杉木對低磷脅迫的響應(yīng)和生理適應(yīng)機制

于姣妲，李 瑩 ， 殷丹陽， 周垂帆，馬祥慶

(1． 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建福州 350002； 2. 國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建福州 350002)

杉木對低磷脅迫的響應(yīng)和生理適應(yīng)機制

于姣妲1,2，李 瑩1,2， 殷丹陽1,2， 周垂帆1,2，馬祥慶1,2

(1． 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建福州 350002； 2. 國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建福州 350002)

[目的]研究低磷脅迫對杉木幼苗各種抗氧化酶等生理指標的變化影響，探討抗氧化酶活性與杉木耐低磷能力的關(guān)系，揭示低磷脅迫下杉木養(yǎng)分吸收的適應(yīng)機制，闡明杉木體內(nèi)生物大分子對低磷脅迫的響應(yīng)。[方法]通過設(shè)置不同磷濃度(0、0.25、0.50、1.00 mmol·L-1) Hoagland營養(yǎng)液，模擬低磷脅迫試驗，測定低磷脅迫對杉木幼苗的生理指標的影響，研究低磷脅迫對杉木幼苗養(yǎng)分吸收的影響機制以及測定杉木幼苗不同部位的光譜特性。[結(jié)果]隨著缺磷程度的增加，杉木幼苗中SOD活性、CAT活性以及葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均先升后降，根系中POD活性呈現(xiàn)出升高的趨勢、MDA含量先降再升后降，葉片中POD活性和MDA含量先降后升。低磷脅迫對杉木幼苗根系和葉片吸收利用營養(yǎng)元素有顯著影響。杉木苗根系所含的Mn隨著缺磷程度的增加呈上升趨勢，而Al和Cu先降后升，F(xiàn)e和K則有所下降，Ca先升后降。此外，杉木葉片中Fe和Mn的積累量呈降低的趨勢，Cu和K先升后降。低磷脅迫對杉木幼苗根系和葉片組織在3 367、2 924、1 736、1 630、1 380、1 150～1 000 cm-1處特征峰吸光值影響不同。[結(jié)論]低磷脅迫下，杉木幼苗的根系和葉片會通過改變保護酶(SOD、CAT和 POD)活性抑制MDA形成，降低膜脂過氧化對細胞膜系統(tǒng)的破壞，通過增加對其他養(yǎng)分元素的吸收來規(guī)避損傷以及通過改變不同部位糖類、氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)含量來適應(yīng)低磷環(huán)境。

杉木；低磷脅迫；生理指標；養(yǎng)分吸收；光譜特性

磷是林木生長發(fā)育所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一，由于南方酸性土壤對磷的強烈化學(xué)固定作用，致使土壤磷素多以Fe-P、Al-P和O-P等難溶態(tài)存在，即土壤全磷含量高，而林木可吸收利用的有效磷低[1-2]，因此土壤有效磷不足一直是限制南方人工林產(chǎn)量的重要因素[3]。植物在長期的進化過程中，為適應(yīng)低磷環(huán)境形成了復(fù)雜的響應(yīng)調(diào)控機制[4]。在磷脅迫條件下這些植物能明顯感受到環(huán)境的低磷逆境，并能誘導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生脅迫信號，引起植物一系列生理生化過程的改變，以增加在磷脅迫條件下完成生命周期的機會。

在我國南方，杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook)是人工商品林的當家樹種，其生長迅速、產(chǎn)量和質(zhì)量高，在南方16個省區(qū)內(nèi)均有栽培，栽培歷史達到一千多年[5-6]。在長期的演化過程中，杉木體內(nèi)形成了許多對養(yǎng)分及環(huán)境脅迫的適應(yīng)性機制，前期研究證實，耐低磷杉木基因型在感受環(huán)境低磷脅迫后，能誘導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生脅迫信號，根系分泌一定數(shù)量有機酸，活化土壤中難溶性磷，提高土壤有效磷含量，改善其體內(nèi)磷的營養(yǎng)狀況等過程來適應(yīng)低磷脅迫逆境[7]。

