（植物营养学专业论文）番茄耐低磷胁迫的筛选及其适应机理的研究.pdf

沈阳农业大学博士学位论文 摘要 本文采用液培方法研究了不同基因型番茄在缺磷条件下根系形态学及 生理学的适应特征，旨在寻求快速有效地筛选磷高效基因型番茄的根系形态 和生理指标。采用低磷浓度为0 o l m m o l l 进行耐低磷番茄种质资源的筛选， 试验结果表明，供试的1 9 个基因型番茄的耐低磷胁迫能力存在极显著差异， 其中以中杂1 0 1 号品种的耐性最强，朝研粉王对低磷胁迫最敏感。从筛选的 结果中，选择朝研粉王( g i 低效型) 、佳源大粉( 中间型) 及中杂1 0 1 号( g i 高效型) 三个典型品种，进行了其根系形态学和生理学特征研究，以揭示磷 高效基因型番茄耐低磷胁迫的适应机理。试验结果表明： 1 、低磷胁迫下，磷高效品种磷的吸收率要高于磷低效品种；磷高效品 种的侧根长度在低磷胁迫下要高于磷低效品种，但不同番茄品种的侧根数目 差异不显著。在低磷胁迫下，磷高效品种的相对干生长量一直明显高于磷低 效品种；但番茄各基因型间的相对株高影响较小；对相对叶面积的影响较大， 磷高效品种的相对叶面积明显高于另外两个品种，且不同基因型番茄在颜色 的变化程度出现了不同程度的差异，低磷敏感品种的叶片背面变成紫色的程 度和面积都比耐低磷品种的大。由此说明不同磷敏感程度的番茄品种在低磷 胁迫下叶片背面颜色的变化和面积大小可以作为项对低磷胁迫下对磷敏 感程度不同的番茄筛选指标。 2 、低磷胁迫下无论是磷高效还是磷低效品种的的总吸收面积和活跃吸 收面积均呈下降趋势，比表面积的差异不大，磷低效品种的下降幅度最大。 在低磷胁迫下，磷高效品种和中间型品种的k m 和c m i n 值相当，显著低于磷 低效品种，但磷高效品种的l m a x 却显著高于佳源大粉。由此表明，磷高效品 种对磷的亲和力最强，吸磷速率较最快。磷高效品种随着低磷处理的时间延 长，根系分泌质子能力增强高，p h 值下降的幅度大于磷低效品种。 3 、低磷环境对番茄根系分泌酸性磷酸酶具有定的诱导作用。不同磷 摘要 效率的品种在低磷胁迫下酸性磷酸酶活性上升幅度存在显著差异，在正常磷 水平下，根中酸性磷酸酶活性最低，但磷胁迫下它上升幅度最大。低磷胁迫 时磷高效品种酸性磷酸酶的上升幅度高于磷低效品种。3 种供试番茄在低磷 胁迫下其根系分泌的酸性磷酸酶活性之间也存在着显著的基因型差异。酸性 磷酸酶是由番茄根表皮细胞，特别是由根尖表皮细胞分泌的。因此，番茄根 系分泌的酸性磷酸酶活性与根表面积及根尖数之间具有明显的线性关系，这 可能是磷高效品种在低磷环境中酸性磷酸酶活性高于磷低效品种的一个主 要原因，因为磷低效品种的根表面积和总根尖数明显低予磷高效番茄。所以 酸性磷酸酶活性可以作为一个磷效率的早期筛选指标。 另外在较高磷水平下，不同基因型番茄可溶性糖和蔗糖含量无论是地 上部还是根系中差异不明显，在0 0 1 m m o l l 低磷胁迫下差异达到最大。且 根系中的碳水化合物尤其是根系中的蔗糖含量受低磷胁迫的影响较大。 4 、采用水培试验研究了低磷胁迫对不同磷敏感程度的番茄品种叶片中膜 脂过氧化和保护酶活性变化的影响。研究结果表明，低磷胁迫使番茄叶片膜脂 过氧化加剧，低磷敏感番茄品种的叶片膜脂过氧化程度高于耐低磷番茄品种；番 茄叶片中的m d a 含量和s o d 、p o d 、c a t 活性在低磷胁迫期间基本都有一 个明显上升，尔后又快速下降的过程，不同的是除p o d 外，低磷敏感番茄 品种叶片中酶活性上升和下降的幅度高于耐低磷番茄品种，这表明不同磷敏 感程度番茄品种保护酶的变化趋势与低磷胁迫无关，而变化幅度与低磷胁迫 有关。所以在适当胁迫时期，保护酶系的变化幅度可以作为筛选耐低磷番茄 品种的一个指标。 5 、不同基因型番茄在缺磷条件下根系形态学及生理学适应特征和根系 对局部供磷的反应具有重要的实践意义。在缺磷条件下，番茄的根长、侧根 数目及根系中酸性磷酸酶的活性以及根系干重和后期的果实产量都存在明 2 沈阳农业大学博士学位论文 显的基因型差异。这种关系说明以上性状，特别是根系长度和根条数可以作 为快速有效地筛选磷高效番茄品种的指标。在缺磷条件下，磷高效品种的根 于重比磷低效品种高3 8 9 ，地上部干重高3 6 7 ，这说明磷高效品种在缺 磷条件下同化产物的分配方向更有利根系的生长发育，有利于对土壤磷的获 取，对缺磷环境具有较强的适应能力。对5 种供磷水平下番茄产量的分析显 示，中部局部缺磷的产量最高，这说明施磷方式直接影响了磷肥的利用效率。 因此在田间施肥，根据d 处理的结果，采用分层旌肥，其肥效可能会更高。 关键词：不同基因型番茄；磷胁迫；磷效率；酸性磷酸酶；膜脂过氧化； 保护酶；动力学 第一章文献综述 第一章文献综述 前言 土壤肥效低下，养分匮乏是制约当今世界农业生产的重要因素， 继氮之后，磷肥是世界上施用最为广泛的肥料。因而磷肥成为农业生 产的重要物质保证之一，但它又是不可再生的矿质资源。有报道指出， 根据目前已探明得磷矿储量与开采速度，世界现有的磷矿资源只能维 持5 0 4 0 0 年。中国的磷矿资源只占世界磷矿资源的1 1 ，可开发的 磷矿只有l 亿吨。