铝胁迫诱导根系分泌异羟肟酸及其对玉米抵御铝毒害的作用

高小凤，郭添香,2，唐新莲，黎晓峰

（1广西大学农学院/亚热带生物资源保护与利用国家重点实验室，南宁530005；2广东省生态环境与土壤研究所，广州 510650）



铝胁迫诱导根系分泌异羟肟酸及其对玉米抵御铝毒害的作用

高小凤1，郭添香1,2，唐新莲1，黎晓峰1

（1广西大学农学院/亚热带生物资源保护与利用国家重点实验室，南宁530005；2广东省生态环境与土壤研究所，广州 510650）

摘要：【目的】通过对铝诱导玉米根系分泌异羟肟酸的研究，为揭示玉米的耐铝机制提供理论依据。【方法】选用玉米品种郑单958和泰玉11号，采用水培方法，设置铝胁迫试验，测定它们在铝胁迫下根伸长量、根尖铝含量、根尖胼胝质含量、根系异羟肟酸的分泌量、异羟肟酸解铝毒的相关指标等，分析玉米的抗铝性、铝对根系分泌异羟肟酸的影响及异羟肟酸的解铝毒作用。【结果】与对照（不加铝）处理相比，10 μmol·L-1铝（AlCl3）处理后郑单品种幼根伸长显著受阻而根尖铝含量和根尖胼胝质积累量显著增加。根伸长量降低了47.77％，根尖铝含量和根尖胼胝质含量分别增加了226.64％和60.74％。相反，铝处理对泰玉品种幼根伸长、根尖胼胝质积累的影响不显著。虽然20 μmol·L-1铝（AlCl3）处理44 h后泰玉品种根系柠檬酸分泌量比对照（不加铝）处理显著增加了41.28％，但处理24 h内2个玉米品种根系柠檬酸分泌量与对照（不加铝）处理的差异不显著，即24 h内铝不能诱导玉米根系分泌柠檬酸。而铝处理24 h后，铝能诱导泰玉根系分泌异羟肟酸（丁布和门布），且异羟肟酸的分泌量随着铝浓度（10、15和 20 μmol·L-1）的增加和处理时间（3、6、9、12和 24 h）的延长而显著增加，但铝（10、15 和20 μmol·L-1）不能诱导郑单品种根系分泌异羟肟酸。与光照条件相比，在黑暗条件下20 μmol·L-1铝（AlCl3）诱导泰玉品种异羟肟酸的分泌量显著增加而根伸长也随之显著改善，丁布和门布的分泌量分别增加了 40.81％ 和72.02％，根伸长量增加了33.15％。与单独20 μmol·L-1铝（AlCl3）处理相比，铝溶液中添加丁布（3 mg·L-1）和门布（3 mg·L-1）后玉米初生根伸长量显著增加而根尖铝含量显著降低。添加丁布和门布后，郑单品种根伸长量分别增加了 14.16％和 13.85％，泰玉品种分别增加了 16.16％和 11.33％；郑单品种根尖铝含量分别降低了 39.94％和43.54％，泰玉品种分别降低了 39.92％和 42.10％。另一方面，20 μmol·L-1铝（AlCl3）处理显著增加泰玉品种根和叶片中的异羟肟酸含量。然而，铝胁迫下郑单叶片中的异羟肟酸含量显著降低。【结论】玉米对铝的抗性与异羟肟酸的分泌有关，铝诱导玉米根系分泌异羟肟酸是玉米抵御铝毒害的一种有效机制，而植株叶片中的异羟肟酸含量可能与异羟肟酸的分泌有关。

