低磷胁迫对西瓜苗期铁锰钙镁吸收的影响

低磷胁迫对西瓜苗期铁锰钙镁吸收的影响

磷（p）元素是所有植物生长发育所必需的元素之一，在生命活动过程中起着重要的生物学作用。然而,世界上43%的农业土壤缺磷,我国农田中约2/3严重缺磷。因此,缺P已经成为限制作物生长的最主要的一个因子。有相关报道表明,同种植物不同基因型在磷吸收和利用效率方面存在显著差异。因此,可以通过筛选和培育耐低磷基因型缓解农田土壤的磷缺乏。但是关于低P胁迫对其他营养元素吸收的研究较少。铁(Fe)是叶绿素合成所必需的元素,在植物光合电子链和呼吸链以及氧化还原过程中起重要作用;锰(Mn)直接参与光合作用,参与水的光解和电子的传递,同时可以调节酶的活性,促进氮素代谢;钙(Ca)是细胞壁的组成成分,对于植物细胞的稳定和生长以及信号传递具有重要作用;镁(Mg)在光合作用的3个主要阶段即原初反应、电子传递和光合磷酸化、碳同化中都起着重要的作用。有报道表明,低磷胁迫会影响植物铁、锰、钙、镁等元素的吸收。西瓜(Citrulluslanatus)是世界主要的水果之一,据世界粮农组织统计,中国是世界上西瓜种植面积和产量最大的国家,我国2008年西瓜总产量6720万t,总产值66.6亿美元。但是缺磷是西瓜生长的限制因素之一。有研究发现低磷胁迫会影响作物Fe、Mn、Ca、Mg的吸收。因此,研究低磷胁迫对西瓜苗期Fe、Mn、Ca、Mg吸收的影响具有重要意义,可以更加清楚地了解西瓜在低P胁迫条件下的营养特性,同时可以筛选出低磷胁迫条件下西瓜Fe、Mn、Ca、Mg的高效吸收基因型。1材料和方法1.1品种筛选实验在进行品种筛选时,常利用指标相对量(即低P条件下指标与其在正常条件下的比值)进行品种筛选。选取7个西瓜品种:西农8号、早佳、京欣1号、浙蜜5号、丽芳、早春红玉、小芳。1.2水培和营养液ph试验在浙江大学华家池校区温室内进行。先进行种子催芽,发芽后播种在穴盘中(泥炭∶蛭石∶珍珠岩=1∶1∶1,V/V)。在2片真叶展开后,选取长势一致的西瓜苗,将根系清洗干净,移栽到水培箱内进行水培,同时用通气泵通气。营养液采用1/2Hoagland营养液。设置2个P浓度,正常供P(0.3mmol·L-1)和低P胁迫(0.01mmol·L-1)。低P胁迫营养液中减少的KH2PO4用K2SO4代替,保证钾元素的一致。营养液的pH值维持在6.0左右,7d更换1次营养液,实验重复3次,每次重复12株,处理15d后,选取6株长势一致的植株进行测定。1.3矿质元素分析测定植物样品中fe、mn、ca、mg浓度西瓜苗取样后,用自来水冲洗干净,再用去离子水将植株冲洗几遍。鲜样在105℃下杀青30min,70℃下烘干至恒重,用万能不锈钢粉碎机磨细,过60目筛子,放在封口袋里,供矿质元素含量分析测定用。植物样品用H2SO4(浓)-H2O2法消煮,用原子吸收分光光度计(PEAAnalyst800)测定样品中Fe、Mn、Ca、Mg的浓度。相对元素含量用低磷胁迫下元素含量与正常供磷时元素含量的比值表示。1.4数据的统计分析试验数据为3次重复的平均值,元素含量为全株单位干物质元素含量,数据用软件SPSS16.0进行方差分析,并用新复极差法进行多重比较。2结果与分析2.1低磷胁迫对7个品种ca、mg含量的影响由表1可见,低磷胁迫条件下,7个西瓜品种的Fe含量相对于正常供磷都有不同程度的下降,其中,西农8号,京欣1号和小芳显著降低,早佳降低最少,为6.9%,而西农8号降低最多,为52.2%。