蔗糖添加對(duì)杉木低磷脅迫響應(yīng)和蔗糖代謝的影響

陳冉紅, 周夢(mèng)巖, 李嬌陽(yáng), 鐘偉民, 吳鵬飛,2, 馬祥慶, 李 明,2,*

1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院, 福州 350002 2 福建省杉木種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心, 福州 350002

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一[1]。由于我國(guó)南方森林土壤中鐵、鋁等金屬離子的存在,以及土壤粘粒對(duì)磷的吸附作用,土壤中的無(wú)機(jī)磷大多以難溶性的磷酸鐵、磷酸鋁和被土壤粘粒包裹的閉蓄態(tài)磷的形式存在,很難到達(dá)林木根際被直接吸收利用,南方廣大的人工林樹種往往呈現(xiàn)長(zhǎng)期缺磷狀態(tài)[2]。杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)是我國(guó)人工林造林面積最大的樹種,其生長(zhǎng)之快、單產(chǎn)之高、材質(zhì)之好均居我國(guó)主要造林樹種的首位[3]。由于我國(guó)南方紅壤區(qū)土壤有效磷不足且異質(zhì)性分布,以及杉木多代連栽的經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤有效磷磷的長(zhǎng)期消耗,導(dǎo)致土壤有效磷養(yǎng)分不足成為限制杉木人工林產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素之一[4- 5]。

蔗糖是植物光合作用終產(chǎn)物之一,不僅為植物形態(tài)建成提供了所需的碳源和生命活動(dòng)的能量,還作為植物體內(nèi)的重要信號(hào)分子調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育以及植物的抗逆境反應(yīng),并與氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素相互作用[6]。蔗糖被認(rèn)為是植物響應(yīng)低磷脅迫的重要信號(hào)物質(zhì),低磷脅迫下韌皮部的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)可能參與了低磷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和磷轉(zhuǎn)運(yùn)、根系生長(zhǎng)和根毛的產(chǎn)生、酸性磷酸酶的分泌與生長(zhǎng)素的合成等代謝途徑[7- 8]。低磷脅迫誘導(dǎo)了植物對(duì)光合同化作用的高需求過(guò)程,從而產(chǎn)生更多的碳源來(lái)滿足根系生長(zhǎng)、有機(jī)酸分泌和磷轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)等代謝過(guò)程[9- 10]。低磷脅迫下,植物也可以通過(guò)調(diào)整糖酵解途徑來(lái)降低對(duì)磷的消耗,并通過(guò)蔗糖濃度的變化來(lái)傳遞低磷脅迫信號(hào),從而提高植物對(duì)低磷逆境的適應(yīng)能力[11]。低磷脅迫下環(huán)剝白羽扇豆韌皮部來(lái)阻斷蔗糖運(yùn)輸后,其根系低磷誘導(dǎo)響應(yīng)基因LaPT1、LaSAP1、LaMATE等的表達(dá)量顯著下降,而添加蔗糖能夠明顯促進(jìn)白羽扇豆排根增生[12]。擬南芥蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtSUC2突變體根、莖中蔗糖含量明顯高于野生型,更有利于其在缺磷時(shí)作出適應(yīng)變化；AtSUC2的缺失會(huì)降低植株低磷適應(yīng)能力,而低磷脅迫下施加外源蔗糖時(shí)擬南芥體內(nèi)大多數(shù)磷饑餓誘導(dǎo)基因上調(diào)表達(dá),這一結(jié)果為蔗糖系統(tǒng)性調(diào)節(jié)植物適應(yīng)低磷脅迫提供了證據(jù)[8]。Tian等研究認(rèn)為,miRNA399可能是植物長(zhǎng)日照條件下光響應(yīng)、磷穩(wěn)態(tài)和蔗糖信號(hào)傳遞的潛在整合者,高水平的蔗糖抑制了擬南芥在低磷脅迫下miRNA399的積累,而外源蔗糖的補(bǔ)充也降低了低磷脅迫下miRNA399的表達(dá)[13]。

