朱曉亞 張強(qiáng)強(qiáng) 趙 鵬 劉 明 王 靜 靳 容 于永超 唐忠厚

江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 / 中國(guó)徐州國(guó)家土壤質(zhì)量觀測(cè)試驗(yàn)站, 江蘇徐州 221131

甘薯(Ipomoeabatatas(L.) Lam.)是中國(guó)重要的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物之一, 種植面積224.98 萬公頃,總產(chǎn)達(dá)4919.56 萬噸, 占世界總產(chǎn)的54.97%[1]。磷(P)是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一, 對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、代謝、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積存和產(chǎn)量形成起著重要作用[2]。越來越多的研究表明, 磷有效性是限制全球范圍內(nèi)作物生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素[3]。磷素營(yíng)養(yǎng)不足引起甘薯光合速率下降, 碳氮代謝失常, 糖類積累量以及蛋白質(zhì)合成受抑[4], 可導(dǎo)致甘薯產(chǎn)量損失高達(dá)25%～60%[5]。長(zhǎng)期以來, 施用磷肥是實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重要的增磷手段。但由于磷肥的當(dāng)季利用率不到25%和磷肥的過量施用, 導(dǎo)致土壤磷素不斷累積, 土壤遺留磷可供給作物生長(zhǎng)9～22 年[6]。過量施用磷肥也會(huì)導(dǎo)致土壤污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化、威脅其他生物生存等問題。因此, 面對(duì)磷礦資源有限和磷肥利用率低的現(xiàn)狀, 提高甘薯對(duì)土壤磷素的吸收和利用效率, 已成為我國(guó)甘薯生產(chǎn)和科研中亟待解決的重要課題。

近年來, 隨著納米科技的快速發(fā)展, 納米材料在促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收、增強(qiáng)作物抗逆性方面的應(yīng)用研究也越來越受到關(guān)注。將納米材料通過葉面噴施、根施以及與土壤基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)液混合的方式應(yīng)用于土壤和植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域, 都對(duì)不同植物的生長(zhǎng)發(fā)育及磷素營(yíng)養(yǎng)狀況起到不同程度的改善作用。如有研究表明, 葉面噴施納米硅藻土后, 莧菜吸磷總量提高了36%, 干物質(zhì)量提高了43.4%[7]。通過nTiO2/ZnO 處理水培生菜試驗(yàn)可顯著增加生菜根系對(duì)磷元素的吸收以及生菜地上部磷含量[8]。尹勇和劉靈[9]將nSiO2添加到水稻土中, 發(fā)現(xiàn)土壤有效磷含量顯著增加,促進(jìn)了水稻對(duì)磷養(yǎng)分的吸收。最近的研究發(fā)現(xiàn), 與傳統(tǒng)的納米材料相比, 納米碳點(diǎn)(CDs)具有優(yōu)異的光學(xué)性能、良好的水溶性、低毒性、環(huán)境友好性、生物相容性、原料來源廣、制備成本低等諸多優(yōu)點(diǎn), 在增強(qiáng)作物抗逆性、促進(jìn)作物生長(zhǎng)方面展示了巨大的應(yīng)用前景。納米CDs 通過增強(qiáng)植物的光合作用, 可提高花生[10]和高粱[11]的耐旱性、保護(hù)水稻免受鹽脅迫[12]、增強(qiáng)甘薯幼苗對(duì)低鉀和低鐵環(huán)境的適應(yīng)性[13];或通過促進(jìn)根系分泌琥珀酸(14.5 倍)、丙酮酸(10.0倍)和甜菜堿(11.8 倍)以及提高根際土壤中Pseudomonas(假單胞菌)、Sphingomonas(鞘氨醇單胞菌)、Nitrospira(硝化螺旋菌)和Conocybe(錐蓋傘屬)的豐度, 促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)同化, 保護(hù)干旱脅迫下玉米幼苗的生長(zhǎng)[14]。但納米CDs 如何改善低磷脅迫環(huán)境下的作物生長(zhǎng), 目前尚不清楚。