細胞內(nèi)的超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等酶促系統(tǒng)，是植物抵抗養(yǎng)分脅迫引起氧化脅迫的關(guān)鍵[8]。如潘曉華[9]等研究結(jié)果表明，植物抵抗逆境能力的高低與植物保護性酶系統(tǒng)的活性變化之間存在一定的關(guān)系。此外，逆境脅迫下不僅會影響植物正常生理功能，而且也會造成植物新陳代謝紊亂，引起植物體內(nèi)養(yǎng)分吸收失去平衡，改變植物體內(nèi)化學(xué)組分[10]。但是低磷脅迫下杉木養(yǎng)分吸收和體內(nèi)化學(xué)組成是如何變化,目前尚未有相關(guān)文獻報道。

傅里葉紅外光譜(FTIR)是一種主要基于化合物中極性鍵和官能團振動的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)[11]。目前國內(nèi)外已有一些利用FTIR來研究缺磷[12-14]、缺氮[14]、缺鈣[15]等養(yǎng)分脅迫下植物體內(nèi)化學(xué)組分的變化，但是對缺磷條件下杉木不同部位化學(xué)組分進行FTIR的研究較少。

有鑒于此，本試驗選用杉木幼苗，研究低磷脅迫對杉木幼苗各種抗氧化酶等生理指標的變化影響，探討抗氧化酶活性與杉木耐低磷能力的關(guān)系，揭示低磷脅迫下杉木養(yǎng)分吸收的適應(yīng)機制，并結(jié)合FTIR法測定杉木幼苗不同部位的光譜特性，闡明杉木體內(nèi)生物大分子對低磷脅迫的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

植物材料為福建省漳平五一國有林場的1.5代杉木種子園精選的種子經(jīng)過浸泡消毒后移至培養(yǎng)皿中，待胚芽露出后播種到營養(yǎng)土中并放置在培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)4個月后，于2016年9月選擇生長均一的杉木苗用清水洗干凈，再用蒸餾水清洗后，移植到裝有500 mL純水的小紅盆中并放到培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2天，并依次用1/2和完全Hoagland培養(yǎng)液在小紅盆中各培養(yǎng)1～2天。培養(yǎng)期間晝/夜溫度為25 ℃/20 ℃，光照時間14 h。預(yù)培養(yǎng)5天后，參照陳智裕[16]等人的研究方法，設(shè)無磷(0 mmol·L-1)，1/4供磷(0.25 mmol·L-1)，1/2供磷(0.50 mmol·L-1)，正常磷(1.00 mmol·L-1) 4個濃度梯度，其中正常供磷濃度主要是參考杉木人工林土壤有效磷含量設(shè)置[17]。磷由KH2PO4提供，用KCl平衡不同供磷處理間K+的差異。每個小紅盆分別添加不同磷處理濃度的營養(yǎng)液500 mL進行培養(yǎng)，每盆5株幼苗，每2天更換1次營養(yǎng)液，每個處理4盆，共80株苗。前期實驗證明杉木不適合長時間進行水培，從吳鵬飛[17]等人的研究可以得出，水培8天足夠引起杉木苗的生理學(xué)機制對低磷脅迫的應(yīng)答，因此培養(yǎng)8天后取樣分析。處理期間營養(yǎng)液pH維持在4.5左右。

1.2 試驗指標測定方法

1.2.1 生理學(xué)指標測定 稱取葉片或根系0.2 g，加0.05 mol·L-1pH = 7.8的磷酸緩沖液4 mL于冰浴中的研缽內(nèi)研磨成勻漿，于4 ℃下10 000 r·min-1冷凍離心20 min，上清液即為待測酶液。

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑法[18-19]；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[18]；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[18]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[18]。葉綠素含量采用張憲政的乙醇-丙酮提取法[20]。

1.2.2 杉木幼苗Al和養(yǎng)分含量測定 將杉木幼苗分根和葉用105℃殺青后用80℃烘干至恒質(zhì)量，采用HNO3-HClO4消煮，參照蔣天成[21]等人的ICP法(略有改動)，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定植物Al、Ca、Cu、Fe、Mg、Mn、Na、K、P含量。波長范圍為160～ 800 nm波長連續(xù)覆蓋。