可想而知，就我国而言，磷矿资源的大小和分布是 极其有限的，它又是一种必需而又不能更新的资源，加之我国大面积的 酸性土壤和石灰性土壤强烈的化学固定作用，使得这些地区的磷肥当 季利用率严重偏低，一般仅为l o 左右，造成至少7 0 一9 0 的磷进入土 壤而成为难以被作物吸收利用的固定形态( 鲁如坤1 9 9 5 ) 。同时自然土 壤中的有效磷很少能够满足植物最佳生长的需要，而在大量元素中的 k 、c a 、m g 和s 在地壳和淡水中是普遍存在的( e p s t e l n ，1 9 7 2 ) ，氮素 在大气中是丰富的。在多数土壤溶液中的浓度是毫摩尔级的，磷在土 壤溶液和淡水中的浓度仅是微摩尔级的，这在很大程度上是因为磷能 结合到多种土壤组分上，使其有效性降低或只有部分对植物有效，再 就是多数陆地生态系统中的磷循环是开放的，且趋于耗尽，不象氮素 循环，大气库能持续地供应土壤库( s t e v e n s o n ，1 9 8 6 ) ，因而在农业生 产中常通过施用磷肥来满足农作物获得一定产量对磷的要求。近些年 随着产业结构的调整，保护地的面积逐年扩大，并且由于多年连作，土壤 肥力发生了显著的变化，形成了脆弱的土壤环境，生产上出现了很多土 壤肥料方面的技术难题，主要表现在种菜的高效益刺激菜农盲目投入 氮、磷化肥，其化学磷肥用量是耕地土壤磷肥用量的5 1 0 倍，有机肥 4 沈阳农业大学博士学位论文 用量平均4 ，5 t h m2 。因此在蔬菜保护地上磷肥的投入远远大于支出， 土壤磷素处于大量积累状态，从而使得蔬菜保护地上土壤各形态磷素 含量比一般耕地高5 13 倍。就是这些固定态磷由于溶解度很低，无法 满足一般作物的生长需求，在遗传学上被称作土壤磷素的“遗传学缺 乏”( e p s t e i n ，1 9 7 2 ；1 9 8 3 ) 而不是“土壤学缺乏”。更值得思考的是在 长期大量施用磷肥时，造成土壤氮、磷养分的高度积累，土壤次生盐 渍化；土壤和植株养分比例严重失调，土传病害严重，蔬菜产量和品 质下降。同时表层土壤磷素不同程度向下运移，尤其是分布在城市周 边的保护地，土壤磷素向下淋失及土壤侵蚀对水体富营养化的影响会 造成环境污染，威胁生态平衡，当水体中的磷酸盐含量超过5 0 m g l 时就已被污染。因此如何有效地开发土壤中这部分固定态磷、提高作 物对磷肥的利用率对于提高农业经济效益、保护资源和环境具有重要 意义。 提高作物对磷肥的利用效率主要有两种途径：一是改善土壤的供 磷状况，即通过改土和合理施肥提高土壤中磷的有效性；二是发挥作 物自身的潜力，改良作物利用磷肥的能力，即通过遗传育种的方法， 筛选、转育和培育能充分利用土壤磷素( 包括缓效态磷和难溶性磷) 的作物品种，即磷高效基因型。利用后一种途径来改良作物对磷的利 用效率已成为近年来世界许多科学家关注的焦点。同时分子遗传学、 分子生物学和基因工程技术研究的迅猛发展，也为作物抗逆性遗传改 良提供了很好的基础( 严小龙，1 9 9 7 ) 。因此发挥植物的自身潜力， 筛选与应用磷高效品种来开发利用土壤难溶的磷素资源提高磷效率 基因型的新育种技术，有可能作为在传统上采用旌肥来改良土壤的补 充或替代性手段。 i 1 植物磷效率的概念及营养机制 关于磷效率的定义及表述方法目前尚不统一。在植物营养学上， 第一章文献综述 磷效率通常认为是植物利用生长介质中单位有效磷所产出的生物量 ( 张福锁，1 9 9 3 ) ，植物磷营养的高效基因型是指该基因型能利用生 长介质中单位有效养分而生产出高于对照基因型的生物量( 张福锁， 林翠兰，1 9 9 2 ) 。g a h o o n i a 和n i e s l e n 指出，根据矿质营养的观点， 如果一个基因型能从土壤中活化吸收更多的磷及能更充分利用所吸 收的磷而产出生物量，说明该基因型就比其他基因型对磷更有效 ( g a h o o n i a 和n i e s l e n ，1 9 9 6 ) 。g r a h a m 认为，磷营养的高效基因型 应是该基因型在低磷土壤上能生产出高于标准基因型的生物量，并将 磷高效基因型和低效基因型分别称为“有效基因型( e f f i c i e n t g e n o t y p e ) ”和“无效基因型( i n e f f i c i e n tg e n o t y p e ) ”( g r a h a m ，1 9 8 4 ) 。 另有人认为，养分效率就是某个基因型在一定的养分供给条件下，获 得高产或高养分含量的能力；还有些人认为，养分效率是专指养分 缺乏时获得高产的遗传潜力。其他人则直接以植物在受到磷胁迫时的 生物量或子粒产量占正常供磷条件下生物量或子粒产量的百分率，即 植物的相对产量或减产程度来描述磷素的营养效率。 然而，植物的磷营养效率实际上由养分的吸收效率、运输效率和 代谢效率三方面所构成的。而植物磷营养高效基因型的遗传学实质， 则是那些长期在低磷土壤胁迫的压力下，由于某些“沉默”基因的诱 发表达或d n a 序列的特定改变而导致在形态、结构或一系列生理生 化特征上的适应性变化，而获得高于一般基因型生物学产量或经济产 量的基因个体( 孔令旗等，1 9 9 6 ) 。为此，植物磷效率的营养机制应 包括植物形态、结构及其生理生化特征的改变。 1 2 植物磷效率的遗传多样性 以往国内外磷素营养的研究，十分重视土壤与植物界面上的磷素 供应状况、磷的有效条件和有效利用，而对植物磷素营养效率研究不 够，事实证明不同作物品种吸收和利用磷的能力有很大差别。