低磷脅迫下乙烯對(duì)大豆幼苗生理生化指標(biāo)的影響-

1、第30卷第6期2011年12月大豆科學(xué)SOYBEAN SCIENCEVol30No6Dec2011低磷脅迫下乙烯對(duì)大豆幼苗生理生化指標(biāo)的影響王法威1,呂靖1,田霄鴻2,曹翠玲1(1西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院;2西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊凌712100摘要:為研究低磷脅迫下施用乙烯(50!mol ·L 1對(duì)大豆(中黃22幼苗的影響,將培育至幼苗期的大豆分別置于高磷、高磷+乙烯、低磷、低磷+乙烯4組營(yíng)養(yǎng)液中。利用水培法培養(yǎng)大豆15d 后,對(duì)大豆的光合速率、蒸騰速率、乙烯釋放量、磷含量、根系活力等生理生化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明:對(duì)低磷脅迫下的大豆植株施加乙烯后,植株根系乙烯釋放

2、量大幅增加,植株根中磷含量相對(duì)升高,同時(shí)大豆根系活力升高,根體積增加,說明乙烯具有促進(jìn)大豆根系對(duì)磷的吸收的作用;但是乙烯的加入降低了硝酸還原酶活性、光合速率和蒸騰速率,因而最終導(dǎo)致大豆植株生物量的降低。關(guān)鍵詞:大豆;磷脅迫;乙烯含量;磷含量中圖分類號(hào):S6437;Q94578文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-9841(201106-0936-05收稿日期:2011-08-25第一作者簡(jiǎn)介:王法威(1988-,男,在讀碩士,研究方向?yàn)橹参餇I(yíng)養(yǎng)生理。E-mail :wfw_014163com 。通訊作者:曹翠玲(1960-,女,博士,教授,主要從事植物養(yǎng)分和水分生理研究。E-mail :cuil

3、ingcao163com 。Effect of Ethylene on Physiological and Biochemical Indexes of Soybean Seed-lings under Low PhosphorusWANG Fa-wei 1,L Jing 1,TIAN Xiao-hong 2,CAO Cui-ling 1(1College of Life Sciences ,Northwest A F University ;2College of Resources and Environment ,Northwest A F University ,Yangling 71

4、2100,Shaanxi ,China Abstract :In order to analyze the effects of ethylene (50mol ·L 1on physiological and biochemical of soybean seedlings un-der low phosphorus ,pot experiments were conducted in 2010,with soybean cultivar Zhonghuang 22as materialSoybean seed-lings were transplanted into Hoagla

5、nd solutions when the first true leaves were expandedFour treatments including HP (2mmol ·L 1Pi ,LP (20mol ·L 1Pi ,HP +Eth and LP +Eth were setAfter cultivation for 15days ,soybean seedlings were sampled and the physio-biochemical characters of soybean were determined ,such as photosynthet

6、ic rate ,transpiration rate ,ethylene release quantity ,phosphorus content ,root activity ,etcThe results showed that ethylene affected physiological and biochemical traits of soybeanUnder low phosphorus stress ,plant roots'ethylene production and phosphorus content increased obviously after add

7、ing ethyleneAt the same time ,ethylene promoted the growth of main root ,root volume and root vigorIt showed ethylene could enhance the phosphorus absorbing ability by promoting root morphology and activityFor photosynthesis ,transpiration and nitrate reductase activity ,however ,ethylene had inhibi

8、tory effect ,which led to the decrease of dry matter ac-cumulation and water absorptionKey words :Soybean ;Phosphate stress ;Ethylene content ;Physiological indicators磷是植物所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一,對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育起到關(guān)鍵性的影響。磷是不可再生資源,全球范圍內(nèi)土壤缺磷現(xiàn)象嚴(yán)重。我國(guó)有2/3耕地缺磷1,因此有關(guān)低磷脅迫對(duì)大豆的影響,前人做了大量的工作,低磷脅迫下,大豆根長(zhǎng)、根表面積和根體積均比正常供磷條件下增加2,而大豆葉片含水量