本研究以商薯19 和徐薯32 為試驗(yàn)材料, 探究葉面噴施丹參制備的CDs 對(duì)0.01 mmol L-1KH2PO4脅迫處理下甘薯幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和磷素營(yíng)養(yǎng)的影響;采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序手段挖掘低磷脅迫處理下葉面噴施丹參CDs 前后甘薯根系中的差異表達(dá)基因, 篩選并解析響應(yīng)低磷脅迫的功能基因的變化, 結(jié)合GC-MS 代謝組學(xué)分析手段解析甘薯根系代謝物的差異表達(dá), 揭示葉面噴施丹參CDs 促進(jìn)低磷脅迫下甘薯幼苗生長(zhǎng)的作用機(jī)制。本研究結(jié)果可為建立甘薯磷養(yǎng)分高效的調(diào)控理論與調(diào)控新途徑提供科學(xué)支撐和理論依據(jù), 對(duì)于從根本上改變甘薯栽培中磷肥高投入的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要理論和實(shí)踐意義, 也為后續(xù)針對(duì)納米CDs 緩解低磷脅迫的相關(guān)研究提供了候選分子資源。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試甘薯材料為商薯19 和徐薯32, 由江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。這2 個(gè)品種在山東、河南、江蘇、安徽等地種植面積大、受眾廣; 且前期研究結(jié)果表明均為不耐低磷基因型甘薯品種[15]。

供試丹參CDs 由江蘇師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院甘薯課題組提供, 平均顆粒直徑為3.32 nm。具體的合成與制備方法: 將3.50 g 丹參粉添加到70 mL 去離子水中, 混合均勻。然后, 將混合溶液在聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓釜中加熱6 h (150 ℃)。冷卻至室溫后, 用0.22 μm 的濾膜去除溶液中的大顆粒。最后,通過在3500 Da 透析袋中透析進(jìn)一步純化, 于4℃下保存。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水培試驗(yàn)于2022 年6 月在江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所(34°27′N, 117°29′E)進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)置3 個(gè)處理, 分別為: 低磷營(yíng)養(yǎng)液(0.01 mmol L–1KH2PO4)葉面噴施超純水(CK1)、正常磷營(yíng)養(yǎng)液(1 mmol L–1KH2PO4)噴施超純水(CK2)和低磷營(yíng)養(yǎng)液噴施1.5 mg mL–1丹參碳點(diǎn)溶液(CDs)。具體操作如下: 從溫室苗床中選取長(zhǎng)勢(shì)一致, 生長(zhǎng)到三葉一心的商薯19 和徐薯32 甘薯幼苗, 剪切莖尖以下約15 cm 長(zhǎng)的薯蔓, 在盛有蒸餾水的培養(yǎng)箱中緩苗3 d,再轉(zhuǎn)移至1/2 含量Hogland 營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)。營(yíng)養(yǎng)液各成分如下: CaCl2332.5 mg L–1、NaNO3255 mg L–1、KH2PO4136 mg L–1(濃度為1 mmol L–1)、K2SO4435 mg L–1、MgSO4246.5 mg L–1、鐵鹽溶液2.5 mL (每500 mL 蒸餾水中加入FeSO4·H2O 2.78 g、Na2EDTA 3.73 g, pH 5.5)、微量元素溶液5 mL (含NaI 0.75 mg L–1、H3BO36.2 mg L–1、MnSO422.3 mg L–1、ZnSO48.6 mg L–1、Na2MoO40.25 mg L–1、CuSO40.025 mg L–1、CoCl20.025 mg L–1)。每個(gè)培養(yǎng)箱12 株, 每個(gè)品種分別培養(yǎng)36 (12×3)株。幼苗生長(zhǎng)7 d 后, 分別將預(yù)處理后的甘薯幼苗按試驗(yàn)處理進(jìn)行水培試驗(yàn),其中低磷營(yíng)養(yǎng)液KH2PO41.36 mg L–1(濃度為0.01 mmol L–1), 其他成分不變。每3 d 換一次營(yíng)養(yǎng)液, 在溫室中自然光溫條件下培養(yǎng)。培養(yǎng)2 周出現(xiàn)缺磷癥狀后, 進(jìn)行連續(xù)6 d 的葉面噴施CDs, 不進(jìn)行葉面噴施CDs 的處理噴施等量的超純水, 各處理每次噴施標(biāo)準(zhǔn)為噴施后葉面均勻布滿霧狀水滴, 共計(jì)10 mL,每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。在脅迫處理的第23 天進(jìn)行樣品采集。

