（生理学专业论文）低磷胁迫下水稻苗期的适应性反应及其qtl分析.pdf

本研究得到 国家重点基础研究发展规划9 7 3 项目：“作物 高效利用氮磷养分的分子机理 第五课题： 优异种质氮、磷高效关键基因调控途径的聚合 效应( 2 0 0 5 c b l 2 0 9 0 5 ) 的资助 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 差芸蓑耋1 每 l 一驾至堡兰：竺兰竺望l! 望里 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：瞎奸 1 f f f 1 ： 沙i 。年6 月。日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书。 学位论文作者签名：孑喜卿 签名e t 期：沙i o 年6 月j o 日 导师签名：多，乞了 已u 6 签名日期：沙( 。年6 月c9 日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 j 寸 低磷胁迫下水稻苗期的适应性反应及其q t l 分析 ，目录 摘要1 a b s t r a c t 3 1 前言5 1 1 研究目的和意义一5 1 2 作物耐低磷胁迫的形态学和生理学机制6 1 2 1 根系形态和根构型6 1 2 2 根系分泌物8 1 2 3 菌根的形成9 1 3 作物耐低磷胁迫的遗传学机制9 1 3 1 水稻耐低磷的相关q t l s 一9 1 3 2 植物耐低磷的相关基因1 0 2 不同磷水平下不同基因型水稻苗期生长特性及磷利用效率的差异1 1 2 1 材料与方法1 1 2 1 1 试验材料。1 1 2 1 一试验方法1 1 2 1 3 样品处理1 1 2 1 4 根系形态的测定1 2 2 1 5 磷浓度的测定：1 2 2 1 6 试验数据的计算和处理1 2 2 2 结果与分析1 2 2 2 1 不同磷水平下水稻生长特性的差异1 2 2 2 1 1 不同磷水平下水稻地上部形态特征的变化_ 1 2 2 2 1 2 不同磷水平下水稻苗期根系形态的影响。1 5 2 2 2 不同磷水平下水稻苗期磷利用效率的差异2 0 2 2 2 1 不同磷水平对水稻苗期地上部和根系磷浓度的影响。2 0 2 2 2 2 不同磷水平对水稻苗期磷积累量的影响2 0 2 2 2 3 不同磷水平对水稻苗期磷素干物质生产效率的影响2 0 2 3 讨论2 1 2 4 结论2 2 3 两种磷水平下水稻苗期生长特性和磷素利用效率的差异。2 2 3 1 材料与方法2 2 3 1 1 试验材料2 2 3 1 2 试验方法2 2 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 3 1 3 样品处理2 2 3 1 4 叶面积的测定。2 3 3 1 5 根系形态的测定2 3 3 1 6 磷含量的测定2 3 3 1 7 试验数据的计算和处理。2 3 3 1 8q t l 定位分析。2 4 3 2 结果与分析2 4 3 2 1 两种磷水平下水稻苗期地上部生长特性的差异。2 4 3 2 2 两种磷水平下水稻苗期根系形态特征的差异。2 7 3 2 3 两种磷水平下水稻苗期各器官磷素相关指标的差异。2 9 3 2 3 1 两种磷水平下水稻各器官磷浓度的变化2 9 3 2 3 2 两种磷水平下水稻各器官磷素积累量和磷素干物质生产效率的差异 ：1 9 3 2 4 两种磷水平下水稻苗期形态特征与磷利用效率之间的关系。3 3 3 2 4 1 两种磷水平下水稻苗期地上部形态特征与根系形态特征的关系3 3 3 2 4 2 两种磷水平下水稻苗期地上部形态特征与磷利用效率的关系3 5 3 2 4 3 两种磷水平下水稻苗期根系形态特征与磷利用效率的关系3 7 3 2 5 两种磷水平下不同基因型水稻苗期的形态及生理差异3 9 3 2 6 两种磷水平下水稻根系特征、磷积累量及磷素干物质生产效率的聚类分析 z 1 1 3 3 讨论4 3 3 4 结论4 5 4 两种磷水平下重组自交系群体苗期相关性状的q t l 定位4 6 4 1 两种磷水平下水稻地上部形态特征的q t l 定位4 6 4 2 两种磷水平下水稻苗期根系形态特征的q t l 定位。4 8 4 3 两种磷水平下水稻苗期各器官磷素相关指标的q t l 定位4 9 4 4 两种磷水平下水稻苗期农艺性状及磷素相关指标的q t l 定位5 0 4 5 讨论。5l 4 6 结论5 3 5 结语5 3 参考文献5 5 致谢6 3 附勇乏l 6 4 附录2 6 5 l i 低磷胁迫下水稻苗期的适应性反应及其q t l 分析 摘要 试验以珍汕9 7 ( z s 9 7 ) 、明恢6 3 ( m h 6 3 ) 、汕优6 3 ( s y 6 3 ) 、i r 2 0 、n i p p o n b a r e 、 r 6 4 和i r 7 8 8 7 7 七个基因型水稻为材料，采用水培方法，设置六个不同磷水平，研 究了不同供磷水平对不同基因型水稻苗期地上部形态、根系特征及磷素利用效率的 影响，同时筛选出最适的低磷胁迫浓度，即0 2 5m g l 的磷水平。