9、和地上部分生物量顯著降低,水分飽和虧缺和根冠比增大3,低磷脅迫還會(huì)顯著降低大豆的葉綠素含量,進(jìn)而導(dǎo)致其光合速率與蒸騰速率的下降4。低磷脅迫降低了大豆的磷吸收效率,而增加了大豆的磷利用效率5。有報(bào)道稱乙烯在植物對(duì)缺鐵響應(yīng)的根形態(tài)形成中是重要的信號(hào)物質(zhì)6。乙烯作為應(yīng)激激素能調(diào)節(jié)植物形態(tài)和生理狀態(tài)以應(yīng)對(duì)各種不良環(huán)境7。但是關(guān)于低磷條件下乙烯對(duì)植物光合等生理生化特性的影響鮮有報(bào)道。為此該試驗(yàn)采用水培方法,施加外源乙烯,探究了低磷條件下外源乙烯對(duì)大豆幼苗光合等生理特性的影響,以期揭示乙烯在植物對(duì)低磷響應(yīng)中的作用。1材料與方法11試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于2010年3 5月在西北農(nóng)林科技大學(xué)進(jìn)6期王法威等:低磷脅迫下

10、乙烯對(duì)大豆幼苗生理生化指標(biāo)的影響937行。供試大豆品種為中黃22,購(gòu)于楊凌農(nóng)業(yè)種子公司。選取大小相近的大豆種子,用95熱水浸燙種子5s,然后將其播種于洗凈的河砂中。播種10d后,幼苗第一對(duì)真葉完全展開時(shí),去掉子葉,將其轉(zhuǎn)入Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)。試驗(yàn)用直徑13cm、高10cm的紙質(zhì)小盆(內(nèi)套保鮮袋。每盆裝Hoagland營(yíng)養(yǎng)液300mL,栽種植株5株。試驗(yàn)設(shè)高磷(Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的含磷水平為2mmol·L1Pi,HP、高磷+乙烯(HP+Eth、低磷(將Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中磷水平降到20mol·L1Pi,LP、低磷+乙烯(LP+Eth4個(gè)處理,5次重復(fù)。低

11、磷組中補(bǔ)加KCl以補(bǔ)充因減少KH2PO4的施入而引起的K虧缺8。營(yíng)養(yǎng)液中乙烯的濃度為50!mol·L1。15d 后(幼苗第三片復(fù)葉完全展開取樣測(cè)定大豆植株的各項(xiàng)生理指標(biāo)。培養(yǎng)期間,7d更換1次營(yíng)養(yǎng)液。每天通氣1 2h,自然光照。12測(cè)定項(xiàng)目與方法植株形態(tài)學(xué)指標(biāo)及生物量測(cè)定:分別在4個(gè)處理組中隨機(jī)采取10個(gè)植株,用直尺測(cè)量其主根長(zhǎng)度、最長(zhǎng)側(cè)根長(zhǎng)度,用排水法測(cè)定根系體積,然后稱量其地上部分與地下部分的鮮重和干重。再利用最長(zhǎng)根長(zhǎng)與根干重做比,得出植株比根長(zhǎng)。光合速率及蒸騰速率:使用CB-1101型光合蒸騰測(cè)定系統(tǒng)儀,采用開路系統(tǒng),上午1000 1100測(cè)定大豆倒數(shù)第3片復(fù)葉的光合速率及蒸騰

12、速率。每個(gè)處理重復(fù)3次。硝酸還原酶活性:外源基質(zhì)法活體測(cè)定。根系活力:利用TTC法測(cè)定。葉片細(xì)胞膜損傷程度測(cè)定:使用DDS307型電導(dǎo)儀測(cè)定葉片的膜透性。乙烯含量測(cè)定:使用Trace(GCULTRA氣相色譜儀(檢測(cè)器為FID;色譜儀為Trace ULTRA;檢測(cè)器溫度:150;柱溫:70;分離柱:2m乙烯專用填充柱;進(jìn)樣口溫度:70;載氣(N2壓力:40kPa;空氣流速:350mL·min1;H2流速:35mL·min1,進(jìn)樣量:1mL中測(cè)定乙烯釋放量。組織磷含量測(cè)定:利用釩鉬黃法分別測(cè)定植株地上部分及地下部分的磷含量。13數(shù)據(jù)分析應(yīng)用SPSS160軟件程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分

