柯野　謝璐　藍林　潘俊臣　唐新蓮

摘要：? 為明確甘蔗適應(yīng)低磷脅迫的生理生化機制，挖掘甘蔗對磷素的利用潛力，揭示甘蔗對低磷脅迫適應(yīng)的可能機制，該研究以ROC22和ROC10兩個甘蔗品種為材料，采用水培和土培的方法研究了甘蔗幼苗對難溶性磷的吸收及其在低磷脅迫下根構(gòu)型和根系的生理反應(yīng)。結(jié)果表明：（1）培養(yǎng)在以難溶性磷（Ca-P和Al-P）為磷源的培養(yǎng)液中的甘蔗的葉片數(shù)、地上部干重、生物量較缺磷（-P）處理顯著增加，與對照（+P）的相當，甘蔗總磷積累量也顯著提高，達到對照（+P）處理磷積累量的30%～77%。（2）在低磷條件下，甘蔗幼苗的根系有向土壤深層分布的趨勢，根的總體積增大、最長根長變長、淺根系分布增多。（3）甘蔗幼苗在低磷環(huán)境下，根際環(huán)境明顯酸化，且根系分泌物能溶解難溶性的鋁磷，植株體內(nèi)酸性磷酸酶的活性也明顯增強。以上表明甘蔗幼苗有較強的吸收利用難溶性磷的能力，而低磷條件下根系數(shù)量增加、主根的向地性、淺根系分布增多、根際酸化以及植株體內(nèi)酸性磷酸酶活性的增強可能是甘蔗幼苗適應(yīng)缺磷環(huán)境的重要機制。

關(guān)鍵詞： 甘蔗， 低磷脅迫， 難溶性磷， 根構(gòu)型， 適應(yīng)機制

中圖分類號：? Q945.78文獻標識碼：? A文章編號：? 1000-3142（2019）12-1673-08

Abstract：? In order to make clear the physiological and biochemical mechanism of sugarcane adapting to low phosphorus stress， to tap the potential of sugarcane self-phosphorus， and to reveal the possible mechanisms of sugarcane adaptation to low phosphorus stress， the absorption of insoluble phosphorus in sugarcane seedlings， the physiological responses to root and root architecture under low phosphorus stress by hydroponic and pot-culture were studied， by using two sugarcane varieties ROC22 and ROC10 as materials. The results were as follows： （1） The number of leaves， the dry weight of the shoots and the biomass of sugarcane in the culture medium with insoluble phosphorus （Ca-P and Al-P） as phospho-rus source， were significantly increased compared with those treated with phosphorus deficiency （-P）. Moreover， compared with the control （+P）， the total phosphorus accumulation of sugarcane also increased significantly， reaching 30%-77% of the phosphorus accumulation in the control （+P） treatment. （2） Under the condition of low phosphorus， the roots of sugarcane seedlings tended to distribute in deep soil， the total volume of roots increased， the longest root length became longer， and the distribution of shallow roots increased. （3） Under the low phosphorus environment， the sugarcane seedlings were obviously acidified in the rhizosphere environment， and the root exudates could dissolve the inso-luble aluminum phosphorus， and the activity of acid phosphatase in the plants was also significantly enhanced. The above results indicate that sugarcane seedlings have strong ability to absorb and use insoluble phosphorus， while roots increase under low phosphorus conditions， the roots of the main roots and the distribution of shallow roots increase， the acidification of the rhizosphere and the enhancement of acid phosphatase activity in the plants， which may be an important me-chanism for sugarcane seedlings to adapt to the phosphorus deficiency environment.

Key words： sugar cane， low phosphorus stress， insoluble phosphorus （P）， root-system configuration， adaptive mechanism

