朱春權(quán) 曹小闖 朱練峰 白志剛 黃潔 梁清鐸 金千瑜 張均華

硫化氫提高水稻磷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的生理和分子機(jī)制

朱春權(quán) 曹小闖 朱練峰 白志剛 黃潔 梁清鐸 金千瑜 張均華*

(中國(guó)水稻研究所 水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310006；*通訊聯(lián)系人，E-mail: zhangjunhua@caas.cn)

低磷脅迫是限制水稻產(chǎn)量的主要因素之一。水稻淹水條件下產(chǎn)生H2S，然而，H2S作為信號(hào)分子是否參與調(diào)節(jié)水稻響應(yīng)缺磷脅迫還未可知。在正常磷和低磷條件下測(cè)定水稻H2S含量，揭示H2S在水稻響應(yīng)缺磷脅迫中的作用。用2 μmol/L H2S前體物質(zhì)NaHS預(yù)處理水稻1 d，然后在加磷和低磷條件下培養(yǎng)6 d，測(cè)定水稻體內(nèi)總磷含量、酸性磷酸酶活性、抗氧化酶活性、木質(zhì)部汁液磷含量、磷轉(zhuǎn)運(yùn)子基因表達(dá)以及根系構(gòu)型變化，從而探究H2S參與調(diào)節(jié)水稻響應(yīng)缺磷脅迫的生理和分子機(jī)制。低磷脅迫下，水稻根系和地上部H2S含量顯著增加。NaHS預(yù)處理水稻顯著增加低磷條件下水稻體內(nèi)有效磷和總磷含量，提高根系酸性磷酸酶活性，提高抗氧化酶活性、木質(zhì)部汁液磷含量和磷轉(zhuǎn)運(yùn)子基因表達(dá)水平，同時(shí)還改變水稻根系構(gòu)型，增加總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積和總根尖數(shù)，從而促進(jìn)低磷條件下水稻對(duì)外界磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，最終緩解缺磷脅迫。

水稻；低磷脅迫；硫化氫；磷轉(zhuǎn)運(yùn)子；根系構(gòu)型

磷是植物所需的僅次于氮的第二大營(yíng)養(yǎng)元素，植物中的全磷含量約占其干質(zhì)量的0.05%~ 0.50%[1]。植物體內(nèi)的磷廣泛參與光合作用、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、酶促反應(yīng)、呼吸作用和碳氮代謝等過(guò)程，同時(shí)，磷也是植物體內(nèi)眾多細(xì)胞組織的組成成分，比如核酸、酶、細(xì)胞膜等[2]。然而，由于土壤中的磷易被土壤顆粒和陽(yáng)離子固定或者被微生物轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷[3]，因此土壤中能被植物直接吸收利用的磷含量很低，不能滿足植物正常生長(zhǎng)。

生產(chǎn)上常通過(guò)增施磷肥保證作物正常磷肥供應(yīng)。然而，施入土壤中的磷利用率很低，當(dāng)季利用率約為10%~20%[4]。剩余的磷肥通過(guò)雨水等進(jìn)入湖泊，造成富營(yíng)養(yǎng)化污染。植物擁有多種調(diào)控機(jī)制緩解缺磷脅迫，比如改變根系構(gòu)型，促使根系向含磷量較高的表層土延伸或者通過(guò)增加根系側(cè)根或根毛擴(kuò)大磷的吸收利用范圍[5-7]。同時(shí)，根系也會(huì)分泌質(zhì)子、有機(jī)酸和次級(jí)代謝物等，促使土壤中的磷溶解出來(lái)，供植物吸收利用[2, 8, 9]。除了擴(kuò)大對(duì)外界磷的吸收，植物還會(huì)通過(guò)提高體內(nèi)磷的再利用緩解缺磷脅迫。比如改變糖酵解途徑，繞過(guò)需要ATP的步驟[10]；提高酸性磷酸酶酶活，促進(jìn)體內(nèi)有機(jī)磷的再利用[11]；提高細(xì)胞壁果膠含量，增加細(xì)胞壁結(jié)合態(tài)磷的再利用[12]等。