早在 6 沈阳农业人学博 学位论文 1 9 5 4 年s m i t h 在就报道了玉米在吸收利用磷方面存在品种差异。 j o c i c f l 9 8 3 ) 在缺磷黑钙土上以玉米、向日葵、甜菜为研究材料进行连 续三年的试验表明，3 种作物单位磷素合成的干物质量以玉米最高。 f i s t ( 1 9 8 7 ) 的研究表明，不同豆科作物中豇豆的吸磷能力最强，绿豆次 之。而f o h s e 和c l a a s s e n 等( 1 9 8 8 ) 对洋葱( a l l i u mc e p a ) 、黑麦草、 小麦、芸苔属( b r a s s i c a ) 等7 种作物磷利用效率的比较研究发现，以小 麦的效率最高：同时发现植物对外界磷的需求量与其内部含磷量无因 果关系，如达到其最高产量的8 0 时，小麦的需磷量少于洋葱，但小 麦茎杆的含磷量却明显高于洋葱。a e 等( 1 9 9 0 ) 对多种作物耐低磷特性 的研究发现，木( c a j a m u sc a j 口刀) 通常比高梁、大豆、玉米等更耐磷胁 迫。另外一些研究也注意到了物种间的磷效率的差异，认为磷的吸收 不仅取决于土壤中有效磷的含量，而且也受植物自身对磷吸收利用特 性的影响。也就是说：作物磷效率主要是通过两个方面的功能来实现 的，即根系吸收利用磷的能力和作物体内对磷同化代谢的能力。 植物的磷效率差异不仅表现在不同的物种间，最重要的是相同物 种的不同品种间也存在磷效率的遗传变异。l i p s e t t ( 1 9 6 4 ) 对1 1 个小麦 品种在低磷土壤上的生长发育研究表明，不同品种间的经济产量相差 悬殊，其中以b e n c u b b i n 和c h a r t e r 表现最好，而且子粒含磷量与产 量间呈负相关。c l a r k 和b r o w n ( 1 9 7 4 ) 发现，在富磷条件下，磷高 效与磷低效玉米品种的干物质产量相近或略高；但在缺磷条件下，不 管是用何种方式营造的低磷条件，磷高效玉米品种的干物质产量总是 高于磷低效玉米品种的干物质产量。b r u e t s h 和e s t e s ( 1 9 7 6 ) 指出， 玉米不同品种间磷吸收效率可相差2 3 倍，早熟品种比晚熟品种具有 较高的吸收、积累磷的特性，但晚熟品种的磷利用效率远高于早熟品 种，在低磷营养胁迫下生长的耐胁迫玉米自交系较敏感玉米自交系有 着较高的地上部物重，同时发现在富磷土壤上耐性玉米仍有较高的生 7 第一章文献综述 物量和地上部干重。n i e l s e n 和b a r b e r ( 1 9 7 8 ) 比较了玉米近交种及其杂 交种在旺l 间对磷的吸收利用后指出，玉米品种间存在着磷效率的差 异，并且这种差异至少受两个基因的控制。据v o s e ( 1 9 8 3 ) 报道，缺磷 条件下，磷高效蚕豆品系单位磷素光合强度高于磷低效品系，5 0 个蚕 豆品种间磷素利用效率为3 8 0 6 7 1 9 k g 。国外在对不同水稻品种磷素 吸收和利用效率也很早进行了研究，结果表明：低磷营养胁迫下，磷 高效的杂交水稻品种，有较大的根系，其吸收利用土壤中磷的能力较 常规品种高，产量也较高。f a g e r i a ( 1 9 8 8 ) 等采用3 个磷水平，对2 9 种水稻进行研究，发现品种间存在磷利用效率的差异。在温室条件下 对2 0 种陆稻进行磷利用效率评价，结果发现植株干物重及含磷量不 仅与土壤磷水平有关，而且存在着基因型间的差异，由此提出冠干重 及冠中磷含量可作为一指标用于对磷利用效率进行评价。h e d l e y 等 ( 1 9 9 4 ) 在低磷土壤上以单位磷营养合成的地上部干重作为衡量磷效率 的指标，发现陆稻不同基因型间存在较大的差异，根系生长、磷吸收 量与种子含磷量有很高的相关性。 国内学者罗成秀( 1 9 8 6 ) 的研究表明，在中度缺磷条件下，杂交 水稻威优6 号吸收利用土壤中磷的能力较常规品种强，产量较高，单 位养分的生物量也较高。黄亚群( 1 9 9 4 ) 在含磷量极低的黄沙土上对 5 0 个小麦品种的对比实验表明，不周小麦品种存在着明显的磷效率差 异，这种品种问磷效率的遗传变异，就为这一遗传性状的开发应用提 供了重要的经济价值及利用潜力。李继云等( 1 9 9 5 ) 用5 0 0 个小麦品 种( 系) 在大田条件下进行了耐低磷特性的鉴定与筛选，结果表明， 不同基因型间在耐低磷特性上存在很大差异，耐低磷的8 1 8 5 5 3 3 3 仅比对照减产4 ，而不耐低磷的8 0 5 5 却较对照减产3 9 。此后陆 续有小麦、水稻、大麦、菜豆、番茄、白羽扇豆等作物的报道。 以上国内外对不同植物和品种对磷效率的遗传多样性的研究工 沈阳农业大学博士学位论文 作对充分发挥作物自身的潜在能力具有极其重要的意义。相同作物品 种或基因型间所表现出的养分效率差异，不仅对进一步筛选、鉴定稳 定的养分高效品系，丰富具有营养遗传性状的作物种子资源有重要的 价值，而且为通过传统的杂交育种及应用现代生物学手段进行养分效 率的染色体定位、分子克隆与基因转移，生产培育高产、高效、低投 入的优良转基因植物品种( 系) 等，提供了可靠的资源，具有重要的 经济价值与应用潜力。