不同磷水平下澳洲堅(jiān)果幼苗根系分泌物的差異

肖曉明 劉軍生 周程 王國(guó)霞 陳國(guó)云 岳海

摘 要 以生土為基質(zhì)，研究澳洲堅(jiān)果幼苗在3個(gè)施磷水平下排根的產(chǎn)生量、根系有機(jī)酸的分泌及磷素利用情況。結(jié)果表明：隨著施磷水平升高，排根產(chǎn)生量、排根及非排根酸性磷酸酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；澳洲堅(jiān)果幼苗排根及非排根分泌的有機(jī)酸種類至少有7種，但在分泌總量上差異明顯，檸檬酸是其中的主要成分；隨著土壤中磷素水平的增加，排根及非排根中檸檬酸的分泌量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。綜上所述，磷脅迫降低了根系酸性磷酸酶的活性，卻提高了檸檬酸的分泌量，可能是由于澳洲堅(jiān)果幼苗根系及葉片中的磷素含量隨施磷水平升高而升高的原因。

關(guān)鍵詞 澳洲堅(jiān)果；排根；有機(jī)酸分泌；酸性磷酸酶活性；檸檬酸

中圖分類號(hào) S667.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

磷是植物生長(zhǎng)所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，參與植物體內(nèi)許多生理生化反應(yīng)的調(diào)節(jié)，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要[1]。雖然土壤中積累的總磷水平較高，但植物能利用的有效磷很低[2]，尤其是在酸性土壤（形成氧化態(tài)或氫氧化態(tài)的鐵磷或鋁磷復(fù)合體），低磷有效性極大限制了作物的生長(zhǎng)[3]。植物已經(jīng)形成了一些適應(yīng)性的機(jī)制來提高其對(duì)磷的吸收和獲取能力。如一些植物適應(yīng)土壤低有效磷的重要機(jī)制，即產(chǎn)生排根來增加植物對(duì)磷的有效吸收[4-7]。排根（cluster root）也叫山龍眼根（proteoid root），由于在山龍眼科（如澳洲堅(jiān)果）植物中首先發(fā)現(xiàn)而得名[8]，排根是數(shù)十條密集排列的次級(jí)側(cè)根、狀似刷子的根簇。因?yàn)轭愃频母S后在其它科（如木麻黃科[4]、葫蘆科[5]、豆科[6]、楊梅科[7]）均有發(fā)現(xiàn)，所以統(tǒng)稱為排根，排根可有效增加根系對(duì)難溶性磷或被吸附的磷素的吸收[9]。排根大量分泌2種物質(zhì)，即羧酸類物質(zhì)[10-11]和磷酸酶[12]來提高對(duì)磷的吸收。

據(jù)研究，植物通過根系向根際分泌有機(jī)酸類來減輕某些逆境脅迫[2、13]。不同植物間根系分泌有機(jī)酸的分泌量不同，從5%（玉米）到15%～21%（小麥）不等；在磷脅迫條件下，紫花苜蓿分泌的有機(jī)酸，如檸檬酸的量?jī)H占其干重的0.3%[14]，白羽扇豆根系檸檬酸分泌量可占其植株干重的11%[15]～23%[16]；不同環(huán)境條件下不同種類植物的排根所分泌的有機(jī)酸種類不同[17]。在植物根系分泌的有機(jī)酸中，活化土壤難溶性磷能力最強(qiáng)的是檸檬酸，草酸、蘋果酸和酒石酸次之，能力最差是的乙酸、琥玻酸和乳酸[18]。

澳洲堅(jiān)果（Macadamia integrifolia M. Tetraphylla）現(xiàn)為云南省重要發(fā)展的經(jīng)濟(jì)作物，原產(chǎn)于澳大利亞昆士蘭與新南威爾士的亞熱帶雨林，是山龍眼科（Proteaceae）澳洲堅(jiān)果屬（Macadamia）常綠喬木果樹。20世紀(jì)70年代中國(guó)開始引種試種澳洲堅(jiān)果，到2011年底，全國(guó)種植面積達(dá)2.19 hm2，其中云南省種植面積達(dá)到2.14 hm2。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)澳洲堅(jiān)果排根及其分泌有機(jī)酸的類型缺乏研究，本研究探討在不同磷濃度下，研究澳洲堅(jiān)果幼苗排根形成、酸性磷酸酶及有機(jī)酸分泌的反應(yīng)，旨在揭示澳洲堅(jiān)果在低磷條件下排根適應(yīng)性功能的生理反應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)地基本情況 本試驗(yàn)在景洪市云南省熱帶作物科學(xué)研究所的試驗(yàn)基地內(nèi)實(shí)施，據(jù)西雙版納州氣象局資料，該地年均溫22.6 ℃，年蒸發(fā)量1 310.6 mm，≥10 ℃的積溫8 100.4 ℃，年降雨量1 161.8 mm[19]。本試驗(yàn)基質(zhì)為磚紅壤生土，其理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)10.3 g/kg，有效氮（堿解氮）21.4 mg/kg，有效磷3.6 mg/kg，速效鉀88.3 mg/kg，pH5.4。