眾多信號(hào)分子參與調(diào)控植物緩解缺磷脅迫。比如乙烯參與調(diào)控矮牽牛花衰老組織中磷的釋放和增加高親和磷轉(zhuǎn)運(yùn)子基因的表達(dá)，將衰老組織中的磷向新生組織轉(zhuǎn)運(yùn)[13]；一氧化氮(NO)通過(guò)調(diào)節(jié)白羽扇豆中排根的形成并且促進(jìn)檸檬酸的釋放使其增加對(duì)外界磷的吸收利用[14]。硫化氫(H2S)是除NO和一氧化碳(CO)外的第三種氣體信號(hào)物質(zhì)，其廣泛參與植物的正常生理活動(dòng)和對(duì)外界逆境的抵抗[15]。如促進(jìn)植物種子的萌發(fā)[16]和植物器官的形成[17]，調(diào)節(jié)氣孔的閉合[18]，緩解離子毒害[19]和高溫脅迫[20]等。H2S參與調(diào)控植物響應(yīng)養(yǎng)分脅迫的研究較少，但也有研究發(fā)現(xiàn)，H2S參與水稻在完全缺磷條件下對(duì)水稻細(xì)胞壁結(jié)合態(tài)磷的再利用過(guò)程，從而緩解缺磷脅迫[21]。

本研究以常規(guī)水稻品種日本晴作為研究材料，通過(guò)外源添加H2S供體硫氫化鈉(NaHS)，測(cè)定水稻在正常磷和低磷脅迫下體內(nèi)磷含量變化和生理分子變化，以期進(jìn)一步探究H2S調(diào)控水稻響應(yīng)低磷脅迫的生理和分子機(jī)制，從而為實(shí)際生產(chǎn)中提高水稻磷利用率提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 水稻培養(yǎng)條件與處理

本研究以粳稻品種日本晴作為實(shí)驗(yàn)材料，在30℃條件下將水稻種子催芽后，鋪在2 mm格子的塑料板上，將其培養(yǎng)在0.5 mmol/L CaCl2溶液中。當(dāng)水稻芽長(zhǎng)至1 cm左右時(shí)，將CaCl2溶液換成改良的木村營(yíng)養(yǎng)液[12]。待水稻長(zhǎng)至兩葉一心，將其移到1.5 L水培罐中，每罐10株水稻。

H2S測(cè)定實(shí)驗(yàn)：將兩葉一心的水稻在低磷(18 mmol/L)的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)，分別在0(即正常磷含量)，1，3，5，7 d收集水稻根系和地上部，用于測(cè)定H2S含量。

H2S促進(jìn)水稻磷吸收實(shí)驗(yàn)：兩葉一心的水稻在正常磷(180 mmol/L；P)和低磷(18 mmol/L；LP)營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)，分別添加或者不加2 μmol/L的H2S供體NaHS，1 d后將營(yíng)養(yǎng)液倒掉，分別繼續(xù)在正常磷和低磷營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)6 d，每隔3 d換一次營(yíng)養(yǎng)液，營(yíng)養(yǎng)液pH為5.6。四個(gè)處理分別標(biāo)記為P(正常磷含量)、P+NaHS、LP(低磷)和LP+NaHS。

1.2 硫化氫含量的測(cè)定

收取水稻根和地上部，洗凈稱重。用液氮研磨后加入5 mL 50 mmol/L pH6.8的磷酸(PBS)緩沖液，內(nèi)含0.1 mol/L乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-Na2)和0.2 mmol/L抗壞血酸。H2S含量的根據(jù)加入20 mmol/L二甲基對(duì)苯二胺二氫氯胺（溶解在7.2 mol/L HCl中）后生成的亞基藍(lán)深淺進(jìn)行測(cè)定[22]。