取樣時(shí), 每個(gè)處理取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的3 株植株,將每株樣品分為葉片、莖和根系3 部分, 并稱其鮮質(zhì)量。將不同處理的部分根系樣品快速用錫紙包裝,置于液氮中速凍, 后置于-80℃超低溫冰箱保存, 供轉(zhuǎn)錄組和代謝組測(cè)定。其余葉片、莖和根系樣品裝入信封, 經(jīng)105℃殺青, 再在75℃烘箱內(nèi)烘干后, 用于磷含量測(cè)定。

1.3 樣品測(cè)定與分析

1.3.1 磷含量測(cè)定 植物各器官樣品分別經(jīng)H2SO4-H2O2消解后, 采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定磷含量[16]。

1.3.2 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序 各試驗(yàn)處理甘薯幼苗根系總RNA 通過RNeasy Plus Universal Mini Kit (Qiagen)進(jìn)行提取。使用Agilent 2100 Bioanalyzer (Agilent Technologies, Santa Clara, 美國(guó))對(duì)RNA 質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估, RNA 完整性數(shù)值>6.0 為高質(zhì)量樣本。利用NanoDrop 2000 分光光度計(jì)(Thermo Scientific, 美國(guó))鑒定RNA 純度和定量。使用VAHTS Universal V5 RNA-seq Library Prep 試劑盒依照說明書構(gòu)建轉(zhuǎn)錄組文庫。采用Ilumina Hiseq 2000 測(cè)序平臺(tái)對(duì)文庫進(jìn)行測(cè)序。由上海歐易生物科技有限公司進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和分析。

1.3.3 代謝組測(cè)定 稱取 60 mg 根系樣本于1.5 mL 離心管中, 加入600 μL 甲醇-水(v∶v=1∶1,含 L-2-氯苯丙氨酸, 2 μg mL–1), 在–40℃下預(yù)冷2 min 后, 進(jìn)行研磨(60 Hz, 2 min), 然后置于冰水浴超聲提取30 min。再加入150 μL 的氯仿, 渦旋儀中渦旋2 min; 冰水浴超聲提取30 min; –40℃靜置30 min; 低溫離心10 min (18,000×g, 4 ℃)。然后, 取150 μL 的上清液裝入玻璃衍生小瓶中, 加入80 μL的甲氧胺鹽酸鹽吡啶溶液(15 mg mL–1), 渦旋震蕩2 min 后, 于37℃震蕩培養(yǎng)箱中60 min。最后, 依次加入50 μL BSTFA 衍生化試劑、20 μL 正己烷, 10 μL內(nèi) 標(biāo) (C8/C9/C10/C12/C14/C16/C18/C20/C22/C24),渦旋震蕩2 min 后, 于70℃反應(yīng)60 min。取出樣本后, 在室溫放置30 min, 進(jìn)行GC-MS 代謝組學(xué)分析,由上海歐易生物科技有限公司進(jìn)行。色譜條件:DB-5MS 毛細(xì)管柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm,Agilent J&W Scientific, Folsom, 美國(guó)), 載氣為高純氦氣(純度不小于99.999%), 流速1.0 mL min–1, 進(jìn)樣口的溫度為260℃。進(jìn)樣量1 μL, 不分流進(jìn)樣, 溶劑延遲5 min。程序升溫: 柱溫箱的初始溫度為60 ℃,保持0.5 min; 以8 ℃ min–1程序升溫至125 ; 8℃min–1升溫至210 ℃; 15℃ min–1升溫至270 ; 20℃min–1升溫至305 ℃, 保持5 min。質(zhì)譜條件: 230℃電子轟擊離子源(EI), 四極桿溫度150 ℃, 電子能量70 eV。掃描方式為全掃描模式(SCAN), 質(zhì)量掃描范圍:m/z 50～500。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。利用SPSS 24.0 軟件對(duì)所有處理甘薯幼苗各器官生物量和磷含量數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA), 運(yùn)用Duncan’s 新復(fù)極差法比較不同處理間甘薯幼苗各器官生物量和磷含量在α=0.05 水平上的顯著性差異。以CK1 處理為對(duì)照, 分別在CDs 和CK2 處理中篩選差異表達(dá)的代謝物和基因。其中, 差異表達(dá)代謝物(Differential expressed metabolites, DEMs)和差異表達(dá)基因(Differential expressed genes, DEGs)的篩選條件為|log2(Fold Change) |≥1 且q<0.05, 并基于GO和KEGG 數(shù)據(jù)庫對(duì)DEMs 和DEGs 進(jìn)行功能注釋和分析。由上海歐易生物科技有限公司進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷脅迫下葉面噴施丹參碳點(diǎn)對(duì)甘薯幼苗表型和磷含量的影響