另外对发挥植物的自身潜力，筛选与应用磷高 效品种来开发利用土壤难溶的磷素资源，提供了一种可能的途径。 1 3 植物适应低磷营养胁迫的机制 植物的磷营养效率实际上由养分的吸收效率、运输效率和代谢效 率三方面所构成的。但在这三方面磷营养效率通常与植物吸收效率密 切相关，而吸收效率由根冠比和单位根吸收速率决定。f o h s e ( 1 9 8 8 ) 的试验结果提出磷低效品种具有低的磷吸收效率和低的根冠比，而磷 高效植物种类有两种类型：一些是产生强大的根系，如小麦和黑麦草 等；另一些具有高的单位根长吸磷速率，如油菜和菠菜。在其所研究 的7 种植物中没有任何一种同时具备高的根冠比和高的吸收速率，也 没有一种植物同时表现出高的磷吸收速率和低的内部磷需求。说明在 低磷胁迫下不同基因型具有不同的吸磷机制。且植物利用磷效率的分 子生物学也已经表明，这一遗传性状是由多基因控制的，而且很可能 是由微效基因控制从而表现为数量遗传的性状。这样决定根系形态的 基因，合成与控制有机酸及磷酸酶活性的基因以及控制植物体内磷运 输、代谢的基因等都与磷效率具有密切的关系，其遗传方式与遗传控 制因植物种和基因型而异。这样在低磷营养胁迫条件下，磷高效基因 型或植物种就会通过一系列的生理生化适应机制来提高土壤磷的有 效性，满足自身对磷素的需求。植物对磷的适应机制主要有以下几个 方面。 第一章文献综述 1 3 1 缺磷胁迫对植物根系形态学特征的影响 在缺磷逆境中最先感受养分胁迫的器官是根系。磷在土壤中的移 动性很小，它主要借助扩散方式迁移到根表，且磷在土壤中的扩散系数 很低( 约为3 $ 1 0 1 4 m o l c m s ) ，植物一般仅能吸收距根表面1 4 m m 根际 土壤中的磷f 李庆逵，1 9 8 6 ) 。因此不同磷效率基因型的差异首先就表现 在根系的反应上。b r a y 针对磷这一移动性差和只有根系与土壤界面上 的土体向植物提供营养的特性指出：根系形态学特征如根系体积、几 何形态、侧根数量、长度和分布状况、根冠比、根毛数量和根的结构 特征等参数以及其生理吸收特性对植物吸收土壤中潜在的磷具有决 定性影响( 张福锁等，1 9 9 2 ) 。 根系通过形态学的变化如根的长度和粗细、根毛和侧根的数量和 密度等来扩大根系与土壤磷的接触面积，以提高植物对磷的吸收效 率。最典型的例子那就是白羽扇豆在低磷胁迫下形成排根 ( p u r n e l l ，1 9 6 0 ) ，白羽扇豆缺磷产生大量根毛和特殊的簇生根，其吸 磷量与根毛成直线相关。g a b e l m a n 和g e r l o f f 在低磷条件下，从5 4 个蚕豆品种中筛选出两个磷高效品系，发现磷高效品系根干重比磷低 效品系高2 - 3 倍。根的大小在磷营养基因型差异方面的重要性也已被 s a t t e i m a c h e r 等( 1 9 9 4 ) 用与“缺根”玉米品系( i s o l i n e ) 所证实。在 根重相同的情况下，根越细，磷吸收效率越高，因根半径与磷的吸收 效率成反比。a n g h i n o n i 和b a r b e r ( 1 9 8 0 ) 的研究结果表明，缺磷会 导致植物根重根长增加、根半径减少，并认为这是植物对磷胁迫的一 种适应性调节机制。国内孙海国( 1 9 9 9 ) 在缺磷胁迫条件下对小麦根 系形态变化进行了研究，结果也发现缺磷有利于小麦侧根数量、根系 长度和根系表面积的增加。 在缺磷胁迫下，植物也可能改变根系构型，使根系在土壤中有效 磷含量较高区域分布较多，从而提高对磷的有效吸收。大多数土壤中 1 0 鲨里查、业奎兰堕主兰些堡苎 的有效磷主要集中在土壤表层并随土壤耕层深度增加而降低( 全国土 壤普查办公室，1 9 9 8 ) 。在低磷条件下植物为寻求碳源，主根细胞的伸 长减少，而侧根长度和密度增加( l i s ag w ，s e b a s t i e np c r ，r i b r i o w x ， a i a s r a i rh f e ta 1 2 0 0 1 ) ，基根向地性减弱，生长角度变小，根系在表 层生长介质中的分布相对增加( 王庆仁，李继云，李振声，1 9 9 8 ) ，从而 导致整个根系变浅。严小龙等( 2 0 0 0 ) 己对菜豆基根数目，基根长及基 根与主根夹角等数量性状的座位进行了分子定位，从分子水平上证实 菜豆根系构型与磷吸收率密切相关。 目前我们已经对根系在缺磷胁迫下通过形态学的变化来提高吸 收土壤中潜在磷的机理进行了大量研究。首先，根系在缺磷胁迫下， 根冠比的增加为整个根系的发育提供了物质保障( 孙海国，1 9 9 9 ) 。在矿 质元素中磷是对光合作用及碳水化合物在地上部与根系之间分配的 影响起比较重要作用的元素之一。然而，受缺磷胁迫程度不同碳水化 合物的分配与利用也存在差异。这样植物在缺磷条件下根系生长量的 变化与碳水化合物的分配就有了必然的联系。而碳水化合物的运输及 分配不仅决定于植物本身源、流、库的特性，而且还受矿质营养、水 分状况、温度、光照、激素等因素的影响和调节。缺磷胁迫初期，受缺 磷信号诱导，同化产物向根系转运量增加，而在后期由于严重缺磷使 代谢紊乱，从而可溶性碳水化合物合成及运输受阻。