王曉君，胡安永，車 景，沈仁芳，馬建鋒,*

硅對秈稻和粳稻品種磷積累的影響①

王曉君1,2，胡安永1,2，車 景3，沈仁芳1，馬建鋒1,3*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008； 2 中國科學院大學，北京 100049； 3 日本岡山大學植物科學與資源研究所，日本岡山 710-0046)

硅(Si)可以改善磷(P)的營養(yǎng)，但是其內(nèi)在機制尚不明確。本研究以4個秈稻和3個粳稻品種為研究對象，通過水培試驗探究硅對不同水稻品種磷積累的影響。在營養(yǎng)液中添加硅顯著降低了秈稻和粳稻品種的地上部磷含量，但幾乎不影響根部磷含量。加硅處理不影響所有供試水稻品種的磷吸收及磷從根系向地上部的轉(zhuǎn)移，但提高了磷的利用效率，增加了植株P(guān)/Mn 和 P/Zn比率。磷轉(zhuǎn)運蛋白(PT)基因表達分析表明，在粳稻品種中只有被硅下調(diào)，而在秈稻品種中沒有顯著性變化；其他PT基因的表達不受硅的影響。由此，硅對不同水稻品種的磷積累有不同的影響，磷利用率的提高可能歸因于較高的P/Mn和P/Zn比率，從而導致植物中較高的有效磷。

秈稻；粳稻；硅；磷轉(zhuǎn)運蛋白；基因表達；水稻

水稻()是一種非常重要的糧食作物，世界上超過1/2的人口都將水稻作為主要食物來源[1]。在我國，水稻也是第一大糧食作物，它的栽種面積約占糧食作物面積的30%，產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的40.4%。

磷(P)作為作物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，它不僅是作物體內(nèi)多種重要化合物的組成成分，比如核酸、磷脂和ATP[2]，同時，它也以多種方式參與植物體內(nèi)生物化學反應(yīng)，比如光合作用、呼吸作用等[3]，磷對作物的生長發(fā)育、新陳代謝、產(chǎn)量以及品質(zhì)都有重要作用[4-5]。

雖然磷在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中起著至關(guān)重要的作用，但土壤磷缺乏也制約著作物的生產(chǎn)[6-7]。據(jù)統(tǒng)計，全世界約有57億hm2土壤處于缺磷的狀態(tài)，不足以維持作物正常生長的需要[8]，而我國約1.07億hm2的耕地中有2/3嚴重缺磷[9]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，主要通過增加磷肥施用量或者改變磷肥施加方式來提高作物對磷肥的吸收[10-11]。雖然施加磷肥可以暫時解決農(nóng)作物缺磷的性狀，但從長遠發(fā)展的角度考慮，這不是最理想的方法。因為磷礦是一種不可再生資源，過量施磷不僅會造成磷礦浪費枯竭，而且還會引起一系列的環(huán)境污染問題，同時也增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[12]。因此很多科研工作者都在尋找提高磷利用效率的方法[13-14]。

已有的很多研究表明，硅(Si)是植物生長和發(fā)育的有益元素[15-18]。硅可以有效緩解植物的生物脅迫，如植物病原菌和害蟲[19-21]，同時硅也可以改善植物在非生物脅迫下的生長發(fā)育，比如干旱、倒伏、寒冷和營養(yǎng)失衡等[22]。在緩解的各種非生物脅迫中，硅在磷缺乏和過量脅迫下的有益作用已經(jīng)在很多植物中進行了相關(guān)研究報道。英國諾桑實驗站一個長期田間試驗表明，在同樣不施加磷肥條件下，施用硅酸鈉的試驗田大麥產(chǎn)量更高[23]。營養(yǎng)液中加硅在較低磷水平下比在中等磷水平下更多地增加了水稻的地上部干重[24-25]。最新報道，在低磷的酸性土壤條件下，施硅可以增加小麥對磷的吸收[26]。硅在磷缺乏下的有益影響可能是由于通過減少錳(Mn)和鐵(Fe)的吸收，改善植株體內(nèi)磷的利用效率[25,27]，并且增加了根系有機酸的分泌和磷轉(zhuǎn)運基因的表達[26]。此外，加硅也能夠改善水培高磷條件下的水稻生長，這可能是由于根系中硅的沉積，減少了磷通過質(zhì)外體流和滲透向中柱鞘的轉(zhuǎn)移，從而減少了磷的吸收[28-29]。最近發(fā)現(xiàn)，水稻地上部硅的累積下調(diào)了磷轉(zhuǎn)運基因的表達，從而減少了磷的吸收[30]。盡管對于硅和磷互作的研究報道已經(jīng)很多，但秈稻和粳稻對于硅響應(yīng)的研究則鮮有報道。因此，本研究采用水培試驗，研究了秈稻和粳稻對硅的響應(yīng)規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及生長環(huán)境

