低磷胁迫下小麦根系形态特征及Apase活性

王树鹏，汪军成，姚立蓉，孟亚雄，李葆春，杨轲，司二静，王化俊，马小乐，尚勋武

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070)

磷素参与植物的多种代谢途径，对植物的生长发育非常重要[1].而我国60%以上的耕地土壤严重缺磷，通常是通过增施磷肥来缓解这一现状.但是能够被作物吸收和利用的磷素有限[2]，大部分被Ca2+、Fe3+、Mn2+等金属离子固定在土壤中[3]，从而造成土壤酸碱失衡和生态污染.另外，农业生产所用磷肥为不可再生资源，随着农业对磷肥需求量的不断增加，磷矿将在未来50～200 a面临枯竭[4].为了应对未来磷矿枯竭对农业生产带来的危机，减少农业生产中磷素施用尤为重要，因此研究作物的磷胁迫响应机制、筛选耐低磷品种并挖掘磷素高效转用基因及培育耐低磷品种迫在眉睫.

作物在低磷胁迫下的生长会出现各种形态和生理上的适应特征，例如总根长和表面积降低，同时一级侧根的密度和数量增加，细根比例升高和根系平均直径降低等[5-6]，使根系能够获取与土地更大的接触面积，以扩大对磷素的吸收范围.随着磷素胁迫时间的延长，春小麦根系酸性磷酸酶(acid phosphatase activity，Apase)活性不断升高，有利于植物对于磷素的分解与吸收.张丽梅等[7]通过研究玉米根系，发现低磷促使根系较对照变长变细，并随着胁迫时间的延长，根干质量和根冠比相对增加，低磷胁迫也会促使酸性磷酸酶的增加；陈雯彬等[8]通过改变低磷胁迫的浓度，发现赤皮青冈幼苗的总生物量不断减少，以适应低磷胁迫及减少磷素消耗.

目前对于春小麦的研究多集中在耐低磷种质资源基因的筛选与评价中，而有关磷素对小麦根系发育及Apase响应的研究相对比较少.本研究以3个不同耐低磷特性的春小麦品种为材料，在正常磷和低磷胁迫2个处理下，通过水培试验测定春小麦根系的形态指标和Apase活性的变化，探究磷素胁迫对不同耐低磷小麦品种苗期根系生长的影响，为进一步挖掘春小麦耐低磷关键基因和培育耐低磷春小麦新品种奠定基础.

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用3个不同春小麦品种为试验材料，其中wp-35、wp-72为耐低磷品种，wp-119为磷敏感品种[9].该供试材料由甘肃农业大学农学院麦类遗传育种实验室提供.

1.2 试验设计

水培试验在人工气候室进行，选取籽粒饱满、大小一致的种子，用5%NaClO溶液消毒5 min，用蒸馏水冲洗3次，然后将种子放入铺有两层滤纸的培养皿中，5 d后挑选长势一致的幼苗，移栽到装有1/2 Hoagland营养液的水培箱，每盆24株，进行正常磷处理(0.2 mmol/L，CK)和低磷胁迫处理(0.02 mmol/L，-P)，3次重复，以KH2PO4为磷源，同时在低磷胁迫的营养液中加入0.18 mmol/L的KCl补足K元素，pH为 6.8±0.1，其余营养液[10]成分均相同.从胁迫处理开始计为0 d，并在胁迫3、7、14、21、30 d时选取不同处理环境下有代表性的小麦幼苗进行数据测定.

1.3 测定指标及方法

根系形态扫描：采用根系扫描仪(Epson，Long Beach，CA，USA)和WinRHIZO软件(Quebec，QC，CAN)计算根系相关指标[11]，并测量地上部与根系的干质量，计算根冠比.

根冠比=根鲜质量(干质量)/地上部鲜质量(干质量)

酸性磷酸酶(Apase)活性的测定：参照刘渊等[12]方法测定根组织中Apase活性，Apase活性以单位时间内单位质量的根和叶生成的对硝基苯酚(PNP)的量来表示(μmol/(g·min)).Apase活性先进行酶液的提取，之后加入酶标板在酶标仪中进行测定.

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2010和GraphPad Prism 6.01分析作图，采用SPSS 19.0对数据进行分析.