关键词：玉米；铝；分泌；异羟肟酸

联系方式：高小凤，E-mail：673635422@qq.com。通信作者唐新莲，Tel：0771-3235314；E-mail：txl@gxu.edu.cn

0 引言

【研究意义】酸性土壤占世界耕地面积的40％［1］。酸性土壤在中国南方各省广泛分布，近年来，中国耕作区土壤还在不断酸化［2］。在酸性土壤（pH＜4.5）溶液中，铝主要以Al3+存在。过多的Al3+是酸性土壤中限制作物正常生长发育和产量的重要因子之一［3-4］。玉米（Zea mays L.）是世界上第三大重要粮食作物，铝毒是限制酸性土壤玉米生产的重要因素。研究玉米对铝毒害的抗性机制，对于通过筛选、培育耐铝玉米品种的途径解决酸性土壤铝毒问题、提高玉米产量具有重要意义。【前人研究进展】植物的耐铝机制包括外排机制和内部忍耐机制［5-8］。铝诱导植物根系分泌有机酸是番茄、玉米、油茶、柱花草、小麦等植物重要的外排耐铝机制［9-13］。PELLET等［14］发现耐铝玉米品种在铝胁迫下能分泌出比铝敏感品种高7倍的柠檬酸。JORGE等［15］发现 Al3+可刺激玉米耐铝基因型根系增加柠檬酸和苹果酸分泌。然而，根尖分泌有机酸并不能完全解析不同基因型玉米耐铝性差异，一些玉米基因型可能通过其他未确定的机制解除铝的毒害［16-17］。异羟肟酸（Hydroxamates Cyclic，2，4-二羟基-2H-1，4-苯并噁嗪-3（4H）-酮）是禾谷类植物的主要次生代谢物，其主要物质包括丁布（DIMBOA，2，4-二羟基-7-甲氧基-1，4-苯并噁嗪-3-酮）和门布（MBOA， 6-甲氧基-2-苯并噁啉酮）［18］。玉米植株普遍含有较高量的异羟肟酸结构类似物类黄酮类酚醛［19］，铝胁迫下耐铝玉米品种根尖的异羟肟酸类物质含量高于铝敏感品种［20］。【本研究切入点】异羟肟酸对离子有高度的亲和力［21］。微生物中的异羟肟酸可与铝络合形成异羟肟酸－铝复合物而缓解铝毒［22-23］。在前期研究中，发现铝胁迫下玉米根系分泌异羟肟酸［24］，暗示玉米根系分泌的异羟肟酸很有可能在植物抵御铝毒方面起着重要作用。然而，相关研究结果未见详细报道。【拟解决的关键问题】本研究以郑单958和泰玉11号为材料，采用水培的方法，通过对铝诱导玉米根系分泌异羟肟酸的研究，为揭示玉米的耐铝机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 植物培养

试验于2014年6月12日至2015年8月24日在广西大学亚热带生物资源保护与利用国家重点实验室/农学院进行。供试玉米（Zea mays L.）为泰玉11号（泰玉）、郑单 958（郑单）。供试种子经去离子充分冲洗后，室温浸种10 h，28℃恒温黑暗催芽3 d。发芽后将玉米幼苗移至广西大学农学院土化楼7楼人工气候室中培养，培养液为 1/5 Hoagland营养液（pH 4.5），2 d更换一次营养液，通气15 min·h-1，光周期和温度分别为昼14 h/夜10 h、昼28℃/夜20℃，光照强度4 000 lx。

1.2 根相对伸长量的测定

选取长势一致、根长约4—5 cm的4 d玉米幼苗，用 0、10、15和 20 μmol·L-1AlCl3溶液（含 0.5 mmol·L-1CaCl2，pH 4.5）处理24 h。处理前后用直尺测量玉米幼苗根的长度，计算根相对伸长率。每个处理3个重复。

1.3 根尖铝含量和胼胝质含量的测定

4 d苗龄的玉米幼苗按1.2处理24 h后，剪取玉米根尖（0—1 cm）10条，参考周媛等［25］方法并稍作改进测定根尖铝含量，参照KOHLE等［26］方法并稍作改进测定根尖胼胝质含量。每个处理3个重复。

1.4 玉米根尖分泌的柠檬酸的收集与测定

参照吴柳杰等［27］方法收集根尖分泌的有机酸。4 d苗龄的玉米根尖浸入 0和 20 μmol·L-1AlCl3溶液（pH4.5，含0.5 mmol·L-1CaCl2）中进行处理。处理后8—12 h、20—24 h、44—48 h分别收集含根尖分泌物的处理溶液，其中参照LI等［28］方法测定柠檬酸。每个处理3个重复。

1.5 玉米根系分泌的异羟肟酸的收集与测定

10 d苗龄的玉米幼苗经0、10、15和20 μmol·L-1AlCl3处理24 h或者以20 μmol·L-1AlCl3处理3、6、9、12和24 h，或在黑暗或光照条件下经0和20 μmol·L-1AlCl3处理24 h后，参照LU等［29］方法分别收集处理液，于40℃下减压旋转蒸发至全干。冷却瓶中的残留物用2 mL 80％甲醇溶解后，置于-20℃冰箱保存。每个处理3个重复。

采用HPLC方法检测（Waters e2678，美国Waters公司），检测条件为C18反相柱（Waters XTerraTMRP，250 mm×4.6 mm，5 μm）；柱温30℃；流动相为甲醇∶冰乙酸溶液（pH 2.6）=28％∶72％，流速为 1 mL·min-1；紫外检测器检测波长280 nm；进样量10 μL。所有样品进样前用0.45 μm的有机滤膜过滤。