已有报道，玉米、 大豆、小麦等在缺磷胁迫早期有更多的碳水化合物向根系运输，使根 冠比增加( 庞欣，2 0 0 0 ) 。f a r r a r ( 1 9 9 2 ) 提出，缺磷胁迫时蔗糖运输的增加 是由于增加了库强这种增加需要积极的卸载及利用蔗糖。库中蔗糖降 解酶的活性决定了同化物运入库中的能力及库强 ( h o ，l e c h a r r y ，1 9 9 1 ) 。庞欣( 2 0 0 0 ) 的研究结果也认为，早期缺磷植株由 韧皮部卸载的蔗糖增加了。然而，白羽扇豆在缺磷胁迫4 0 天后相对 于正常生长的植株，叶片组织中的磷水平大大降低，光合速率开始下 第一章文献综述 降，向根中运输的同化物也显著低于正常生长的植株( q i uj ，i s r a e l d w ，1 9 9 2 ) 。q i u 和i s r a e l ( 1 9 9 4 ) 认为缺磷胁迫3 4 天大豆光合作用固 定的碳向淀粉转化得更多，并在黑暗时，淀粉的利用效率减弱，结果， 淀粉大量积累，而可溶性糖通过韧皮部转到茎和根组织的量大量减 少。因此，根冠比增加不是由于光合产物向根部的输出率增加，而是 根在缺磷条件对碳水化合物利用率提高的缘故。b e n f e y ( 1 9 9 9 ) 研究 表明根系形态足受一系列能对根原基进行负调节的基因控制的，另外 植物激素乙烯和生长素通过对根系细胞的特化基因下游的作用促进 根毛分化以及侧根和不定根的形成( s m a l l ej ，v a n d e rs t r a e t e nd ，1 9 9 7 ) 。 缺磷条件下根系向地性的适应变化，可能与生长素有关。菜豆磷高效基 因型在低磷条件下，根系所分泌的乙烯量远远高于磷低效基因型，同时 乙烯抑制剂能够抑制菜豆根系对缺磷胁迫的向地性反应，说明乙烯对 向地性反应具有一定的生理调控作用( z h a n gy l i a oh ，b r o w n k ，1 9 9 8 ) 。但激素是通过哪些具体的生理生化过程来调控根系向地性反 应? 有待于进一步研究。 在缺磷时，w 0 1 f g a n g 和a d a m ( 2 0 0 1 1 应用乙烯 前体氨基环丙烷羧酸或生长素类似物2 , 4 d 能使拟南芥根毛密度显著 增加，但激素拮抗不影响缺磷条件下的根毛的大量产生，这说明缺磷 信号可能是直接激活原初乙烯响应基因，使根毛增加。孙海国( 1 9 9 9 1 认为小麦根系生长对缺磷反应机理为：由于磷锌互作，地上部锌浓度 随介质磷水平的降低而提高，锌对生长素的合成有促进作用，因而生 长素含量随之增加，由于生长素的极性运输，根部生长素的浓度提高， 并增强了碳水化合物向根中的分配力度。生长素能诱导周期蛋白基因 e y e l a t 基因表达，促进根分生组织的分裂，加速根的伸展。 1 3 2 缺磷胁迫下根系的吸收动力学特性 根系吸收磷的生理特性可以用根系吸收h 2 p 0 4 的吸收动力学参数 来表征( 王庆仁等，1 9 9 8 ) 。吸收动力学有三个重要参数即米氏常数 沈阳农业大学博士学位论文 ( kt i ) 、离子最大吸收速率( i m a x ) 和c m i n ( 根系净吸收等于零时溶 液的浓度) 。 k o u s u k e ( 1 9 9 5 ) 认为这些参数可用来表示植物吸收离子的速率，k m 值越小，离子与根系的亲和力越大；c m jr l 值越小，植物越能从磷有效 性低的土壤中吸收大量的磷，根际土壤溶液与原土体土壤溶液中磷的 浓度梯度也就越大，通过扩散作用到达根表的磷就越多。在磷营养胁 迫条件下，根系对离子的吸收动力学参数c m i n 和k m 对植物吸磷能力 具有重要的意义( a n g h i n o r i 和b a r b e r ，1 9 8 0 ；b a r b e r ，1 9 8 4 ；b o r k e r t 和b a r b e r ，1 9 8 5 ) 。这些动力学参数并非恒定的常数，它们因植物种 类、品种、磷营养状况和苗龄的不同而异。用玉米和大麦两种作物所 做的研究表明，具有不同磷营养效率基因型的植物其c m i n 和k m 不同。 据徐茂等人( 1 9 9 1 ) 研究，缺磷时麻菜、油菜、小麦、苕子和黑麦草 的根系形态动力学参数明显不同，黑麦草的i m a x 最大，c m i n 最小。 这说明黑麦草能够在较低的磷水平土壤上生长良好，同时也说明黑麦 草对缺磷的敏感性要小于其它四种植物。n i e l s o n 用大麦进行田间试 验发现，在缺磷土壤上，这些动力学参数与植物生长量的吻合性非常 好，随着缺磷程度的加重，i m a x 常常增加，k 值和c m i n 则变小( j u n g k 和c l a s s e n ，1 9 8 6 ) 提出可以小的k m 值、c m i n 和高的i m a x 作为筛选 指标在大麦主要生长期筛选高效基因型。如f a n 认为k m 和c m i m 值是 影响作物耐低磷特征的最重要指标，并根据动力分析己筛选出v u 3 5 、 x i a n 9 9 等耐低磷的水稻品种。 但f o n t e s 等对番茄的研究表明，植物的磷营养状况对k m 无影响， 而且d i n k e l a k e r 对9 种不同基因型鹰嘴豆( c i c e ra r j e t i u m ) 的试 验也得到了类似的结果。