試驗所用水稻品種是從實驗室中現(xiàn)有水稻品種隨機挑選的，分別是秈稻Kasalath(7001)、Bei Khe (7021)、Vary Futsi(7040)、Deegeowoogen(7124)和粳稻日本晴(7069)、Shinsyu(7081)、八束穂(7101)(表1)。水稻種子用水浸泡，并放置于30℃黑暗培養(yǎng)箱中催芽2 d，然后轉(zhuǎn)移到漂浮的塑料網(wǎng)上萌發(fā)，此塑料網(wǎng)置于含有 0.5 mmol/L CaCl2溶液的1.5 L塑料容器中，其上覆鋁箔以避光。5 d后轉(zhuǎn)移到1/2 木村B營養(yǎng)液中培養(yǎng)(pH 5.6)。營養(yǎng)液每2 d換1次，植物在溫室(25 ~ 30℃，自然光)中培養(yǎng)。

表1 供試水稻品種

1.2 試驗設(shè)計

所有水稻品種的幼苗在加硅(+Si)、減硅(-Si)營養(yǎng)液中進行處理，減硅處理不含硅，加硅處理所用硅酸的濃度為1 mmol/L。硅酸是將硅酸鉀溶液通過含有陽離子交換樹脂(Amberlite IR-120B, H+form)的離子交換柱收集所得[31]。每個處理均設(shè)置3個生物學重復。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 相關(guān)元素測定 經(jīng)過7 d加硅、減硅處理后，用提前放置于冷庫過夜的5 mmol/L CaCl2溶液清洗水稻根系3次，然后分別收集水稻根系和地上部用于相關(guān)元素的測定。所有樣品在70℃條件下烘干3 d，然后加入60% 的硝酸進行消解。樣品消解液經(jīng)過稀釋相應(yīng)倍數(shù)后用ICP-MS(Inductively coupled plasma- mass spectrometer, 7700X; Aglient Technologies)測定。

