鋁毒和低磷脅迫對水稻幼苗生長？根系有機酸分泌的影響

王瑞琳等

摘要[目的]為明確低磷、鋁毒單獨及復合脅迫下，不同水稻品種生理響應的差異。[方法]采用營養液培養試驗，以秀水132（耐鋁型）和甬優8號（鋁敏感型）為材料，研究了各脅迫下幼苗干物質積累、光合能力和根系有機酸分泌量。[結果]低磷、鋁毒脅迫下根系和地上部干重、葉綠素含量、光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均顯著下降。低磷鋁毒復合脅迫下幼苗干重及光合參數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，復合脅迫時根系3種有機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酸分泌存在顯著的基因型差異。各脅迫下甬優 8 號植株干重和光合參數的下降幅度高于秀水 132，而秀水132根系有機酸分泌量的增幅大于甬優 8 號。[結論]低磷鋁毒復合脅迫引發水稻幼苗更嚴重的生理代謝抑制，以甬優8號表現更明顯；復合脅迫下根系有機酸分泌量高于單一脅迫，以秀水132增幅更大。

關鍵詞水稻；低磷；鋁毒；干重；光合參數；有機酸分泌

中圖分類號S511文獻標識碼

A文章編號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，進而影響根際養分的有效性，并且導致一些代謝關鍵酶的活性異常[3-4]。低磷脅迫可抑制植物干物質積累，降低葉面積，并且引發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酸被認為是較有效的耐鋁及耐低磷脅迫機制之一[7]。鋁脅迫下耐鋁植物根系分泌大量的有機酸，可在根區與鋁螯合，減少鋁進入細胞的量，降低鋁毒性。磷效率低的酸土作物根系也會分泌大量的有機酸，以活化土壤中磷素[8]。此外，根系分泌的有機酸由于其分子結構及荷電特性，影響土壤中的許多過程，對植物根際營養具有重要的作用。

目前，關于低磷和鋁毒單一脅迫對植物生長、代謝的毒害及植物產生的抗性機制已有許多報道。雖然研究低磷和鋁毒復合脅迫的生態意義更大，但關于二者復合脅迫下水稻生長、根系有機酸分泌情況的報道不多見。水稻作為我國主要的糧食作物，其耐鋁性相對較強，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、鋁毒單獨及復合脅迫條件下植株生長、光合能力及根系有機酸分泌種類和數量，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酸分泌情況，為水稻耐酸土機制研究提供參考。

1材料與方法

1.1材料培養與處理

試驗于學院實驗基地進行。所用水稻品種由中國水稻所提供，并經前期依據植株生長情況對近 60 個品種進行耐鋁性篩選而得。供試材料分別為耐鋁水稻品種秀水 132 和鋁敏感品種甬優 8 號。

每個處理取 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酸含量[9]。

1.3數據統計試驗數據均為3次重復的平均值。數據采用 SPSS 13.0（SPSS Inc.，19892004）軟件進行 ANVOA 方差分析和多重比較。

2結果與分析

2.1植株干重

由圖1可知，低磷、鋁毒單獨及復合脅迫下2個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，表現出較明顯的中毒癥狀，導致根系干重顯著下降，而地上部干重的降幅相對較小，如單一鋁脅迫下2個品種平均根系和地上部干重分別下降為對照組的64.8%和80.7%。低磷脅迫時水稻根系生長與對照組差異不大，但地上部生長明顯受到抑制，如單一低磷脅迫下2個品種平均根系和地上部干重分別下降為對照組的 90.4% 和 71.9%。低磷和鋁毒復合脅迫時各器官干重均在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 8 號根系和地上部干重下降幅度均高于秀水 132。

2.3有機酸分泌量由圖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，即各脅迫處理均導致3種有機酸的分泌量顯著增加，增幅以鋁毒和低磷復合脅迫下最高，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，檸檬酸增幅相對最小，如復合脅迫下甬優8號根系乙酸、蘋果酸和檸檬酸分泌量分別為對照組的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 種有機酸的分泌量均以秀水 132 高于甬優 8 號。

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] 的報道一致。他們發現，0.4 mg/L Al 和低于正常水平的 P 供應分別導致高粱植株根系和地上部生長嚴重受抑制。與甬優 8 號相比，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。低磷和鋁毒復合脅迫對水稻幼苗生長的抑制效應強于單一脅迫水平，表明低磷和鋁毒對水稻幼苗干物質積累的抑制呈正協同效應。

