低磷水稻根表铁膜形成对养分吸收的影响

丁 艳, 邢 媛, 任蒙莲

(1.蚌埠学院, 土木与水利工程学院, 安徽 蚌埠 233000；2.扬州大学, 生物科学与技术学院, 江苏 扬州 225009)

磷(P)是植物生长所必需的大量元素之一，是植物生长和代谢必需的重要矿质元素。磷参与核酸的合成，糖酵解，氧化还原反应、能量转移、信号转导等代谢过程，其在植物的光合和呼吸等代谢过程中有着重要作用。因此，有些植物在磷供应不足或缺磷时，其生长发育会受到影响。同时，植物也会对磷胁迫表现出适应性反应，如植株矮小，根系形态和构型发生变化，等等。

水稻长期生长在淹水条件下，根系处于还原性较强的土壤环境。为了更好地适应淹水环境，水稻地上部和根系的通气组织大量形成，能将空气中的氧气通过通气组织运输到根系，在满足根系对氧气需要的同时，能将淹水环境中还原性物质如Fe等氧化形成铁膜。也有研究表明，在土培条件下，当土壤中磷含量较低时水稻根系表面可以形成红棕色的根表铁膜。在水培条件下，磷饥饿导致水稻根表产生铁氧化物膜。因此，铁膜的形成被认为是水稻适应逆境环境的重要机制。有研究报道，铁膜影响植物对重金属的吸收和转运。然而，关于铁膜对植物吸收重金属的影响的报道结论并不一致。本研究在相关研究的基础上，以不同基因型水稻为研究对象，采用水培的方式对水稻幼苗进行正常供磷(CK)和低磷(LP)处理15 d后，通过测定根表铁含量(以DCB-Fe计)，分析不同基因型水稻根系铁膜的差异性，阐述根表铁膜形成的可能机理；运用微波消解技术测定水稻体内Fe、Cu等元素的含量，进一步阐述根表铁膜对幼苗吸收养分的影响。旨在为农业生产中，水稻生长过程中肥料的合理施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 培养与处理

1.1.1 供试材料 选用郑旱6(ZH6)，耐低磷基因型；通粳981(TJ981)，磷敏感基因型；镇稻99(ZD99)，根系扩展型3种不同基因型水稻品种为实验材料，供试水稻种子由江苏润扬种业股份有限公司提供。

1.1.2 幼苗的培养与处理 选用籽粒饱满、均匀的水稻种子放入培养皿(17 cm)中，用水冲洗3～5次，再用20% HO溶液消毒20 min，去离子水反复冲洗后，置于人工气候箱中浸种、催芽(条件：黑暗24 h，温度27 ℃)。待种子露白后，挑选发芽势一致的种子放入96孔板(已预处理)置于塑料容器内，采用国际水稻研究所完全培养液(包括：5.0 mmol/L NHNO，2.0 mmol/L KSO，4.0 mmol/L CaCl，1.5 mmol/L MgSO·7HO，1.3 mmol/L KHPO，50.0 μmol/L Fe(Ⅱ)-EDTA，10.0 μmol/L HBO，1.0 μmol/L ZnSO·7HO，1.0 μmol/L CuSO·5HO，5.0 μmol/L MnSO·HO，0.5 μmol/L NaMoO·2HO，0.2 μmol/L CoSO·7HO。用0.1 mol/L NaOH或HCl将pH调至5.4)培养。当幼苗长出3片时进行分组处理，即对照组(CK)和低磷(LP)处理组。

选择长势健壮一致的幼苗进行分组处理，每15株幼苗为一组，每组设置5个生物学重复。对照组以全营养液继续培养，低磷处理组以1/25(+P)营养液培养，其他营养成分不变，置于人工气候箱中进行生长。生长条件：光/暗为14 h/10 h，温度32 ℃/27 ℃，相对湿度60%～70%，光照为60 lx/0。每天更换1次培养液，连续处理15 d后，取样，待测。