13、析和LSD檢驗(yàn),采用Excel2003繪圖。2結(jié)果與分析21乙烯對(duì)低磷條件下大豆根系的影響211根系形態(tài)由表1可知,低磷脅迫抑制了大豆主根的生長(zhǎng),而促進(jìn)了側(cè)根伸長(zhǎng)生長(zhǎng),因而根系體積和比根長(zhǎng)顯著增加。加入乙烯后,HP和LP的主根長(zhǎng)分別增加了26%和77%,根體積分別增加了54%和14%,比根長(zhǎng)分別增加了24%和39%,而最長(zhǎng)側(cè)根長(zhǎng)均降低了50%左右。這表明乙烯對(duì)于大豆具有增加主根生長(zhǎng)、根體積及比根長(zhǎng)的作用并抑制側(cè)根生長(zhǎng),說明乙烯對(duì)于根系吸收磷具有促進(jìn)作用。特別是在HP處理的條件下表現(xiàn)的更為顯著。212根系活力由表1可知,LP處理大豆的根系活力顯著低于HP處理。加入乙烯后,HP+Eth 與LP+E

14、th的大豆根系活力分別升高了20617%、1827%。這表明乙烯對(duì)大豆的根系活力有增強(qiáng)作用,特別是在HP水平下作用更加明顯。LP+Eth 的根系活力低于HP處理,且與HP處理沒有顯著差異,說明在低磷條件下,乙烯對(duì)大豆根系活力的增強(qiáng)作用受到了一定的抑制。表1乙烯對(duì)磷脅迫下大豆根系指標(biāo)的影響Table1Effect of ethylene on root traits of soybean under phosphate deficiency處理Treatment主根長(zhǎng)Main root length/cm最長(zhǎng)側(cè)根長(zhǎng)Longest lateral rootlength/cm根體積Root volu

15、me/mL比根長(zhǎng)Specific rootlength/cm·g1根系活力Root vigor/mg TTC·g1FW·h1HP1407013b193013c160020d9055c16200008b HP+Eth1773027a107017c247007a11366b49600213a LP607013d1117087a183007c10131b10400114c LP+Eth1067053c543063b203003b14000a12300191b同列數(shù)據(jù)標(biāo)有不同字母的表示差異具有顯著性(LSD檢驗(yàn),P=005Values within a column fo

16、llowed by different letters are significantly different at005probability level(LSD test,P=00522乙烯對(duì)低磷條件下大豆植株光合作用和蒸騰作用的影響由圖1和圖2可知,與HP相比,LP條件下大豆植株的光合速率和蒸騰速率顯著降低。加入外源乙烯后,HP+Eth和LP+Eth處理的光合速率分別下降了3297%和4733%,蒸騰速率分別下降了3101%和4054%。說明乙烯對(duì)于大豆植株的光合作用和蒸騰作用都有明顯的抑制作用,而且在低938大豆科學(xué)6期磷環(huán)境下抑制作用更為明顯。 圖1乙烯利對(duì)大豆植株光合作用的影響Fi

17、g1Effect of ethephon on soybeanphotosynthesis 圖2乙烯利對(duì)大豆植株蒸騰作用的影響Fig2Effect of ethephon on soybean transpiration23乙烯對(duì)低磷條件下大豆葉片相對(duì)膜透性和硝酸還原酶活性的影響由圖3可知,低磷脅迫導(dǎo)致大豆葉片膜透性增大,是HP 處理的124倍;加入乙烯后,HP +Eth 和LP +Eth 處理的葉片膜透性均降低,降幅分別為4138%和3611%,且后者依然大于前者。說明該濃度的乙烯對(duì)于大豆葉片的膜透性有一定的抑制作用,而低磷脅迫下的這種抑制略有緩解。 圖3乙烯利在磷脅迫下對(duì)大豆葉片相對(duì)膜透性

18、的影響Fig3Effect of ethylene on relative membranepermeability soybean leaf of under phosphorus stress由圖4可知,LP 處理的大豆葉片和根系硝酸還原酶活性均低于HP 處理,說明低磷脅迫可降低大豆硝酸酶的活性;加入乙烯后,無論是HP +Eth 還是LP +Eth ,根與葉片的硝酸還原酶活性均有明顯降低,且乙烯對(duì)大豆葉中的硝酸還原酶活性的抑制作用達(dá)顯著水平(P 005。圖4乙烯利對(duì)低磷脅迫中大豆根及葉片中硝酸還原酶的影響Fig4Effect of ethephon on nitrate reductase