1.3 總磷的提取和測(cè)定

收集水稻根和地上部后裝入信封在烘箱中105℃下殺青30 min，然后在75℃下將植物樣本烘干至恒重。稱取根和地上部干質(zhì)量，用濃H2SO4和過(guò)氧化氫(H2O2)消煮，超純水定容后用鉬銻抗法測(cè)定水稻總磷含量[23]。

1.4 酸性磷酸酶的測(cè)定

收集水稻根系鮮樣稱重，冰上研磨后用0.2 mmol/L醋酸鈉緩沖液提取根系酸性磷酸酶。將酶粗提液與反應(yīng)液(0.2 mmol/L pH 5.8 的醋酸鈉緩沖液，內(nèi)含0.5 g/L對(duì)硝基苯磷酸二鈉)混合，在25℃黑暗條件下培養(yǎng)1 h，加入6 mol/L的NaOH終止反應(yīng)，在400 nm波長(zhǎng)下比色。通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)單位重量的根催化對(duì)硝基苯磷酸二鈉生成對(duì)硝基苯酚的量來(lái)表示酶活[24]。

1.5 抗氧化酶的活性測(cè)定

收集水稻根和地上部，鮮樣稱重。冰上研磨，加入2 mL 提取液(50 mmol/L pH 7.8的PBS緩沖液，內(nèi)含1 mmol/L EDTA-Na2和1 mmol/L 醋酸)，在15 000、4℃溫度下離心15 min，取上清，作為酶粗提液。

SOD酶活測(cè)定：取50 μL酶粗提液與1.5 mL 50 mmol/L的pH 7.8 PBS緩沖液，0.3 mL 20 μmol/L的核黃素，0.3 mL 150 μmol/L L-蛋氨酸，0.3 mL 750 μmol/L氮藍(lán)四唑，0.3 mL 100 μmol/L EDTA-Na2和0.25 mL水混合，在室溫光照條件下反應(yīng)20 min。做一個(gè)陰性對(duì)照，560 nm下比色[25]。

表1 本研究中使用的引物序列

CAT酶活測(cè)定：取0.1 mL酶粗提液與1.9 mL 50 mmol/L pH7.0的PBS緩沖液和 1 mL 0.1% H2O2反應(yīng)，在反應(yīng)剛開(kāi)始和1 min后分別記錄240 nm下的吸光值[26]。

APX酶活測(cè)定：取0.1 mL酶粗提液與1.5 mL 50 mmol/L的磷酸鉀緩沖液(pH 7.0)，0.5 mL 0.3 mmol/L的抗壞血酸, 0.5 mL 0.1 mmol/L乙二胺四乙酸鈉0.4 mL 0.06 mmol/L H2O2混合，在反應(yīng)10和30 s分別記錄290 nm下的吸光值[27]。

POD酶活測(cè)定：取50 μL酶粗提液與1 mL 50 mmol/L的磷酸鉀緩沖液(pH 5.5)，0.95 mL 0.2%愈創(chuàng)木酚, 1 mL 0.3% H2O2混合，分別在反應(yīng)30和90 s記錄470 nm下的吸光值[28]。

1.6 木質(zhì)部汁液磷的提取和測(cè)定

將水稻距離根上部2 cm處切斷，用移液器吸取流出的傷流液，持續(xù)2 h[29]。將吸取的傷流液合并記錄體積，適當(dāng)稀釋后用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定磷含量。

1.7 水稻根系構(gòu)型參數(shù)的測(cè)定

將水稻根系剪下后鋪在含水的塑料盤中，用EPSON 10000XL掃描儀獲得根系的掃描圖片。然后運(yùn)用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)(加拿大Regent 儀器公司)計(jì)算根系的總根長(zhǎng)、總表面積、平均直徑、總體積和根尖數(shù)等指標(biāo)[30]。

