大豆根系分泌物和根細(xì)胞壁對難溶性磷的活化

1、沈 宏等：大豆根系分泌物和根細(xì)胞壁對難溶性磷的活化 635大豆根系分泌物和根細(xì)胞壁對難溶性磷的活化沈 宏，楊存義，范小威，嚴(yán)小龍華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)遺傳與根系生物學(xué)研究中心，廣東 廣州 510642摘要：探討了不同磷效率大豆品種根系細(xì)胞壁和根分泌物對難溶性鋁磷的活化與吸收能力。結(jié)果表明，砂培條件下，磷高效品種（巴西10號）對難溶性鋁磷的吸收顯著高于磷低效品種（本地2號）。鋁磷處理條件下，根系總表面積巴西10號是本地2號的131%，而鉀磷處理二者沒有明顯差異。根系細(xì)胞壁對鋁磷的活化表明，大豆苗期根系細(xì)胞壁對鋁磷的活化量顯著高于成熟期。苗期、成熟期巴西10號對鋁磷的活化量為本地2號的119%、17

2、6%。不同栽培方式根系細(xì)胞壁對鋁磷的活化量表現(xiàn)為水培大于砂培，水培條件下兩個大豆基因型對鋁磷的活化量沒有差異。不同生育時期、栽培方式根分泌物對鋁磷的活化量表現(xiàn)為，成熟期大于苗期，砂培大于水培。巴西10號根分泌物對鋁磷的活化量比本地2號分別高出69.3%（成熟期）和40.1%（砂培）。上述研究結(jié)果表明，大豆根分泌物和根細(xì)胞壁對難溶性鋁磷的溶解具有促進(jìn)作用，有利于大豆對鋁磷的吸收。關(guān)鍵詞：大豆；根分泌物；根細(xì)胞壁；鋁磷；活化中圖分類號：S154.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-2175（2004）04-0633-03大豆，俗稱黃豆，屬于豆科屬作物，因其蛋白質(zhì)含量高，深受人們喜愛。然而在酸性

3、紅壤發(fā)展大豆生產(chǎn)，受到很多因素的限制。土壤有效磷含量低，就是其中限制因子之一，大部分磷以鋁磷、鐵磷形式存在，難以被植物利用1。依靠改良土壤和施用磷肥來改善作物的磷營養(yǎng)狀況，需要投入大量的人力、物力和財力。因此，在改土施肥的同時，還需考慮植物特性。選育磷高效的大豆品種對大面積利用華南坡地紅壤土壤具有重要意義2。不同來源的大豆基因型在磷吸收效率方面存在顯著的基因型差異，為進(jìn)一步研究大豆磷高效基因型的生理、分子基礎(chǔ)及其遺傳特性提供了可能。Ae等3認(rèn)為落花生在低磷條件下能夠比高粱等植物生長得更好的原因與其根系細(xì)胞壁內(nèi)可能存在著磷溶解活性物質(zhì)有關(guān)，并認(rèn)為這種活性物質(zhì)廣泛地存在于多種植物的根系細(xì)胞壁中。S

4、hen等4研究表明，象草對鋁磷的高量吸收與其根分泌物對鋁磷的活化有關(guān)。然而大豆對難溶性磷的活化吸收是否也存在類似的機(jī)制還不清楚。本試驗(yàn)以不同來源大豆為材料，研究了大豆根系細(xì)胞壁和根分泌物對難溶性磷的活化與吸收。1 材料與方法本文以大豆品種巴西10號（來源于巴西）和本地2號(來源于華南本地區(qū))為供試植物材料。供試磷源：磷酸鋁（經(jīng)過15次洗滌，可溶性磷含量為0.45 mg/g）和鉀磷（磷酸二氫鉀）。水培試驗(yàn)：將河沙中萌發(fā)3 d的大豆轉(zhuǎn)入營養(yǎng)液生長，營養(yǎng)液組成除缺磷外，其它組分與Hogland營養(yǎng)液相同。每星期更換一次營養(yǎng)液，分別于第3周（苗期）、第10周（成熟期）取樣分析，用于細(xì)胞壁活性物質(zhì)的提取