因此,對(duì)擬南芥和水稻等模式植物的研究表明,外源蔗糖的添加會(huì)影響植物低磷脅迫信號(hào)的響應(yīng),并改變低磷脅迫下植物根系生長(zhǎng)和磷饑餓誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)[8,10,14]。此外,磷高效和磷低效植物基因型在低磷脅迫下的蔗糖代謝也存在差異[15-16]。低磷脅迫下磷高效型玉米品種 KH5 蔗糖含量高于磷低效型西502,而耐低磷水稻品種在低磷脅迫的早期糖酵解途徑增強(qiáng),從而為側(cè)根和根毛生長(zhǎng)提供更多的物質(zhì)和能量,不耐低磷水稻品種在低磷脅迫早期糖酵解就開始減弱[11,17]。課題組對(duì)杉木響應(yīng)低磷脅迫的研究也顯示,隨著磷脅迫程度的加深,杉木根系糖類等碳水化合物減少[18]。低磷脅迫下杉木地上部和地下部蔗糖濃度的改變與其根系伸長(zhǎng)、細(xì)根增生、有機(jī)酸分泌等低磷適應(yīng)機(jī)制密切相關(guān)[19]。杉木響應(yīng)低磷脅迫下的根系轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組分析也表明,淀粉和蔗糖代謝通路是杉木根系響應(yīng)低磷脅迫的關(guān)鍵富集通路,蔗糖合成酶、葡萄糖苷酶等蛋白在杉木根系響應(yīng)低磷脅迫中發(fā)揮著重要作用[20-21]。作為低磷脅迫響應(yīng)的信號(hào)物質(zhì),杉木地上部與地下部的蔗糖平衡會(huì)對(duì)其低磷脅迫響應(yīng)具有怎樣的影響呢？外源蔗糖添加會(huì)怎樣影響杉木根系形態(tài)、磷轉(zhuǎn)運(yùn)、酸性磷酸酶分泌等低磷脅迫響應(yīng)呢？

在對(duì)不同杉木家系磷利用效率研究的基礎(chǔ)上,課題組篩選出兩種不同磷效率杉木家系M32和M28,不供磷處理下的磷利用效率分別為(1.09±0.02)kg/g和(0.73±0.06)kg/g[22]。其中,M32在低磷脅迫下根系增生不明顯,主要通過(guò)加快體內(nèi)磷素循環(huán)來(lái)抵抗磷脅迫逆境；M28在低磷脅迫下能夠通過(guò)根系增生和酸性磷酸酶的分泌來(lái)活化土壤磷。這兩種具有不同磷素利用效率和特性的杉木家系是進(jìn)行蔗糖添加下杉木低磷脅迫響應(yīng)的良好材料。因此,本研究選用M32和M28分別進(jìn)行低磷脅迫下的蔗糖添加試驗(yàn),研究蔗糖添加對(duì)低磷脅迫下兩種杉木家系形態(tài)特征、生理特性和低磷誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá),研究結(jié)果有助于認(rèn)識(shí)信號(hào)物質(zhì)蔗糖參與杉木低磷脅迫響應(yīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵作用,為磷高效杉木基因型的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用1年生M32和M28杉木家系容器苗進(jìn)行沙培盆栽試驗(yàn),采用1/3改良霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液,澆水緩苗7d后進(jìn)行低磷脅迫下的蔗糖添加試驗(yàn)[23]。試驗(yàn)設(shè)置正常供磷(1.0mmol/l KH2PO4)(+P)、低磷脅迫(0.1 mmol/L KH2PO4)(-P)、正常供磷+營(yíng)養(yǎng)液添加3%濃度蔗糖(+P+S)、低磷供磷+營(yíng)養(yǎng)液添加3%濃度蔗糖(-P+S)4種處理,每個(gè)處理48株幼苗,每隔兩天每株澆15mL營(yíng)養(yǎng)液,分別在培養(yǎng)15d和45d時(shí)進(jìn)行收獲。