1.1.2 參試材料及處理方法 參試品種：OC（Own Choice）；本研究采用土柱法：將長(zhǎng)1.5 m、直徑0.2 m的工程塑料硬管縱向分為兩半，固定后立于深1.5 m的土坑中，管內(nèi)裝入“配合土壤”，其配比為：細(xì)土（過篩）∶ 細(xì)沙=3 ∶ 1，其基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)7.7 g/kg，有效氮（堿解氮）16.1 mg/kg，有效磷2.7 mg/kg，速效鉀66.3 mg/kg，pH5.2。每個(gè)根管裝“配合土壤”30 kg，試驗(yàn)設(shè)3個(gè)磷梯度：0（CK）、50、500 mg/kg，以KH2PO4作為磷源，每處理的N（NH4NO3）150 mg/kg、K（KNO3）150 mg/kg，微量元素如Fe、Mn、Zn、Cu（硫酸鹽形式）每千克土施5 mg，試驗(yàn)期間常規(guī)管理。

2011年10月15日栽植一年生無性繁殖幼苗，每個(gè)根管1株；栽前將澳洲堅(jiān)果苗根用清水漂洗干凈并滅菌（0.5%次氯酸鈉），再用蒸餾水漂洗后栽植，每個(gè)處理10株。2012年10月15日取出測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

排根產(chǎn)生數(shù)：每處理隨機(jī)取5株幼苗對(duì)其排根進(jìn)行計(jì)數(shù)；酸性磷酸酶活性測(cè)定參考Cameron等[20]的方法；植株全磷含量測(cè)定參照Motomizu等[21]的方法。

根系分泌物的收集：將澳洲堅(jiān)果幼苗整個(gè)根系用去離子水洗凈，后用根系分泌物收集液（μmol/L：H3BO3 5，CaCl2 600，KCl 100和 MgCl2 200，pH調(diào)至5.6）沖洗3次后，將不同施磷處理的澳洲堅(jiān)果幼苗根系分為非排根和排根，最后用黑塑料布將整個(gè)根系蓋住，然后將不同類型的根系轉(zhuǎn)至盛有50 mL收集液并持續(xù)通氣的100 mL燒杯中進(jìn)行根系分泌物的收集，光照下收集4 h后，取約10 mL收集液，加入3滴微生物抑制劑抑制微生物對(duì)有機(jī)酸的分解，然后迅速置于-18 ℃冰箱冷凍保存?zhèn)溆?；各處理重?fù)3次。根系分泌物中有機(jī)酸的高效液相色譜檢測(cè)參照Wang等[22]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003和DPS軟件對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷水平下澳洲堅(jiān)果幼苗排根產(chǎn)生量及根系酸性磷酸酶活性變化

由圖1可知，與不施磷相比，適度施磷水平（50 mg/kg）澳洲堅(jiān)果排根產(chǎn)生量極顯著升高117.67%，而高磷水平（500 mg/kg）澳洲堅(jiān)果排根產(chǎn)生量顯著降低29.94%。與之相對(duì)應(yīng)的是，隨著磷水平的升高，澳洲堅(jiān)果幼苗排根和非排根酸性磷酸酶活性也呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在適度施磷水平（50 mg/kg）達(dá)到最高，而500 mg/kg磷處理降低酸性磷酸酶活性（圖2），也進(jìn)一步說明，適度的供磷處理能激發(fā)根系酸性磷酸酶活性的增加。與不施磷相比（圖2），施磷均能提高排根和非排根的酸性磷酸酶活性，其中排根酸性磷酸酶活性比不施磷極顯著升高88.65%（50 mg/kg）和33.29%（500 mg/kg），而非排根酸性磷酸酶活性比不施磷顯著升高108.23%（50 mg/kg）和45.74%（500 mg/kg）。不同施磷水平下的根系酸性磷酸酶活性， 排根均極顯著高于非排根， 其中排根平均比非排根高359.47%（0 mg/kg）、 285.36%（50 mg/kg）和318.44%（500 mg/kg）。

2.2 不同磷素水平下澳洲堅(jiān)果幼苗根系有機(jī)酸分泌量變化

從澳洲堅(jiān)果幼苗排根及非排根的根系分泌物中分泌的有機(jī)酸分別為：檸檬酸、酒石酸、草酸、蘋果酸、乳酸、乙酸和丁二酸等7種。據(jù)研究，檸檬酸活化土壤磷的能力最強(qiáng)，而根系分泌物中與磷活化相關(guān)的主要是檸檬酸、酒石酸、草酸和蘋果酸[16]。