再以源自珍汕9 7 和明恢6 3 的重组自交系群体以及i r 7 8 8 7 7 和n i p p o n b a r e 为材料，在低磷( o 2 5m g l ) 和常磷( 1 0m g l ) 水平下，采用水培方法，研究了供试材料苗期地上部的生长特性、 根系形态特征及磷素相关指标的差异，分析了植株地上部、根系及磷利用效率之间 的相互关系，并对两种磷水平下相关形态指标及生理指标进行q t l 定位。主要研究 结果如下： 1 不同供磷水平对不同基因型水稻苗期的地上部形态特征、根系性状及磷素 相关指标均产生显著影响。随着磷水平的降低，苗期水稻的株高、分蘖、地上部干 ： 重及总干重均显著下降；根系性状包括最大根长、总根长、根表面积、根体积、根 系干重及根冠比均显著升高；植株各器官( 地上部和根系) 的磷浓度和磷积累量均 。 极显著地减少，而磷素干物质生产效率则随磷水平的下降极显著升高。 2 两种磷水平下重组自交系群体及不同基因型水稻苗期地上部和根系形态、 磷利用效率均表现出显著差异。低磷水平下，地上部形态参数均表现下降趋势，而 一 根系相关指标则表现上升趋势，植株各器官的磷浓度和积累量均显著减少，但磷素 的干物质生产效率显著提高。不同基因型水稻i r 7 8 8 7 7 和n i p p o n b a r e 在两种磷水平 下表现类似变化趋势。 3 相关性分析表明，低磷胁迫下，重组自交系群体苗期地上部的生长与根系 的发育、植株各器官的磷积累量成显著正相关，根系的相关性状与各器官的磷积累 量成显著正相关。 4 分别以单株磷积累量、磷素干物质生产效率和根体积为依据进行的聚类分 析表明，以单株磷积累量为依据进行的分类与根系的分类相似，即两者的类型l 平 均值都最大，表明属于磷高效的类型同时具有较发达的根系。以磷素干物质生产效 率为依据进行的分类表现相同。 5 两个磷水平下共检测到6 8 个主效q t l s ，其中低磷水平下发现3 7 个q t l s ， 地上部形态指标检测到1 3 个q t l s ，根系指标检测到1 6 个q t l s ，磷素相关指标检 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 测到8 个q t l s ；常磷水平下共检测到3 1 个q t l s ，地上部检测到1 2 个q t l s ，根 系指标检测到1 4 个q t l s ，磷素相关指标检测到5 个q t l s 。两个磷水平下均检测 到的q t l s 有4 个，分别位于第1 、3 、6 和7 号染色体。不同供磷水平会影响q t l s 的表达。 关键词：水稻，磷水平，根系形态特征，磷素相关指标，q t l s 2 a b s t r a c t s e v e nr i c eg e n o t y p e s ( z h e n s h a n 9 7 ，m i n g h u i 6 3 ，s h a n y o u 6 3 ，i r 2 0 ，n i p p o n b a r e ，r 6 4 a n di r 7 8 8 7 7 ) w e r ee m p l o y e dt o i n v e s t i g a t e t h ev a r i a t i o no ft h e i rs h o o ta n dr o o t m o r p h o l o g i c a l t r a i t sa n dp h o s p h o r u su s ee f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tp h o s p h o r u sl e v e l sa t s e e d l i n gs t a g e b yr e s p o n s e so fs e v e ng e n o t y p e su n d e rd i f f e r e n tp h o s p h o r u sl e v e l s ，a c e r t a i np h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no f0 2 5m g lw a ss e l e c t e da st h ep r o p e rc o n c e n t r a t i o n w h i c hc a l lc a u s ep h o s p h o r u sd e f i c i e n c yo fr i c e t h ef o