1.2 形態(tài)測(cè)定

在處理0d和45d時(shí)測(cè)定每株參試杉木幼苗的苗高,計(jì)算苗高增量。使用Expression 11000XL數(shù)字化掃描儀對(duì)脅迫0d和45d的杉木根系進(jìn)行掃描,并使用WinRHI20植物根系分析軟件分析根系形態(tài)參數(shù),每個(gè)處理設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3 生理指標(biāo)測(cè)定

在處理0d、15d和45d時(shí)分別測(cè)定杉木幼苗根葉組織磷含量、蔗糖含量、蔗糖合成酶活性、蔗糖磷酸合成酶活性和葉片花青素含量,每個(gè)處理設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)和3次試驗(yàn)重復(fù)。其中,磷含量采用硫酸-高氯酸消煮提取,并使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測(cè)定；花青素含量采用有機(jī)溶劑浸提法提取和測(cè)定[24]；蔗糖含量、蔗糖合成酶活性和蔗糖磷酸合成酶活性分別采用Solarbio檢測(cè)試劑盒測(cè)定。

1.4 基因表達(dá)分析

根據(jù)杉木響應(yīng)低磷脅迫的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組測(cè)序結(jié)果,篩選蔗糖合成酶ClSuSy、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SUT4、磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ClPht1;4、紫色酸性磷酶基因PAP1和PAP11進(jìn)行基因表達(dá)分析,具體引物見表1。在處理0d、15d和45d時(shí)分別收獲杉木幼苗根系,使用天根公司的RNAprep Pure Plant Kit 試劑盒提取根樣品的總RNA,采用 Promega 公司的Go-ScriptTMReverse Transcription System 試劑盒進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄試驗(yàn),合成杉木RNA 樣品 cDNA 第 1條鏈,統(tǒng)一稀釋至100ng/μL后用于熒光定量 PCR試驗(yàn)。采用10μL熒光定量PCR體系60℃退火30s,72℃延伸30s,共45 個(gè)循環(huán)；95℃ 30s,60℃ 30s,逐漸升溫到95℃,速度0.11℃/s。采用2-△△CT法計(jì)算目的基因的相對(duì)表達(dá)量,設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)和3次試驗(yàn)重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用軟件SPSS 12.0,圖表繪制采用軟件Origin 8.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木苗高的影響

M28和M32苗高增量在四種處理下均呈現(xiàn)出：正常供磷+蔗糖添加>低磷脅迫+蔗糖添加>正常供磷>低磷脅迫,低磷或正常供磷處理下添加蔗糖后M28和M32的苗高增量都有顯著性提高,且正常供磷的苗高增量大于低磷處理的苗高增量,表明外源蔗糖添加和磷素營(yíng)養(yǎng)均能夠促進(jìn)杉木苗高生長(zhǎng)(圖1)。

表1 引物序列

圖1 磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木M28和M32苗高增量的影響Fig.1 Effects of sucrose addition on the increment of height of M28 and M32 under phosphorus stress不同大寫字母表示同一處理不同家系間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一家系不同處理間差異顯著(P<0.05)；+P：正常供磷(1.0 mmol/l KH2PO4)、-P：低磷脅迫(0.1 mmol/L KH2PO4)、+P+S：正常供磷+營(yíng)養(yǎng)液添加3%濃度蔗糖、-P+S：低磷供磷+營(yíng)養(yǎng)液添加3%濃度蔗糖;+P: Normal supply of phosphorus, -P: Low phosphorus supply, +P+S: Normal phosphorus supply + addition of 3% sucrose to nutrient solution, -P+S: Low phosphorus supply + addition of 3% sucrose to nutrient solution

2.2 低磷脅迫下蔗糖對(duì)杉木幼苗根系形態(tài)的影響

M28與M32根系總長(zhǎng)度增量都表現(xiàn)為：正常供磷+蔗糖添加>低磷脅迫+蔗糖添加>正常供磷>低磷脅迫,其中蔗糖添加處理的根系總長(zhǎng)度顯著大于無(wú)蔗糖添加處理,根平均直徑增量、根體積增量和根表面積增量也呈現(xiàn)類似規(guī)律,表明蔗糖添加對(duì)低磷脅迫下的根系伸長(zhǎng)和根直徑增加有促進(jìn)作用(圖2)。M28與M32根長(zhǎng)增量、根體積增量、根平均直徑增量和根表面積增量存在顯著差異性；M28在添加蔗糖時(shí)根系增量顯著高于無(wú)糖處理,而M32不顯著,表明M28的根系形態(tài)更容易受外界蔗糖環(huán)境的影響。