1.3.2 磷轉(zhuǎn)運蛋白基因的表達分析 經(jīng)過7 d加硅、減硅處理后，取水稻根系樣品，在液氮中冷凍，用RNeasy Plant Mini Kit(Qiagen)提取總RNA，并按照說明書使用ReverTra Ace qPCR RT Master Mix with gDNA Remover(TOYOBO)轉(zhuǎn)化成cDNA。使用SYBR Premix Ex TaqTM(Takara Bio, Inc., Japan)為熒光染料，并于 LightCycler 480 (Roche，瑞士)上進行實時熒光定量 PCR。的引物序列為CCAGAAACACTCACATGATCACC (forward)和GATGAGAGCAAACATGCTGAAAAC(reverse)；的引物序列為5′-CGCTTCCGTACGAGTGG TAGT-3′ (forward)和5′-GGTTCTTTCAAATCCAGGG AAA-3′(reverse)；的引物序列為5′-TGTCATA AACATGCCGTCTCG-3′ (forward)和5′-GCAGGGAA AGTTCACAAAATC-3′ (reverse)；的引物序列為AACTCCACGACCTTCATCGTG(forward)和CAT CGTCATCGTCCTCGTTCTC(reverse)；的引物序列為5′-CCGACGCCTATGACCTCTTCTG-3′ (for-ward)和 5′-ACCTGCAGCACCTTGGACATGT-3′ (re-verse);的引物序列為5′-ATCCAGGAGGAG CAGGACAAG-3′ (forward)和5′-CACGATGAAGGT GGTGGAGTT-3′ (reverse)。、、和也被稱為、、、[28]。所使用的內(nèi)參基因為，其引物序列為5′-AGTTTGGTCGCTCTCGATTTCG-3′ (forward)和 5′-TCAACAAGTTGACCACGTCACG-3′ (reverse)。所有基因的相對表達量用ΔΔCt計算獲得。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用 Microsoft Office 2003 和 SPSS 16.0軟件，所有數(shù)據(jù)測定結(jié)果均以平均值± 標準差的形式表示。數(shù)據(jù)之間的差異顯著性采用Duncan’s test分析。

磷吸收量=Pt/RDW，磷利用效率=SDW/Pt，式中：Pt代表整個植株磷含量(mg)，RDW代表根干重(g)，SDW代表地上部干重(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對不同水稻品種磷含量的影響

由圖1可以看出，硅對水稻植株磷含量的影響主要表現(xiàn)在地上部，加硅處理(+Si)顯著降低了秈稻和粳稻品種地上部磷含量(圖1A)，而其根系磷含量在加硅處理后幾乎不變(圖1B)。

2.2 硅對不同水稻品種磷吸收、利用效率和轉(zhuǎn)移的影響

從圖2可以看出，加硅處理(+Si)所有水稻品種的磷利用效率均顯著性增加，磷吸收沒有太大的變化，而磷從根系向地上部的轉(zhuǎn)移幾乎不變。

(圖中不同小寫字母表示不同處理及水稻品種間差異在P<0.05水平顯著，下同)

圖2 硅對不同水稻品種磷利用效率(A)、吸收(B)、轉(zhuǎn)移(C)的影響

2.3 硅對不同水稻品種P/Mn、P/Zn、P/Fe、P/Cu比率的影響

由圖3可以看出，加硅處理(+Si)所有水稻品種地上部的P/Mn和P/Zn比率均顯著性增加，P/Cu比率也有不同程度的增加，但P/Fe比率沒有顯著性變化。

2.4 硅對不同水稻品種磷轉(zhuǎn)運相關(guān)基因表達的影響

通過對磷轉(zhuǎn)運相關(guān)基因表達的分析(圖4)可以看出，在粳稻品種中只有被硅下調(diào)，而在秈稻品種中沒有被下調(diào)或上調(diào)；其他PT基因的表達在加硅或減硅處理前后均沒有太大的變化。

圖3 硅對不同水稻品種地上部P/Mn(A)、P/Zn(B)、P/Fe(C)、P/Cu(D)比率的影響

3 討論

前人的研究已經(jīng)表明，硅能夠增加水稻地上部的干物質(zhì)量，并且在高磷條件下可以減少水稻中磷的積累[25]，但是秈粳稻對硅的響應(yīng)規(guī)律如何目前尚無研究。根據(jù)本研究結(jié)果，加硅處理顯著降低了秈稻和粳稻品種的地上部磷含量，但幾乎不影響根部磷含量。進一步的研究表明，硅不影響供試所有水稻品種的磷吸收及磷從根系向地上部的轉(zhuǎn)移，但提高了磷的利用效率，顯著增加了植物的P/Mn 和 P/Zn比率，不同程度地增加了P/Cu比率。硅的有益影響還有可能是由于通過減少Mn和Fe的吸收改善植株體內(nèi)磷的利用效率[25,27]。