l l o w i n gh y d r o p o n i cc u l t u r e e x p e r i m e n tw h i c ha d o p t e dt h ec o n c e n t r a t i o no f 0 2 5m g la st h el o wp h o s p h o r u sl e v e l ，i n c o n t r a s t 、析t ht h en o r m a lp h o s p h o r u sl e v e lo f10m g l ，w a sc o n d u c t e dt os t u d yt h ee f f e c t o fp h o s p h o r u sd e f i c i e n c yo nm o r p h o l o g i c a lt r a i t so fr i l sa n dd i f f e r e n tr i c eg e n o t y p e sa n d t h er e l a i t i o n s h i pa m o n gs h o o t ，r o o tt r a i t sa n dp h o s p h o r u s r e l a t e dp a r a m e t e r s t h eq t l s f o ra l lr e l a t e dt r a i t sw e r ea l s ol o c a t e d t h er e s u l t so b t a i n e dw e r es u m m a r i z e da s f o l l o w i n g ： 1 t h ed i f f e r e n tp h o s p h o r u sl e v e l sh a das i g n i f i c a n ti n f l e n c e so nt h es h o o t 一，r o o t - r e l a t e d t r a i t sa n dp h o s p h o r u su s ee f f i c i e n c yo fs e v e nr i c eg e n o t y p e s t h ep l a n th e i g h t ，t i l l e r n u r n b e r s h o o td r yw e i g h ta n dt o t a ld r yw e i g h ta l ld e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y a st h e p h o s p h o r u sa p p l i c a t i o nd e c l i n e d c o n t r a s t l y , t h er o o tp a r a m e t e r ss u c ha sm a x i m u mr o o t l e n g t h ，t o t a lr o o tl e n g t h ，r o o ts u r f a c ea r e a , r o o tv o l u m e ，r o o td r yw e i g h ta n dr o o t s h o o t r a t i oa l li n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , t h es a m ea sp h o s p h o r u su s ee f f i c i e n c yo nt h eb a s i so f b i o m a s s w h i l et h ep h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o na n da c c u m u l a t i o ni nb o t hs h o o ta n dr o o t s h o w e ds i g n i f i c a n t l yd e c l i n ea st h ep h o s p h o r u sa p p l i c a t i o nd e c r e a s e d 2 t h e r ew a ss i g n i f i c a n tv a r i a t i o ns h o w no nt h es h o o ta n dr o o tm o r p h o l o g i c a lt r a i t so f r i l sa n dd i f f e r e n tr i c eg e n o t y p e su n d e rt w op h o s p h o r u sl e v e l sa ts e