1.8 水稻總RNA的提取和基因表達(dá)測(cè)定

水稻的根系吸干水分后剪下，立即在液氮中研磨。利用TRizol法提取里面的總RNA。在NanoDrop上測(cè)定RNA的含量并用瓊脂糖凝膠電泳法檢測(cè)RNA的完整性。運(yùn)用PrimeScript反轉(zhuǎn)錄試劑盒(TaKaRa，日本)將RNA反轉(zhuǎn)成cDNA并用Sybgreen(TaKaRa，日本)進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR。表1為所選基因的引物和內(nèi)參基因引物[31-36]。

1.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

實(shí)驗(yàn)均設(shè)4個(gè)生物學(xué)重復(fù)，每個(gè)處理重復(fù)3次。數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(單因素方差分析)，均數(shù)采用圖基(Tukey)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。圖中不同字母表示不同處理間均值在< 0.05水平上有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 H2S提高水稻體內(nèi)總磷含量

相較于正常磷條件，水稻根部和地上部的H2S含量在低磷脅迫1 d后急劇增加，隨著低磷脅迫時(shí)間的增加，水稻體內(nèi)H2S含量逐漸下降，并最終恢復(fù)到起始含量(圖1)。

在正常磷和低磷脅迫條件下，用H2S的供體NaHS預(yù)處理水稻后，顯著增加了水稻根部和地上部的總磷含量(圖2)。

數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n = 4)表示。數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n = 4)表示。不同的小寫(xiě)字母代表處理間差異在0.05水平上顯著。缺磷處理的磷濃度為18 mmol/L。

Fig. 1. Content of H2S in rice root and shoot under different phosphorus deficient durations.

數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n = 4)表示。不同的小寫(xiě)字母代表處理間差異在P < 0.05水平上顯著。P－營(yíng)養(yǎng)液中磷濃度為180 mmol/L, LP－18 mmol/L。

Fig. 2. Available P and total P contents in rice roots and shoots.

數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n = 4)表示。不同的小寫(xiě)字母代表處理間差異在P < 0.05水平上顯著。P－180 mmol/L; LP－18 mmol/L。

Fig. 3. Activites of acid phosphatase in rice roots and shoots.

2.2 H2S提高酸性磷酸酶活性

在低磷條件下，水稻根部和地上部的酸性磷酸酶活性顯著高于正常磷條件，用NaHS預(yù)處理后，水稻根系和地上部的酸性磷酸酶活性進(jìn)一步增強(qiáng)(圖3)。

2.3 H2S提高磷轉(zhuǎn)運(yùn)子基因的表達(dá)

無(wú)論是正常磷還是低磷脅迫條件下，NaHS預(yù)處理均顯著增加水稻木質(zhì)部汁液中的磷含量(圖4)。

水稻體內(nèi)磷轉(zhuǎn)運(yùn)子PHT1家族共有13個(gè)成員，分別為~。其中和主要在菌根共生過(guò)程中誘導(dǎo)[37, 38]。因此，本研究沒(méi)有測(cè)定以上兩個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)子基因的表達(dá)。//主要參與水稻體內(nèi)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)。在本研究中，和基因的表達(dá)雖然在低磷脅迫下顯著增加，但是與NaHS預(yù)處理組沒(méi)有顯著差異，只有基因的表達(dá)量在添加NaHS后進(jìn)一步增加(圖5)。

數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n = 4)表示。不同的小寫(xiě)字母代表處理間差異在P < 0.05水平上顯著。P－180 mmol/L, LP－18 mmol/L。

Fig. 4. Xylem P concentration in rice.

數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n = 4)表示。不同的小寫(xiě)字母代表處理間差異在P < 0.05水平上顯著。P－180 mmol/L, LP－18 mmol/L。

Fig. 5. Relative expression level of P transporter genes.