秈粳稻對硅的響應(yīng)差異較大的重要原因可能是硅直接影響水稻根系磷轉(zhuǎn)運基因的表達來影響磷吸收。本研究比較了不同水稻品種加硅、減硅條件下磷轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的表達情況。水稻基因組中的Pht1家族中有13個磷轉(zhuǎn)運蛋白[33]。其中，、、和主要在水稻根系表達且負責磷的吸收和遷移[34-36]?；虮磉_定位于水稻主根和側(cè)根的中柱鞘且負責磷的遷移，則表達定位于主根和側(cè)根的表皮和皮層細胞，基因表達于水稻各個組織器官內(nèi)且涉及植物體內(nèi)磷的平衡[34-35]。最近有研究表明，加硅處理減少水稻磷的吸收是由于地上部硅的積累下調(diào)了基因的表達所造成的[30]。而在本試驗加硅處理中，只有在粳稻中的相對表達量明顯下調(diào)。此外，在低磷條件下，加硅處理能夠上調(diào)小麥根系中磷轉(zhuǎn)運基因的表達(和)[26]。導致這些差異的原因可能是由于試驗中不同的磷濃度以及植物種類。和在小麥中被認為是高親和力的磷轉(zhuǎn)運蛋白，而在磷吸收方面則發(fā)揮著更加廣泛的作用以應(yīng)對土壤溶液處于不斷變化的磷水平[34,37-39]。此外，當小麥種植于酸性土壤中時，它可能遭受到酸性土壤中存在的其他非生物脅迫，這也將會影響磷轉(zhuǎn)運基因的表達。

圖4 硅對OsPHO1;2(A)、OsPT1 (B)、OsPT2 (C)、OsPT4(D)、OsPT6 (E) and OsPT8 (F)基因表達的影響

4 結(jié)論

加硅處理降低了水稻植株地上部的磷含量，但根系磷含量不受影響；加硅處理不影響磷從水稻根系向地上部的轉(zhuǎn)移，也不影響磷的吸收，但增加了磷的利用效率。磷轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的表達分析結(jié)果顯示，只有在粳稻中的相對表達量明顯被硅下調(diào)，而在秈稻品種中沒有變化。其他PT基因的表達不受硅的影響。磷利用率的提高可能歸因于較高的P/Mn和P/Zn比率，加硅處理可能減少了Mn、Zn的吸收，從而導致植物中較高的有效磷。

[1] Nagaraju J, Kathirvel M, Kumar R R, et al. Genetic analysis of traditional and evolved Basmati and non-Basmati rice varieties by using fluorescence-based ISSR-PCR and SSR markers[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002, 99(9): 5836–5841.

[2] Plaxton W C, Carswell M C. Metabolic aspects of the phosphate starvation response in plants[M]//Lerner H R. Plant responses to environmental stresses: From phytohormones to genome reorganization. New York, USA: Dekker, 1999, 349–372.

[3] Vance C P, Uhde-Stone C, Allan D L. Phosphorus acquisition and use: Critical adaptations by plants for securing a nonrenewable resource[J]. New Phytologist, 2003, 157(3): 423–447.

[4] Ticconi C A, Abel S. Short on phosphate: plant surveillance and countermeasures[J]. Trends in Plant Science, 2004, 9(11): 548–555.

[5] 王毅. 植物耐低磷脅迫遺傳學研究策略[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學, 2004, 24(2): 34–41.

[6] Fairhust T, Lefroy R, Mutert E, et al. The importance, distribution and causes of phosphorus deficiency as a constraint to crop production in the tropics[R]. Agroforestry Forum, 1999, 9: 2–8.

[7] Hinsinger P. Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root-induced chemical changes: A review[J]. Plant and Soil, 2001, 237(2): 173–195.

[8] Batjes N H. A world dataset of derived soil properties by FAO-UNESCO soil unit for global modelling[J]. Soil Use and Management, 1997, 13(1): 9–16.