e d l i n gs t a g e t h e s h o o tm o r p h o l o g i c a lt r a i t su n d e rl o wp h o s p h o r u s l e v e lh a di n f e r i o r i t yt ot h e i r c o n u n t e r p a r t su n d e rn o r m a lp h o s p h o m sl e v e l w h i l et h er o o tg r o w t hw a ss i g n i f i c a n t l y s t i m u l a t e du n d e rl o wp h o s p h o r u sl e v e l a l t h o u g ht h e r ew a ss i g n i f i c a n t l yd e c l i n eo n p h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o na n da c c u m u l a t i o nu n d e rl o wp h o s p h o r u s ，t h ep h o s p h o r u su s e e f f i c i e n c yo fb i o m a s si n c r e a s e da p p a r e n t l y t h ed i f f e r e n tr i c eg e n o t y p e ss h o w e d t h es a m e v a r i a t i o n 3 t h e r ew a ss i g n i f i c a n ta n dp o s i t i v ec o r r e l a t i o n sa m o n gs h o o tm o r p h o l o g i c a lt r a i t s ，r o o t p a r a m e t e r sa n dp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i o nw h e ns u f f e r e dp h o s p h o r u sd e f i c i e n c y r o o t p a r a m e t e r s w e r ea l s o s i g n i f i c a n t l y a n d n e g a t i v e l y r e l a t e dt or o o t p h o s p h o r u s 3 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 c o n c e n t r a t i o n 4 a c c o r d i n gt o t h e h i e r a r c h i c a lc l u s t e r a n a l y s i sp r o c e d u r e ，t h e t o t a l p h o p h o r u s a c c u m u l a t i o n , p h o s p h o r u su s ee f f i c i e n c y o fb i o m a s sa n dr o o tv o l u m eo fr i l s w e r e c l a s s i f i e di n t o3c l u s t e r s ( 1 3 ) f r o mh i g ht ol o w , r e s p e c t i v e l y t h em e a l lv a l u e so fc l u s t e r1 o fb o t ht o t a lp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i o na n dr o o tv o l u m ew e r el a r e s ta m o n g3c l u s t e r s ，t h a t i st h ec l u s t e rw i t hh i g hp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i o nh a sb u l k yr o o t s t h ec l a s s i f i c a t i o no f p h o s p h o r u su s ee f f i c i e n c yo fb i o m a s ss h o w st h es i m i l a rp e r f o r m a n c e 5 at o t a lo