葉面噴施丹參CDs 顯著促進(jìn)了低磷脅迫下甘薯幼苗的生長(zhǎng)(圖1)。與CK1 處理相比, 葉面噴施丹參碳點(diǎn)后(CDs 處理), 商薯19 和徐薯32 均表現(xiàn)為葉片數(shù)增加、根系伸長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)度和數(shù)量增加, 從而地上部和地下部生物量顯著增加(P<0.05)。其中, 商薯19 葉片、莖和根系生物量較 CK1 處理分別增加388.05%、228.73%和1082.68%; 徐薯32 葉片、莖和根系生物量較CK1 處理分別增加90.18%、30.82%和894.44% (圖2)。與CK1 處理相比, CDs 處理中商薯19 和徐薯32 根系磷含量也顯著提高(P<0.05), 分別比CK1 處理提高71.43%和110.00% (圖3)。CK1與CK2 比較組也得到了相似的結(jié)果。CK2 處理中商薯19 和徐薯32 各器官生物量以及磷含量較CK1 處理均顯著提高。

圖1 低磷脅迫下葉面噴施丹參碳點(diǎn)對(duì)甘薯幼苗表型的影響Fig.1 Effects of foliar spraying of Salvia miltiorrhiza CDs on the phenotypes of sweetpotato seedlings under low P stress

圖2 低磷脅迫下葉面噴施丹參碳點(diǎn)對(duì)甘薯幼苗各器官生物量的影響Fig.2 Effects of foliar spraying of Salvia miltiorrhiza CDs on the biomass of various organs of sweetpotato seedlings under low P stress

圖3 低磷脅迫下葉面噴施丹參碳點(diǎn)對(duì)甘薯幼苗各器官磷含量的影響Fig.3 Effects of foliar spraying of Salvia miltiorrhiza CDs on the P content of various organs of sweetpotato seedlings under low P stress

2.2 轉(zhuǎn)錄組差異表達(dá)基因的篩選與分析

主成分分析(PCA)展示了不同甘薯品種根系轉(zhuǎn)錄組樣本間的重復(fù)性及不同處理間的整體變化趨勢(shì)(圖4), 結(jié)果表明, 商薯19 和徐薯32 根系轉(zhuǎn)錄組在不同處理中樣本重復(fù)性均較好, 呈顯著聚集趨勢(shì),可以用于后續(xù)差異分析。商薯19 和徐薯32 在不同處理中樣品間的整體變化趨勢(shì)相同, 其中CK1 和CDs 處理與CK2 處理沿PC1 軸相距較遠(yuǎn); 而CK1與CDs 處理主要沿PC2 軸相互分離。