1.2.3 杉木幼苗不同部位光譜分析 參照高麗麗[15]等人的方法，采用傅里葉變換紅外光譜儀(型號：VERTEX 70，德國Bruker公司)測定杉木幼苗根和葉片的光譜特性。波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)32次。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析 本研究采用多元統(tǒng)計分析軟件(SPSS 19.0)、Excel 2010和Origin 9.0對實驗數(shù)據(jù)進行分析，表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤差，采用單因子方差分析(ANOVA)，通過LSD進行顯著性檢驗，此外，用Pearson相關(guān)系數(shù)分析各指標間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷脅迫對杉木幼苗根保護酶活性及MDA含量的影響

經(jīng)不同程度的供磷處理后，杉木幼苗根內(nèi)的抗氧化酶 SOD(F= 10.73，P= 0.02)、CAT(F= 9.31，P= 0.02)和POD(F= 7.46，P= 0.04) 的活性以及MDA含量(F= 8.82，P= 0.03)發(fā)生了顯著變化，如表1所示。低磷脅迫使杉木幼苗根的SOD、CAT活性隨著磷脅迫的增加先升高后降低。這說明磷素對杉木幼苗SOD、CAT活性具有誘導(dǎo)作用，一定程度的缺磷使SOD、CAT活性增加，超過一定限度時使得SOD、CAT活性降低。不同的是，低磷脅迫使杉木幼苗根的POD活性隨著磷脅迫的增加呈現(xiàn)出升高的趨勢，特別是，無磷(0 mmol·L-1)處理比正常供磷(1.00 mmol·L-1)處理明顯增加了68.47%，這表明低磷脅迫對杉木幼苗的 POD 活性具有顯著誘導(dǎo)效應(yīng)。通過對杉木幼苗根的MDA分析表明，隨著磷脅迫的增加MDA呈現(xiàn)出先降低再升高后下降的趨勢，究其原因可能是在抗氧化酶的作用下，低磷脅迫沒有引起杉木苗根系細胞脂質(zhì)過氧化，即低磷脅迫沒有破壞其生物膜的結(jié)構(gòu)與功能。

表1 低磷脅迫對杉木苗根保護酶活性及MDA含量的影響

注：不同小寫字母間表示差異顯著(P< 0.05); Note: Different lowercase letters indicate significant differences atP< 0.05 level

表2 低磷脅迫對杉木苗葉片保護酶活性及MDA含量的影響

注：不同小寫字母間表示差異顯著(P< 0.05); Note: Different lowercase letters indicate significant differences atP< 0.05 level.

2.2 低磷脅迫對杉木幼苗葉片保護酶活性及MDA含量的影響

經(jīng)不同程度的供磷處理后，杉木幼苗葉片的抗氧化酶 SOD(F= 11.36，P= 0.02)、CAT(F= 16.94，P= 0.01) 和POD(F= 8.25，P= 0.04) 的活性以及MDA含量(F= 10.21，P= 0.02)也發(fā)生了顯著變化，如表2所示。低磷脅迫使杉木幼苗葉片的SOD、CAT活性隨著供磷程度的降低呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，說明一定程度的缺磷對杉木幼苗葉片中SOD、CAT活性具有顯著誘導(dǎo)效應(yīng)。而不同的是，低磷脅迫使杉木幼苗葉片的POD活性隨著磷脅迫的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。但是與正常供磷相比，低磷脅迫沒有引起杉木幼苗葉片的MDA含量升高，這說明在抗氧化酶的作用下，低磷脅迫同樣沒有引起葉片脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)生。

2.3 低磷脅迫對杉木幼苗葉綠素含量的影響

由圖1可以看出：隨著磷脅迫的增加，杉木苗葉片的葉綠素總量和葉綠素a的含量呈現(xiàn)出先增加然后減少最后再增加的規(guī)律，葉綠素b的含量呈現(xiàn)出相同的變化趨勢；這表明低磷脅迫對杉木苗光合作用產(chǎn)生了重要影響。

注：不同小寫字母間表示差異顯著(P < 0.05)Note: Different lowercase letters indicate significant differences at P < 0.05 level圖1 低磷脅迫對杉木苗葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of low P stress on chlorophyll content of Chinese fir seedlings