f6 8q t l sw e r ed e t e c t e du n d e rt w op h o s p h o r u sl e v e l s ，w h i c hi n c l u d e s3 7 q t l su n d e rl o wp h o s p h o r u sl e v e la n d3 1q t l su n d e rn o r m a lp h o p h o r u sl e v e l t h a ti s13 q t l sw e r ed e t e c t e df o rs h o o tt r a i t s ，16q t l sf o rr o o tt r a t i sa n d8q t l sf o rp h o p h o r u s r e l a t e dp a r a m e t e r su n d e rl o wp h o s p h o r u sl e v e l a n d12q t l sw e r ed e t e c t e df o rs h o o t t r a i t s ，1 4q t l sf o rr o o tt r a i t sa n d5q t l sp h o p h o r u sr e l a t e dp a r a m e t e r su n d e rn o r m a l p h o s p h o r u sl e v e l t h e r ew e r e4q t l so nc h r o m o s o m e1 ，3 ，6a n d7d e t e c t e du n d e rb o t h l o wa n dn o r m a lp h o s p h o r u sl e v e l s t h ee x p r e s s i o no fq t l sc a nb ea f f e c t e db yd i f f e r e n t p h o s p h o r u sl e v e l s k e yw o r d s ：r i c e ( o r y z as a t i v al ) ，p h o s p h o r u sl e v e l s ，r o o tm o r p h o l o g i c a lt r a i t s ， p h o s p h o r u sr e l a t e di n d i c e s ，q t l s 4 低磷胁迫下水稻苗期的适应性反应及其q t l 分析 1 前言 1 1 研究目的和意义 土壤缺磷已被确认为限制水稻产量的重要因子( w i s s u w ae ta 1 ，2 0 0 1 ) 。据统计， 全世界3 0 4 0 的耕地由于缺磷而造成作物减产( r u n g e m e t z g e r , 1 9 9 5 ；v o nu e x k t i l l a n dm u t e r t ，1 9 9 5 ) ，其中有5 0 的水稻土是缺磷的( b a t j e s ，1 9 9 6 ) 。就我国而言，全 国约有6 7 的土壤严重缺磷，农田缺磷面积高达6 1 2 1 1 0 7h m 2 ( 李继云等，1 9 9 5 ) ， 其中缺磷面积占全省耕地面积超过7 5 的省份多达1 8 个，严重制约了当地的作物生 产和产品品质( 郭玉春，2 0 0 2 ) 。虽然增施磷肥可暂时缓解作物缺磷的问题，但从长 远看，单纯依靠施用磷肥来应对土壤缺磷对作物生产的限制，并不是最好的解决办 法。首先，我国磷矿资源严重不足导致我国的农业用磷很大程度上依赖于进口( 李 永夫，2 0 0 6 ) ，而全球现有磷矿资源也只够5 0 4 0 0 年的开采使用( h o c k i n g ，2 0 0 1 ) 。 其次，土壤中磷肥的当季利用率较低，即使在磷肥充足的条件下，仅有2 0 甚至更 低比例的磷肥能被吸收利用( r u s s e l l ，1 9 7 3 ) 。这是由于磷酸盐极易被酸性土壤中的 铁铝氧化物和石灰性土壤中的碳酸钙化合物所固定造成的( o z t u r ke ta 1 ，2 0 0 5 ； r a g h o t h a m ae ta 1 ，2 0 0 5 ) 。如我国南方酸性红壤和砖红壤对磷肥的利用率仅为 1 0 2 0 ( y a ne ta 1 ，2 0 0 6 ) ，就具体农作物而言，水稻的平均磷肥利用率低至1 4 ， 玉米为1 8 ，小麦仅为1 0 ( l ue ta 1 ，2 0 0 9 ) 。再者，土壤中过度地施用磷肥而又不 被作物有效地吸收利用，不仅造成磷矿资源的浪费，而且积累的磷肥会因水土流失 和地表降水而造成严重的水污染。以上问题促使众多的研究学者积极寻找解决土壤 磷素缺乏的问题。