因此动力学参数在此方面的应用不同作物之 间存在着争议，有待于进一步的研究验证。 第一章文献绿述 1 3 3 缺磷胁迫对植物根系生理学特性的影响 1 3 3 1 根际p h 变化及有机酸的分泌 根际是指一土界面l 毫米到几毫米范围的微区土壤，是植物土 壤微生物与其环境条件相互作用的场所( 刘芷宇，1 9 8 0 ) 。p h 变化 是影响植物对土壤难溶态磷的一个重要因素在一定范围内，随着根际 p h 降低，磷有吸收量显著增加( 王庆仁等，1 9 9 8 ) 。磷高效基因型的植 物的根际p h 和有效磷含量明显低于磷低效基因型( 王庆仁，李继云， 李振声，2 0 0 0 ) 。根际p h 值的变化主要是因为植物根系养分吸收、耦 联的质子和有机酸的分泌作用而引起( 张福锁和曹一平，1 9 9 2 ) 。p h 值变化也是影响植物对土壤难溶太磷活化吸收的一个重要因素。据 v a n 和d i e s t ( 1 9 8 6 ) 等对植物吸收6 种不同来源的磷矿粉、烧制磷酸 铝及过磷酸钙等的研究表明，植物的磷吸收量与根际的p h 值呈指数 相关，在一定范围内，随着根际p h 值的下降，磷的吸收量明显增加。 g r i n s t e d 等( 1 9 8 2 ) 指出，缺磷引起油菜对阳离子的吸收量大于阴离 子的吸收量，从而使大量h + 外渗导致根际p h 值下降。相反的结论为 油菜对磷矿粉的利用并非体现在阴阳离子吸收不平衡上，以及没有大 量c a 2 + 吸收的发生；但认为向日葵却有着上述机制，降低p h 值活化 利用难溶态磷( h o f f i a n d 等，1 9 8 9 ) 。进一步的研究指出，油菜在低 磷下，分泌大量的苹果酸、柠檬酸于根际范围内，酸化了土壤，增加 了磷的生物有效性( h o l t l a r d ，1 9 8 9 ) 。酸化的作用除了利用土壤外， 还可以酸化根细胞壁组织，使根细胞加长最后使根系加长，更多吸收 土壤磷( a n u r a d h a 和n a r a y a n a n ，1 9 9 1 ；m a r s e h n e r 等，1 9 8 6 ) 。李庆逵指 出，荞麦根系分泌物最宜降低土壤的p h 值所以荞麦的吸磷能力最强。 g r i n s t e d 和h e d l e y ( 1 9 8 6 ) 等用薄层培养法研究油菜幼苗对根际难溶 性磷的利用结果表明，生长3 5 天幼苗根际p h 值可降低2 4 个单位( 由 p h 6 5 到4 1 ) ，相应土壤溶液中有效磷的浓度约增加1 0 倍。根际p h 沈阳农业大学博士学位论义 的降低也是植物适应低磷的一种根际诱导性机制( g a h o o n i ， n i e l s e n 、1 9 9 2 ) 。据李继云( 1 9 9 5 ) 等用琼脂培养法的研究结果表明， 小麦不同品种问根系分泌质子而对介质的酸化能力具有明显的差异， 磷高效小麦冀8 7 4 6 1 7 ) 可使p h 降低3 5 个单位( 李继云，1 9 9 5 ) 。 许曼丽和范晓晖( 1 9 9 7 ) 研究了磷营养胁迫，小麦、番茄、玉米根系 的适应性及根际效应，结果表明在缺磷处理前7 天有着酸化的倾向， 及p h 值按6 0 5 3 6 6 变化，尤以玉米的变化最为明显。 导致根际p h 降低有多种途经：植物根系分泌的有机酸，根系对 阴、阳离子吸收的不平衡，如通过交换吸收阳离子而释放h + ，根呼吸 c 0 2 溶于介质后产生h c 0 3 以及根际微生物、菌根等通过呼吸代谢释 放c 0 2 也可以使根际p h 降低。缺磷条件下植物根系低分子量有机酸 的分泌对于促进自身对土壤中难溶性含磷化合物的利用有重要意义。 关于根分泌的有机酸活化土壤中磷素的途经陆文龙等( 陆文龙，曹文 平，张福锁，1 9 9 9 ) 归纳为以下几种：1 ) 有机酸与磷酸根之间竞争结合 位点，降低土壤对磷酸根的吸附；2 ) 改变吸附剂表面电荷；3 ) 酸溶解 作用：4 ) 消除土壤吸附位点。5 ) 有机酸有机阴离子与f e 、a l 和c a 等金属离子问的络合反应，造成含磷化合物的溶解，从而活化土壤中 的磷。有机酸和金属之间的络合反应与有机酸分子中的羧基和酚基的 数量和位置有关，因此，不同有机酸活化土壤磷的能力有所不同。一 般而言，三羧酸的活化能力大于二羧酸，而二羧酸大于单羧酸( 陆文龙， 曹文平，张福锁，1 9 9 9 ) 。有机酸对不同形态磷的活化能力不同：对c a 2 p 的溶解作用为草酸 乙酸，琥珀酸 柠檬酸，酒石酸，苹果酸 乳酸；对 c a l 0 _ p 的溶解作用为草酸 苹果酸 柠檬酸，酒石酸，乙酸 乳酸 琥珀 酸；对a l 。p 的溶解作用为苹果酸 酒石酸 乳酸，草酸 乙酸 柠檬酸 琥珀酸；对f e - p 的溶解作用为柠檬酸 革酸，苹果酸 酒石酸 乙酸，乳 酸 琥珀酸( 章永松，林咸永，等1 9 9 8 ) 。来源于土壤不同类型的植物 第一章文献综述 可以通过分泌不同的有机酸来活化石灰性土壤中不同形态的难溶性 磷f 严小龙，张福锁，1 9 9 9 ) ，比如生长在石灰性土壤上的白羽扇豆， 在缺磷胁迫下于排根处分泌大量的柠檬酸，柠檬酸活化的磷足以满足 白羽扇豆自身对磷的需要。