19、of soybean root and leaf under P deficiency24乙烯對(duì)大豆植株乙烯釋放量的影響由表2可知,在低磷脅迫下,大豆根系中乙烯含量顯著升高(P 001,而葉片則無變化。在培養(yǎng)液中添加乙烯后,根系中的乙烯釋放量出現(xiàn)極顯著的升高,且LP 組根系的乙烯釋放量仍大于HP 組;葉片中乙烯釋放量略有增加,但HP 組和LP 組之間無顯著性差異。表2乙烯利對(duì)于大豆植株乙烯釋放量的影響Table 2Effect of ethephon on ethyleneproduction of soybean plants (mg ·mg 1FW ·h 1處理Trea

20、tment根Root 葉Leaf HP 36680143B 18770947B HP +Eth 2377726615A 313210701A LP 80550059B 17140931B LP +Eth 25878052777A318992834A同列數(shù)據(jù)標(biāo)有不同字母的表示差異具有顯著性(LSD 檢驗(yàn),P =001Values within a column followed by different letters are significantly different at 001probability level(LSD test ,P =00125乙烯對(duì)大豆植株磷含量的影響由表3可知,

21、HP 條件下的植株根、莖、葉中的磷含量均高于LP 處理。添加乙烯后,與HP 相比,HP +Eth 處理根、莖中磷含量略有增加,葉片磷含量卻下降約60%,全株磷含量亦降低;對(duì)于LP +Eth 而言,植株根莖葉以及全株磷含量較LP 均顯著上升,其中根、莖的磷含量均上升50%;但添加乙烯后,HP +Eth 處理根、莖、葉的磷含量依然高于LP +Eth 處理。通過比較植株地上與地下部分的磷含量發(fā)現(xiàn),HP 地上部分的磷含量略高于地下部分,而LP 處理的地上部分磷含量卻明顯低于地下部分;加入乙烯后,HP +Eth 和LP +Eth 的地上部分磷含量均低于6期王法威等:低磷脅迫下乙烯對(duì)大豆幼苗生理生化指標(biāo)的

22、影響939表3乙烯利對(duì)大豆植株磷含量的影響Table3Effect of ethephon on soybean phosphorus content(mg·plant1處理Treatment根Root莖Stem葉Leaf地上部Stem and leaf全株Whole plantHP9735236b1603091bc9491000a11094074a18661238a HP+Eth10466145a5271490a3899363b9170382b15355500b LP3309178d915157c1270236d2185168d3192163d LP+Eth5977194c1821

23、118b2061039c3882102c5653209c同列數(shù)據(jù)標(biāo)有不同字母的表示差異具有顯著性(LSD檢驗(yàn),P=005Values within a column followed by different letters are significantly different at005probability level(LSD test,P=005地下部分。可見乙烯促使植株中磷向根系運(yùn)輸,且在磷脅迫情況下,有助于植株對(duì)外界磷的吸收。26乙烯對(duì)植株生物量的影響由表4可知,與HP處理相比,LP導(dǎo)致大豆植株生物量顯著降低,植株干、鮮重僅是HP組的65%和61%。施加乙烯后,HP+Eth與LP+

24、Eth的干鮮重均小于相應(yīng)對(duì)照組,這說明乙烯對(duì)植株的物質(zhì)積累和水分吸收有一定的抑制作用。對(duì)比植株地下與地上部分生物量可以看出,低磷脅迫及施加乙烯對(duì)根系干重的影響并不顯著;而地上部分干重僅在低磷脅迫下有顯著降低,因此,LP處理的根冠比顯著高于其它處理。表4乙烯在磷脅迫下對(duì)生物量的影響Table4Effect of ethephon on biomass of soybean under low P stress處理Treatment地上部分鮮重Shoot fresh weight/g·plant1根鮮重Root fresh weight/g·plant1地上部分干重Shoot