1.6 异羟肟酸解铝毒作用的相关指标的测定

4 d苗龄的玉米幼苗经Control（0 μmol.L-1AlCl3）、Al（20 μmol·L-1AlCl3）、Al+丁布（20 μmol·L-1AlCl3+3 mg·L-1DIMBOA）、Al+门布（20 μmol·L-1AlCl3+3 mg·L-1MBOA）处理24 h。参照1.2的方法测定玉米根相对伸长量；参照1.3的方法测定玉米根尖铝含量。每个处理3个重复。

1.7 玉米组织的异羟肟酸的测定

10 d苗龄的玉米幼苗经0和20 μmol·L-1AlCl3处理24 h，将根、地上部分别剪碎、混匀。玉米组织的异羟肟酸的测定方法参考SONG等［30］并稍作修改。称取1.0 g样品，加入10 mL 0.1 mol·L-1H3PO4溶液（pH 3.0）研磨成匀浆，转至10 mL离心管在10 000 r/min下离心10 min，取上清液，用等体积乙醚萃取3次，收集乙醚相于40℃减压旋转蒸发至全干，冷却瓶中的残留物用 2 mL 80％甲醇溶解，置于-20℃保存，待HPLC测定。每个处理3个重复。

1.8 数据处理及统计方法

试验数据均用Excel 2007处理，用SPSS 17.0软件进行显著性检验和多重比较（新复极差法）。

2 结果

2.1 玉米抗铝性的基因型差异

根尖是植物对铝最敏感的区域，是铝毒发生的原初位点，因此，根的相对伸长量、根尖的铝含量和胼胝质含量是衡量植物抗铝能力的重要指标。由图 1-A可见，10 μmol·L-1AlCl3处理就能显著抑制郑单根的伸长，其根相对伸长率仅为52.33％；而10 μmol·L-1AlCl3对泰玉的影响较小，其根相对伸长率仍有93.10％。随着铝浓度的升高，郑单和泰玉的根伸长率均逐渐降低，但泰玉根相对伸长率始终都显著高于郑单。玉米根尖铝含量和胼胝质含量均随着铝浓度的升高而增加，但泰玉根尖铝含量和胼胝质含量均显著低于郑单。10 μmol·L-1AlCl3处理下郑单根尖铝含量显著比对照高出226.64％，而泰玉根尖铝含量没有显著差异。20 μmol·L-1AlCl3处理下郑单和泰玉根尖铝含量分别为27.77 μg·g-1root FW和11.14 μg·g-1root FW，分别是对照的6.09倍和2.37倍（图1-B）。10 μmol·L-1AlCl3处理后的泰玉根尖胼胝质含量与对照相当，经 15和20 μmol·L-1AlCl3处理后其根尖胼胝质含量比对照高69.17％和159.00％；而郑单根尖胼胝质含量随着铝浓度（10、15和20 μmol·L-1AlCl3）的增加分别比对照增加60.74％、115.87％和180.41％（图1-C）。结果表明，泰玉的抗铝性强于郑单。

2.2 铝诱导玉米根系分泌柠檬酸

柠檬酸分泌是玉米抵御铝毒害的重要机制，但柠檬酸分泌明显滞后于铝处理［14］。供试玉米经20 μmol·L-1AlCl3处理后24 h内，2个品种根尖分泌的柠檬酸速率与对照处理的相当（图2）。铝处理44 h后，抗铝品种泰玉根尖分泌的柠檬酸才显著多于对照（不加铝），比对照提高了41.28％。铝处理48 h内，铝敏感品种郑单根系柠檬酸分泌量与对照处理间的差异不显著。说明铝处理24 h内不能诱导玉米根系分泌柠檬酸。结果表明，不同玉米品种在铝处理初期（24 h）表现出的耐铝性差异不是柠檬酸的分泌的不同引起的。

不同小写字母表示处理间差异显著性（P＜0.05）。下同Different small letters mean significant different at P＜0.05 on treatments. The same as below图1　不同铝浓度对玉米根相对伸长量（A）、根尖铝含量（B）和胼胝质含量（C）的影响Fig.1 Effect of Al concentration on root elongation （A）， Al content （B） and callose content in root tips （C） of maize

图2　不同Al处理时间段对玉米根尖分泌柠檬酸的影响Fig. 2 Time course of citrate secretion from maize root apices under Al treatment

