大豆根系分泌物和根細(xì)胞壁對(duì)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(duì)難溶性磷的活化 635大豆根系分泌物和根細(xì)胞壁對(duì)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(yíng)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(duì)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(hào)）對(duì)難溶性鋁磷的吸收顯著高于磷低效品種（本地2號(hào)）。鋁磷處理?xiàng)l件下，根系總表面積巴西10號(hào)是本地2號(hào)的131%，而鉀磷處理二者沒有明顯差異。根系細(xì)胞壁對(duì)鋁磷的活化表明，大豆苗期根系細(xì)胞壁對(duì)鋁磷的活化量顯著高于成熟期。苗期、成熟期巴西10號(hào)對(duì)鋁磷的活化量為本地2號(hào)的119%、17

2、6%。不同栽培方式根系細(xì)胞壁對(duì)鋁磷的活化量表現(xiàn)為水培大于砂培，水培條件下兩個(gè)大豆基因型對(duì)鋁磷的活化量沒有差異。不同生育時(shí)期、栽培方式根分泌物對(duì)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(hào)根分泌物對(duì)鋁磷的活化量比本地2號(hào)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(duì)難溶性鋁磷的溶解具有促進(jìn)作用，有利于大豆對(duì)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(hào)：S154.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yíng)養(yǎng)狀況，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力。因此，在改土施肥的同時(shí)，還需考慮植物特性。選育磷高效的大豆品種對(duì)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(zhǎng)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(duì)鋁磷的高量吸收與其根分泌物對(duì)鋁磷的活化有關(guān)。然而大豆對(duì)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(duì)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(hào)（來源于巴西）和本地2號(hào)(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(yíng)養(yǎng)液生長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)液組成除缺磷外，其它組分與Hogland營(yíng)養(yǎng)液相同。每星期更換一次營(yíng)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(shí)攪動(dòng)。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(zhǎng)在石英砂中，用缺磷的Hogland營(yíng)養(yǎng)液澆灌。取樣時(shí)間及方法與水培相同。根系分泌物分別取不同生育時(shí)期大豆根系淋洗液（收集時(shí)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(cè)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(jì)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(hào)）與磷低效品種（本地2號(hào)）對(duì)不同磷源的吸收（圖1a）。結(jié)果表明，生長(zhǎng)7周后，取樣分析發(fā)現(xiàn)，以速效性鉀磷為磷源，巴西10號(hào)與本地2號(hào)在磷吸收方面沒有明顯差異。而鋁磷條件下，巴西

7、10號(hào)的磷吸收是本地2號(hào)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(hào)是本地2號(hào)為131%。為探討巴西10號(hào)對(duì)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(duì)鋁磷的活化效果。2.2 根系細(xì)胞壁對(duì)磷酸鋁的活化Ae 等研究表明3，落花生根系細(xì)胞壁對(duì)難溶性磷活化吸收具有重要作用。大豆根系細(xì)胞壁對(duì)鋁磷的活化效果表明：大豆苗期根系細(xì)胞壁對(duì)鋁磷的活化量顯著高于成熟期。苗期、成熟期巴西10號(hào)對(duì)鋁磷的活化量為本地2號(hào)的119%、176%（圖2a）。不同栽培方式根系細(xì)胞壁對(duì)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(duì)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(duì)鋁磷的活化量沒有差異（圖2b）。水培條件根系生長(zhǎng)沒有阻力，而砂培條件根系生長(zhǎng)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(duì)磷酸鋁的活化除研究根系細(xì)胞壁對(duì)

9、鋁磷的活化作用外，我們還研究了根分泌物對(duì)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(duì)鋁磷的活化量表明（圖3a和3b），巴西10號(hào)和本地2號(hào)砂培條件下收集的根分泌物對(duì)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(shí)期，根分泌物對(duì)鋁磷活化效果表現(xiàn)為：巴西10號(hào)和本地2號(hào)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(duì)難溶性磷源（如鐵磷、鋁磷）的活化能力對(duì)維持大豆正常生長(zhǎng)具有重要意義。大豆根系對(duì)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(hào)（磷高效）和本地2號(hào)（

10、磷低效）兩個(gè)大豆品種，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁磷條件下，巴西10號(hào)能吸收較多的磷，說明巴西10號(hào)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(zhǎng)，增大了根與土粒的接觸機(jī)會(huì)，有利于高效地吸收介質(zhì)中的磷5；與本地2號(hào)相比較，巴西10號(hào)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(hào)對(duì)鋁磷的高量吸收。根系細(xì)胞壁對(duì)鋁磷的活化效果發(fā)現(xiàn)，苗期巴西10號(hào)與本地2號(hào)的細(xì)胞壁對(duì)鋁磷活化量，沒有差異；而成熟期巴西10號(hào)顯著高于本地2號(hào)，這一結(jié)果表明，在生育后期，巴西10號(hào)細(xì)胞壁對(duì)該大豆基因型對(duì)鋁磷的高效率起了重要作用（圖2）

11、。不同生育時(shí)期，大豆細(xì)胞壁對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)環(huán)境受到的外界影響因子較小、生長(zhǎng)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(duì)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(duì)鋁磷的活化這可能與砂培條件下，根系生長(zhǎng)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(duì)鋁磷的活化量。大豆生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)難溶性磷的活化提供了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1 李慶逵. 中國(guó)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(yíng)養(yǎng)遺傳學(xué)M. 北京: 中國(guó)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.

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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