圖2 磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木M28和M32根系生長(zhǎng)的影響Fig.2 Effects of sucrose addition on the root growth of M28 and M32 under phosphorus stress

圖3 磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木M28和M32根系和葉片磷含量的影響Fig.3 Effects of sucrose addition on phosphorus contents in roots and leaves of M28 and M32 under phosphorus stress

2.3 低磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木根葉組織磷含量的影響

M28與M32根、葉組織磷含量存在顯著差異,M28根中磷的含量顯著高于M32,而葉中磷的含量低于M32(圖3)。M28與M32根、葉組織中磷含量都呈現(xiàn)為：正常供磷+蔗糖添加>正常供磷>低磷脅迫+蔗糖添加>低磷脅迫,供磷處理下的杉木根、葉組織磷含量都顯著高于低磷脅迫處理。在供磷或低磷處理下,外源蔗糖添加都會(huì)增加杉木地上部與地下部的磷含量,這可能與杉木根部充足的蔗糖供給影響了杉木低磷信號(hào)傳遞有關(guān),也可能是外源蔗糖添加能促進(jìn)杉木韌皮部磷酸蔗糖的循環(huán)來(lái)提高植株的磷利用率。

2.4 低磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木葉片花青素含量的影響

M28與M32葉片花青素相對(duì)含量表現(xiàn)為：低磷脅迫+蔗糖添加>正常供磷+蔗糖添加>低磷脅迫>正常供磷,兩個(gè)家系在處理15d和45d后的花青素相對(duì)含量存在顯著差異(圖4)。與正常供磷相比,低磷脅迫15d和45d誘導(dǎo)了M28葉片花青素相對(duì)含量顯著性升高,而M32的葉片花青素含量與正常供磷處理差異不顯著,顯示M32葉片糖代謝過(guò)程對(duì)低磷脅迫較強(qiáng)的耐受性而不積累較多的糖苷。蔗糖添加處理下,M28在低磷脅迫和正常供磷處理15d和45d時(shí)葉片花青素含量都差異顯著,且低磷脅迫下葉片花青素含量顯著高于供磷處理；M32在低磷處理15d和45d時(shí)葉片花青素含量都顯著高于正常供磷處理?？傮w上,蔗糖添加顯著促進(jìn)了杉木葉片花青素的積累。

圖4 磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木M28和M32葉片花青素相對(duì)含量的影響Fig.4 Effectsof sucrose addition on relative anthocyanin contents of of M28 and M32 under Phosphorus Stress

2.5 低磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木根葉組織蔗糖含量的影響

總體上,與正常供磷或低磷脅迫處理相比,分別添加蔗糖15d和45d處理顯著提高了M28和M32根、葉組織蔗糖含量；相同供養(yǎng)條件下45d時(shí)M28和M32根、葉組織蔗糖含量遠(yuǎn)高于15d處理,且M32家系變化更顯著,表明脅迫時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)于杉木體內(nèi)蔗糖的儲(chǔ)存有重要影響。M28與M32根、葉組織蔗糖含量在相同處理?xiàng)l件下存在一定的差異,特別是處理45d時(shí)M28與M32根系蔗糖含量差異顯著。隨著脅迫時(shí)間的加長(zhǎng),在供磷以及供糖時(shí)兩家系根葉比的蔗糖濃度在上升,且跟的蔗糖含量低于葉含量；缺磷時(shí)M32家系也是如此,而M28家系隨著脅迫時(shí)間的加長(zhǎng)根葉比的蔗糖濃度降低。

圖5 磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木M28和M32根系和葉片蔗糖含量的影響Fig.5 Effects of sucrose addition on the sucrose content of the roots and leaves of M28 and M32 under phosphorus stress