2 结果与分析

2.1 低磷胁迫对春小麦根系形态的影响

通过苗期水培试验，研究了春小麦耐低磷品种(wp-35、wp-72)和磷敏感品种(wp-119)在正常磷和低磷条件下根系形态特征的变化.如表1所示，小麦根系的生长发育均受低磷胁迫的影响，但低磷胁迫处理下不同耐低磷小麦的响应程度不同.耐低磷品种wp-35和wp-72在低磷胁迫处理3 d和7 d时，与对照相比根系形态无显著性差异，在低磷胁迫21 d时，wp-72的总根长较对照增加了27.25%，达到显著差异；在低磷胁迫30 d时，除wp-72的根体积达到显著增长外，耐低磷品种wp-35和wp-72的其他根系性状并未形成显著性差异；而磷敏感品种wp-119的总根长、根表面积和根体积在低磷胁迫14、21、30 d时，与对照相比均达到了显著性升高的变化.

表1 不同磷效率基因型在不同磷水平下根系形态指标的变化

2.2 低磷胁迫对春小麦苗期生物量的影响

低磷胁迫对小麦的地上部和根系生长均有较大影响.由图1可以看出，低磷胁迫抑制小麦的地上部生长，耐低磷品种wp-35和wp-72在低磷胁迫30 d时与对照相比分别下降11.39%、10.57%，无显著差异；而磷敏感品种wp-119与对照相比下降达26.16%，并且在胁迫21 d和30 d时与对照相比均达到显著性差异.就根系干质量来看，低磷胁迫促进小麦根系的生长，耐低磷品种wp-35和wp-72的根系随着胁迫程度加深，根系干质量呈增长趋势，并且耐低磷品种wp-72的根系增幅更高，且在胁迫处理30 d时达到显著性差异；而磷敏感品种wp-119在胁迫处理14 d和21 d时与对照相比均达到了显著性差异；在处理30 d时，其根系受到了明显的抑制作用.就整株生物量而言，低磷胁迫抑制作物的生长，总体呈下降趋势，耐低磷品种wp-35和wp-72的降幅小于磷敏感品种wp-119，且wp-119在低磷处理30 d时与对照相比达到显著性差异，降幅达到22.22%.

图1 磷胁迫对春小麦苗期生物量的影响

对低磷胁迫下春小麦苗期的根冠比进行计算并分析，结果见表2.由表2可以看出，不同耐低磷小麦根冠比在低磷胁迫下与对照相比均升高，说明磷素胁迫有利于提高小麦苗期的根冠比.耐低磷品种wp-35和wp-72在低磷胁迫3、7、14和21 d时增幅较小，胁迫处理30 d时2个处理间的增幅分别为15.42%、30.59%，均达到了显著性差异；磷敏感品种wp-119在低磷胁迫14、21和30 d时与对照相比均达到显著性提高，其增幅分别为75.69%、92.06%和40.22%，但是其根冠比的各项值均低于耐低磷品种.低磷处理14、21和30 d时小麦根冠比在磷水平和不同基因型间均存在极显著差异，在低磷处理14 d和21 d时存在极显著的磷水平×基因型交互作用.

表2 磷胁迫对春小麦苗期根冠比变化

2.3 低磷胁迫对春小麦根系组织中Apase活性的影响

对磷胁迫下春小麦根系Apase的活性进行测定并分析，由表3可以看出，随着胁迫程度的增加，小麦根系Apase活性不断升高.在相同磷水平下(CK和-P)，耐低磷品种wp-35和wp-72的Apase活性(除3d时)均高于磷敏感品种wp-119；在低磷胁迫21 d和30 d时，耐低磷品种wp-35、wp-72和磷敏感品种wp-119的Apase活性与对照相比均达到显著性提高，增幅分别为18.80%、49.19%、26.94%和51.53%、46.19%、92.30%；wp-119的Apase活性在30 d时增幅高是因为该品种在该时期正CK下的Apase活性较21 d时的CK无显著提高，而30 d时的低磷胁迫下Apase活性又显著提高所致，但30 d时Apase活性的仍旧低于耐低磷品种wp-35和wp-72，小麦根系Apase的活性参数(除低磷处理21 d外)在磷水平上均有显著差异，在不同基因型之间存在极显著差异，在处理3、7 d时，磷水平×基因型存在极显著的交互作用，而Apase活性中的基因型在所有阶段都呈现极显著差异，故而Apase活性主要由基因型调控.