磷素不僅是核酸、蛋白質(zhì)、磷脂等有機化合物的重要組成成分，而且參與植物體內(nèi)光合與呼吸、酶的活化、信號轉(zhuǎn)導等多種生理過程，對植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著影響（Olday，1972;劉輝，2003）。由于南方酸性土壤對磷的強烈化學固定作用，致使土壤磷素多以 Fe-P、Al-P 和O-P等難溶態(tài)存在，即土壤全磷含量高（于姣妲等，2017），但磷肥當季利用率一般為5%～20%（閆金垚等，2018），土壤缺磷成了作物生產(chǎn)的主要限制因素之一。植物為適應(yīng)土壤中磷素的匱乏，其根系往往表現(xiàn)出強烈的形態(tài)和生理上的反應(yīng)。孫淼等（2018）和韋如萍等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，作物在低磷脅迫下會發(fā)生形態(tài)學上的變化，最明顯的是根冠比增加、根長增長、根系覆蓋面積擴大，以此增加磷吸收來適應(yīng)低磷環(huán)境。同時，作物根系分泌物對提高土壤磷素的生物有效性具有非常重要的意義（Zou et al.，2018），它可以通過活化溶解難溶性的無機磷以及參與分解有機磷以提高根際有效磷的濃度，供作物吸收利用（梁翠月等，2015）。苜蓿（楊利寧等，2015）、玉米（陶佩琳等，2013;陳曙等，2018）和水稻（Hu et al.，2016）的根系分泌物都具有提高土壤磷素有效性，促進植物吸收利用難溶性磷酸鹽的作用。目前，有關(guān)低磷脅迫對甘蔗根系構(gòu)型的影響、甘蔗對難溶性磷的活化利用的研究尚未見報道。因此，本研究從甘蔗根系形態(tài)特征、根系分泌物以及酸性磷酸酶等入手，研究甘蔗對低磷脅迫的適用，對進一步探討甘蔗耐低磷脅迫的分子機制及培育耐低磷甘蔗品種等均有重要指導意義，對于節(jié)約資源、保護環(huán)境和降低甘蔗生產(chǎn)成本也具有一定的作用。

1材料與方法

1.1 供試材料

供試甘蔗品種為新臺糖22號（ROC22）和新臺糖10號（ROC10），由廣西大學農(nóng)學院提供。

1.2 試驗處理

1.2.1 水培均選取甘蔗中上部，砍5 cm左右單芽莖，將砍下的甘蔗種莖放置在飽和石灰水中浸泡、催芽、滅菌，12 h后取出，先在育苗基質(zhì)中育苗至3片展開葉，再轉(zhuǎn)移至水培塑料小桶中。幼苗移栽時去掉一半種根，以減少種莖根系對試驗的影響。處理時先用0.1 mmol·L-1的氯化鈣培養(yǎng)1周，以利于甘蔗適應(yīng)水培環(huán)境并生根。再用1/5霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)4 d（pH=6.0），作為供試材料。

試驗共設(shè)計4個處理：1/5霍格蘭培養(yǎng)液（+P，CK，0.25 mmol·L-1 NH4H2PO4）、無磷培養(yǎng)液（-P）、添加0.25 mmol·L-1磷酸鋁的無磷培養(yǎng)液（-P+Al-P）、添加0.25 mmol·L-1磷酸鈣的無磷培養(yǎng)液（-P+Ca-P）。將甘蔗幼苗分別培養(yǎng)于上述培養(yǎng)液中，電磁式空氣泵每小時通氣15 min，每隔2 d換一次培養(yǎng)液。培養(yǎng)38 d后收獲。收獲前收集根系分泌物，進行分泌物對難溶性磷的絡(luò)合溶解及原位顯色檢驗。收獲時測定株高、葉長、葉寬、葉片數(shù)等表型性狀。采集正一葉測定酸性磷酸酶，其余地上部和地下部剪碎烘干后測定生物量及磷含量。

1.2.2 盆栽設(shè)置土壤不施磷肥（-P/-P）、上層施磷肥（+P/-P）、下層施磷肥（-P/+P）和上下層均施磷肥（+P/+P）處理。上層和下層土厚均為15 cm，中間用無紡布隔開，無紡布中間插入2根PVC水管。施磷處理的P2O5用量為0.3 g·kg-1，不施時為0 g·kg-1。氮肥（N）均為0.4 g·kg-1，鉀肥（K2O）均為0.44 g·kg-1。每個處理3個重復(fù)，每盆定植2株，80 d之后收苗，收苗時將植株根系清洗干凈，采用根系掃描-WinRHIZO圖像分析系統(tǒng)，獲取根系的最長根長、總體積等二維根構(gòu)型參數(shù)。之后從無紡布處將根系剪斷，分上下層收獲。剪碎烘干后測定植株根的干重。供試土壤為第四紀紅土母質(zhì)發(fā)育的砂質(zhì)土：全磷0.13 g·kg-1，速效磷0.79 mg·kg-1，pH 4.62。