圖4 不同處理下甘薯根系基因表達(dá)的PCA 分析Fig.4 PCA analysis of root gene expression in sweetpotato under different treatments

不同比較組間甘薯幼苗根部的DEGs 統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。與CK1 相比, 商薯19 和徐薯32 在葉面噴施CDs 后(CDs 處理)的DEGs 分別共有3554 個(gè)和2160 個(gè), 其中下調(diào)基因的數(shù)目均顯著高于上調(diào)基因數(shù)目。CK1 與CK2 比較組篩選的DEGs 數(shù)目較CK1 與CDs 比較組更多, 尤其是徐薯32, CK1 與CK2 比較組篩選的總DEGs 數(shù)目比CK1 與CDs 比較組多242.92%。但與徐薯32 相比, 商薯19 在CK1與CDs 比較組、CK1 與CK2 比較組間篩選出的DEGs更多, 其中CK1 與CDs 比較組上調(diào)基因數(shù)目和下調(diào)基因數(shù)目分別比徐薯32 增加了59.52%、67.44%。

表1 差異表達(dá)基因數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Summary of the number of differentially expressed genes

利用韋恩圖顯示不同比較組間共有及特有的DEGs 數(shù)量(圖5), 商薯19 和徐薯32 在CK1 與CDs比較組中所特有的DEGs 數(shù)量分別為1276 個(gè)和654個(gè)。為研究葉面噴施CDs 對(duì)低磷脅迫下甘薯幼苗磷素營(yíng)養(yǎng)和根系生長(zhǎng)相關(guān)基因的影響, 分別對(duì)這1276個(gè)和654 個(gè)基因進(jìn)行分析, 篩選與磷酸鹽吸收和運(yùn)輸、酸性磷酸酶活性和根系生長(zhǎng)相關(guān)的基因作基因熱圖。由圖6 可知, 在商薯19 根系轉(zhuǎn)錄組中檢索到3 個(gè)磷酸鹽運(yùn)輸基因PHO1-H1、PHT1-4和GPT2, 2個(gè)磷酸根離子穩(wěn)態(tài)基因At3g47420和ZAT6, 1 個(gè)肌醇代謝基因(VIP2)以及14 個(gè)與根系生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的基因(ZAT6、ZFP5、PLT5、ARF16、ZAT11、KUA1、MYB36、NAC021、PIN4、AIR9、IAA8、BPS1、CYP83B1、LBD16)。在徐薯32 根系轉(zhuǎn)錄組中檢索到2 個(gè)磷酸鹽運(yùn)輸基因PHO1、PHT1-4, 2 個(gè)磷酸根離子穩(wěn)態(tài)基因At3g47420和ZAT6, 1 個(gè)肌醇代謝基因(VIP2), 2 個(gè)磷脂酶活性基因(PLDZETA1、PLP1)以及10 個(gè)與根系生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的基因(ZAT6、ZFP5、PLT5、ARF16、ZAT11、RPD1、PLDZETA1、CEPR1、PLP1、LON2)。PHO1、PHT1-4、At3g47420、ZAT6、VIP2、ZFP5、PLT5、ARF16和ZAT11是低磷脅迫下葉面噴施CDs 后商薯19 和徐薯32 根系共同的DEGs,表明這些基因在CDs 促進(jìn)低磷脅迫下甘薯幼苗生長(zhǎng)中發(fā)揮重要作用。其中,ZAT6既調(diào)控磷酸根離子穩(wěn)態(tài), 又參與調(diào)節(jié)根系發(fā)育。但值得注意的是, 在這1276 個(gè)和654 個(gè)基因中均未檢索到具有酸性磷酸酶活性的基因的差異表達(dá)。

圖5 不同分組甘薯根系差異表達(dá)基因的韋恩圖Fig.5 Venn diagram of differential expression genes in sweetpotato roots in different groups