2.4 低磷脅迫對杉木幼苗Al和養(yǎng)分吸收的影響

從圖2中可看出，隨著磷脅迫的增加，杉木苗根系所含的Mn呈上升趨勢(圖2-6)，Al、Cu含量先降后升(圖2-1、圖2-3)，Na的含量則變化很小(圖2-7)，說明低磷脅迫顯著提高杉木幼苗根系對Al、Cu、Mn元素的吸收。根系Fe和K的含量則有所下降(圖2-4和圖2-8)，Ca含量先升后降(圖2-2)。杉木幼苗葉片中，F(xiàn)e和Mn的含量隨著磷脅迫的增加大體呈降低的趨勢，Cu和K的含量呈先上升后下降的趨勢，Ca含量與Mg(圖2-5)、Na含量的變化趨勢相反，且當供磷濃度為0.25 mmol·L-1時，Mg和Na的含量顯著高于正常供磷(P<0.05)，Ca含量則顯著低于正常供磷處理(P<0.05)。而杉木幼苗葉片中Al含量在不同濃度磷處理下基本沒有變化。

杉木幼苗根系A(chǔ)l含量在不同濃度磷處理下均大于葉片含量，而Ca、Na和K在葉片中的積累量大于根系。當供磷濃度為1.00 mmol·L-1時，杉木幼苗根系Mn含量小于葉片中Mn的積累量，隨著磷脅迫的增加，根系Mn含量大于葉片中Mn的含量，這可能是由于低磷脅迫使Mn元素在植物體中的運輸途徑受阻，根系對Mn元素的吸收速率大于其運輸速率。

如圖3所示，隨著磷脅迫的增加，根系和葉片中P含量均呈下降的趨勢，無磷處理與正常供磷相比，杉木幼苗根系中P含量降低了42.99%，而葉片中P含量降低了26.96%，這可能是由于隨著磷脅迫的增加，杉木幼苗從環(huán)境中所能吸收利用的磷素減少，從而使其體內(nèi)的磷素積累量減少。

2.5 磷濃度與杉木幼苗根系、葉片各養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性分析

通過對磷濃度及杉木幼苗根系各養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性進行Pearson相關(guān)分析，得出(表3)：Fe和磷濃度之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r= 0.998，P< 0.01)，Mn和磷濃度之間存在顯著的負相關(guān)關(guān)系(r=-0.975，P< 0.05)，F(xiàn)e和Mn、Na含量之間存在顯著的負相關(guān)關(guān)系(r=-0.986，P< 0.05；r=-0.950，P< 0.05)。

通過對磷濃度及杉木幼苗葉片各養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性進行Pearson相關(guān)分析，得出(表4)：Al和磷濃度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(r= 0.969，P< 0.05)，Al和Fe、Mn之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(r= 0.957，P< 0.05；r= 0.981，P< 0.05)，Mg和Na之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(r= 0.980，P< 0.05)。

2.6 杉木幼苗根、葉片的FTIR分析

**. 在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。*. 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

**. Indicates significant differences atP< 0.01 level. *. significant differences atP< 0.05 level.

表4 磷濃度與杉木幼苗葉片Al和各養(yǎng)分含量之間的相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗

*. 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

*. Indicates significant differences atP< 0.05 level.

注：不同小寫字母間表示差異顯著(P< 0.05)Note: Different lowercase letters indicate significant differences at P < 0.05 level圖3 低磷脅迫對杉木幼苗根、葉磷素養(yǎng)分含量的影響Fig.3 Effects of low P stress on nutrient contents of phosphorus in roots and leaves of Chinese fir seedlings

圖4 不同磷濃度處理下杉木幼苗根系FITR圖譜Fig.4 FITR spectra of the root of Chinese fir seedlings under different phosphorus concentration

圖5 不同磷濃度處理下杉木幼苗葉片F(xiàn)ITR圖譜Fig.5 FITR spectra of the leaf of Chinese fir seedlings under different phosphorus concentration