图3　根系分泌物及异羟肟酸标准的HPLC图谱Fig. 3 The standard HPLC profiles of maize root exudates and hydroxamates cyclic

2.3 铝诱导玉米根系分泌异羟肟酸

铝处理后收集根系分泌物并采用高效液相色谱分析异羟肟酸。由图3可见，对照处理（-Al）和铝处理（+Al）的玉米（泰玉）根系分泌物的 HPLC图谱上可明显观察到2个色谱峰，其保留时间分别为8.4 min 与13.4 min，与丁布和门布标准物的保留时间一致，表明玉米根系分泌异羟肟酸。

不同铝抗性的玉米品种异羟肟酸的分泌量存在显著差异（图4）。处理24 h后，铝诱导抗铝品种泰玉根系分泌大量的丁布和门布，并且随着铝处理浓度的增大，丁布和门布的分泌量显著增加。然而，处理24 h后铝并不能显著诱导郑单根系分泌丁布和门布。0—20 μmol·L-1AlCl3处理的郑单根系丁布和门布分泌量无显著差异。

铝诱导玉米根系分泌的异羟肟酸随铝处理时间的延长而增加（图5）。20 μmol·L-1AlCl3处理3 h后，抗铝品种泰玉根系丁布的分泌量为 32.32 μg·g-1root DW，处理6、9、12和24 h后，根系分泌的丁布分别是处理3 h时的1.74、3.43、6.03和12.23倍；而铝敏感品种郑单根系丁布的分泌量随铝胁迫时间的增加并没有显著变化。铝诱导泰玉根系分泌的门布也随处理时间的延长而显著增加，而郑单的门布分泌量在铝处理6 h后变化不大。

图4　不同铝浓度对玉米根系分泌丁布（A）和门布（B）的影响Fig. 4 Effect of Al concentration on DIMBOA （A） and MBOA （B） secretion in maize roots

图5　不同处理时间对玉米根系分泌丁布（A）和门布（B）的影响Fig. 5 Time course of the Al-induced serection of DIMBOA （A） and MBOA （B） from maize roots

2.4 光照对玉米根系分泌异羟肟酸和根伸长的影响

如图6（A、B）所示，光照条件下，+Al处理诱导泰玉根系分泌异羟肟酸。黑暗条件下，+Al处理诱导泰玉根系分泌的丁布和门布分别为 284.35 μg·g-1root DW和23.69 μg·g-1root DW，比光照条件下高出40.81％和72.02％，是光照条件下的1.94倍和1.72倍。光照条件下，铝对玉米根伸长的抑制率为40％，而黑暗条件下根伸长量比光照条件下的根伸长量显著高出33.15％（图 6-C）。上述结果进一步表明，根尖分泌的异羟肟酸可以缓解铝对玉米的毒害作用。

图6　光照对铝胁迫下泰玉品种根系分泌丁布（A）、门布（B）和根相对伸长量（C）的影响Fig. 6 Effect of DIMBOA（A）， MBOA（B） secretion and root elongation（C） of Taiyu in light condition under Al treatment

图7　异羟肟酸对铝胁迫下玉米根相对伸长量（A）和根尖铝含量（B）的影响Fig. 7 The effect of hydroxamic acid on root elongation（A） and Al content（A） under Al treatment

2.5 异羟肟酸缓解铝对玉米根伸长和根尖铝含量的毒害

如图7所示，与对照相比，20 μmol·L-1AlCl3处理后玉米根的伸长明显受到抑制，根尖铝含量显著增加，郑单和泰玉根相对伸长量分别降低了 56.94％和43.06％，根尖铝含量分别增加了 9.17 μg·g-1和 4.88 μg·g-1。与单独Al处理相比，铝溶液添加丁布（3 mg·L-1）处理后郑单和泰玉的根相对伸长量分别增加了14.16％和16.16％；根尖铝含量分别降低了4.80 μg·g-1和3.47 μg·g-1，即39.94％ 和39.92％；铝溶液添加门布（3 mg·L-1）处理后郑单和泰玉的根相对伸长量分别增加了13.85％和11.33％，根尖铝含量分别降低了5.24 和3.66 μg·g-1，即43.54％和42.10％。另外，外源添加丁布和门布的含量为3 mg·L-1是根据预试验的结果来确定的，预试验共设计了4个浓度，分别是0、1.5、3 和6 mg·L-1，根据试验结果最后决定使用3 mg·L-1作为处理浓度（结果未列出）。结果表明，培养液中的丁布和门布可以有效减少玉米根尖铝的含量、增加根长度、降低铝的毒害。