2.3 代謝組差異表達(dá)代謝物的篩選與分析

不同比較組間甘薯幼苗根部的DEMs 統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。與CK1 相比, 商薯19 和徐薯32 在葉面噴施CDs 后(CDs 處理)的DEMs 分別共有62 個(gè)和56 個(gè),其中下調(diào)基因的數(shù)目均顯著高于上調(diào)基因數(shù)目。商薯19 根系在CK1 與CK2 比較組間篩選的DEMs 最多(72個(gè)), 上調(diào)和下調(diào)DEMs 的數(shù)目分別為30 個(gè)和42 個(gè);而徐薯32 根系在CK1 與CK2 比較組間篩選的DEMs最少(36 個(gè)), 且下調(diào)基因的數(shù)目少于上調(diào)基因數(shù)目。

表2 差異表達(dá)代謝物數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Summary of the number of differentially expressed metabolites

商薯19 和徐薯32 根系代謝組中CK1 與CDs比較組篩選出的DEMs 均以有機(jī)酸及其衍生物、有機(jī)氧化合物類為主(圖7-A), 這些物質(zhì)可能是低磷脅迫下葉面噴施CDs 后甘薯幼苗根系產(chǎn)生的關(guān)鍵代謝物質(zhì)。利用韋恩圖顯示不同比較組間共有及特有的DEMs 數(shù)量(圖7-B), 商薯19 和徐薯32 在CK1 與CDs 比較組中所特有的DEGs 數(shù)量分別為35 個(gè)和45個(gè)。對(duì)這35 個(gè)和45 個(gè)DEMs 進(jìn)行分析, 共篩選出11 個(gè)共有的DEMs (表3), 其中尿囊素酸、L-天門冬酰胺、瓜氨酸和2-羥基十一酸的變幅最大, 它們的|log2(Fold Change) |值依次降低; 而磷酸肌醇的變幅較小, 在商薯 19 和徐薯 32 根系中的|log2(Fold Change) |分別為0.69 和1.24。不同的是, 與CK1 相比, 低磷脅迫下葉面噴施CDs 后(CDs 處理)商薯19根系中磷酸乙醇胺和4-磷酸肌醇的表達(dá)量顯著降低(圖8-A), 而在徐薯32 根系中觀察到檸檬酸和草酸的表達(dá)量顯著增加(圖8-B)。

表3 商薯19 和徐薯32 根系代謝組中共有的差異表達(dá)代謝物Table 3 Common differentially expressed metabolites (DEMs) in root metabolome of Shangshu 19 and Xushu 32

圖7 低磷脅迫下葉面噴施碳點(diǎn)后甘薯根系差異表達(dá)代謝物的分類(A)和不同分組甘薯根系差異代謝物的韋恩圖(B)Fig.7 Categories of DEMs in sweetpotato roots in different after foliar spraying carbon dots under low P stress (A) and Venn diagram of DEMs in sweetpotato roots in different groups (B)

圖8 CK1 與CDs 處理中商薯19 根系磷酸乙醇胺和4-磷酸肌醇(A)以及徐薯32 根系檸檬酸和草酸(B)的表達(dá)量Fig.8 Expression of phosphoethanolamine and D-Myo-Inositol 4-Phosphate of Shangshu 19 root (A) and citric acid and oxalic acid in of Xushu 32 root (B) in CK1 and CDs treatments