同時(shí)，通過(guò)測(cè)定磷轉(zhuǎn)運(yùn)子PHT1家族其余已經(jīng)證明功能的基因成員的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)、、和的基因表達(dá)均在低磷脅迫下顯著高于正常磷條件，并且用NaHS預(yù)處理后表達(dá)量進(jìn)一步增加(圖5)。

2.4 H2S提高抗氧化酶活性

共測(cè)定了水稻根部和地上部4種抗氧化酶系統(tǒng)的酶活性，發(fā)現(xiàn)在低磷脅迫下，水稻根系和地上部的SOD、CAT、APX和POD的酶活均顯著增強(qiáng)，并且在用NaHS預(yù)處理后進(jìn)一步增加了以上4個(gè)酶的活性(表2)。

2.5 H2S改變水稻根系構(gòu)型

在缺磷條件下，水稻根系總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和總根尖數(shù)顯著增加，并且在用NaHS預(yù)處理后，低磷條件下以上4個(gè)根系生長(zhǎng)指標(biāo)均進(jìn)一步增加(圖6和表3)。

3 討論

H2S是一種新型信號(hào)分子，主要參與調(diào)節(jié)植物響應(yīng)逆境脅迫，比如高溫脅迫[20]、鋁脅迫[39]和缺磷脅迫[21]等。在本研究中，水稻根系和地上部的H2S含量均在缺磷1 d后顯著增加，然后逐漸減少，并在缺磷7 d時(shí)回到正常水平(圖1)，同時(shí)，在外源添加H2S供體NaHS后，在低磷脅迫下水稻根部和地上部的總磷含量顯著增加(圖2)，進(jìn)一步證明了H2S作為信號(hào)分子，參與調(diào)節(jié)水稻響應(yīng)低磷脅迫。

表2 水稻根系和地上抗氧化酶活性

數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(= 4)表示。不同的小寫(xiě)字母代表處理間差異在< 0.05水平上顯著。其中正常磷（P）處理的磷濃度為180 mmol/L，低磷（LP）處理的磷濃度為18 mmol/L。

Data are means ± SD (= 4). Different letters mean significantly difference at< 0.05. P, 180 mmol/L, LP, 18 mmol/L.

表3 水稻根系發(fā)育相關(guān)指標(biāo)

數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(=4)表示。不同的小寫(xiě)字母代表處理間差異在< 0.05水平上顯著。其中正常磷（P）的磷濃度為180 mmol/L，低磷（LP）處理的磷濃度為18 mmol/L。

Data are means±SD (=4). Different letters mean significantly difference at< 0.05. P, 180 mmol/L, LP, 18 mmol/L.

酸性磷酸酶作為一種誘導(dǎo)酶，其活性顯著受植物供磷水平的影響[40]。在玉米和黃瓜的研究中均發(fā)現(xiàn)，在缺磷脅迫下，植物體內(nèi)的酸性磷酸酶活性顯著增加[41, 42]。雖然酸性磷酸酶活性與植物耐低磷能力并不總是存在顯著正相關(guān)[43]，但是一般認(rèn)為，植物在缺磷脅迫下提高酸性磷酸酶的活性，可以將體內(nèi)的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，供植物再次利用；同時(shí)，酸性磷酸酶還能促進(jìn)植物中的磷從衰老組織向幼嫩組織的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而優(yōu)先保證植物幼嫩組織的生長(zhǎng)[44]。在本研究中發(fā)現(xiàn)，水稻根系和地上部的酸性磷酸酶活性在低磷條件下顯著增加，并且用NaHS預(yù)處理后進(jìn)一步提高了酸性磷酸酶的活性(圖3)，結(jié)合NaHS提高了低磷條件下水稻根系和地上部的總磷含量(圖2)，暗示H2S在一定程度上可以通過(guò)調(diào)節(jié)酸性磷酸酶的活性緩解水稻低磷脅迫。