由表1可知，澳洲堅(jiān)果排根及非排根分泌的4種有機(jī)酸中，檸檬酸是其中的主要成分。隨著土壤中磷素水平的增加，排根及非排根中檸檬酸的分泌速率有減少趨勢(shì)，在不同磷素處理下，排根中檸檬酸的分泌占4種分泌物的29.64%～54.97%，不施磷及施高磷（500 mg/kg）處理比中磷（50 mg/kg）處理的檸檬酸的分泌速率高118.84%和48.41%；非排根中檸檬酸的分泌占4種分泌物的41.89%～69.57%，不施磷及施高磷（500 mg/kg）處理比中磷（50 mg/kg）處理的檸檬酸的分泌速率高70.21%和30.97%。

2.3 不同磷水平對(duì)澳洲堅(jiān)果幼苗磷含量的影響

由圖3可知，澳洲堅(jiān)果幼苗葉片和根系全磷含量均隨著施磷水平的升高而升高，不同施磷水平之間差異均達(dá)到顯著水平（葉片）和極顯著水平（根系）；施磷的澳洲堅(jiān)果幼苗葉片全磷含量比不施磷的平均高16.11%（50 mg/kg）和27.83%（500 mg/kg）；與對(duì)照相比，不同施磷處理下澳洲堅(jiān)果幼苗根系全磷含量平均高39.91%（50 mg/kg）和68.40%（500 mg/kg）。

3 討論與結(jié)論

缺磷或低磷條件下，一些植物可被誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的排根[23-24]，山龍眼科植物主要通過排根分泌大量有機(jī)酸性及酸性磷酸酶進(jìn)入根際，活化并吸收難溶性的土壤磷[10，17，24]，與之不同的是山龍眼科的澳洲堅(jiān)果和宜安草（Telopea speciosissima），在中等供磷水平下產(chǎn)生排根的量最多[25-27]。本研究結(jié)果與之類似，在施磷水平為50 mg/kg時(shí)，其排根產(chǎn)生量最多（圖1）。據(jù)研究，缺磷可提高植物根系酸性磷酸酶的活性，根系分泌酸性磷酸酶的現(xiàn)象在排根區(qū)最顯著[10，17，24]，而且比不缺磷的植株高出20倍[28]，而澳洲堅(jiān)果幼苗排根產(chǎn)生量與其酸性磷酸酶活性呈現(xiàn)高度正相關(guān)，在中等磷素水平下根系酸性磷酸酶活性最高[24-25]。本研究澳洲堅(jiān)果幼苗在施磷水平為50 mg/kg時(shí)，酸性磷酸酶活性最高。上述結(jié)果表明，缺磷誘導(dǎo)的根系分泌生理的改變高度依賴于植物種類。

在排根的根系分泌物中，較受關(guān)注的有機(jī)酸是檸檬酸。在缺磷或低磷條件下，植物通過排根大量分泌檸檬酸活化難溶性磷，從而改善根際環(huán)境是其應(yīng)對(duì)缺磷或低磷的一種有效的機(jī)制[17，29]。據(jù)已有研究結(jié)果表明，植物種類不同，其分泌的有機(jī)酸類型也不相同，如油菜在低磷水平下主要分泌的是檸檬酸和蘋果酸[30]，而紫云英以分泌草酸為主[31]。在本研究條件下，檸檬酸是澳洲堅(jiān)果根系分泌物中的主要成分，與供磷相比，缺磷明顯增加了澳洲堅(jiān)果根系的檸檬酸分泌（表1），這些結(jié)果與在玉米（Zeamays）[32]、 菜豆[33]、 白羽扇豆[9]和紫羽扇豆（Lupinus pilosus）[34]中的報(bào)道結(jié)果相一致。本研究中隨著施磷水平增加，排根或非排根檸檬酸的分泌開始減少（表1）；同樣在白羽扇豆[35-36]和山龍眼科的Hakea prostrata[37]中，其根系檸檬酸的分泌量隨著外界磷供應(yīng)的增加或植株體內(nèi)磷濃度的增加而減少。本研究中排根分泌檸檬酸的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非排根（表1），在白羽扇豆中，成熟排根檸檬酸分泌速率（以鮮重計(jì)）可達(dá)到非排根部位根系的5倍[36]。

有賴于排根的產(chǎn)生及根系大量分泌有機(jī)酸類，儲(chǔ)存磷成為了山龍眼科植物的一個(gè)重要特點(diǎn)[10，17，24]。而檸檬酸和酸性磷酸酶是根系中活化磷素的2種主要物質(zhì)[10-12]，本研究中，隨著施磷量的增加，根系中檸檬酸分泌速率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)（表1），而根系和葉片中的磷濃度隨著施磷量的增加而升高，這可能是由于澳洲堅(jiān)果對(duì)磷的吸收利用依賴于另一種機(jī)制，即通過根系分泌酸性磷酸酶的產(chǎn)生作用，釋放有機(jī)物中的磷以供植株利用。本研究中，澳洲堅(jiān)果幼苗根系（排根和非排根）酸性磷酸酶活性在施磷條件下均高于不施磷處理（圖2）；而澳洲堅(jiān)果幼苗根系中磷酸酶的活性與檸檬酸的分泌，在澳洲堅(jiān)果幼苗吸收磷素的過程中所起作用的分工，還有待于進(jìn)一步研究。

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