3 討論

近年來, 利用納米材料改善植物磷素營(yíng)養(yǎng)、促進(jìn)植物生長(zhǎng)的應(yīng)用研究越來越多。大量研究報(bào)道,納米氧化物顆粒(nZnO、nCuO、nSiO2、nTiO2)和納米CDs 等納米材料, 可通過刺激根毛增殖和側(cè)根形成、提高根系活力或通過釋放金屬離子、產(chǎn)生活性氧等直接或間接對(duì)植物和土壤微生物產(chǎn)生影響, 促進(jìn)莧菜[7]、生菜[8]、小麥[17]、高粱[11]和水稻[9]等對(duì)土壤磷素的吸收, 進(jìn)而促進(jìn)植株生長(zhǎng)。這些結(jié)果表明,利用納米CDs 可以強(qiáng)化植物活化和吸收根際土壤磷的能力。但目前納米材料在甘薯上的應(yīng)用還不多見,尤其是用于改善低磷脅迫下甘薯的生長(zhǎng)發(fā)育和磷素營(yíng)養(yǎng)方面。本研究將丹參制備的納米CDs 應(yīng)用于低磷脅迫下生長(zhǎng)的甘薯幼苗, 得到了與前人研究相一致的結(jié)果。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 葉面噴施丹參CDs 增加了低磷脅迫下甘薯幼苗葉、莖和根系的生物量,促進(jìn)了低磷脅迫下甘薯幼苗的生長(zhǎng), 表明葉面噴施丹參CDs 可增強(qiáng)甘薯幼苗的耐低磷性。同時(shí), 葉面噴施丹參CDs 提高了根系磷含量, 而葉和莖磷含量較CK1 處理無顯著差異(圖3), 表明CDs 促進(jìn)了植物將更多的磷分配到根系, 以更好地維持根系生長(zhǎng)發(fā)育來響應(yīng)低磷脅迫。甘薯幼苗側(cè)根長(zhǎng)度和數(shù)量增加(圖1)以及根系生物量的增幅遠(yuǎn)高于葉和莖生物量的增幅(圖2)就證明了這一點(diǎn)。但與正常磷處理相比, 葉面噴施CDs 緩解甘薯幼苗低磷脅迫的效果因品種而異, 這可能與不同甘薯品種本身的耐低磷性存在差異有關(guān)。整體來看, 葉面噴施丹參CDs 對(duì)低磷脅迫下商薯19 的改善效果較徐薯32 更好。

進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)分析手段解析CDs 改善低磷脅迫下甘薯磷素營(yíng)養(yǎng)的作用機(jī)制。經(jīng)過對(duì)不同處理中根系轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果的比對(duì)分析,PHO1、PHT1-4、At3g47420、ZAT6、VIP2、ZFP5、PLT5、ARF16和ZAT11是低磷脅迫下葉面噴施CDs后商薯19 和徐薯32 根系共同的DEGs, 表明這些基因在緩解甘薯幼苗低磷脅迫中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其中,PHO1主要參與根系木質(zhì)部無機(jī)磷的裝載,PHT1-4編碼高親和力的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[18-19], 它們的表達(dá)量的增加意味著根系吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸鹽的能力增強(qiáng); 鋅指蛋白ZAT6[20]、PLT5[21]和ZFP5[22]可通過調(diào)控植株的根系構(gòu)型來調(diào)節(jié)其體內(nèi)的磷動(dòng)態(tài)平衡?；贕O_term 分析,VIP2基因參與肌醇磷酸鹽的生物合成, 其表達(dá)量的降低抑制了磷酸肌醇的合成[23]。代謝組分析也得到了相一致的結(jié)果,CDs 處理較CK1 處理商薯19 和徐薯32 根系磷酸肌醇的表達(dá)量均顯著降低(表3)。這些結(jié)果表明: 低磷脅迫下, 葉面噴施CDs 主要通過誘導(dǎo)高親和磷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、優(yōu)化根系構(gòu)型等以提高甘薯對(duì)磷素的吸收能力, 同時(shí)調(diào)整植株體內(nèi)的磷代謝過程來維持磷穩(wěn)態(tài)。