植物體內(nèi)分為PHT1、PHT2、PHT3和PHT4共4個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)子家族，分別負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞膜、葉綠體膜、線粒體膜和高爾基體膜上的磷。水稻的PHT1磷轉(zhuǎn)運(yùn)子家族共有13個(gè)基因成員(分別為~)，在水稻體內(nèi)磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)中分別起特定功能。目前研究發(fā)現(xiàn)，水稻體內(nèi)的、和負(fù)責(zé)水稻體內(nèi)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)。主要在水稻根中柱中表達(dá)并且負(fù)責(zé)將磷從根部往地上部的運(yùn)輸；主要在水稻根表皮、皮質(zhì)和中柱表達(dá)，具有磷吸收和體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)雙重功能[31]；在水稻根系和葉片中表達(dá)，參與水稻體內(nèi)磷庫(kù)和源的再分配和磷的吸收[32]。在本研究中，在低磷條件下，用NaHS預(yù)處理后水稻木質(zhì)部汁液中的磷含量顯著高于單純的低磷處理(圖4)，說(shuō)明H2S提高了水稻根系中的磷往地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。磷轉(zhuǎn)運(yùn)子基因表達(dá)結(jié)果顯示，在低磷條件下，、和三個(gè)基因的表達(dá)均比正常磷條件下顯著增加，然而用NaHS預(yù)處理后，只有基因的表達(dá)進(jìn)一步增加(圖5)，說(shuō)明H2S通過(guò)調(diào)節(jié)磷轉(zhuǎn)運(yùn)子基因的表達(dá)提高體內(nèi)磷從根部往地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。

Fig. 6. Phenotype of rice roots.

水稻磷轉(zhuǎn)運(yùn)子家族PHT1的其余成員在水稻磷吸收中也發(fā)揮重要作用。比如過(guò)表達(dá)基因顯著增加水稻體內(nèi)的磷含量和分蘗數(shù)[45]。磷轉(zhuǎn)運(yùn)子主要在水稻根系質(zhì)膜上表達(dá)，負(fù)責(zé)水稻根系對(duì)外界磷的吸收并且與水稻胚的發(fā)育密切相關(guān)[47]。缺磷脅迫顯著增加和基因的表達(dá)，并且在水稻中過(guò)表達(dá)這2個(gè)基因后，顯著增加水稻在缺磷條件下和正常磷條件下對(duì)外界磷的吸收[34]。在本研究中，低磷脅迫顯著增加了、、和的表達(dá)，并且在用NaHS預(yù)處理后進(jìn)一步提高了它們的表達(dá)(圖5)，說(shuō)明在低磷脅迫下，H2S主要通過(guò)調(diào)節(jié)以上4個(gè)基因的表達(dá)促進(jìn)水稻從外界吸收磷。低磷脅迫同時(shí)促進(jìn)了、和的表達(dá)，但是NaHS預(yù)處理并沒(méi)有進(jìn)一步增加它們的表達(dá)(圖5)，說(shuō)明以上3個(gè)基因受缺磷脅迫誘導(dǎo)，但是不受H2S調(diào)節(jié)。測(cè)定的基因中，只有基因的表達(dá)在4個(gè)處理下均未有顯著變化(圖5)，其主要原因是基因是一個(gè)組成型基因，它的表達(dá)不受外在磷含量的影響[47]。

過(guò)氧化物在植物體內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生，并且在遭受脅迫時(shí)大量產(chǎn)生[48]。在脅迫條件下，植物體內(nèi)產(chǎn)生和積累的大量活性氧物質(zhì)，比如H2O2，·OH?，O2·?對(duì)植物的質(zhì)膜造成過(guò)氧化損傷，從而影響植物正常生長(zhǎng)。植物體內(nèi)存在抗氧化酶系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)將植物體內(nèi)的活性氧物質(zhì)進(jìn)行還原，從而緩解過(guò)氧化損傷。超氧化物歧化酶主要負(fù)責(zé)催化植物體內(nèi)的超氧化陰離子自由基，將其轉(zhuǎn)化成氧和H2O2[49]。過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶和抗壞血酸過(guò)氧化物酶均負(fù)責(zé)還原植物體內(nèi)的過(guò)氧化物，從而緩解過(guò)氧化損傷[48]。在本研究中，缺磷條件下，用NaHS預(yù)處理后，水稻根部和地上部的抗氧化酶的活性均顯著增加(表2)，從而進(jìn)一步清除水稻體內(nèi)的過(guò)氧化物，緩解由于缺磷而導(dǎo)致的過(guò)氧化損傷。