生长于印度酸性土壤上的木豆，利用土壤 中难溶性f e p 的能力比其它作物强，它在缺磷条件下，根系分泌大 量的番石榴酸和甲氧苄基石酸。生长于我国南方酸性土壤上的绿肥植 物肥田萝b ，在缺磷条件下，酒石酸的分泌量比不缺磷条件下增加近 l o 倍，从而对a l p 有较好的利用能力。 关于缺磷胁迫条件下根系分泌有机酸增加的机理研究工作并不 多。已有研究结果表明，根组织分泌有机酸是有选择性的，是主动过 程( 田中民，李春俭，等2 0 0 0 ) ，可能受与质膜h + a t p 酶偶联的输出 阴离子载体或通道的调节，缺磷条件下，施加阴离子通道抑制剂能够有 效地抑制的白羽扇豆排根向外分泌柠檬酸f 严小龙，张福锁，1 9 9 9 ) 。而 分泌的有机酸中碳的来源j o n s o n ( 1 9 9 6 ) 认为与根中非光合作用的碳有 关，受p e p c ( 磷酸烯醇式丙酮酸) 活性变化的影响。研究表明，排根 形成加速，p e p c 的表达和活性升高，柠檬酸的分泌是白羽扇豆对缺 磷胁迫的适应机制，其中p e p c 活性的增加与分泌的有机酸的增加相 吻合，p e p c 能提供2 5 的碳用于柠檬酸的分泌( j o n s o n ，1 9 9 6 ) 。田中民 等( 2 0 0 0 ) 的研究结果表明，在缺磷胁迫条件下白羽扇豆的排根与非排 根区根尖组织和茎木质部伤流液中含有大量柠檬酸，但在韧皮部汁液 中则几乎检测不到这种有机酸，从而认为缺磷后排根及非排根区根尖 增加向外分泌的有机酸主要在根中合成。 l - 3 4 根系分泌的酸性磷酸酶( a p a s e ) 与磷素吸收 植物在磷胁迫下通常可分泌一种诱导酶一酸性磷酸酶而增加土壤 对有机磷的水解。a p a s e 主要存在于植物根的表皮或下表面，或由根 分泌到外部的介质中( 宋克敏，焦新之，等1 9 9 9 ) 。a p a s e 作为一类水 6 沈阳农业大学博士学位论文 解磷酸单酯键的水解酶，与细胞的许多生理生化过程有关，包括细胞防 御，细胞自身降解，细胞质p 0 4 3 - 的维持等。它也是一种诱导酶，其 活性受植物供磷状况的影响，缺磷能诱导根系a p a s e 活性的显著升高， 它是缺磷胁迫后，植物最早和最为剧烈的反应之( d r a c u pm n h ， b r r e t t - l e n n a r ee g ，g r e e n w a yh ，1 9 8 4 ) 。已有研究表明，植物a p a s e 与植物磷营养状况之间有密切联系( g o l d s t e i na h ，b a e r t l e i nd a ， m e d a n i e lr g ，19 8 8 ；g o l d s t e i nah ，m a y f i e l dsd ，m c d a n i e lrg ，t i b b o t bk 1 9 8 9 ) 。植物分泌的a p a s e 能水解介质中的磷酯，使其中有磷活化 为植物所吸收利用( d u f fs m a ，s a r a t r hg ，p l a x t o nw c ，1 9 9 4 ) ，在缺 磷条件下植物对有机磷的利用能力明显提高，主要是由于缺磷诱导了 植物根系的酸性磷酸酶显著提高，从而促进了有机磷的转化( h e l a l h m ，1 9 9 0 ) ；也可能参与了磷的运转( 宋克敏，焦新之，等，1 9 9 9 ) ，即植 物细胞内的酸性磷酸酶参与了细胞内的磷“库”的运转( d u f fs m a ， s a r a t r hg ，p 1 a x t o nw c ，1 9 9 4 ) 。三叶草、大豆、白羽扇豆、水稻、小 麦、白菜、肥田萝h 、番茄和甜菜根系在缺磷时分泌的酸性磷酸酶的 活性显著高于供磷处理( d r a c u pe ta 1 1 9 8 4 ) 。徐庆章( 徐庆章，1 9 8 9 ) 认为a p a s e 活性升高，是缺磷植株将体内仅有的磷多次重复利用之故， 缺磷愈严重，酶活性愈高，体内磷素被利用的也就愈剧烈，这是植物 适应或抗逆的一种表现。所以叶片a p a s e 被认为与磷素利用有关。然 而，在其他逆境条件下如低温( 李美茹，刘鸿先，1 9 9 8 ) 、干旱( 徐 世昌，沈绣瑛，顾慰莲，1 9 9 4 ) 、条件下a p a s e 也会升高，a p a s e 活性 被认为是脱脂化反应的一个指标，即a p a s e 活性升高，膜脱脂化愈严 重，最终使膜结构和功能破坏。由于a p a s e 的底物的相对非特异性， 植物体内含磷有机物的多样性，a p a s e 参与许多生理过程，很难确定 叶中a p a s e 活性增加是磷效率机制还是植物受伤害后的表现。 m a l a n c h l a n ( m c l a n c h l a nk d 1 9 8 0 ) 比较了多种小麦在缺磷胁迫下根 第一章文献综述 系a p a s e 活性的高低与小麦磷效率之间没明确的相关性。t a n d a n o 和 s a k a i ( a n d a n ot ，s a k a it 1 9 9 1 ) 比较9 种作物缺磷条件下根系分泌 a p a s e 后认为，植物在缺磷条件下根系a p a s e 活性的显著增加，其活 性与不同作物忍耐低磷胁迫的能力关系不大，认为它只是植物对低磷 胁迫的广泛的适应机理之一。