1.3 指標測定方法

根尖原位顯色參照蘇寶玲等（2000）的方法。將6 mg的溴甲酚紫和0.5 g瓊脂加入100 mL 1 mmol·L-1的CaSO4溶液中，在電爐上不斷攪拌加熱至沸騰。在常溫下攪拌冷卻，用0.01 mol·L-1的HCl調(diào)節(jié)pH至溶液呈暗紅色。選取粗細一致的+P、-P處理的根系平鋪于培養(yǎng)皿中，每個平板中放2條根，倒入混合液，冷卻凝固制作成厚度均一的平板，2 h后觀察根際顏色變化并拍照。

根系分泌物收集方法：水培收獲前一天將-P、+P處理用去離子水洗滌數(shù)次，用0.5 mmol·L-1的CaCl2培養(yǎng)過夜。次日早上換上同樣濃度的CaCl2繼續(xù)培養(yǎng)24 h后，于冷庫中收集根系分泌物，收集時將培養(yǎng)液依次經(jīng)過H+型陽離子樹脂和甲酸型陰離子樹脂。收集完畢后取下陰離子樹脂，用超純水配制的0.2 mol·L-1HCl分3次（每次用量為3 mL）洗脫吸附在陰離子樹脂中的根系分泌物于150 mL的濃縮瓶中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓蒸發(fā)至干燥。濃縮條件為真空、40 ℃水浴。殘留物用1.5 mL超純水分三次震蕩溶解并用水系微孔膜過濾至2 mL的離心管中，存于-20 ℃冰箱中備用。

分析根系分泌物絡(luò)合鋁時所用混合液：25 mL 5 mmol·L-1的AlCl3、4 mL 2 mol·L-1的HCl、67 mL超純水、120 mL丙酮。將層析濾紙侵入混合液中15 min，然后浸沒于pH 6.8的磷酸緩沖液中，15 min后取出，用蒸餾水洗滌后干燥備用。在干燥濾紙上分4次加點分泌物，每次5 μL，之后晾干浸于pyrocatechol violet溶液中染色5～10 min。濾紙經(jīng)去離子水洗滌多次，除去多余染料，晾干拍照。

酸性磷酸酶的測定采用McLachlan et al.（1987）的方法并略做改動。稱取剪碎的正一葉0.2 g，加入少許石英砂和液氮研磨勻漿，加入5 mL 0.2 mol·L-1 pH 5.6的醋酸-醋酸鈉，轉(zhuǎn)移至10 mL離心管中，10 000 r·min-1離心10 min，得上清液備用。反應(yīng)液為0.5 mL酶液，0.45 mL醋酸緩沖液，4.5 mL 5 mmol·L-1的對硝基酚磷酸二鈉。混勻后30 ℃黑暗反應(yīng)30 min，加入2 mL 2 mol·L-1的NaOH終止反應(yīng)，405 nm下測定OD值。以1 mmol·L-1對硝基酚為溶質(zhì)，2 mol·L-1的NaOH為溶劑配制標準曲線。酶活性單位以單位時間單位鮮重水解對硝基酚磷酸二鈉生成對硝基酚的量表示，即Μ=μmol NP·mg Pro-1·min-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件處理數(shù)據(jù)并作圖，數(shù)據(jù)均采用 Excel 2007軟件處理，用 SPSS 17.0 軟件進行顯著性檢驗和多重比較（新復(fù)極差法）。

2結(jié)果與分析

2.1 難溶性磷對甘蔗幼苗生長的影響

表1結(jié)果顯示，經(jīng)缺磷（-P）處理后兩個甘蔗品種的株高、葉長、葉寬和葉片數(shù)均較對照（+P）降低，除了ROC22品種的葉長和ROC10品種的株高和葉長沒達到顯著水平外，其余的均達到顯著水平，可見缺磷使甘蔗幼苗生長明顯受阻;但添加了難溶性磷后，甘蔗的株高、葉長、葉寬和葉片數(shù)較缺磷（-P）處理均增加，其中ROC22品種的葉寬和葉片數(shù)達顯著水平;品種ROC22的Ca-P處理下的株高、葉長和葉片數(shù)與CK（+P）處理的相當，無顯著差異。這些結(jié)果表明難溶性磷對甘蔗幼苗缺磷狀況有所緩解。