改變根系構(gòu)型是植物緩解缺磷脅迫的有效手段之一。在缺磷脅迫下，植物的根系在土壤中的空間布局發(fā)生變化，更多的根分布在含磷量較高的表層土壤[5]，同時(shí)由于鐵元素的大量積累，缺磷條件下植物的主根伸長(zhǎng)受到抑制[50]，然而，植物根系的側(cè)根和根毛卻能大量生長(zhǎng)和伸長(zhǎng)[6, 51]，增加植物根冠比，從而促進(jìn)植物對(duì)環(huán)境中磷的吸收。比如缺磷時(shí)，甜菜的側(cè)根顯著增多增長(zhǎng)[6]，黑麥草根毛含量顯著增加[7]，從而提高磷吸收。在本研究中，低磷條件下水稻根系的總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和總根尖數(shù)均顯著增加(圖6和表3)，說(shuō)明水稻也通過(guò)改變根系構(gòu)型來(lái)響應(yīng)缺磷脅迫。用NaHS預(yù)處理后，以上4個(gè)指標(biāo)均進(jìn)一步增加(圖6和表3)，說(shuō)明H2S還通過(guò)調(diào)節(jié)水稻根系構(gòu)型的變化，增加其對(duì)外界磷的吸收，從而緩解缺磷脅迫。

4 結(jié)論

在低磷條件下，H2S通過(guò)調(diào)控酸性磷酸酶活性，提高磷轉(zhuǎn)運(yùn)子基因表達(dá)和改變根系構(gòu)型擴(kuò)大水稻對(duì)外界磷的吸收以及體內(nèi)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)平衡。同時(shí)H2S還通過(guò)調(diào)節(jié)抗氧化酶的活性減少低磷脅迫導(dǎo)致的過(guò)氧化損傷，從而最終緩解缺磷脅迫。

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Physiological and Molecular Mechanisms of Hydrogen Sulfide Enhancing Phosphorus Absorption and Transportation in Rice

ZHU Chunquan, CAO Xiaochuang, ZHU Lianfeng, BAI Zhigang, HUANG Jie, LIANG Qingduo, JIN Qianyu, ZHANG Junhua*

(,,,;Corresponding author,:)

Low phosphorus (P) stress is one of the main factors limiting rice yield. Hydrogen sulfide (H2S) is produced in rice under flooding conditions. However, whether H2S is involved in the regulation of rice response to phosphorus deficiency stress as a signal molecule is still unclear.The content of H2S in rice was determined under normal and low P conditions to illuminate the role that H2S plays in regulating rice response to P deficiency stress.Rice was pretreated with 2 μmol/L H2S precursor NaHS for 1 day, then cultured for another 6 days under P sufficient and deficient conditions. The total P contents, acid phosphatase activity, antioxidant enzyme activity, xylem P concentration, P transporter genes’ expression and rice root architecture were determinedto explore the physiological and molecular mechanism of H2S in regulating rice response to phosphorus deficiency stress.Low P stress significantly increased the content of H2S in rice roots and shoots. NaHS pretreatment significantly increased total P contents, root acid phosphatase activity, root antioxidant enzymes activity, xylem P concentration and stimulated the expression of P transporter genes. Meanwhile, NaHS pretreatment modified rice root architecture, including increased total root length, total root surface area, total root volume and total root tip numbers. Therefore, our present study demonstrated that H2S improved P absorption and translocation in rice under P deficiency conditions and finally alleviate P deficiency stress in rice.

rice; P deficiency stress; H2S; P transporter; root architecture

S143.2; S511.01

A

1001-7216(2019)06-0532-09

10.16819/j.1001-7216.2019.9055

2019-05-13；

2019-07-31。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFD0101801)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31872857)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY18C020005)；國(guó)家公益研究所基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(2017RG004-2)。