曹黎明，( 曹黎明，1 9 9 9 ) 孙国海( 孙 国海，1 9 9 9 ) 认为耐低磷品种a p a s e 活性的优势只体现在每株的活性 上，而不体现在每克鲜重上。y a n ( x i a o l o n gy a n ，h o n gl i a o 2 0 0 1 ) 研 究低磷敏感品种p o r 3 6 4 与耐低磷的g 1 9 8 3 3 及其重组体近交系叶片 中a p a s e 活性与磷含量随时间变化的曲线，结果没发现a p a s e 活性与 磷的再利用之间存在相关性，同时对a p a s e 活性性状质量图谱以及采 用分子标记的方法分析数量性状，结果表明大豆主要的a p a s e 活性基 因位点与磷利用效率无关联。尽管如此，a p a s e 在缺磷条件下分泌量 增加以被证实广泛存在于不同植物中。可以认为a p a s e 基因的表达受 磷水平的调节，因而若能将a p a s e 启动子作为转基因表达的启动子， 则只要简单地改变介质磷状况就能有效地调节植物转基因的表达。 s h s h a ne ta l ( h a r a ns ，l o g e n d r a ss ，s e s k a rm ，2 0 0 0 ，) 已将拟南芥a p a s e 启动区克隆并接到b - 葡萄糖苷酶( g u s ) 和绿色荧光蛋白报道基因上， 并证实在低磷下g u s 开始在侧根和分生组织中表达。这项工作为研 究低磷和植物代谢提供了分子工具。 1 3 5 菌根对土壤难溶态磷吸收利用的影响 菌根上土壤中某些真菌侵染植物根部而形成的一类生物共生体， 尤其是v a 真菌菌根与植物的共生作用主要受遗传控制，并受环境因 素的影响。虽然菌根对寄主植物的专一性较低，几乎所有的重要农作 物上都有菌根，但v a 菌根的侵染率在不同物种或基因型间仍有很大 差异，l a m b e r t 在研究不同品种苜蓿磷营养效率时发现，没有v a 菌根 真菌时，三个品种对施磷肥的反应相当，而当接种v a 菌根真菌后， 沈阳农业大学博士学位论文 虽然三个品种的产量都增加近一倍，但菌根对d u p u i t s 品种吸磷量的 贡献超过了最高量的施磷处理，而对b u f f a l 0 品种吸磷量的贡献却只 有最高施磷量时植物吸收量的一半，说明寄主植物与v a 菌根真菌的 关系了会造成磷营养效率的变化，从而为筛选能为菌根迅速侵染，在 有效养分较低条件下能有效活化、吸收土壤难溶态磷的植物基因型提 供了可能。 菌根的作用主要是通过菌丝扩大根部的吸收范围，增加土壤养分 的空间有效性，特别是对于在土壤溶液中扩散缓慢的h 2 p 0 4 离子具有 重要的意义。因根毛长度一般不超过l m m ，所以根际磷的亏缺区一般 也只有1 2m m ，而菌根在根外的菌丝可长达数厘米，大大增加了根 系对磷的接触面积，所以菌丝对的吸收可使可以用际磷的亏缺区增至 4 0 m m ( j u n g k ，1 9 9 1 ) 。近来甩尼龙网分隔培养法证明，根外菌丝可伸展 到离根表1 1 7 e m 的土体中吸收土壤中的磷( l i x l ，1 9 9 1 ) 。g r e s s ( 1 9 7 9 ) 认为，v a 菌根的菌丝能在较低浓度下吸收磷酸盐的原因是菌根根系 的k 皿值较无菌根根系的低，菌根对h 2 p 0 4 离子具有较高的亲和力。 另有研究表明，根外菌丝还能与根一样通过酸化菌丝际而增加对磷 的吸收。 据r i d g e 等( 1 9 7 1 ) 、h a y m a n ( 1 9 8 0 ) 及s a n d e r 等( 1 9 7 1 ) 的研究，除 扩大根系对磷的吸收范围外，菌根可通过根系与菌丝的桥( 菌丝桥) 作用，加快所吸收磷素的向根运转，增加根际磷酸酶活性，提高对土 壤难溶态有机磷的分解与吸收，以及菌根分泌激素促进植物的生长 等。前苏联的研究结果说明，无菌根植物所需磷量平均为菌根植物的 1 5 倍以上。牧草菌根发育良好的情况下，植物吸收的磷可增加2 3 倍；柑橘园经严格处理、熏蒸土壤后接种菌根能使产量增加约4 0 倍， 并可大大节省磷肥( 蔡元定，1 9 9 0 ) 。d a f l 和n i c o l s e n 的试验表明， 菌根植物还可通过呼吸作用增强释放放大量的c 0 2 ，使根际土壤酸化， 第一章文献综述 分泌有机酸或酶类而促进植物对难溶性磷酸盐( 如磷酸三钙) 的活化 吸收。并且菌根的作用通常与土壤的供磷状况有关，二者一般呈负相 关，当土壤中可溶态磷丰富时就无效。然而在巴西的研究结果表明， 单靠接种菌根( g l o m u sf a s c i c u l a t u s ) 就可使豆科与禾谷类作物增产 5 一1 0 倍，施磷还可继续增产约3 0 ( 蔡元定，1 9 9 0 ) 。 虽然人们已经深入研究不同植物种与磷高效基因型对菌根的侵 染规律，但还不清楚茵根形成是磷高效作物基因型的一个特征，还是 植物对缺磷状况的普遍反应，因而能否作为作物磷高效基因型的生理 指标还有待于进一步的探讨和验证。 l - 3 6 膜腊过氧化及保护酶系统活性的影响 近年来，活性氧对植物细胞的毒害作用引起了人们的广泛的注 意。许多的研究表明，植物细胞通过多