1.2 根表铁含量的测定

水稻幼苗收获后，其根系上的铁膜用DCB(dithionite-citrate-bicarbonate)法浸提，即将水稻根系用自来水洗净，吸干水分后从基部将根剪下，放到装有0.03 mol/L柠檬酸三钠(NaCHO·2HO)和0.125 mol/L NaHCO混合液的三角烧瓶(100 mL)中10 min，再加入1 g保险粉(NaSO)，混合均匀后，在室温下(20～25 ℃)继续浸泡1 h，然后将浸提液转入容量瓶中，并用去离子水冲洗根系3～5次后，定容，待测。根表铁含量用单位根干重所吸附的根表铁含量表示(mg/g FW)。

1.3 样品消解与元素含量的测定

经DCB浸提后的根系、水稻茎叶置于烘箱中110 ℃，30 min杀青，70 ℃烘干至恒重，然后将根系和茎叶分别磨碎、混匀。称取(0.5±0.001) g样品放入聚四氟乙烯消毒罐(100 mL)中，加入5 mL浓硝酸(优级纯)和3 mL盐酸，再加入2滴HO溶液，放入微波加速反应系统中(MARS5,CEM Microwave Technology Ltd. USA)进行消解。将消解液转移至50 mL容量瓶中，定容。用ICP-MS(Agilent7500a)测定元素(Mn、Fe、Zn等)浓度。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行处理数据，采用SPSS 12.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 低磷导致根表红棕色铁膜的形成

磷元素供应不足诱导水稻根表沉积而形成的红棕色膜为铁氧化物膜，简称铁膜。笔者前期研究结果显示，低磷处理水稻植株2 d后，与正常供磷植株相比，缺P营养液中生长的水稻，其根系表面出现淡淡的棕色，并且随着低磷处理时间的延长根表棕色也随之加深，处理7 d后，根系表面则形成明显的红棕色铁膜(已发表)，这表明，磷胁迫导致根系表面形成铁膜，且铁膜的数量或铁含量随着低磷处理时间的延长而增加。这可能是由于磷胁迫致使根组织细胞壁受损，Fe在根表皮细胞的细胞壁内壁氧化形成Fe的氧化物并在此沉积，细胞壁外壁分解，且外壁在Fe氧化形成铁氧化物之前分解，形成破裂的细胞洞，随后铁氧化物与其它颗粒的混合物填充于此洞中，形成表面粗糙的铁膜(图1)。

图1 低磷水稻根系表面形成红棕色铁膜

由图2可以看出，与对照相比，低磷胁迫导致根表形成铁膜，根表铁含量显著增加，其中耐低磷品种郑旱6(ZH6)的根表铁含量呈极显著增加；磷敏感型品种通粳981(TJ981)的根表铁含量最多(14.78 mg/g)，其次是郑旱6(12.17 mg/g)，镇稻99的根表铁含量较少(11.17 mg/g)。这表明，不同基因型的水稻根表形成铁膜的质量存在差异。可能是由于低磷条件下不同基因型的水稻根系的氧化能力不同所致。

图2 低磷对根表铁含量的影响

2.2 低磷胁迫对水稻幼苗铁(Fe)和铜(Cu)含量的影响

由图2可以看出，低磷胁迫15 d后，3种不同基因型水稻植株根部的Fe含量和Cu含量均呈显著增加。其中，Fe含量的增幅分别为ZD99：139.8%，ZH6：127.1%，TJ981：199.3%。Cu含量的增幅分别为ZD99：69%，ZH6：97.2%，TJ981：77.5%。此外，ZD99和ZH6地上部组织中Fe含量较对照显著增加(119.7%和74.7%)，但是，TJ981地上部组织Fe含量增加不明显(12.3%)。Cu在地上部组织中的含量较对照增加不显著，增幅分别为12.18%，15.35%，0.10%。值得注意的是，TJ981地上部组织中Fe和Cu的含量增加均未达到显著水平。