[9] 李繼云, 李振聲. 有效利用土壤營養(yǎng)元素的作物育種新技術(shù)研究[J]. 中國科學(B輯), 1995, 25(1): 41–48.

[10] 江尚燾, 王火焰, 周健民, 等. 磷肥施用對水稻生長和磷素吸收的影響[J]. 土壤, 2016, 48(6): 1085–1091.

[11] 王火焰, 周健民. 根區(qū)施肥——提高肥料養(yǎng)分利用率和減少面源污染的關(guān)鍵和必需措施[J]. 土壤, 2013, 45(5): 785–790.

[12] 張浩, 張鳳文, 和忠, 等. 水稻耐低磷研究進展[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學學報, 2009, 24(5): 754–758.

[13] 宋春麗, 樊劍波, 何園球, 等. 不同母質(zhì)發(fā)育的紅壤性水稻土磷素吸附特性及其影響因素的研究[J]. 土壤學報, 2012, 49(3): 607–611.

[14] 王艷玲, 章永輝, 何園球. 紅壤基質(zhì)組分對磷吸持指數(shù)的影響[J]. 土壤學報, 2012, 49(3): 552–559.

[15] Ma J F. Role of silicon in enhancing the resistance of plants to biotic and abiotic stresses[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2004, 50(1): 11–18.

[16] Liang Y C, Sun W C, Zhu Y G, et al. Mechanisms of silicon-mediated alleviation of abiotic stresses in higher plants: A review[J]. Environmental Pollution, 2007, 147(2): 422–428.

[17] Ma J F, Yamaji N. A cooperative system of silicon transport in plants[J]. Trends in Plant Science, 2015, 20(7): 435–442.

[18] Pontigo S, Ribera A, Gianfreda L, et al. Silicon in vascular plants: uptake, transport and its influence on mineral stress under acidic conditions[J]. Planta, 2015, 242(1): 23–37.

[19] Rodrigues F á, McNally D J, Datnoff L E, et al. Silicon enhances the accumulation of diterpenoid phytoalexins in rice: A Potential Mechanism for Blast Resistance[J]. Phytopathology, 2004, 94(2): 177–183.

[20] Datnoff L E, Rodrigues F á. The role of silicon in suppressing rice diseases[J]. APSnet Feature, 1997.

[21] Fauteux F, Rémus-Borel W, Menzies J G, et al. Silicon and plant disease resistance against pathogenic fungi[J]. FEMS Microbiology Letters, 2005, 249(1): 1–6.

[22] Ma J F, Takahashi E. Soil, Fertilizer, and Plant Silicon Research in Japan[M]. Amsterdam: Elsevier Science, 2002.

[23] Fisher R A. A preliminary note on the effect of sodium silicate in increasing the yield of barley[J]. The Journal of Agricultural Science, 1929, 19(1): 132–139.

[24] Okuda A, Takahashi E. Studies on the physiological role of silicon in crop plant (part 7): Effect of silicon supply on the growth of rice plant on various phosphorus levels[M]. Japanese Society of Soil Science and Plant Nutrition, 1962, 33: 65–69.

[25] Ma J F, Takahashi E. Effect of silicon on the growth and phosphorus uptake of rice[J]. Plant and Soil, 1990, 126(1): 115–119.

[26] Kostic L, Nikolic N, Bosnic D, et al. Silicon increases phosphorus (P) uptake by wheat under low P acid soil conditions[J]. Plant and Soil, 2017, 419(1/2): 447–455.

[27] Ma J F, Takahashi E. The effect of silicic acid on rice in a P deficient soil[J]. Plant and Soil, 1990, 126(1): 121–125.

[28] Ma J F, Takahashi E. Effect of silicic acid on phosphorus uptake by rice plant[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1989, 35(2): 227–234.

[29] Gong H J, Randall D P, Flowers T J. Silicon deposition in the root reduces sodium uptake in rice (L.) seedlings by reducing bypass flow[J]. Plant Cell and Environment, 2006, 29(10):1970–1979.