事实上，土壤中的全磷含量都是比较充足的，但植物可吸收利用 的有效磷却非常低，约1 0l a m o l l ，明显低于许多微量元素的含量，即所谓的“遗 传学缺磷 ( e p s t e i n , 1 9 8 3 ) ，而非“土壤学缺磷”。造成这一现象的原因，一方面是 由磷的理化性质所决定的，即磷在土壤中的移动性较差，主要借助扩散方式迁移到 根系表面，其扩散距离只有1 - 2m n ：且磷在土壤中的扩散系数也很小，约为3 0 - 4 2 m o l c m s ，而植物一般仅能吸收距离根系表面1 - 4m l n 的根际土壤中的磷。另一方面， 土壤中的磷主要以p 0 3 弘、h p 0 2 弘、h 2 p 0 3 。等无机可溶态形式被吸收( v a n c ee ta 1 ， 2 0 0 3 ) ，而土壤中绝大部分的磷是以难溶态的矿质磷或束缚态的有机磷形式存在的。 研究表明，施入土壤中的磷肥有9 0 以上会迅速转变为不易被作物吸收和利用的形 式( w i s s u w ae ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 已有大量的研究结果表明，不同基因型水稻在磷的吸收及利用方面存在显著差 异，因此筛选和培育耐低磷水稻基因型是应对上述问题的有效途径之一。本试验以 不同基因型水稻和强优势组合r i l 群体为材料，研究了不同磷水平下供试材料在形 5 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 态和生理方面的差异，并对相关指标进行q t l 分析，这为今后深入研究作物高效吸 收、运输和利用土壤磷营养元素的遗传及其生理生化机制，挖掘磷高效植物的基因 资源以及筛选和培育耐低磷水稻基因型提供理论依据。 1 2 作物耐低磷胁迫的形态学和生理学机制 低磷胁迫下，植物会通过一系列的生理生化反应以增加对生长介质中磷素的吸 收和利用。已有的研究结果表明，植物可以通过增加根系碳同化物的分配量、增强 侧根的形成、增加根毛长度和数量( l y n c h ，1 9 9 5 ；g i l r o ya n dj o n e s ，2 0 0 0 ；l i a oe ta 1 ， 2 0 0 1 ；l y n c ha n db r o w n ，2 0 0 1 ；w i u i a m s o ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 、磷酸转运子的大量表达 ( m u c h h a le ta 1 ，1 9 9 6 ；l e g g e w i ee ta 1 ，1 9 9 7 ；s m i t he ta 1 ，1 9 9 7 ；l i ue ta 1 ，1 9 9 8 ；l i ue t a 1 ，2 0 0 1 ) 以及可增加磷可利用性的分泌物( 有机酸、酸性磷素酯酶等) ( d i n k e l a k e r e ta 1 ，1 9 8 9 ；d u 行e ta 1 ，1 9 9 1 ；t a d a n oa n ds a k a i ，1 9 9 1 ；j o h n s o ne ta 1 ，1 9 9 4 ；g i l b e r te ta 1 ， 1 9 9 9 ；n e u m a n na n dr f m h e l d ，1 9 9 9 ) 等方式来响应低磷胁迫。 1 2 1 根系形态和根构型 根系是作物吸收养分的主要器官，在低磷胁迫下，植物常常会通过改变根系形 态和根构型来提高对土壤中潜在磷的吸收能力。研究表明，作物的吸磷量与最大根 长、根系总表面积、总根长、根体积、根系直径、侧根长度和侧根数量、根毛长度 和密度均呈显著正相关( 戴高兴等，2 0 0 6 ；李振兴等，2 0 0 6 ；李锋b 等，2 0 0 4 ；曾 黎明等，2 0 0 2 ；l y n c he ta 1 ，1 9 9 5 ；z h a n ge ta 1 ，1 9 9 2 ；w i l l i a m s o ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。李海波 等( 2 0 0 1 ) 研究发现，水稻在低磷介质中生长2 5 天后，单位侧根长度会增加1 1 2 0 倍，单位侧根数量增加1 1 1 4 倍，单位侧根长度的增加与单位根表面积的增大呈极 显著正相关，根系总表面积、侧根总长度和侧根总量都与植株磷含量之间存在极显 著的正相关。缺磷使某些植物主根的细胞伸长减少，对侧根的发生具有明显的诱导 作用，侧根的总长度和密度均会增加( a n u a r d h ae ta 1 ，1 9 9 1 ；l i s ae ta 1 ，2 0 0 1 ；孙海 国等，2 0 0 2 ) 。