如圖4和圖5所示，在3 367 cm-1波數(shù)附近的峰為糖類O-H伸縮振動，主要來自杉木幼苗體內(nèi)的糖類等碳水化合物[14-15]。與正常供磷處理相比，杉木苗根系在3 367 cm-1特征峰處吸光值隨著營養(yǎng)液磷含量的降低而降低，而葉片在各種磷濃度處理下，其吸光值均相等，表明低磷脅迫造成杉木幼苗根系中糖類降低，卻對葉片中糖類基本無影響。在2 921 cm-1波數(shù)附近為糖類CH3、CH2和CH伸縮振動以及羧酸O-H伸縮振動，主要來自于杉木幼苗植株內(nèi)的碳水化合物、維生素、油脂、核酸[14-15]。杉木幼苗的根系在2 921 cm-1特征峰處吸光值低磷處理高于正常供磷處理，而葉片中低磷處理與正常供磷處理的差異較小，說明低磷脅迫只對杉木幼苗根系脂類化合物影響較大，促進其脂類化合物的合成，對葉片中脂類化合物影響較小。在1 738 cm-1波數(shù)附近為羧酸羰基C = O伸縮振動，在1 630 cm-1波數(shù)附近為羰基C = O伸縮振動(酰胺I)，在1 380 cm-1波數(shù)附近為-CH2-、-CH3-的彎曲振動，主要來自蛋白質(zhì)[14-15]。在1 738 cm-1附近的特征峰處，低磷處理的杉木幼苗根系的吸光值均比正常供磷處理高，而葉片中僅0.25 mmol·L-1磷濃度處理的吸光值比正常供磷處理高；在1 630 cm-1附近的特征峰處，0、0.50 mmol·L-1磷濃度處理的杉木苗根系的吸光值大于正常供磷處理，而葉片中各磷濃度處理的吸光值均大于正常供磷處理；在1 380 cm-1波數(shù)附近的特征峰吸光值，根系中0和0.50 mmol·L-1磷濃度處理大于正常供磷處理，葉片中0、0.50 mmol·L-1磷處理小于正常供磷處理，說明低磷脅迫對杉木幼苗中蛋白質(zhì)、多肽和氨基酸類物質(zhì)影響較大。1 150～ 1 000 cm-1是C-OH和C-O-C伸縮振動，主要來自醇、醚、酯或酚類等碳水化合物[14-15]，杉木苗根系在該處的特征峰吸光值無磷處理大于正常供磷處理，說明低磷脅迫促進杉木苗根系碳水化合物的合成。

3 討論

萬美亮[22]等對甘蔗的耐低磷能力與保護酶系統(tǒng)的關(guān)系進行研究后，認為低磷脅迫誘導(dǎo)甘蔗體內(nèi)保護酶系統(tǒng)活性升高，是植物耐低磷的生理機制之一。植物細胞抵抗逆境損傷的重要保護酶系統(tǒng)如SOD、CAT和 POD等酶類是植物體內(nèi)活性氧的清道夫，在清除植株體內(nèi)多余的活性氧，避免細胞受到氧化損傷等過程中發(fā)揮著巨大的作用[23]。SOD是生物體內(nèi)唯一一種以自由基作為底物的抗氧化酶，可通過歧化反應(yīng)消除O2.-并生成H2O2(O2.-+ O2.-+2H+→H2O2+O2)[23]，低于一定濃度的供磷水平使得SOD活性下降，說明杉木幼苗體內(nèi)積累的O2.-含量超出SOD的清除能力。CAT是植物體內(nèi)重要的H2O2清除酶之一[24]，而H2O2能在CAT和POD的協(xié)同作用下分解生成H2O和O2[25]。低于一定濃度的供磷水平時，SOD活性下降而CAT的活性仍高于1.00 mmol·L-1的磷濃度處理，可能是在杉木幼苗細胞內(nèi)除了SOD歧化產(chǎn)生的H2O2，還有其它來源導(dǎo)致H2O2積累；杉木幼苗根內(nèi)的POD活性隨著磷脅迫的增加呈現(xiàn)出升高的趨勢，說明低磷脅迫誘導(dǎo)其POD活性的增加來清除杉木幼苗體內(nèi)增加的H2O2，與林靜雯[26]等人研究草甘膦對杉木種子萌發(fā)及幼苗生長的毒性效應(yīng)的結(jié)果相似。由表1和表2可以看出，低磷脅迫對杉木幼苗根系的影響比葉片大，說明杉木幼苗根系對低磷脅迫更為敏感，可能原因是杉木幼苗首先由根系吸收有效磷素，然后再傳輸?shù)角o、葉，而當土壤有效磷不足時，根系首先感知并發(fā)生生理響應(yīng)，因此杉木幼苗根系受低磷脅迫的影響相對較大。本研究發(fā)現(xiàn)杉木幼苗根系和葉片的幾種保護性酶(SOD、CAT和POD)活性在低磷脅迫后都發(fā)生了變化，在不同磷處理條件下的變化存在一定差異性，這與李俊等[24]對不同基因型油菜的研究結(jié)果相似。

