷轉(zhuǎn)運(yùn)的影響用含1000 μM KH2PO4營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)23天

9、的Qi319植株移入低磷(0.1 μM Pi)營(yíng)養(yǎng)液后(0-14天)，檢測(cè)莖基部和成熟葉葉片木質(zhì)部傷流液的Pi濃度，以及成熟葉葉片韌皮部滲出液的磷含量，來反映成熟葉的磷輸入和輸出的變化。結(jié)果顯示，在低磷條件下，通過木質(zhì)部向成熟葉輸入的磷明顯減少，通過韌皮部輸出的磷則相對(duì)增多。用成熟葉制各質(zhì)膜囊泡進(jìn)行磷吸收測(cè)定，發(fā)現(xiàn)來自于低磷處理植株質(zhì)膜囊泡的磷吸收表觀Vmax值，與來自高磷對(duì)照植株的相比顯著增大(P＜0.01)，表明成熟葉的細(xì)胞磷吸收能

10、力在低磷脅迫下明顯增強(qiáng)。為探究該動(dòng)力學(xué)特征變化的生理意義，在成熟葉的葉片上局部施加含NEM(跨質(zhì)膜磷轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑)或不含NEM的32P標(biāo)記Pi溶液，檢測(cè)葉片(去除Pi施用區(qū)域)和葉片韌皮部滲出液的放射活度，結(jié)果顯示，在NEM存在時(shí)，葉細(xì)胞從質(zhì)外體中吸收32P標(biāo)記Pi的量顯著減少(P＜0.01)，葉片韌皮部滲出液的放射活度也顯著降低(P＜0.01)，這表明葉細(xì)咆從質(zhì)外體中吸收Pi與葉的磷輸出有關(guān)。玉米成熟葉的細(xì)胞在低磷脅迫下增強(qiáng)磷吸收能力，

11、可能有利于從低Pi濃度的質(zhì)外體及木質(zhì)部中吸收較多的Pi，這對(duì)維持細(xì)胞的正常生理活動(dòng)和增加葉的磷輸出具有一定的意義。 三、生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素在低磷誘導(dǎo)的根系構(gòu)型改變中的作用植物根系的胚后發(fā)育是高度可塑的，植物通常通過調(diào)控根系的胚后發(fā)育和修飾根系構(gòu)型以更好地適應(yīng)外部環(huán)境。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，有效磷不足是限制植物生長(zhǎng)的重要因素之一，而植物對(duì)磷養(yǎng)分的吸收能力與根系構(gòu)型密切相關(guān)。植物激素，如生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素都參與根系的胚后發(fā)育調(diào)控和構(gòu)型修

12、飾，但這兩種激素及其之間的互作在低磷誘導(dǎo)的根系構(gòu)型改變中的作用目前仍了解甚少。 自交系99037是通過細(xì)胞工程技術(shù)獲得的、來自于Qi319的耐低磷細(xì)胞突變體。在不同供磷條件下，99037植株較Qi319有更長(zhǎng)的軸根(基根和不定根)和側(cè)根以及更高的磷吸收累積能力；在田間99037植株也比Qi319具有更高的干物質(zhì)和籽粒產(chǎn)量。 將99037和Qi319植株在高磷(1000 μM Pi)或低磷(5 μM Pi)營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)18

13、天，觀察低磷脅迫下根系IAA和玉米素水平與分布及根系構(gòu)型的變化。結(jié)果顯示，在低磷條件下，玉米素濃度在植株的軸根幼嫩區(qū)段(約1cm)和成熟區(qū)段(去除軸根幼嫩區(qū)段)以不同的幅度顯著降低(P＜0.05)，IAA濃度及其與玉米素濃度的比值在軸根幼嫩區(qū)段明顯增大，在軸根成熟區(qū)段卻顯著減小(P＜0.05)；同時(shí)在低磷條件下，植株的軸根數(shù)目、側(cè)根平均長(zhǎng)度和密度比在高磷條件下顯著減少(P＜0.05)，而軸根平均長(zhǎng)度卻顯著增加(P＜0.05)，因而形成了

14、軸根長(zhǎng)的根系。上述結(jié)果提示，在低磷條件下，玉米植株根系的構(gòu)型發(fā)生改變，與生長(zhǎng)素和玉米素在根部的水平和分布以及兩種激素濃度比例的變化有關(guān)。為進(jìn)一步驗(yàn)證，本工作用6-BA和NAA單獨(dú)或組合處理以及用生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸抑制劑(TIBA)處理不同供磷條件下生長(zhǎng)的兩個(gè)自交系植株，觀察根系結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果支持了上述推測(cè)。 99037和Qi319植株在根系結(jié)構(gòu)、根系IAA濃度和分布、IAA與玉米素濃度比例、以及其側(cè)根對(duì)低磷脅迫和TIBA的敏感性等