脅迫環境會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個水稻品種葉片葉綠素含量、光合速率、氣孔導度和蒸騰速率等光合參數均顯著下降。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境使得葉綠素酶活性增加，導致葉綠素分解加快[11]。由于葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，葉綠素含量下降必然會影響植物的光合能力。同時，脅迫環境下葉片氣孔的保衛細胞會因失水而導致氣孔縮小，進而影響葉片的氣孔導度。氣孔導度的下降影響CO2 進入，也會影響光合速率，并使水分向外排放的阻力增大，導致蒸騰速率下降。此外，脅迫逆境也會降低光合的關鍵酶 Rubisco 活性[12]，影響光合系統對光能的吸收、轉變以及構成光合系統所需物質的合成及葉綠素結構的破壞等[13]，最終導致葉片的光合能力下降。低磷和鋁毒復合脅迫時各光合參數均在0.05水平顯著高于單一脅迫處理，表明低磷加強鋁毒對葉綠素的破壞和光合能力的抑制作用。2個品種間相比，脅迫處理下甬優 8 號葉綠素含量、光合速率、氣孔導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。

眾多研究表明，鋁毒和低磷脅迫下根系分泌低分子量有機酸是植物主要的耐性機制之一[14-15]。根系分泌的有機酸可螯合鋁離子，其中檸檬酸、草酸和酒石酸能與鋁形成穩定的環狀結構，是較強的鋁解毒劑；蘋果酸、丙二酸、水楊酸與鋁形成復合物的穩定性稍低，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]。根系分泌的有機酸還可將 P 從 FeP、AlP 復合物中釋放出來，增加 P 的有效性。此外，植物本身分泌的有機酸也可以被植物再吸收利用，有利于植物營養元素的物質循環和能量流動。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酸。鋁毒和低磷脅迫下2個品種蘋果酸、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] 研究發現，鋁脅迫下小麥根系可分泌大量蘋果酸，保護根尖不受鋁的毒害；Ma 等[18] 發現，鋁脅迫可刺激決明根系檸檬酸分泌量的增加；黎曉峰[19] 報道，鋁誘導下水稻根系檸檬酸分泌量增加。試驗中低磷脅迫根系分泌有機酸量也增加，且高于鋁毒害處理。關于低磷脅迫下植物根系有機酸分泌也有許多報道，如 Zhang 等[20-21]發現低于正常水平的磷供應可促進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酸分泌量增加，尤其是耐低磷材料。但是，Wang 等[23] 報道，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，而鋁毒脅迫時集群根和側根均分泌檸檬酸。此外，研究還發現各脅迫下耐鋁品種秀水132根系分泌的有機酸量均高于鋁敏感品種甬優 8 號。這與前人的報道一致，即大豆耐鋁性與其根系分泌有機酸量密切相關，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[25]。在低磷和鋁毒復合脅迫下，2個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] 發現，與單一脅迫相比，低磷和鋁毒復合處理時柱花草根系檸檬酸分泌量顯著增加。Liao等[24，27]報道，低磷和鋁毒復合脅迫下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，鋁毒害可促進豇豆根系分泌蘋果酸，低磷和鋁毒復合脅迫下僅可促進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個主要植物生長限制因素。該研究對于明確酸土毒害及作物耐酸土脅迫機制具有重要意義。

參考文獻

[1]

YAN X，BEEBE S E，LYNCH J P.Phosphorus efficiency in common bean genotypes in contrasting soil types II Yield response[J].Crop Sci，1995，35：1094-1099.

[2] FOY C D，DUKE J A，DEVINE T E.Tolerance of soybean germplasm to an acid tatum subsoil[J].J Plant Nutri，1992，15：527-547.

[3] AMENS M，CORRALES I，POSCHENRIEDER C，et al.Different effects of aluminum on the actin cytoskeleton and brefeldin asensitive vesicle recycling in root apex cells of two maize varieties differing in root elongation rate and aluminum tolerance[J].Plant Cell Physiol，2009，50（3）：528-540.

[4] ZHOU S，SAUV R，THANNHAUSER T W.Proteome changes induced by aluminum stress in tomato roots[J].J Exp Bot，2009，57：4201-4213.

[5] CHAUDHARY M L，ADUGYAMFI J J，SANEOKA H，et al.The effect of phosphorus deficiency on nutrient uptake，nitrogen fixation and photosynthetic rate in mashbean，mungbean and soybean[J].Acta Physiol Plant，2008，30：537-544.

[6] VIEIRA F C B，HE Z L，WILSON P C A，et al.Response of representative cover crops to aluminum toxicity，phosphorus deprivation，and organic amendment[J].Aust J Agr Res，2008，59：52-61.