郭再华等( 2 0 0 4 ) 通过磷浓度梯度试验发现，在一定范围内( 2 5m g l 1 0 m g l ) ，磷浓度降低会促进水稻根系迅速伸长；当磷浓度继续降低时，根长开始受 到抑制，尤其是某些磷敏感基因型受抑制程度更大，当磷浓度降低至o 5m g l 时， 磷敏感基因型的根长已明显低于对照。这些研究结果在不同的作物中也有类似的表 现。不同小麦品种的根毛密度和长度均与磷的吸收量呈显著正相关，尤其在低磷胁 迫下其相关系数更大( g a h o o n i ae ta 1 ，2 0 0 0 ) 。m a 等( 2 0 0 1 ) 通过对模式植物拟南 芥的研究发现，低磷处理会使拟南芥根毛长度和根毛密度增大，根尖至根毛出现部 6 低磷胁迫下水稻苗期的适应性反应及其q t l 分析 位的间距缩小，生毛细胞的数量增加等。 当土壤中磷素缺乏时，根毛长度和数量的增加可以提高植物对磷的吸收( b a t e s a n dl y n c h , 2 0 0 0 ) 。根毛形成的增多相应地扩大了根系表面积，进而使根系接触土壤 的体积增加( b a t e sa n dl y n c h ，1 9 9 6 ，2 0 0 0 ；j u n g k , 2 0 0 1 ) 。低磷胁迫下，根系总表面积 的增加7 7 依靠根毛数目的增多( p a r k e re ta 1 ，2 0 0 0 ) ，而伴随根毛密度和长度增加 的往往是大量侧根的形成( g i l r o ya n dj o n e s ，2 0 0 0 ) 。据研究表明，缺磷条件下的根 毛密度是正常磷条件下的五倍( s c h i k o r ae ta 1 ，2 0 0 t ；v a n c ee ta 1 ，2 0 0 3 ) ，相应地两种 磷水平下磷的吸收因根毛密度的显著差异而不同( g a - h o o n i aa n dn i e l s e n ，1 9 9 7 ) 。与 根毛较短( 约0 5m m ) 的大麦相比，能形成较长根毛( 约1m m ) 的基因型可以吸 收较多的磷，获得较高的产量( c l a r k s o n , 1 9 8 1 ；g a h o o n i aa n dn i e l s e n , 2 0 0 4 ) 。不同种 类的作物中根毛的形成也受磷素的影响。如在油菜、菠菜和土豆中，根毛长度和数 量与组织中的磷浓度负相关( j u n g k ，2 0 0 1 ) 。根系分割试验表明，只有当植物的地上 部感受到缺磷信号并传递至根系时，根毛长度增加才会被诱导( j u n g k ，2 0 0 1 ) 。缺磷 会诱导植物根系生长的旺盛。有研究表明磷的供应水平直接影响干物质的分配 ( r y s e re ta 1 ，1 9 9 7 ；d eg r o o te ta 1 ，2 0 0 1 ) 。有些植物种类还可通过形成簇根( 由短小 分支的根系或根毛排列紧凑而成的) 以在有限的土壤体积内最大程度地增加根系表 面积( l a m b e r se ta 1 ，2 0 0 6 ) ，但是能够形成簇根的植物通常不会再形成菌根( s k e n e ， 1 9 9 8 ) 。研究发现，在供磷充足条件下，簇根的形成会受到抑制( l a m b e r se ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 植物根构型，即根系在生长介质中的空间造型和分布。土壤中磷素的供应情况 是影响根构型的首要因素( c h a r l t o n , 1 9 9 6 ；j o h n s o ne ta 1 ，1 9 9 6 b ；b o r c he ta 1 ，1 9 9 9 ； w i l l i a m s o ne ta 1 。2 0 0 1 ) 。植物的根系构型很大程度上决定了植物根系在土壤中的空 间分布和所接触到的土壤体积的大小( 李永夫，2 0 0 6 ) 。低磷胁迫下，根系构型的适 应性变化主要指基根的水平化生长，及由此导致的浅根生成增多、不定根形成增加、 侧根以及根毛密度和长度的增加等变化( v a n c ee ta 1 ，2 0 0 3 ) 。严小龙等( 2 0 0 0 ) 的研 究结果表明，植物主要通过向地性变化和根冠之间的碳源分配来改变根构型，根系 在土壤中有效磷含量较高的区域分布越多，根系接触到的土壤体积就越大，越有利 于植物根系对土壤中磷素养分的吸收。低磷胁迫下，菜豆的根系在表层土壤中的分 布比例相对增加，因为土壤中的有效磷主要集中在土壤表层，且随土壤剖面深度的 增加而降低( l y n c ha n db r o w n , 2 0 0 1 ) ，所以此类根构型反应必然会增加植物根系对 土壤有效磷的吸收。这一研究结果在b o n s e r 等( 1 9 9 6 ) 的研究结果中也得到进一步 证实，即菜豆根系在缺磷时基根的初始生长角度( 水平方向夹角) 变小。