2.3 低磷胁迫对水稻幼苗锰(Mn)和锌(Zn)含量的影响

研究结果显示，低磷胁迫导致不同基因型水稻根系中Mn含量降低，其中，ZD99和ZH6号根系中Mn含量显著降低，降幅分别为55.11%和23.75%，而TJ98根系中Mn含量较对照减少12.5%。但是3种供试水稻品种，地上部分Mn含量受低磷胁迫的影响不明显(图4A)。图4B可以看出，Zn元素在ZD99和TJ981根部和地上部的含量均有增加(9.6%和39.7%；26.2%和28.9%)，但在郑旱6植株体内含量相对减少(10.7%)，方差分析显示，Zn在地上部的含量较对照呈显著减少(-14.5%)。

图3 低磷水稻体内Fe、Cu含量的变化

图4 低磷水稻体内Mn、Zn含量的变化

2.4 低磷胁迫对水稻幼苗钙(Ca)、镁(Mg)、钾(K)含量的影响

图5显示，3种不同基因型水稻幼苗经低磷处理15 d后，根部组织中Mg和K的含量呈减少的趋势，其中，ZH6水稻根部Mg、K含量显著减少(-37.9%，-42.1%)；K含量在不同品种水稻地上部组织中较对照均有所增加(ZD99：1.05%，ZH6：9.27%，TJ981：6.58%)，方差分析显示，ZH6和TJ981地上部K含量呈显著增加(

P

<0.05)；Mg含量在地上部均没有明显变化；而Ca在ZD99根部及地上部组织中的含量有所增加，但不显著，在TJ981根部和地上部均下降(-4.55%和-8.25%)，其中地上部含量显著减少；ZH6号根部Ca含量显著增加(12.87%)，地上部组织中减少(-5.90%)。

图5 低磷水稻体内Ca、Mg、K含量的变化

结果表明，低磷条件下不同基因型水稻根表铁膜在一定质量促进了根系对Fe和Cu元素的吸收，对元素Zn、Mn、K、Ca等的吸收的影响没有表现出规律性。

3 结论与讨论

铁膜的形成是水生植物适应淹水和其他环境胁迫的重要机制之一。不同水稻品种在低磷处理下均能形成根表铁膜，但不同品种根表铁膜厚度存在明显差异。本研究结果表明，低磷处理水稻幼苗15 d后，不同水稻品种根系表面均形成红棕色的铁膜。铁膜的形成是由于低磷导致根组织细胞壁受损，铁的氧化物在破损的细胞壁沉积形成的，且具有不可逆性。但不同基因型水稻根表铁含量有所差异，从高至低依次为：通粳981>郑旱6>镇稻99；同时，研究得知根表铁含量与根环境中的磷含量呈负相关，与低磷处理时间呈正相关。这与前人的研究结果基本一致。

此外，根表铁膜属于两性胶体，因此其对土壤中阴、阳离子都有一定的吸附作用，进而影响植物对重金属的吸收和转运。有研究认为，根际环境中的大多数金属和非金属元素如Zn、Pb、Sb、Cd、P、As等均可在铁膜中富集,水稻根表铁膜能够在近根区域富集大量Fe、P、Zn、Mg、Mn等必需的营养元素。研究表明，水稻根表铁膜可促进水稻对Cu和Ni的吸收；可促进水稻对Zn的吸收，也可以抑制水稻对Zn的吸收，这是由于铁膜形成量的不同而引起。

本研究结果表明，与对照相比，根表铁膜促进了水稻对Fe和Cu元素的吸收。但对其它营养元素吸收的影响表现不一，如K、Mg和Mn含量减少，尤其在镇稻99和郑旱6根部呈显著减少。另外，同一种元素在不同基因型水稻体内的含量变化也表现不一。如Ca和Zn在不同品种水稻根部和地上部的含量变化趋势不一。可能是由于根部铁膜富集营养元素的量不同，以及根表铁膜在一定范围内促进某种元素的吸收，但同时又成为了其它元素的障碍层，从而影响根系对元素的吸收。或者说，根表铁氧化物膜的形成影响根系的活性和吸收能力，从而影响矿质养分的吸收。

综上所述，低磷处理水稻幼苗导致其根系表面形成红棕色铁膜，且铁膜的形成是不可逆的；同时，根表铁膜促使水稻体内Fe和Cu含量显著增加，但低磷水稻对其它营养元素(K、Mg、Mn、Ca、Zn)的吸收及积累并没有表现出一定的规律性。