2.6 铝对玉米根系和叶中异羟肟酸的影响

20 μmol·L-1AlCl3处理24 h后，无论是抗铝品种泰玉还是铝敏感品种郑单的根系内丁布和门布含量较对照均显著增加，且抗铝品种泰玉根系丁布的增加量显著高于郑单，是郑单的3.83倍（图8-A）。叶中丁布和门布的变化与根中有所不同。20 μmol·L-1AlCl3处理24 h后，抗铝品种泰玉叶中丁布和门布含量显著增加；而铝敏感品种郑单叶中的丁布和门布含量降低，其中，丁布与对照相比，差异显著（图8-B）。

图8　铝胁迫对玉米根和叶中丁布（A）和门布（B）含量的影响Fig. 8 Effects of Al on DIMBOA （A） and MBOA （B） content in root and leaf of maize

3 讨论

根尖是植物发生铝毒害的最初部位，铝毒害的最初反应就是抑制植物的根的生长，而根相对伸长率、根尖铝含量和根尖胼胝质含量是反映植物抗铝性强弱重要的指标。唐新莲等［31］报道了玉米不同品种间的抗铝性存在着明显的基因型差异。本研究进一步明确了泰玉和郑单的抗铝能力的差异。经 10、15和 20 μmol·L-1AlCl3处理24 h后，郑单和泰玉的根伸长率均逐渐降低，但泰玉的根相对伸长率始终显著高于郑单；2个玉米品种的根尖铝含量和胼胝质含量虽然都随着铝浓度的升高而增加，但在相同铝浓度处理下，郑单根尖铝含量和胼胝质含量都显著高于泰玉（图 1）。结果表明，泰玉对铝毒抗性较强的品种，而郑单是对铝较敏感的品种。

迄今，普遍认为玉米抗铝性与根尖分泌柠檬酸有关。本研究发现，虽然铝处理44 h后泰玉品种根系柠檬酸分泌量显著高于对照，但处理24 h内2个玉米品种根系柠檬酸分泌量与对照处理的差异不显著，即24 h内铝不能诱导玉米根系分泌柠檬酸（图2）。表明不同玉米品种在铝处理初期（24 h）表现出的耐铝性差异不是柠檬酸的分泌的不同引起的。此结果与PELLET等［14］的研究结果相似，柠檬酸的分泌滞后于铝处理。

有研究表明玉米根系的分泌物中存在异羟肟酸及其衍生物［32］。唐新莲等［24］报道了铝能诱导一些玉米品种分泌异羟肟酸。本研究进一步证实，铝胁迫下玉米根系分泌异羟肟酸与玉米的抗铝性密切相关。（1）抗铝能力强的品种泰玉根系异羟肟酸的分泌量显著高于敏感品种郑单（图4）。（2）铝诱导铝抗性品种泰玉根系异羟肟酸的分泌量随着铝处理浓度和时间的延长而显著增加，而郑单根系异羟肟酸的分泌量无显著变化（图 5），铝不能诱导敏感品种郑单根系分泌异羟肟酸。（3）玉米根伸长率随着光照条件下泰玉根系异羟肟酸分泌量的减少而减少（图6）。（4）铝溶液中的异羟肟酸有效地缓解铝对玉米根伸长的抑制、降低根尖铝含量、减轻铝对玉米的伤害（图7），表明异羟肟酸能缓解铝对玉米的毒害。这与POSCHENRIEDER等［20］用苏木精染色发现丁布能够缓解铝敏感品种的铝毒害结果类似。微生物分泌的异羟肟酸与Al结合形成的复合物，也能降低铝对细菌的毒害［33］。上述研究结果说明，铝胁迫可诱导根系分泌异羟肟酸，且异羟肟酸能降低铝对玉米的毒害。因此，异羟肟酸分泌很可能是玉米抵御铝毒的有效机制。

铝处理后玉米根系中的异羟肟酸含量显著增加，此结果与POSCHENRIEDER等［20］的研究结果相似。然而，铝处理后抗铝品种泰玉叶片中异羟肟酸含量显著增加，但铝对敏感品种郑单叶片中异羟肟酸含量影响不显著（图 8）。虽然郑单品种根系中异羟肟酸的含量和泰玉品种一样也很丰富但分泌的异羟肟酸含量却很少，而铝能诱导泰玉品种叶片中异羟肟酸含量的大量生产，这可能涉及到玉米抗铝机制中的异羟肟酸的合成与分泌问题，具体原因还有待研究。这些结果暗示，玉米植株中的异羟肟酸的含量可能与异羟肟酸的分泌有关。

4 结论

玉米对铝的抗性与异羟肟酸的分泌有关，铝诱导玉米根系分泌异羟肟酸是玉米抵御铝毒的有效机制，而植株中的异羟肟酸的含量可能与异羟肟酸的分泌有关。

References

［1］ KOCHAIN L V. Cellular mechanisms of aluminum toxicity and resistance in plants. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology， 1995， 46： 237-260.