然而, 由于不同甘薯品種本身耐低磷性的不同,導(dǎo)致CDs 介導(dǎo)下不同甘薯品種的低磷脅迫反應(yīng)也存在品種特異性。在轉(zhuǎn)錄水平上, 除上述共有的DEGs外, 在商薯19 根系轉(zhuǎn)錄組中還發(fā)現(xiàn)NAC021、PIN4、AIR9、IAA8、ARF16和LBD16的差異表達(dá)(圖6)。有研究報(bào)道,NAC021為含有NAC domain 的轉(zhuǎn)錄因子, 低磷脅迫下, 其mRNA 在根系尤其是側(cè)根原基中大量積累, 通過調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素信號(hào), 進(jìn)而調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素下游基因表達(dá), 促進(jìn)側(cè)根數(shù)量增加[24]。而PIN4、AIR9、IAA8、ARF16、LBD16均是與生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸以及信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因[25]。其中, PIN 基因的表達(dá)受PLT 調(diào)控, 影響生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)的分布[26]。這些結(jié)果表明, CDs 介導(dǎo)下, 生長(zhǎng)素在調(diào)控植物低磷脅迫反應(yīng), 尤其是調(diào)控低磷脅迫下甘薯的根系發(fā)育方面具有重要作用。此外, 值得關(guān)注的是,葉面噴施CDs 后, 商薯19 根系CYP83B1基因的表達(dá)量顯著增加(圖6), 基于GO_term 分析, 該基因具有響應(yīng)紅光和調(diào)控不定根發(fā)育等功能。我們都知道,納米CDs 具有優(yōu)異的紫外光吸收和光致發(fā)光特性,該基因的差異表達(dá), 為揭示CDs 促進(jìn)根系生長(zhǎng)的調(diào)控途徑奠定了基礎(chǔ), 即CDs 可能通過植物光信號(hào)途徑來調(diào)控根系生長(zhǎng)以響應(yīng)低磷脅迫, 這為進(jìn)一步探索CDs 緩解甘薯低磷脅迫的分子調(diào)控途徑奠定了基礎(chǔ)。與商薯19 不同的是, 在徐薯32 根系轉(zhuǎn)錄組中觀察到2 個(gè)磷脂酶活性基因PLDZETA1、PLP1的差異表達(dá)(圖6), 它們可將植株體內(nèi)磷脂中的無機(jī)磷釋放出來[27]; 同時(shí), 徐薯32 根系代謝組中檸檬酸和草酸的表達(dá)量顯著增加(圖8-B), 它們能夠活化土壤中的難溶性磷, 使土壤難溶性磷得以釋放, 促進(jìn)植物磷吸收[28]。但由于本研究是水培試驗(yàn), 生長(zhǎng)介質(zhì)中無更多的難溶性磷來源, 這可能是導(dǎo)致CDs 處理中徐薯32 根系磷含量顯著低于正常磷處理、而不同于商薯19 根系磷含量與正常磷處理無顯著差異的原因之一。綜上所述, CDs 緩解不同甘薯品種低磷脅迫的作用機(jī)制可能不同, 但最終都是通過增加側(cè)根長(zhǎng)度和數(shù)量以增大根系吸收的表面積、提高高親和力磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)家族基因的表達(dá)量, 增加磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白含量, 促進(jìn)根系對(duì)磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。值得注意的是,由于不同甘薯品種本身的差異性, 本研究?jī)H對(duì)目前栽培面積大、受眾好的兩個(gè)甘薯品種進(jìn)行研究, 具有一定的局限性。

4 結(jié)論

葉面噴施丹參碳點(diǎn)(CDs)增加了低磷脅迫下甘薯幼苗地上部和根系的生物量, 提高了根系磷含量,促進(jìn)了低磷脅迫下甘薯幼苗的生長(zhǎng), 增強(qiáng)了甘薯幼苗的耐低磷性。然而, 葉面噴施CDs 緩解甘薯幼苗低磷脅迫的效果及其作用機(jī)制因品種而異, 這可能與不同甘薯品種本身的耐低磷性存在差異有關(guān), 但最終都是通過增加側(cè)根長(zhǎng)度和數(shù)量以增大根系吸收的表面積、提高高親和力磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)家族基因的表達(dá)量, 增加磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白含量, 促進(jìn)根系對(duì)磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。