MDA是生物膜系統(tǒng)膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一，對膜和細胞中的許多生物功能分子如蛋白質(zhì)，核酸和酶等均有很強的破壞作用，導(dǎo)致細胞損傷，并參與破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能[27]，除此之外，MDA也是反映植物受損傷后自我修復(fù)能力的重要指標之一[28]。與正常供磷水平相比，低磷脅迫使杉木幼苗的MDA含量減少，表明在低磷脅迫時杉木植株細胞的膜脂受到的傷害較輕，這是由于杉木幼苗體內(nèi)保護酶活性的提高，能及時清除植株細胞內(nèi)產(chǎn)生的自由基，這也進一步驗證了低磷脅迫時杉木幼苗具備較強的自我修復(fù)能力，與李俊[24]等人對油菜以及陳隆升[29]等人對油茶的研究結(jié)果有相似之處。葉綠素是植物光合作用的主要色素，也是植物生長重要因素之一，其含量反映了植物的光合速率水平[26]。杉木幼苗葉綠素含量隨著磷脅迫的增加呈現(xiàn)出顯著的差異性(P< 0.05)，表明低磷脅迫對杉木葉片光合作用各指標影響較大，可能是由于低磷脅迫對杉木葉片中葉綠素合成酶活性產(chǎn)生一定的影響，此外，本研究表明低磷處理造成杉木葉片含量Fe顯著降低(圖2-4)， 相關(guān)研究證實Fe是許多重要酶的輔基，對葉綠體構(gòu)造和合成有重要影響。因此低磷脅迫導(dǎo)致的葉片缺Fe也是造成葉綠素含量降低的重要原因。類似的是，黃勇[30]同樣發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫使得葉綠素含量降低差異顯著，與之相反，陳秀鈴[31]研究發(fā)現(xiàn)，鄧恩桉葉片葉綠素含量在低磷脅迫下顯著增加，說明不同的植物對缺磷環(huán)境的應(yīng)答具有一定的差異性，植物可通過自身調(diào)節(jié)葉綠素含量來適應(yīng)。

有研究發(fā)現(xiàn)，逆境脅迫不僅會影響植物葉的正常生理功能，而且會影響其根對養(yǎng)分的正常吸收和傳導(dǎo)，造成植物體內(nèi)營養(yǎng)元素間失去平衡，擾亂其體內(nèi)的新陳代謝，從而對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響[32]。本試驗研究結(jié)果表明，低磷脅迫降低了杉木幼苗根系對大量元素K的吸收(圖2-8)，說明低磷脅迫抑制杉木苗根系吸收該大量元素，其原因可能是低磷脅迫削弱了杉木植株的生理代謝過程，使得其沒有充足的能量供根系細胞主動吸收大量元素K，與王娟[33]等對水生花愈傷組織的研究結(jié)果一致。K在植株的新陳代謝過程中發(fā)揮重要作用，其含量減少必將會影響杉木幼苗的正常生理過程。Ca元素是細胞壁的組成成分，同時也能使細胞中的膜結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定[34]，本試驗中杉木幼苗根系中Ca元素含量先增加后降低(圖2-2)，表明低磷脅迫使得細胞中膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生變化。肖細元等認為逆境能增加植物對Ca的吸收，有利于維持植物細胞的正常結(jié)構(gòu)和功能，提高其抵抗逆境的能力[35]，但是植物細胞內(nèi)Ca含量過高不利于以無機磷為基礎(chǔ)的能量代謝過程[33]。Zobiole[36]等人研究發(fā)現(xiàn)，由于逆境抑制大豆植株內(nèi)有機物的合成和分泌，使得其體內(nèi)大量元素和微量元素積累量均減少。低磷脅迫下，大量元素P和微量元素Fe在杉木幼苗根系和葉片中的積累量均減少(圖3和圖2-4)，與Zobiole[36]等人的研究結(jié)果相似。隨著磷脅迫的增加，杉木幼苗對磷素的吸收和積累量減少，表明低磷脅迫時杉木幼苗能夠調(diào)整好對其他養(yǎng)分元素的吸收濃度，來規(guī)避P素不足產(chǎn)生的危害，這與陳隆升[37]等人的研究結(jié)果相似。研究發(fā)現(xiàn)，磷素供應(yīng)不足是光合作用及光合同化物在地上部分的莖、葉和地下部分的根系之間分配的重要影響因素[38]。本試驗中低磷脅迫使得杉木幼苗植株的P素積累量降低，必然影響杉木幼苗的生長發(fā)育。在杉木幼苗根系中，F(xiàn)e和Mn與磷濃度密切相關(guān)(r= 0.998，P< 0.01；r=-0.975，P< 0.05)，說明杉木苗對養(yǎng)分元素的吸收利用易受外界不利因素的影響。低磷脅迫下，不同養(yǎng)分元素在杉木幼苗根系和葉片中積累量變化不同, 同種營養(yǎng)元素在杉木幼苗植株的不同部位中積累量變化也不同,可能是因為營養(yǎng)元素在杉木植株的不同部位中所起的作用不同。