圖6 磷脅迫下蔗糖添加下杉木M28和M32蔗糖濃度的根葉比Fig.6 Root leaf ratio of sucrose concentration in M28 and M32 of Cunninghamia lanceolata under phosphorus stress

2.6 低磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木M28和M32蔗糖合成酶活性的影響

試驗(yàn)處理15d和45d后,M28和M32根、葉組織蔗糖合成酶活性在4種處理?xiàng)l件下大都存在顯著性差異,且均為低磷脅迫處理下最高；添加或不添加蔗糖處理下,低磷脅迫下的杉木根、葉蔗糖合成酶活性顯著高于正常供磷處理；M28根、葉組織中蔗糖合成酶活性都顯著高于M32。M28葉組織蔗糖合成酶活性在45d時(shí)明顯降低,而M32隨脅迫時(shí)間的變化很小。

圖7 磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木M28和M32根系和葉片蔗糖合成酶活性的影響Fig.7 Effects of sucrose addition on the sucrose synthase activity of the roots and leaves of M28 and M32 under phosphorus stress

2.7 低磷脅迫下蔗糖添加對(duì)杉木M28和M32蔗糖磷酸合成酶活性的影響

供磷或低磷處理15d和45d時(shí), M28在不添加蔗糖處理下的葉片蔗糖磷酸合成酶活性基本上都顯著高于添加蔗糖處理；M32也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律(差異不顯著),表明根部蔗糖的添加信號(hào)反饋減少了杉木葉片的蔗糖合成。在根系組織中,M28在4種試驗(yàn)處理下的蔗糖磷酸合成酶活性都顯著高于M32；無(wú)論是否添加蔗糖,M28在低磷時(shí)的活性顯著高于供磷處理,而M32則差異不顯著。

2.8 低磷脅迫下蔗糖對(duì)杉木M28和M32相關(guān)基因的qPCR的分析

蔗糖合成酶基因ClSuSy在杉木根系中受低磷脅迫誘導(dǎo)下調(diào)表達(dá),受蔗糖添加誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá),在正常供磷+蔗糖添加處理時(shí)表達(dá)量最高,且在M28中表達(dá)量遠(yuǎn)高于M32。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SUT4除了在低磷處理15d的M32根系中的表達(dá)量低于低磷+蔗糖添加處理外,總體上在M28和M32根系中的表達(dá)量受低磷脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá),受蔗糖添加誘導(dǎo)下調(diào)表達(dá)。磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ClPht1;4在M32根系中受低磷脅迫誘導(dǎo)上調(diào),受蔗糖添加誘導(dǎo)下調(diào)表達(dá),但在M28根系中的表達(dá)量變化規(guī)律不明顯。紫色酸性磷酸酶基因PAP1在M28和M32根系中總體上受低磷脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá),在在低磷和低磷+蔗糖添加處理15d時(shí)表達(dá)量顯著增加,但在脅迫45d時(shí)表達(dá)量又顯著降低。PAP1在M28和M32根系中受蔗糖添加誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)的規(guī)律不明顯。紫色酸性磷酸酶基因PAP11在M28和M32根系中受低磷脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)。PAP11在M32根系中和處理45d的M28根系中的表達(dá)量受蔗糖添加誘導(dǎo)下調(diào)表達(dá),但在處理15d的M28根系中變化不規(guī)律。

圖9 基因ClSuSy, SUT4, ClPht1;4, PAP1和PAP11的相對(duì)表達(dá)量Fig.9 The relative expression of ClSuSy, SUT4, ClPht1;4, PAP1 and PAP11