表2結(jié)果顯示，缺磷（-P）處理后的兩個甘蔗品種的地上部干重、生物量均較對照（+P）顯著降低，根冠比顯著增加（P<0.05），其中品種ROC22的地上部以及生物量分別降低了47%和38%，根冠比提高了1.3倍，品種ROC10的地上部以及生物量分別降低了37%和30%，根冠比提高0.9倍;在添加了難溶性磷（Ca-P和Al-P）后，甘蔗的地上部干重、生物量較缺磷（-P）處理顯著增加，根冠比顯著降低，與對照（+P）的相當，無顯著差異。

上述結(jié)果說明甘蔗幼苗能吸收利用難溶性磷以促進生長，且ROC22品種吸收利用難溶性磷的能力較ROC10品種強。

2.2 甘蔗對難溶性磷的吸收和利用

圖1結(jié)果表明，各處理總磷積累量間均差異顯著（P<0.05），ROC22的Ca-P、Al-P和-P處理分別較CK（+P）處理減少了32%、70%和92%，ROC10的各處理分別較CK（+P）處理減少了23%、63%和91%，這表明甘蔗幼苗對難溶性磷和可溶性磷的利用上存在差異。ROC22和ROC10的Ca-P、Al-P處理的總磷積累量較-P處理顯著提高，分別是-P處理的8.5、3.8倍和8.9、4.2倍。這表明甘蔗具有較強的利用難溶性磷酸鹽的能力。

在磷的利用效率上（圖2），Ca-P處理和對照處理相當，而Al-P處理較Ca-P處理和對照處理有顯著提高（P<0.05），品種ROC22分別提高了1.7、1.2倍，品種ROC10分別提高了1.4、1.0倍，與Ca-P相比，甘蔗能更好地利用Al-P。

2.3 甘蔗對低磷脅迫適應(yīng)的可能機制

2.3.1不同處理對甘蔗根系的影響表3結(jié)果表明，低磷脅迫對甘蔗根系的分布以及生長有顯著影響。不施磷處理（-P/-P）較其他處理相比，甘蔗幼苗根系的總體積和最長根長均明顯提高，其中（+P/-P）及（-P/-P）處理的根系總體積達顯著水平;ROC22和ROC10兩品種僅上層施磷（+P/-P）處理的根系總體積和最長根長也僅較下層施磷處理（-P/+P）的明顯增加，根系總體積分別增加了28.9%和8.4%，最長根長分別增加了4.5%和21.0%;且上層施磷（+P/-P）處理的ROC22和ROC10的上下層根干重較僅下層施磷（-P/+P）處理的顯著提高。上述結(jié)果表明，低磷條件下甘蔗根系總體積增加、主根加深、以淺根系分布為主，呈淺層根系吸磷的構(gòu)型。

2.3.2 缺磷誘導根際酸化及根系分泌物對難溶性磷的溶解圖3結(jié)果表明，+P處理的甘蔗根系周圍的溴甲酚紫的瓊脂平板顏色無明顯變化，而-P處理的甘蔗根尖周圍呈現(xiàn)明顯黃色，表明低磷脅迫下甘蔗根尖有酸性物質(zhì)分泌，使根尖明顯酸化。

鄰苯二酚紫染色-試紙法結(jié)果（圖4）表明，甘蔗幼苗經(jīng)-P處理后所收集的根系分泌物能溶解濾紙上的AlPO4而呈亮斑，+P處理的根系分泌物不能溶解AlPO4?？梢?，低磷脅迫下，甘蔗根系分泌物能溶解難溶性的鋁磷，從而促進磷的吸收。

2.3.3 低磷脅迫對甘蔗酸性磷酸酶的影響從圖5可以看出，在-P處理下，ROC22和ROC10的葉片中酸性磷酸酶的活性分別達到了29.54 μmol NP·mg Pro-1·min-1和36.01 μmol NP·mg Pro-1·min-1，與+P處理相比，顯著提高了4.3和2.5倍。這表明甘蔗幼苗在缺磷的情況下，體內(nèi)酸性磷酸酶的活性會顯著增加。