研究还发 现，菜豆根系的向地性变化是由缺磷等因素诱导的，且存在着一定的遗传变异性( 严 小龙等，2 0 0 0 ) ，具体表现为基根生长角度、基根在表层生长介质的相对分布、不定 根数目以及主根上的侧根生长等方面的差异( 廖红，1 9 9 8 ) 。不同基因型的根构型对 7 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 低磷胁迫的适应性存在差异，如磷高效基因型的菜豆根构型在低磷胁迫下变化较磷 敏感基因型的菜豆更为显著，即基根在生长介质表层的分布相对增加( 廖红，1 9 9 8 ) 。 1 2 2 根系分泌物 当植物受到外界的环境胁迫时，根系会被诱导分泌一些化学物质，以保持根际 微生态系统的活力。研究表明，植物分泌苹果酸和柠檬酸是缓解低磷胁迫和铝毒害 的主要机制，这些有机酸可以螯合a 1 3 + 、f e 3 + 和c a 2 + ，从而释放出束缚态的磷 ( g e r k e ，1 9 9 4 ；j o n e s ，1 9 9 8 ；h i n s i n g e r , 2 0 0 1 ；r y a ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。有机酸主要以下列四 种方式影响土壤中磷素的生物有效性：( 1 ) 对根际环境的酸化效应，尤其是石灰性 土壤中的难溶态磷；( 2 ) 对土壤中吸附态磷的影响；( 3 ) 对土壤中无机磷形态变化 的影响；( 4 ) 有机酸或有机阴离子与金属离子( 如a 1 3 + 、f e 3 + 、c a 2 + 等) 发生络合反 应，从而释放出无机可溶态的磷离子( h o c k i n g ，2 0 0 1 ) 。 不同类型的环境胁迫下，根系分泌物的含量和组成会发生显著变化( r e n g e ， 2 0 0 2 ) 。在低磷胁迫诱导产生的众多根系分泌物中，质子、有机酸( 柠檬酸、苹果酸 等羧酸盐化合物) 和磷酸酯酶被认为是最为普遍的分泌形式( k e e r t h i s i n g h ee ta 1 ， 1 9 9 8 ) ，并与植物的磷吸收效率密切相关( h i n s i n g e r , 2 0 0 1 ) 。植物可以通过分泌质子 来酸化根际周围的土壤环境，从而提高土壤中磷素的生物有效性( h i n s i n g e r , 2 0 0 1 ) 。 h i n s i g n e r ( 1 9 9 7 ) 发现，当以磷矿石作为磷源时，植物的吸磷量与根系分泌质子的 能力有显著的相关性。例如，荞麦、油菜及豆科植物较其它种类的植物具有更强的 利用磷矿石的能力，这可能与它们具有较强的分泌质子的能力有关( h i n s i n g e ra n d g i l k e s ，1 9 9 5 ) 。不同植物种类或同一植物种类的不同基因型根系分泌有机酸的能力是 存在显著差异的。研究结果表明，与正常供磷水平相比，白羽扇豆在缺磷水平下簇 根能够分泌2 0 4 0 倍的柠檬酸和苹果酸( v a n c ee ta 1 ，2 0 0 3 ；j o h n s o ne ta 1 ，1 9 9 4 ； k e e r t h i s i n g h ee ta 1 1 9 9 8 ；n e u m a n ne ta 1 ，1 9 9 9 ) 。明凤等( 2 0 0 0 a ) 研究表明，低磷胁 迫下水稻根系有机酸相对分泌量增加，且磷高效基因型根系分泌总有机酸明显高于 磷敏感型。 在高等植物中，低磷胁迫往往还能诱导一系列酸性磷酸酶的产生( d u f fe ta 1 ， 1 9 9 4 ；r a g h o t h a m ae ta 1 ，2 0 0 5 ) 。酸性磷酸酶的作用是促进土壤中难溶态有机磷水解 为易被作物吸收利用的无机磷，酸性磷酸酶的活性与根际无机磷的多少是成动态平 衡的，根际无机磷的增多会相应地降低根系中磷酸酶的活性。酸性磷酸酶是低磷胁 迫诱导产生的最重要的一种酶，包括两种不同的形式：细胞内和细胞外酸性磷酸酯 酶。低磷胁迫下，细胞内酸性磷酸酶的首要作用是重复利用衰老组织中的磷，以及 绕开碳循环中的需磷步骤；而细胞外酸性磷酸酶则主要负责从土壤中获取磷 8 低磷胁迫下水稻苗期的适应性反应及其q t l 分析 ( m a r s c h n e rc ta 1 1 9 8 6 ；t a r a f d a ra n dc l a a s e n ，1 9 8 8 ) 。这两种形式酸性磷酸酯酶的产 生通常被认为是作物受到低磷胁迫的标志( d u f fe ta 1 ，1 9 9 4 ；b a l d w i ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 研究发现，当白羽扇豆遭受低磷胁迫时，根系酸性磷酸酶的活性会急剧增加( o z a w a e ta 1 ，1 9 9 5 ；g i l b e r te ta 1 ，1 9 9 9 ) 。同时，低磷胁迫还可诱导核糖核酸酶(