3 討論

蔗糖作為低磷脅迫響應(yīng)信號(hào)是通過(guò)植物地上部和地下部在低磷脅迫下蔗糖濃度的變化來(lái)傳遞的,而外源蔗糖的添加改變了植物地上部和地下部的蔗糖濃度,也對(duì)植物低磷脅迫響應(yīng)信號(hào)的傳遞產(chǎn)生了重要影響[25]。植物在低磷環(huán)境中主要通過(guò)根系增生來(lái)增強(qiáng)對(duì)土壤磷的吸收能力,而外源蔗糖添加也直接影響了植物根系增生時(shí)的碳源供給,從而影響著植物地上部和地下部根系生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收、物質(zhì)累積和相關(guān)基因的表達(dá)變化[7- 8]。孔令劍等研究表明,添加蔗糖處理促進(jìn)了低磷脅迫下大豆根尖數(shù)量、根系生物量、根系蔗糖和磷含量的顯著上升[14]。蘇軍等研究發(fā)現(xiàn)低磷脅迫下添加蔗糖處理能夠誘導(dǎo)水稻根系生長(zhǎng)并改變根系形態(tài)結(jié)構(gòu),而在缺乏蔗糖添加下水稻根的生長(zhǎng)受抑制,并認(rèn)為磷和蔗糖協(xié)同調(diào)控著水稻根系形態(tài)和數(shù)量[10]。本試驗(yàn)對(duì)低磷脅迫和蔗糖添加耦合處理45d的杉木M28和M32進(jìn)行苗高和根系形態(tài)分析,結(jié)果顯示外源蔗糖添加促進(jìn)了低磷脅迫下杉木苗高生長(zhǎng)、根系伸長(zhǎng)和根直徑的增加。這一結(jié)果與在大豆、水稻上進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果較為相似,均顯示出低磷脅迫下外源蔗糖添加能夠促進(jìn)根系生長(zhǎng)。在外源蔗糖添加作用下,即使處于低磷狀態(tài)下杉木根系的生長(zhǎng)依然超過(guò)正常供磷處理,表明杉木根系生長(zhǎng)受外界磷和蔗糖的協(xié)同作用。

在供磷或低磷情況下,外源蔗糖添加都會(huì)增加兩種杉木家系地上部與地下部的磷含量和蔗糖含量。低磷脅迫下,從葉到根的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)增加是根系生長(zhǎng)的必要條件,但是蔗糖向根系的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝是以磷酸蔗糖的形式通過(guò)韌皮部運(yùn)輸來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此蔗糖向根部的轉(zhuǎn)運(yùn)也會(huì)相應(yīng)增加根細(xì)胞中的磷濃度[26]。蘇軍等對(duì)水稻的研究也表明,在正常供磷下添加蔗糖能夠顯著降低植株地上部和地下部的無(wú)機(jī)磷含量,而在低磷時(shí)添加蔗糖處理并不能影響植株磷水平,表明增加蔗糖供給能使磷在水稻體內(nèi)的循環(huán)利用率增加,降低植株對(duì)磷的依賴[10]。趙建琦等研究表明水稻在低磷環(huán)境下添加蔗糖可以增加其體內(nèi)的磷含量與生物量,而這一現(xiàn)象的原因是蔗糖的添加誘導(dǎo)磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPT2的表達(dá)促進(jìn)水稻體內(nèi)磷的吸收利用[27]。蘇軍等研究發(fā)現(xiàn)低磷脅迫下施加外源蔗糖能夠影響水稻幼苗根系中4個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白下調(diào)表達(dá),5個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白上調(diào)表達(dá),其中OsPT2、OsPT3、OsPT4、OsPT6對(duì)磷、糖的影響最為敏感[10]。本試驗(yàn)中,杉木高親和磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ClPht1;4在M32中受蔗糖添加誘導(dǎo)下調(diào)表達(dá),但低磷脅迫下添加蔗糖依然能促進(jìn)M32磷含量和生物量的增加,這可能是外源蔗糖添加能促進(jìn)杉木韌皮部磷酸蔗糖的循環(huán)來(lái)提高植株的磷利用率,也可能是在蔗糖供給能夠誘導(dǎo)其它PHT基因的表達(dá)來(lái)促進(jìn)杉木磷的吸收。由于蔗糖添加能夠有效促進(jìn)根系生長(zhǎng),對(duì)于在低磷脅迫下主要通過(guò)根系增生來(lái)提高磷利用效率的M28家系,其根系能夠獲得更多的碳源來(lái)促進(jìn)根系生長(zhǎng),因此外源蔗糖添加對(duì)M28磷素吸收和利用的促進(jìn)作用大于M32。蔗糖磷酸合成酶是植物體內(nèi)蔗糖合成的關(guān)鍵酶,蔗糖合成酶則是能夠促進(jìn)蔗糖合成與分解的雙向酶[28]?？琢顒?duì)低磷脅迫下的大豆進(jìn)行了蔗糖添加處理,發(fā)現(xiàn)其根系蔗糖磷酸合成酶活性隨著時(shí)間的增加而增強(qiáng),而蔗糖合成酶活性則在磷高效大豆根系中活性增強(qiáng),在磷低效大豆中表現(xiàn)出活性下降趨勢(shì)[29]。本試驗(yàn)中低磷脅迫下的杉木根、葉蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶活性基本都高于正常供磷處理,添加蔗糖處理下杉木根、葉蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶活性基本上都低于不添加蔗糖處理,表明低磷脅迫下蔗糖合成酶活性和蔗糖磷酸合成酶活性提高促進(jìn)蔗糖的合成來(lái)滿足植株對(duì)蔗糖的消耗需求,而外界蔗糖供給緩解了植株的蔗糖合成壓力。蔗糖添加下杉木體內(nèi)蔗糖含量的增加也導(dǎo)致了葉片花青素的累積,從而反饋給植物降低蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶的活性。