[30] Hu A Y, Che J, Shao J F, et al. Silicon accumulated in the shoots results in down-regulation of phosphorus transporter gene expression and decrease of phosphorus uptake in rice[J]. Plant and Soil, 2018, 423(1/2): 317-325.

[31] Ma J F, Tamai K, Ichii M, et al. A rice mutant defective in Si uptake [J]. Plant Physiology, 2002, 130(4): 2111–2117.

[32] Nussaume L, Kanno S, Javot H, et al. Phosphate import in plants: Focus on the PHT1 transporters[J]. Frontiers in Plant Science, 2011, 2: 83.

[33] Paszkowski U, Kroken S, Roux C, et al. Rice phosphate transporters include an evolutionarily divergent gene specifically activated in arbuscular mycorrhizal symbiosis[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002, 99(20): 13324–13329.

[34] Ai P H, Sun S B, Zhao J N, et al. Two rice phosphate transporters,and, have different fun-ctions and kinetic properties in uptake and translocation[J]. The Plant Journal, 2009, 57(5): 798–809.

[35] Jia H F, Ren H Y, Gu M, et al. The phosphate transporter gene;involved in phosphate homeostasis in rice[J]. Plant Physiology, 2011, 156(3): 1164–1175.

[36] Sun S B, Gu M, Cao Y, et al. A constitutive expressed phosphate transporter, OsPht1;1, modulates phosphate uptake and translocation in phosphate-replete rice[J]. Plant Physiology, 2012, 159(4): 1571–1581.

[37] Tittarelli A, Milla L, Vargas F, et al. Silva H. Isolation and comparative analysis of the wheat TaPT2 promoter: identification in silico of new putative regulatory motifs conserved between monocots and dicots[J]. Journal of Experimental Botany, 2007, 58(10): 2573–2582.

[38] Miao J, Sun J H, Liu D C, et al. Characterization of the promoter of phosphate transporter TaPHT1.2 differentially expressed in wheat varieties[J]. Journal of Genetics and Genomics, 2009, 36(8): 455–466.

[39] Teng W, Zhao Y Y, Zhao X Q, et al. Genome-wide identification, characterization, and expression analysis of PHT1 phosphate transporters in wheat[J]. Frontiers in Plant Science, 2017, 8:543.

Effects of Silicon on Phosphorus Accumulation in Different Rice Varieties

WANG Xiaojun1,2, HU Anyong1,2, CHE Jing3, SHEN Renfang1, MA Jianfeng1,3*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Institute of Plant Science and Resources, Okayama University, Gangshan 710-0046, Japan)

Silicon (Si) is able to improve phosphorus (P) nutrition, but the underlying mechanism is still poorly understood. The aim of this study is to investigate the effects of silicon on phosphorus accumulation in different rice varieties including four indica and three japonica accessions in hydroponic solution. Addition of silicon significantly decreased shoot P concentration in both indica and japonica rice varieties, but hardly affected the root P concentration. Si did not affect P uptake, root-to-shoot translocation of P in all rice varieties, but improved P-use efficiency and increased ratios of P/Mn and P/Zn in plant. Gene expression analysis of P transporter (PT) genes showed that onlywas down-regulated by Si in japonica varieties, but not in indica varieties. The expression of other PT genes was unaffected by Si. Taken together, Si has different effects on P accumulation in different rice varieties and improved P-use efficiency is probably attributed to higher P/Mn and P/Zn ratios, resulting in higher P availability in plants.

Japonica rice; Indica rice; Silicon; Phosphorus transporter; Gene expression; Rice

Q819

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.01.008

王曉君, 胡安永, 車景, 等. 硅對秈稻和粳稻品種磷積累的影響. 土壤, 2020, 52(1): 54–60.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2014CB441000)和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項 (XDB15030302；XDB15030202)資助。

王曉君(1990—)，女，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向為磷高效水稻的篩選和機制。E-mail：wangxj@issas.ac.cn