3討論

3.1 甘蔗幼苗對難溶性磷的吸收利用

在南方酸性紅壤中，磷極易與鋁、鐵等結(jié)合形成難溶性磷，一般而言，植物無法直接吸收利用這部分磷源，因此難溶性磷的活化溶解是植物吸收磷和提高磷利用率的前提。本研究發(fā)現(xiàn)，不同甘蔗品種的難溶態(tài)磷利用效率存在差異，前人在桉樹和水稻的研究也有相似結(jié)論（李鋒等，2003）。在對比不同磷處理間甘蔗的生理特征時發(fā)現(xiàn)，以難溶性磷（Ca-P和Al-P）作為磷源的兩個甘蔗品種的葉片數(shù)、地上部干重、生物量較缺磷（-P） 處理顯著增加，與對照（+P）的相當（表1、表2），且甘蔗總磷積累量也較缺磷（-P）處理顯著提高， 達到對照（+P）處理磷積累量的30%～77%（圖1），這些結(jié)果說明甘蔗幼苗有較強的活化和利用難溶性磷酸鹽的能力。

3.2 甘蔗幼苗對低磷脅迫環(huán)境的適應(yīng)及可能機制

根系是聯(lián)系作物與土壤的紐帶，是作物吸收養(yǎng)分、水分的重要器官。根系在對環(huán)境養(yǎng)分變化的感知過程中，面對養(yǎng)分脅迫可產(chǎn)生形態(tài)和生理上的可塑性變化來增強作物的自主適應(yīng)性（羅佳等，2016）。已有研究表明，在低磷脅迫下，一些植物的根系變淺、側(cè)根長度和密度增加、總根長增加、主根加深，形成淺層根系吸磷、深扎主根吸水吸肥的“傘狀”或“須狀”根系構(gòu)型提高植株對土壤磷的吸收利用（George et al.，2011;Rouached et al.，2010;劉靈，2008）。甘蔗在面對低磷脅迫時，甘蔗也會通過改變其根構(gòu)型與各種根系性狀等來適應(yīng)逆境環(huán)境，如總根長增加或保持一定的穩(wěn)定，其主要原因是由于根莖粗下降、根變細，這是植物對環(huán)境的適應(yīng)性的一種表現(xiàn)，即通過增加根系的長度來縮短養(yǎng)分離子擴散到植物根的距離和擴大根系的吸收面積（鄭超等，2015;曾巧英等，2015）。本研究也發(fā)現(xiàn)，低磷條件下的甘蔗幼苗根構(gòu)型也做出相應(yīng)的改變，其根系的總體積與最長根長明顯增長，上層土壤供磷后處理的甘蔗上下土層中的根干重比也顯著增加，表明甘蔗在面對低磷脅迫時，根系總體積增加，表層土壤根系數(shù)量增多，主根有向深層土壤分布的趨勢。甘蔗這種根系特性的變化，既有利于在低磷環(huán)境下吸收更多的磷，也有利于幼根對深層磷的吸收利用?？梢?，調(diào)節(jié)根系對不同土層磷的吸收利用可能是甘蔗適應(yīng)酸性低磷土壤環(huán)境的重要機制。

難溶性磷的活化利用包括植物根系合成和分泌有機酸對無機磷的活化以及植物分泌酸性磷酸酶參與有機磷的活化（梁翠月等，2015）。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫會使甘蔗幼苗根系分泌酸性物質(zhì)，酸化根際，而且根系分泌物的酸性物質(zhì)會溶解難溶性的鋁磷，從而變成可溶性磷被甘蔗吸收利用，說明根際酸化是植物適應(yīng)磷脅迫環(huán)境的重要機制。這與蘭忠明等（2012）對紫云英和陶佩琳等（2013）對玉米的研究結(jié)果相一致。酸性磷酸酶在植物面對低磷脅迫時起到重要作用（Cai et al.，2018）。本研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗幼苗在低磷脅迫時，植株體內(nèi)的酸性磷酸酶活性明顯增加，這主要是因為酸性磷酸酶能夠水解有機磷，釋放出能夠被植物吸收利用的無機磷。

綜上所述，甘蔗幼苗吸收利用難溶性磷酸鹽的能力較強，在低磷條件下，甘蔗根系總體積增加、主根加深、淺根系分布增多，分泌酸性物質(zhì)酸化根際土壤環(huán)境以活化利用難溶性磷，提高酸性磷酸酶的活性可能是甘蔗對低磷脅迫的適應(yīng)性機制。

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