研究表明,低磷脅迫下外源蔗糖的添加能夠改變植物根系磷饑餓誘導(dǎo)相關(guān)基因和蔗糖代謝相關(guān)基因的表達(dá)[30-31]。Karthikeyan等研究發(fā)現(xiàn)低磷脅迫下外源蔗糖的添加能夠誘導(dǎo)擬南芥根系UDP葡萄糖磷酸化酶、IPS1、ACP5、PHT1和PHO1一些家族成員表達(dá)量顯著上升[32]。本試驗(yàn)中,低磷脅迫下外源蔗糖的添加誘導(dǎo)了蔗糖合成酶ClSuSy上調(diào)表達(dá),且在正常供磷并添加蔗糖下表達(dá)量最高。低磷脅迫下外源蔗糖的添加誘導(dǎo)了蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SUT4在處理15d的M32根系中上調(diào)表達(dá),但在45d時(shí)在兩個(gè)家系中均下調(diào)表達(dá)。SUT4的上調(diào)表達(dá)可以促進(jìn)了杉木根部吸收的外源添加蔗糖向地上部分運(yùn)輸,從而增加低磷脅迫下根系和葉片中的蔗糖含量[33]。于新超等對(duì)碳水化合物代謝參與番茄低磷脅迫響應(yīng)的研究表明,低磷脅迫下番茄植株地上部的光合作用受到影響,導(dǎo)致碳水化合物水平的改變,進(jìn)而影響了蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)及對(duì)蔗糖在植株的分配,最終影響了植株對(duì)低磷脅迫響應(yīng)的不同[34]。紫色酸性磷酸酶PAPs能夠催化水解磷酸單酯和酸酐類有機(jī)磷并釋放出無(wú)機(jī)磷,低磷脅迫下根系分泌PAPs是植物適應(yīng)低磷脅迫的典型特征,植物體內(nèi)紫色酸性磷酸酶也可以水解有機(jī)磷并釋放無(wú)機(jī)磷[35]。低磷脅迫下對(duì)水稻幼苗施加外源蔗糖處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)根系酸性磷酸酶的分泌受抑制,而磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)酶活性增強(qiáng),酸性磷酸酶基因OsSAP1在根中受蔗糖添加誘導(dǎo)下調(diào)表達(dá)[10]。本試驗(yàn)中,PAP1和PAP11受低磷脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá),低磷脅迫下受蔗糖添加的誘導(dǎo)表達(dá)量總體呈下調(diào)趨勢(shì),但在15d處理的M32根系中明顯上調(diào)表達(dá)。這表明低磷脅迫誘導(dǎo)杉木根系分泌更多的紫色酸性磷酸酶來(lái)水解根際有機(jī)磷,外源蔗糖的添加干擾了低磷脅迫信號(hào)并影響了PAP的合成與分泌[36]。