在逆境中，植物會通過不同部位糖類、氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)含量的變化來響應(yīng)逆境[39-40]。對比分析不同磷濃度處理下杉木幼苗根、葉FTIR光譜圖3 367、2 924、1 738、1 630、1 380、1 150～1 000 cm-1處特征峰吸光值的變化可以發(fā)現(xiàn)，杉木幼苗根和葉片對低磷脅迫存在一定的適應(yīng)性，葉片受低磷脅迫的毒害程度較根輕。饒通德[41]等人研究發(fā)現(xiàn)，香附子的地上部分比地下部分受毒害程度輕。低磷脅迫對杉木幼苗根系和葉片組織在3 367、2 924、1 736、1 630、1 380、1 150～1 000 cm-1處特征峰吸光值影響不同，一定程度的缺磷處理時(與正常供磷處理相比)對根的生理過程影響很小，但是促進葉片中氨基酸、蛋白質(zhì)和多肽類物質(zhì)等有機物以及醇、醚、酯或酚類等碳水化合物的合成、分泌和運輸；超過一定程度時可能抑制根系和葉片合成、分泌和運輸糖類等碳水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)、多肽、油脂化合物等有機物來應(yīng)答逆境。本研究與胡博華[42]等人的研究結(jié)果有相似之處。胡博華[42]等人對芹菜的研究發(fā)現(xiàn)，低程度的Cd2+脅迫對其生理過程基本無影響，脅迫程度的增加對芹菜體內(nèi)有機物的合成、分泌和運輸具有抑制作用。喬琳[43]等對玉米葉片譜圖研究發(fā)現(xiàn)，玉米葉片各組分在Pb2+脅迫前后吸收峰的位置和強度發(fā)生變化，表明Pb2+脅迫下這些基團與Pb2+發(fā)生了離子交換、絡(luò)合等對玉米抵抗Pb2+脅迫的毒害具有重要作用。但本研究中，低磷脅迫并沒有改變杉木幼苗根系和葉片譜圖的吸收峰峰形，只改變其特征峰強度，與喬琳[43]等人的研究結(jié)果一致。杉木根系糖類等碳水化合物隨著磷脅迫的增加而減少可能是由于杉木缺磷時，其根系中的糖類物質(zhì)參與了與缺磷信號有關(guān)的一系列反應(yīng)，使得植物中響應(yīng)缺磷信號的基因表達發(fā)生變化[44]。而趙建琦[45]等研究發(fā)現(xiàn)水稻在缺磷條件下外加蔗糖能夠促進水稻對磷素的吸收，并增加水稻的生物量，他們進一步分析發(fā)現(xiàn)，是由于蔗糖激發(fā)了磷轉(zhuǎn)運蛋白OsPT2的表達，從而促進缺磷水稻對磷素的吸收與轉(zhuǎn)運。此外，研究發(fā)現(xiàn)隨著磷脅迫程度的增加，植物會通過抑制RNA的合成而抑制蛋白質(zhì)的合成[46]。因此，本研究中杉木氨基酸、蛋白質(zhì)、多肽等化合物含量降低的原因可能是由于磷脅迫使得杉木RNA的合成受抑制所導(dǎo)致。