［2］ GUO J H， LIU X J， ZHANG Y， SHEN J L， HAN W X， ZHANG W F，CHRISTIE P， GOULDING K W T， VITOUSEK P M， ZHANG F S. Significant acidification in major Chinese croplands. Science， 2010，327： 1008-1011.

［3］ WANG X R， SHEN J B， LIAO H. Acquisition or utilization， which is more critical for enhancing phosphorus efficiency in modern crops？. Plant Science， 2010， 179（4）： 302-306.

［4］ KOCHAIN L V， HOEKENGA O A， PIÑEROS M A. How do crop plants tolerate acid soils？ Mechanisms of aluminum tolerance and phosphorous efficiency. Annual Review of Plant Biology， 2004， 55：459-493.

［5］ DELHAIZE E， MA J F， RYAN P R. Transcriptional regulation of aluminium tolerance genes. Trends in Plant Science， 2012， 17（6）：341-348.

［6］ KOCHIAN L V， PIÑEROS M A， LIU J P， MAGALHAES J V. Plant adaptation to acid soils： The molecular basis for crop aluminum resistance. Annual Review of Plant Biology， 2015， 66： 571-598.

［7］ MA J F， FURUKAWA J. Recent progress in the research of external Al detoxification in higher plants： A minireview. Journal of Inorganic Biochemistry， 2003， 97（1）： 46-51.

［8］ DELHAIZE E， BENJAMIN D. GRUBER B D， RYAN P R. The roles of organic anion permeases in aluminium resistance and mineral nutrition. FEBS Letters， 2007， 581（12）： 2255-2262.

［9］ YANG J L， ZHU X F， PENG Y X， ZHENG C， MING F， ZHENG S J. Aluminum regulates oxalate secretion and plasma membrane H+-ATPase activity independently in tomato roots. Planta， 2011， 234（2）：281-291.

［10］ LIGABA A， MARON L， SHAFF J， KOCHIAN L， PIÑEROS M. Maize ZmALMT2 is a root anion transporter that mediates constitutive root malate efflux. Plant， Cell & Environment， 2012，35（7）： 1185-1200.

［11］ ZENG Q L， CHEN R F， ZHAO X Q， WANG H Y， SHEN R F. Aluminium uptake and accumulation in the Hyperaccumulator Camellia Oleifera Abel. Pedosphere， 2011， 21（3）： 358-364.

［12］ 左方华， 凌桂芝， 唐新莲， 玉永雄， 李耀燕， 黎晓峰. 铝胁迫诱导柱花草根系分泌柠檬酸. 中国农业科学， 2010， 43（1）： 59-64. ZUO F H， LING G Z， TANG X L， YU Y X， LI Y Y， LI X F. Al stress-induced citrate secretion from roots in Stylosanthes. Scientia Agricultura Sinica， 2010， 43（1）： 59-64. （in Chinese）

［13］ RYAN P R， RAMAN H， GUPTA S， HORST W J， DELHAIZE E. A second mechanism for aluminum resistance in wheat relies on the constitutive efflux of citrate from roots. Plant Physiology， 2009，149（1）： 340-351.

［14］ PELLET D M， GRUNES D L， KOCHIAN L V. Organic acid exudation as an aluminum-tolerance mechanism in maize （Zea mays L.）. Planta， 1995， 196（4）： 788-795.

［15］ JORGE R A， ARRUDA P. Aluminum-induced organic acids exudation by roots of an aluminum-tolerant tropical maize. Phytochemistry，1997， 45（4）： 675-681.

［16］ PIÑEROS M A， SHAFF J E， MANSLANK H S， VERA M. CARVALHO A V M， KOCHIAN L V. Aluminum resistance in maize cannot be solely explained by root organic acid exudation. A comparative physiological study. Plant Physiology， 2005， 137（1）：231-241.

［17］ TOLRÀ R， BARCELÓ J， POSCHENRIEDER C. Constitutive and aluminium-induced patterns of phenolic compounds in two maize varieties differing in aluminium tolerance. Journal of Inorganic Biochemistry， 2009， 103（11）： 1486-1490.