25、dry weight/g·plant1根干重Root dry weight/g·plant1植株鮮重Fresh biomass/g·plant1植株干重Dry biomass/g·plant1根冠比R/S(Dw/DwHP526019a236009a072009a018009a720028a090031a024018b HP+Eth288005b150017b062001a016008a438022c078009a027013b LP273006b194028ab041007b017000a467034b058035a041034a LP+Eth17400

26、4c091013c046002b012001a265017d057003a025022b 同列數(shù)據(jù)標(biāo)有不同字母的表示差異具有顯著性(LSD檢驗(yàn),P=005。Values within a column followed by different letters are significantly different at005probability level(LSD test,P=0053討論磷是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的礦質(zhì)元素之一,而植物根系是活躍的營(yíng)養(yǎng)吸收與合成器官,根系活力是評(píng)價(jià)根系生長(zhǎng)與代謝的綜合指標(biāo)。該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),低磷脅迫會(huì)降低大豆的根系活力,敖雪等9也得出相似的研究結(jié)果。但是施用外

27、源乙烯后,不論是LP還是HP條件下,其根系活力均高于其相應(yīng)對(duì)照。這是因?yàn)橐蚁╋@著提高了淀粉酶的活性10,從而增加了根系呼吸基質(zhì),因而其根系活力顯著升高。由于低磷環(huán)境中磷的相對(duì)供給不足導(dǎo)致植株的磷含量下降。施加外源乙烯后,HP組與LP組植株根系乙烯釋放量大幅增加,同時(shí)植株根中磷含量相對(duì)升高。這可能是由于乙烯存在時(shí),植株根系活力較強(qiáng)而導(dǎo)致磷的主動(dòng)運(yùn)輸加強(qiáng),而磷含量增加又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)根系活力,這樣就使根系在短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)良性循環(huán),有利于植株的生長(zhǎng)。另外由于加入乙烯后大豆植株根體積、側(cè)根比根長(zhǎng)增加,而根體積與根的吸收效率成正比,根長(zhǎng)與磷的吸收量成正相關(guān)11-12,這也使其吸收外界磷素的速率極大提高。

28、光合作用受細(xì)胞內(nèi)外諸多因素的調(diào)控。在試驗(yàn)中,磷缺乏條件下大豆光合速率明顯降低,其原因是缺磷不僅導(dǎo)致葉綠素含量降低,而且還導(dǎo)致氣孔變小,氣孔密度降低,同時(shí)蒸騰速率也降低,勢(shì)必導(dǎo)致光合速率降低8。結(jié)果還顯示,在乙烯存在條件下,不論是HP還是LP條件下,大豆的光合速率及蒸騰速率均降低。究其原因,可能是乙烯誘導(dǎo)了氣孔關(guān)閉13,從而導(dǎo)致光合速率下降。磷是NADPH和ATP的重要組成元素,ATP是生命活動(dòng)能量的直接來源,因此磷對(duì)氮素代謝有較大的影響。磷素也影響了氮素代謝。試驗(yàn)中低磷脅迫下大豆植株的NR活性略有降低,主要是由于低磷下植株吸收的硝態(tài)氮減少14,從而使植物氮素同化代謝受阻并影響其它生理代謝過程。

29、該文結(jié)果還顯示無論是HP組還是LP組,加入乙烯后,大豆根與葉片的硝酸還原酶活性均低于相應(yīng)的對(duì)照組。郭予榕15在研究馬鈴薯葉片的NR活性中也有類似結(jié)果。這很可能是由于外源乙烯增強(qiáng)了植株蛋白水解酶活性16,導(dǎo)致可溶性蛋白的分解17而造成了硝酸還原活性下降。940大豆科學(xué)6期生物量是植物生理代謝的重要表現(xiàn)形式。加入乙烯利后,HP組與LP組的生物量都低于相應(yīng)的對(duì)照組,這與廖永霞等18的結(jié)果相似。從生理代謝來看,外源乙烯雖然增加了根系活力,促進(jìn)了磷的吸收,但是降低了NR活性、光合速率和蒸騰速率,因而最終導(dǎo)致大豆植株生物量的降低。參考文獻(xiàn)1魯如坤土壤-植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)原理和施肥M北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1988(

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