4 結(jié)論

(1)杉木幼苗的根系和葉片通過改變保護酶(SOD、CAT和 POD)活性來抑制MDA形成，降低由于低磷脅迫引發(fā)的膜脂過氧化對細胞膜系統(tǒng)的破壞。

(2)低磷脅迫會影響杉木幼苗對養(yǎng)分的吸收利用和運輸，擾亂其新陳代謝，同時杉木可以通過增加對其他養(yǎng)分元素的吸收，來規(guī)避低磷脅迫產(chǎn)生的傷害。

(3)在低磷環(huán)境中，杉木幼苗植株會通過改變不同部位糖類、氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)含量來適應(yīng)低磷環(huán)境。隨著磷脅迫的增加，杉木幼苗植株有機物的合成、分泌和運輸受到抑制。

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(責(zé)任編輯：彭南軒)

Response and Physiological Mechanism of Chinese Fir to Low Phosphorus Stress

YUJiao-da1,2，LIYing1,2，YINDan-yang1,2，ZHOUChui-fan1,2，MAXiang-qing1,2

(1 Forestry College, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian,China; 2. Engineering Research Center of Chinese Fir of State Forestry Administration, Fuzhou 350002, Fujian, China)

[Objective]To investigate the response mechanism of low-P stress on the antioxidant enzyme activities, nutrient uptake and bio-macromolecules of Chinese fir. [Method] The effects of low phosphorus stress on the physiological indexes of Chinese fir (Cunninghamialanceolata) seedlings, the mechanism of low phosphorus stress on the nutrient uptake of Chinese fir seedlings and the spectral characteristics of different parts of Chinese fir seedlings were studied by setting different phosphorus concentration in Hoagland nutrient solution. [Result] With the decrease of phosphorus level, the SOD activity, CAT activity, chlorophyll a, chlorophyll b and total chlorophyll content of Chinese fir seedlings rose at initial and then decreased. Low phosphorus stress made POD activity increase, and the MDA content decreased at first and then increased in the roots of Chinese fir. In the leaves, the POD activity and MDA content decreased at first and then increased. Low phosphorus stress had a significant effect on the absorption and utilization of nutrient elements in roots and leaves of Chinese fir seedlings. The content of Mn in Chinese fir roots showed an upward trend with the increasing level of P deficiency. The content of Al and Cu decreased at first and then increased, while the content of Fe and K decreased, and the content of Ca increased at first and then decreased. In addition, the accumulation of Fe and Mn in the leaves of Chinese fir showed a decreasing trend, and the accumulation of Cu and K increased and then decreased. On 3 367, 2 924, 1 736, 1 630, 1 380, 1 150～1 000 cm-1wavelength, low phosphorus stress had an effect on the root and leaf tissue where the light absorption value of characteristic peak were different. [Conclusion] Under low phosphorus stress, the root and leaf of Chinese fir inhibit the formation of MDA by changing the activity of protective enzymes (SOD, CAT and POD), and decrease the damage of membrane lipid peroxidation to the cell membrane system. They also avoid the damage of low phosphorus stress by increasing the absorption of other nutrient elements, and adapt to the low phosphorus environment by changing the contents of sugars, amino acids and proteins in different parts of Chinese fir.

Chinese fir (Cunninghamialanceolata); low phosphorus stress; physiological indexes; nutrient absorption; spectral characteristics

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.04.005

2016-11-10

國家自然科學(xué)基金(U1405211，31400465)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0600304)；中國博士后科學(xué)基金(2015M570550)；福建省自然科學(xué)基金青年基金(2015J05050)。

于姣妲(1993—)，女，碩士研究生，磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化及流失控制研究，E-mail:1036983589@qq.com。

* 通訊作者：周垂帆(1986—)，博士，碩士生導(dǎo)師，人工林土壤改良，E-mail:zhouchuifan@163.com。

S791.27

A

1001-1498(2017)04-0566-10