［18］ NIEMEYER H M. Hydroxamic acids （4-Hydroxy-1，4-benzoxazin-3-ones）， defence chemicals in the gramineae. Phytochemistry， 1988，27（11）： 3349-3358.

［19］ XIE Y S， ARNASON J T， PHILOGÈNE B J R， ATKINSON J，MORAND P. Distribution and variation of hydroxamic acids andrelated compounds in maize （Zea mays） root system. Canadian Journal of Botany， 1991， 69（3）： 677-681.

［20］ POSCHENRIEDER C， TOLRÀ R P， BARCELÓ J. A role for cyclic hydroxamates in aluminium resistance in maize？ Journal of Inorganic Biochemistry， 2005， 99（9）： 1830-1836.

［21］ SIMCOX K D， WEBER D F. Location of the Benzoxazinless （bx）locus in maize by monosomic and B-A translocational analyses. Crop Science， 1985， 25（5）： 827-830.

［22］ ROSENBERG D R， MAURICE P A. Siderophore adsorption to and dissolution of kaolinite at pH 3 to 7 and 22. ℃Geochimica et Cosmochimica Acta， 2003， 67（2）： 223-229.

［23］ MOORE R E， KIM Y， PHILPOTT C C. The mechanism of ferrichrome transport through Arnlp and its metabolism in Saccharomyces cerevisiae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA， 2003， 100（10）： 5664-5669.

［24］ 唐新莲， 郭添香， 高小凤， 黎晓峰， 顾明华. 玉米异羟肟酸类物质的分泌与其耐铝性的关系. 生态环境学报， 2015， 24（4）： 547-553. TANG X L， GUO T X， GAO X F， LI X F， GU M H. The relationship between hydroxamates cyclic secretion from maize and its tolerance to aluminum. Ecology and Environment Sciences， 2015， 24（4）：547-553. （in Chinese）

［25］ 周媛， 章艺， 吴玉环， 徐根娣， 高培培， 姚国浩， 刘鹏. 酸铝胁迫对栝楼根系生长及铝累积的影响. 农业环境科学学报， 2011， 30（12）：2434-2439. ZHOU Y， ZHANG Y， WU Y H， XU G D， GAO P P， YAO G H， LIU P. Effects of acid Aluminum stress on root growth and aluminum accumulation of Trichosathes kirilowii Maxim. Journal of Agro-Environment Science， 2011， 30（12）： 2434-2439. （in Chinese）

［26］ KÖHLE H， JEBLICK W， POTEN F， BLASCHEK W， KAUSS H. Chitosan-elicited callose synthesis in soybean cells as a ca-dependent process. Plant Physiology， 1985， 77（3）： 544-551.

［27］ 吴柳杰， 张永先， 凌桂芝， 黎晓峰. 铝胁迫下黑麦和小麦根尖分泌有机酸的研究. 广西植物， 2014， 34（4）： 455-459. WU L J， ZHANG Y X， LING G Z， LI X F. Secretion of organic acids from root apices under Al stress in rye and wheat. Guihaia， 2014，34（4）： 455-459. （in Chinese）

［28］ LI X F， MA J F， HIRADATE S， MATSUMOTO H. Mucilage strongly binds aluminum but does not prevent roots from aluminum injury in Zea mays. Physiologia Plantarum， 2000， 108： 152-160.

［29］ LU C H， LIU X G， XU J， DONG F S， ZHANG C P， TIAN Y Y，ZHENG Y Q. Enhanced exudation of DIMBOA and MBOA by wheat seedlings alone and in proximity to wild oat （Avena fatua） and flixweed （Descurainia sophia）. Weed Science， 2012， 60： 360-365.

［30］ SONG Y Y， CAO M， XIE L J， LIANG X T， ZENG R S， SU Y J，HUANG J H， WANG R L， LUO S M. Induction of DIMBOA accumulation and systemic defense responses as a mechanism of enhanced resistance of mycorrhizal corn （Zea mays L.） to sheath blight. Mycorrhiza， 2011， 21： 721-731.

［31］ 唐新莲， 姬彤彤， 黎晓峰， 郭添香， 张兰勤. 不同玉米品种耐铝性的基因型差异研究. 西南农业学报， 2015， 28（4）： 1481-1489. TANG X L， JI T T， LI X F， GUO T X， ZHANG L Q. Aluminum tolerance response in diverse genotypic maize roots. Southwest China Journal of Agricultural Sciences， 2015， 28（4）： 1481-1489. （in Chinese）

［32］ ATKINSON J， MORAND P， ARNASON J T. Analogues of the cyclic hydroxamic acid 2，4-dihydroxy-7-methoxy-2H-1，4-benzoxazin-3（4H）-one. Decompositionto benzoxazolinones and reaction with mercaptoethanol. The Journal of Organic Chemistry， 1991， 56： 1788-1800.