低磷胁迫对Mn含量的影响在7个品种中表现不同,早佳、京欣1号、浙蜜5号Mn含量相对于正常供磷都显著提高,其中早佳增加最多,增加56.9%,早春红玉则显著降低。低磷胁迫使西农8号、早佳、京欣1号的Ca含量显著降低,丽芳增加8.4%,其余品种则不显著下降,其中西农8号降低最多,降低22.8%。低磷胁迫对7个品种Mg含量的影响因品种而异,低磷胁迫使西农8号、早春红玉、小芳的Mg含量显著降低,西农8号降低最多,降低16.3%,丽芳则显著增加,增加22.2%。正常供磷条件下西农8号和小芳的Fe含量显著高于丽芳、京欣1号和早佳,在低磷胁迫条件下早春红玉的Fe含量显著高于其他品种。正常供磷条件下早春红玉和小芳的Mn含量显著高于西农8号和京欣1号。在低磷胁迫条件下早佳和浙蜜5号显著高于其他品种。正常供磷条件下7个品种的Ca含量差异不显著,而在低磷胁迫条件下丽芳显著高于除浙蜜5号外的其他品种。正常供磷条件下西农8号的Mg含量显著高于其他品种,而低磷胁迫条件下浙蜜5号和丽芳显著高于其他品种。由图1可得,低磷胁迫条件下,7个品种的Ca相对含量和Mg相对含量表现出了极显著的正相关性(R=0.883)。低磷胁迫条件下其他元素之间均无显著相关性。2.2低磷胁迫对不同品种丽芳和早佳品种中fe、mn、ca相对含量的影响以相对元素含量为筛选指标研究低磷胁迫下7个品种Fe、Mn、Ca、Mg吸收的差异。由表2可得,低磷胁迫下7个品种中早佳和早春红玉的Fe含量显著高于除丽芳以外的品种,早佳的Mn相对含量显著高于其他品种,丽芳的Ca相对含量显著高于除浙蜜5号和早春红玉以外的品种,且丽芳的Mg相对含量显著高于其他品种。3低磷胁迫对西瓜抗氧化酶系统的影响缺磷是限制作物生长的重要因子,长期以来的研究主要集中在筛选P高效基因型以及低P胁迫条件下与P相关的生理分子机理方面。对于低P胁迫对其他元素吸收影响的研究相对较少,西瓜这方面的研究就更少。因此,我们挑选了7个不同基因型的西瓜品种,研究低磷胁迫对西瓜铁、锰、钙、镁吸收的影响进行了研究。吴照辉等在研究分蘖期低P胁迫对水稻Fe、Mn含量的影响时发现,低P可以显著降低Fe和Mn的含量,但存在基因型差异,有的基因型变化不大或者有提高的现象。刘文菊等研究发现,缺磷胁迫水稻苗期植株地上部铁、锰含量显著低于正常植株。他们认为铁、锰的这种含量变化是由于缺磷使水稻根表形成一定厚度的铁氧化物膜,氧化物膜的存在减少了根系对还原性铁、锰的吸收,避免了磷胁迫下介质中产生的大量Fe2+、Mn2+进入根内而造成的铁、锰毒害,不同基因型水稻根表产生的铁氧化膜的厚度不同。本实验结果表明,低P胁迫使7个品种西瓜Fe含量降低,但品种间存在差异,西农8号,京欣1号和小芳显著降低,其余品种则下降不显著。低P胁迫下7个品种Fe吸收差异显著,早佳和早春红玉的Fe含量显著高于除丽芳以外的品种。低P胁迫对Mn含量的影响品种间表现不一致,低P胁迫使早佳、京欣1号、浙蜜5号Mn含量显著提高,而早春红玉则显著降低。低P胁迫下7个西瓜品种Mn吸收差异显著,早佳的Mn相对含量显著高于其他品种。本研究结果与吴照辉等的结果类似,低P胁迫对Fe、Mn含量的影响因品种不同而异。研究结果的不同,可能是由于低磷胁迫的强度不同引起的。因此,在低磷胁迫强度较低时,低磷胁迫对Fe、Mn的含量影响表现出基因型差异,当低磷胁迫强度较大时,会使Fe、Mn的含量均降低。