研究表明,低磷脅迫下外源蔗糖的添加對(duì)磷利用效率不同的兩種杉木基因型M32和M28根系形態(tài)、生理和相關(guān)基因表達(dá)的影響不同。M28在四種試驗(yàn)處理下的根系形態(tài)指標(biāo)變化差異顯著,而M32的根長(zhǎng)和根表面積變化不大,這表明M28根系形態(tài)更容易受外界蔗糖和磷環(huán)境的影響。在不同糖磷供應(yīng)處理下,M28更易在根系中積累磷,M32更易在葉組織中積累磷。杉木M28在正常供磷時(shí)施加蔗糖會(huì)降低其根系與葉片磷含量,而M32基因型卻無(wú)明顯變化。M32在15d和45d低磷脅迫和正常供磷處理下葉片花青素含量差異不顯著,顯示其葉片糖代謝過(guò)程對(duì)低磷脅迫較強(qiáng)的耐受性而不積累較多的花青素。四種試驗(yàn)處理下,M28根系中ClSuSy和PAP11表達(dá)量遠(yuǎn)高于M32,但SUT4、ClPht1;4和PAP1的表達(dá)量遠(yuǎn)低于M32,且低磷脅迫下兩種杉木家系根中相關(guān)基因的表達(dá)隨蔗糖添加的變化也存在一定的差異?？琢顒Φ妊芯勘砻?與磷高效大豆品種相比,低磷脅迫下添加蔗糖處理對(duì)磷低效大豆品種根系生物量、蔗糖和磷含量的增強(qiáng)作用影響更顯著[29]。不同杉木家系磷效率的差異受植株對(duì)磷素吸收和利用能力決定,磷高效利用杉木基因型在低磷脅迫下具有更強(qiáng)的根系增生能力,酸性磷酸酶和有機(jī)酸的分泌能力,根系磷素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力和體內(nèi)磷素循環(huán)增強(qiáng)能力等[37]。本研究結(jié)果表明,低磷脅迫下增加杉木根系的蔗糖供應(yīng),或者促進(jìn)蔗糖向地下部分運(yùn)輸和分配,能夠有效提高杉木對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)能力和磷素吸收效率。

4 結(jié)論

蔗糖添加促進(jìn)了低磷脅迫下杉木M28和M32苗高、根長(zhǎng)、根表面積、根平均直徑、根體積、葉片花青素含量、根葉組織蔗糖含量和根葉組織無(wú)機(jī)磷含量的增加,但仍明顯低于正常供磷處理下添加蔗糖處理的杉木增量。蔗糖添加促進(jìn)了低磷脅迫下杉木M28和M32根、葉蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶活性降低。總體上,低磷脅迫下外源蔗糖的添加誘導(dǎo)了杉木M28和M32根系蔗糖合成酶ClSuSy上調(diào)表達(dá),蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SUT4、磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ClPht1;4、紫色酸性磷酸酶PAP1和PAP11下調(diào)表達(dá)。不同磷效率的杉木家系M28和M32對(duì)低磷脅迫下外源蔗糖添加的響應(yīng)不同,M28根系形態(tài)更容易受外源蔗糖添加的影響,M32更易在葉組織中積累磷,M28更易在根系中積累磷,且M28根葉組織中的蔗糖合成酶活性和蔗糖磷酸合成酶活性都高于M32。M28根系中ClSuSy和PAP11表達(dá)量遠(yuǎn)高于M32,但SUT4、ClPht1;4和PAP1的表達(dá)量遠(yuǎn)低于M32,且低磷脅迫下兩種杉木家系根中相關(guān)基因的表達(dá)隨蔗糖添加的變化也存在一定的差異?？傮w上,蔗糖對(duì)杉木缺磷脅迫響應(yīng)和糖代謝有重要的影響作用,低磷脅迫下添加蔗糖處理能夠在一定程度上緩解杉木缺磷脅迫響應(yīng),研究結(jié)果有助于認(rèn)識(shí)蔗糖參與杉木低磷脅迫響應(yīng)的關(guān)鍵作用,也為磷高效杉木基因型的選育提供了參考。