［33］ ROGERS N J， CARSON K C， GLENN A R， DILWORTH M J，HUGHES M N， POOLE P K. Alleviation of aluminum toxicity to Rhizobium leguminosarum by viciae by the hydroxamate siderophore vicibactin. BioMetals， 2001， 14（1）： 59-66.

（责任编辑 杨鑫浩，李莉）

Al-Induced Hydroxamates Cyclic Secretion from Roots to Resist Al Toxicity in Maize

GAO Xiao-feng1， GUO Tian-xiang1，2， TANG Xin-lian1， LI Xiao-feng1
（1College of Agriculture， Guangxi University/State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources， Nanning 530005；2Guangdong Institute of Eco-environment and Soil Sciences， Guangzhou 510650）

Abstract：【Objective】Al-induced secretion of Hydroxamates Cyclic from roots was investigated and we provided a theoretical basis for revealing the mechanism responsible for Al-resistance in Zea Mays L..【Method】The experiment was conduced using a Zhengdan 958 variety and a Taiyu No.11 variety with Al treatment by hydroponics. The Al-resistance and the effect of Al on the secretion of Hydroxamates Cyclic from roots and Hydroxamates Cyclic ameliorated Al toxicity were studied by measuring the rootelongation， Al content， callose content， Hydroxamates Cyclic secretion， and relevant indicators of Hydroxamates Cyclic-ameliorated Al toxicity among these two varieties.【Result】With comparison to the control treatment （without AlCl3）， root elongation was inhibited significantly， while Al and callose content of root tips increased significantly in Zhengdan with 10 μmol·L-1AlCl3treatment after 24 h. When root elongation was reduced by 47.77％， Al and callose content of root tips increased by 226.64％ and 60.74％. On the contrary， there were no significant effects on the root elongation and callose content of root tips in Taiyu. Although Citrate secretion increased significantly by 41.28％ from roots in Taiyu with 20 μmol·L-1AlCl3treatment after 44 h， Citrate secretion did not increase significantly from roots in Taiyu and Zhengdan with AlCl3treatment during 24 h with comparison to control treatment （without AlCl3）， meaning Al cannot induce Citrate secretion from roots in maize during 24 h. Al-induced Hydroxamates Cyclic （DIMBOA and MBOA） secretion from roots of Taiyu， the amount of Hydroxamates Cyclic secretion increased significantly with the increasing AlCl3concentration （10， 15 and 20 μmol·L-1） and the duration of AlCl3treatment （3， 6， 9， 12 and 24 h）， but Hydroxamates Cyclic secretion did not increased significantly from roots in Zhengdan with AlCl3（10， 15 and 20 μmol·L-1）. And dark condition can significantly improve the secretion of Hydroxamates Cyclic in Taiyu and effectively reduce Al-induced （20 μmol·L-1AlCl3）inhibition of root elongation compared to the light condition. DIMBOA and MBOA secretions increased by 40.81％ and 72.02％， and root elongation increased by 33.15％. Compared to the sole Al （20 μmol·L-1AlCl3） treatment， addition of DIMBOA （3 mg·L-1） and MBOA （3 mg·L-1） to Al solution can significantly increase root elongation， reducing Al content of root tips in maize. With the addition of DIMBOA and MBOA to Al solution， root elongation of Zhengdan increased by 14.16％ and 13.85％， and Taiyu increased by 16.16％ and 11.33％； Al content of root tips of Zhengdan was decreased by 39.94％ and 43.54％， Taiyu decreased by 39.92％ and 42.10％. On the other hand， 20 μmol·L-1AlCl3treatment increased significantly Hydroxamates Cyclic content of roots and leaves in Taiyu. However， Al treatment decreased significantly Hydroxamates Cyclic content of the leaves in Zhengdan.【Conclusion】These results suggested that Al-resistance bears on Hydroxamates Cyclic secretion. Al-induced secretion of Hydroxamates Cyclic from roots may be an effective mechanism for maize under Al-stress， Hydroxamates Cyclic content of the leaves may be involved in the secretion in the maize.

Key words：maize； aluminum； secretion； hydroxamates cyclic

收稿日期：2015-12-23；接受日期：2016-04-01

基金项目：国家自然科学基金（31201680）、广西自然科学基金（2012GXNSFAA053047）