[7] MA J F，RYAN P R，DELHAIZE E.Aluminum tolerance in plants and the complexing role of organic acids[J].Trends Plant Sci，2001，6：273-278.

[8] DINKELAKER B，HENGELER C，MARSHNER H.Distribution and function of proteoid roots and other root clusters[J].Bot Acta，1995，108：183-200.

[9] MURATOVA A，POZDNYAKOVA N，GOLUBEV S，et al.Oxidoreductase activity of sorghum root exudates in a phenanthrenecontaminated environment[J].Chemosphere，2009，74（8）：1031-1036.

[10] TAN K，KELTJENS W G.Interaction between aluminum and phosphorus in sorghum plants. I.Studies with the alumimum sensitive sorghum genotype TAM428[J].Plant and Soil，1990，124：15-23.

[11] NAG P，PAUL A K，MUKHERJI S.Heavy metal effects in plant tissue involving chlorophyll，chlorophyllase，hill reaction activity and gel electrophoretic patterns of soluble proteins[J].Indian J Exp Biol，1981，19（8）：702-706.

[12] WU F B，ZHANG G P，DORMINY P.Four barley genotypes respond differently to cadmium：lipid peroxidation and activities of antioxidant capacity[J].Environ Exp Bot，2003，50：67-78.

[13] 谷魏，施國新，張超英，等.Hg2+、Cd2+和Cu2+對菹草光合系統及保護酶系統的毒害作用[J].植物生理與分子生物學學報，2002，28（1）：69-74.

[14] KOCHIAN L V，PIN～EROS M A，HOEKENGA O A.The physiology，genetics and molecular biology of plant aluminum resistance and toxicity[J].Plant Soil，2005，274：175-195.

[15] MA J F.Role of organic acids in detoxification of aluminum in higher plants[J].Plant Cell Physiol，2000，41：383-390.

[16] KIHARA T，WADA T，SUZUKI Y，et al.Alteration of citrate metabolism in cluster roots of white lupin.[J] Plant Cell Physiol，2003，44（9）：901-908.

[17] 楊建立，俞雪輝，劉強，等.鋁脅迫對小麥根尖細胞蛋白質及蘋果酸分泌的影響[J].植物營養與肥料學報，2005，11（3）：390-393.

[18] MA J F，ZHENG S J，MATSUMOTO H.Specific secretion of citric acid induced by Al stress in Cassia tora L[J].Plant Cell Physiol，1997，38：1019-1025.

[18] 黎曉峰.幾種禾本科作物對鋁的敏感性和耐性[J].廣西農業生物科學，2002，21（1）：16-20.

[20] ZHANG F S，MA J，CAO Y P.Phosphorus deficiency enhances root exudation of lowmolecular weight organic acids and utilization of sparingly soluble inorganic phosphates by radish and rape plants[J].Plant Soil，1997，196：261-264.

[21] HOFFLAND E.Mobilization of rock phosphate by rape （Brassica napus L.）[D].Wageningen：Wageningen Agricultural University，1991：1-93.

[22] 李德華，向春雷，姜益泉，等.低磷脅迫下水稻不同品種根系有機酸分泌的差異[J].中國農學通報，2005，21（11）：186-201.

[23] WANG B L，SHEN J B，ZHANG W H，et al.Citrate exudation from white lupin induced by phosphorus deficiency differs from that induced by aluminum[J].New Phytol，2007，176：581-589.

[24] LIAO H，WAN H，SHAFF J，et al.Phosphorus and aluminum interactions in soybean in relation to aluminum tolerance.Exudation of specific organic acids from different regions of the intact root system[J].Plant Physiol，2006，141：674-684.

[25] PELLET D M，GRUNES D L，KOCHIAN L V.Organic acid exudation as an aluminumtolerance mechanism in maize （Zea mays L.） [J].Planta，1995，196：788-795.

[26] LI X F，ZUO F H，LING G Z，et al.Secretion of citrate from roots in response to aluminum and low phosphorus stresses in Stylosanthes[J].Plant Soil，2009，325：219-229.

[27] SILVA I R，SMYTH T J，RAPER C D，et al.Differential aluminum tolerance in soybean：an evaluation of the role of organic acids[J].Physiol Plant，2001，112：200-210.

[28] JEMO M，ABAIDOO R C，NOLTE C，et al.Aluminum resistance of cowpea as affected by phosphorusdeficiency stress[J].J Plant Physiol，2007，164：442-451.