5、。其具體方法如下3：將收獲的大豆根系，在50 條件下烘干、粉碎、過100目篩。然后將所得根粉置于貼好濾紙的漏斗中，用0.5 mol/L的HCl淋洗5次，蒸餾水漂洗5次；再用丙酮淋洗3次，蒸餾水漂洗3次，并適時攪動。將洗好的細(xì)根連同濾紙置于40 下烘干即制得粗細(xì)胞壁。砂培試驗(yàn)與水培試驗(yàn)基本相同，不同之處在于大豆根系生長在石英砂中，用缺磷的Hogland營養(yǎng)液澆灌。取樣時間及方法與水培相同。根系分泌物分別取不同生育時期大豆根系淋洗液（收集時間1 d），然后取其淋洗液活化難溶性磷。難溶性磷活化試驗(yàn)：用分析天平稱取約0.1 g粗細(xì)胞壁，置于60 mL的塑料瓶中，再向塑料瓶中加入約0.06 g鋁磷礦粉和

6、6 ml pH=5的醋酸緩沖液。蓋緊瓶蓋，放在恒溫振蕩器上振蕩1 h（100 r/min，25 ）。將振蕩液過濾，吸取0.5 mL過濾液于25 mL容量瓶中，用鉬藍(lán)比色法測定其中活化的可溶性磷。根系總表面積用掃描儀將根掃描存入計算機(jī)，再用根系圖像分析軟件Win RHIZO（Regent Instruments Inc, 加拿大）分析根表面積。2 結(jié)果與分析2.1 磷吸收與根系總表面積砂培條件下，研究了磷高效品種（巴西10號）與磷低效品種（本地2號）對不同磷源的吸收（圖1a）。結(jié)果表明，生長7周后，取樣分析發(fā)現(xiàn)，以速效性鉀磷為磷源，巴西10號與本地2號在磷吸收方面沒有明顯差異。而鋁磷條件下，巴西

7、10號的磷吸收是本地2號的172%。根系總表面積分析表明（圖1b）：鉀磷處理，兩基因型根總面積沒有差異；鋁磷處理，巴西10號是本地2號為131%。為探討巴西10號對鋁磷具有較高的吸收的機(jī)制，在下面試驗(yàn)中，我們研究了根系細(xì)胞壁和根分泌物對鋁磷的活化效果。2.2 根系細(xì)胞壁對磷酸鋁的活化Ae 等研究表明3，落花生根系細(xì)胞壁對難溶性磷活化吸收具有重要作用。大豆根系細(xì)胞壁對鋁磷的活化效果表明：大豆苗期根系細(xì)胞壁對鋁磷的活化量顯著高于成熟期。苗期、成熟期巴西10號對鋁磷的活化量為本地2號的119%、176%（圖2a）。不同栽培方式根系細(xì)胞壁對鋁磷的活化量表ba0306090120150K-PAl-P磷吸

8、收量/(mg·株-1)Brazil 10Local 2 0200400600K-PAl-P根總表面積/(cm2·株-1)圖1 大豆磷吸收（a）和總根表面積（b）ba020406080100苗期成熟期活化的磷/(mg·g-1)Brazil 10Local 2 050100150砂培水培活化的磷/(mg·g-1)圖2 根細(xì)胞壁對鋁磷的活化現(xiàn)為水培大于砂培，水培條件下兩大豆基因型對鋁磷的活化量沒有差異（圖2b）。水培條件根系生長沒有阻力，而砂培條件根系生長過程中機(jī)械阻力較大，可能不利于細(xì)胞壁磷溶解活性物質(zhì)的形成。2.3 根分泌物對磷酸鋁的活化除研究根系細(xì)胞壁對

9、鋁磷的活化作用外，我們還研究了根分泌物對鋁磷的活化作用。比較砂培條件與水培條件收集根分泌物對鋁磷的活化量表明（圖3a和3b），巴西10號和本地2號砂培條件下收集的根分泌物對鋁磷的活化量分別是水培條件的289%和243%。砂培條件下，不同生育時期，根分泌物對鋁磷活化效果表現(xiàn)為：巴西10號和本地2號成熟期與苗期分別高出147%和105%。 3 討論土壤有效磷低的條件下，大豆根系對難溶性磷源（如鐵磷、鋁磷）的活化能力對維持大豆正常生長具有重要意義。大豆根系對難溶性磷的活化能力影響因子比較多，如根分泌物的種類、數(shù)量、根細(xì)胞壁、根毛、邊緣細(xì)胞等。本文比較了磷效率差異顯著的巴西10號（磷高效）和本地2號（