这可能是不同品种Fe、Mn吸收对低磷胁迫感应强度不同造成的。另外,由于Fe2+、Mn2+的吸收是依靠质膜上的单向载体蛋白运输,不同基因型西瓜在低P条件下对Fe2+、Mn2+的吸收有差异可能是低磷胁迫条件下载体蛋白基因表达的差异引起,这需要在分子水平上进一步研究。植物对于Ca、Mg的吸收和积累受遗传和环境因素共同影响。吴照辉等采用土培方法研究低P胁迫对水稻矿质营养吸收的影响后发现,低P胁迫可以增加分蘖期水稻Ca的含量,对Mg含量的影响则因品种差异而不同。董晓英等研究表明,低P胁迫对胡枝子Ca的吸收没有显著影响,但显著降低了胡枝子对Mg的吸收。沈金雄等研究表明,施磷对于甘蓝型油菜Ca、Mg含量的影响因作物生长的时期和品种不同而不同,但低磷胁迫条件下苗期甘蓝型油菜Ca含量变化因品种而异,而Mg的含量则显著增加。因此,低磷胁迫下不同作物之间Ca、Mg的吸收差异较大,这可能是不同物种,不同生长期的差异引起的。本实验结果表明,低磷胁迫使西农8号、早佳、京欣1号的Ca含量显著降低,其余品种变化不大。在低P胁迫条件下7个西瓜品种Ca吸收差异显著,丽芳的Ca相对含量显著高于除浙蜜5号和早春红玉以外的品种。低磷胁迫对7个品种Mg含量的影响因品种而异,低磷胁迫使西农8号、早春红玉、小芳的Mg含量显著降低,丽芳则显著增加,且低P胁迫条件下7个品种的Mg吸收差异显著,丽芳的Mg相对含量显著高于其他品种。Ca2+通过Ca2+通道进入植物根系细胞的内皮层并到达木质部薄壁细胞组织,其由木质部薄壁细胞组织进入中柱质外体则需要Ca2+-ATP酶的驱动。因此,低P胁迫影响了P的吸收,进而直接影响了Ca2+-ATP酶的活性,从而影响了Ca2+的吸收。Ca是细胞壁的组成成分,因此,Ca的吸收直接影响西瓜果皮硬度。丽芳、早佳和京欣1号同属于中型西瓜,低磷胁迫下丽芳Ca的相对含量显著高于早佳和京欣1号,这可能是丽芳不容易裂瓜,而早佳和京欣1号容易裂瓜的原因。Mg2+的吸收是通过Mg2+转运体进行,可能是低P胁迫条件下Mg2+转运体基因在不同植物或不同基因型中表达不同而造成Mg吸收的差异。由于不同作物或基因型耐低P的能力不同,因此,低P胁迫条件下Ca、Mg吸收和基因型差异可能是不同基因型之间遗传差异导致。P主要靠扩散作用移向根表,以正磷酸盐(H2PO4-)的形式被主动吸收。磷进入细胞是以质膜ATP酶建立的质子驱动力为动力,借助于质子化的磷酸载体而实现,即属于2H+/Pi共运系统。因此,P的吸收需要消耗ATP。而Fe、Mg是叶绿素的组成成分,Mn也直接参与光合作用,因此,Fe、Mg、Mn都影响ATP的产生,最终都可能影响P的吸收。这可能是不同品种耐低P能力不同的原因之一。低P胁迫下7个西瓜品种苗期Ca、Mg的吸收表现出极显著的正相关性。可能是由于植物细胞质膜上的钙离子通道对Ca2+有很高的通透性的同时,对Mg2+也有较高的通透性。因此,在研究低磷胁迫下Ca、Mg的吸收时可以起到相互参照的作用。本实验以相对元素含量为筛选指标研究低磷胁迫下7个品种Fe、Mn、Ca、Mg吸收的差异,发现低磷胁迫下早佳和早春红玉为Fe高效吸收基因型,早佳为Mn高效吸收基因型,丽芳为Ca和Mg的高效吸收基因型。以上养分高效吸收基因型可以在低磷胁迫下高效吸收对应的养分,因此这些品种可能更加耐受低磷胁迫的危害。本研究结果可以为筛选低磷胁迫下养分高效吸收的品种和研究