10、磷低效）兩個大豆品種，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁磷條件下，巴西10號能吸收較多的磷，說明巴西10號在活化難溶性鋁磷方面可能存在特別的機(jī)制。低磷條件下，大豆根表面積與總吸磷量呈正相關(guān)，根表面積的增長，增大了根與土粒的接觸機(jī)會，有利于高效地吸收介質(zhì)中的磷5；與本地2號相比較，巴西10號磷吸收增加了72%，而根表面積只增加了31%，表明除根系總表面積增加外，還有一些機(jī)制參與了巴西10號對鋁磷的高量吸收。根系細(xì)胞壁對鋁磷的活化效果發(fā)現(xiàn)，苗期巴西10號與本地2號的細(xì)胞壁對鋁磷活化量，沒有差異；而成熟期巴西10號顯著高于本地2號，這一結(jié)果表明，在生育后期，巴西10號細(xì)胞壁對該大豆基因型對鋁磷的高效率起了重要作用（圖2）

11、。不同生育時期，大豆細(xì)胞壁對鋁磷的活化作用苗期顯著高于成熟期，這可能是由于大豆幼苗期的生長發(fā)育比較快，有利于細(xì)胞壁磷溶解活性物質(zhì)的形成。水培條件下，大豆根系細(xì)胞壁對鋁磷的活化能力顯著高于砂培條件下的相應(yīng)值，這可能與水培條件下，根系細(xì)胞壁生長環(huán)境受到的外界影響因子較小、生長介質(zhì)比較均一，有利于細(xì)胞壁磷溶解活性物質(zhì)的形成或降低活性物質(zhì)的分解有關(guān)。有研究表明，該磷溶解活性物質(zhì)具有耐高溫（100）、耐堿不耐酸等性質(zhì)3。從植物根系細(xì)胞壁中提取這種活性物質(zhì)的最好條件是1.0 mol/L NaOH溶液，80 ，24 h，用HPLC技術(shù)鑒定發(fā)現(xiàn)構(gòu)成這種活性物質(zhì)的主要成分有兩種6。至于這種活性物質(zhì)具體是什么，其

12、結(jié)構(gòu)性質(zhì)如何，還有待于進(jìn)一步的深入研究。根分泌物對鋁磷效果表現(xiàn)為砂培大于水培，ba0204060水培砂培活化的磷/(mg·株-1)Brazil 10Local 2 0306090苗期成熟期活化的磷/(mg·株-1)圖3 根分泌物對鋁磷的活化這可能與砂培條件下，根系生長阻力較大，外源脅迫條件誘導(dǎo)根系分泌物的大量分泌，從而提高對鋁磷的活化量。大豆生長的成熟期，大部分光合作用產(chǎn)物用于代謝過程，增加了代謝物的分泌，而苗期，大豆生物量較小，而且很大一部分光合產(chǎn)物要用于植物自身的合成需要，故大豆成熟期分泌物對鋁磷活化高于苗期（圖3）。上述結(jié)果表明，根分泌物和根細(xì)胞壁對難溶性磷活化具有一

13、定的促進(jìn)作用，這為進(jìn)一步從分子水平研究大豆根系對難溶性磷的活化提供了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1 李慶逵. 中國紅壤M. 北京: 科學(xué)出版社, 1985: 145-146.2 嚴(yán)小龍, 張福鎖. 植物營養(yǎng)遺傳學(xué)M. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1997: 44-116.3 AE N, OTANI T. The role of cell wall component from groundnut roots in solubilizing sparingly soluble phosphorus in low fertility soilsJ. Plant Soil, 1997, 196: 265-270.

14、4 SHEN H, WANG X C, SHI W M, et al. Isolation and identification of specific root exudates in elephant grass (Pennis lium L.) in response to phosphorus deficiencyJ. Journal of Plant Nutrition, 2001, 24(7): 1117-1130.5 BORKET C M, BARBER S A. Effect of supplying P to a portion of the soybean root sys

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16、ell wall of soybean seedlingsSHEN Hong, YANG Cun-yi, FAN Xiao-wei, YAN Xiao-longLab of Plant Nutritional Genetics and Root Biology Center, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, ChinaAbstract: Low P availability is one of the major limitations to crop production. How to improve P eff

17、iciency is the issue that scientific researchers in the field of soil science and plant nutrition are interested in. In this study, mobilization of aluminum-bound phosphate (Al-P) was examined by root cell wall and root exudates of two soybean genotypes with different P efficiency. Results with sand

18、 culture indicated that Brazil 10 had a higher Al-P uptake than the Local 2 did. Total root surface area of Brazil 10 was 131% of that in the Local 2 under Al-P treatment, while no difference under KP treatment. Mobilization of Al-P by root cell wall at seedling stage was significantly higher than that at mature stage. Al-P Mobilized by cell wall of Brazil at seedling and mature stages were 119 and 176% of those of the Local 2 respectively. The corresponding values under different cultivations were bigger under solution culture than under sand culture. However, no difference