表3 不同磷水平对不同基因型小麦根系酸性磷酸酶活性的影响

2.4 施磷水平和基因型差异对小麦根系形态变异的影响

采用主成分分析法研究施磷水平和基因型的差异，对小麦根系形态变异的总效应，对 7个形态参数指标进行主成分的提取(表4)，如总根长、总根表面积、总根体积等.由表4可以看出，提取的前2个主成分累积贡献率为78.62%，对数据组的总变异有较高的解释，其中，主成分1(PC1)解释了55.39%的变异，其中总根表面积、总根体积、干质量、根冠比以及Apase活性的权重系数(表4)较高，表明不同的基因型对根干质量、根系总参数及Apase活性均有显著影响；主成分2(PC2)解释了23.23%的变异，其中总根长和地上部干质量的载荷值较高，说明地上部生物量受磷水平的影响较大.

表4 主成分载荷矩阵

3 讨论

植物根系的生长发育主要受其遗传因素和外部环境等因素的影响，具有较大的可塑性.外界营养元素的有效性与分布特点是影响根系构型的重要因子之一[14].有研究表明，根系是植物主要的同化、转化与合成器官，植物可通过其形态特征适应环境的变化扩大活动范围，增加对磷素的吸收和利用[15].同类作物在受到低磷胁迫时，不同品种的适应性和磷素的利用效率有显著差异[16-17]，磷高效小麦品种具有更高的磷素利用效率以及较好的根系农艺性状等参数.本研究显示，在胁迫处理30 d时，耐低磷品种的总根长、总根表面积和总根体积均显著高于磷敏感品种.说明由于品种的差异，耐低磷品种的根系适应性更有利于作物的生长，同时苗期对磷素的吸收更有利，但其对营养成分的利用效率的差异还需要进一步的研究与证实.在低磷胁迫的情况下，磷敏感品种wp-119的根的总长、表面积和体积相比对照增幅达到最大，但随着磷素胁迫的延长，适应调节能力的逐渐削弱；而耐低磷品种wp-35和wp-72在低磷胁迫的初期的适应性相对稳定，其适应调节主要表现为胁迫后期，产生差异可能是由于不同的基因型小麦根系中磷素的利用效率和生理活性的物质代谢强度等因素，其机理还需要进一步研究.

根冠比反映了植物的地上和下部与植物生长的相关性.低磷胁迫植物的根冠比增加，是一种耐低磷胁迫机制.目前有两种不同的观点：植物主动调节机制和被动机制[18].本研究的结果显示，不同的磷胁迫对小麦根系有显著影响，低磷胁迫能诱导出苗期总根的长度，根表面积和根体积显著增加，从而使小麦根冠比上升，发现是小麦主动调节根系形态，以提高对营养成分的吸收，这与第一种观点比较相似.

低磷胁迫对植物细胞内的Apase活性起诱导作用，有研究推测它的生理意义可能是APase通过增加植物体内有机磷化合物的水解，促进体内磷源的再吸收利用，提高磷素的利用效率[19].如耐低磷基因型小麦小偃54在低磷胁迫下可以通过提高根系Apase活性来增加对外界磷素的吸收.本研究发现，从低磷胁迫处理下14 d开始，小麦根系组织的Apase活性开始升高，且耐低磷品种wp-35和wp-72的Apase活性在每一测定时期均高于磷敏感品种wp-119，可以推测出耐低磷品种对其体内有机化合物中磷的分解和再利用效率高于磷敏感品种，表明低磷胁迫对于不同品种的小麦，根系酶活性具有不同的调控作用，耐低磷品种和磷敏感性品种在低磷胁迫处理下的响应有一定的差异，因而其体内磷素的再利用能力也有所不同.同时本研究与烟草[20]和玉米[21]等有关Apase活性研究结果相一致.

低磷胁迫影响植物生长中的多个表型，主成分分析是通过少数几个主成分来分析表明多个变量之间的内部联系，唐荣莉等[22]研究表明，对低磷胁迫下的辣椒测定主成分分析发现根冠比增加，从而增大对磷素的利用效率，成为筛选辣椒不同品种的重要参数；李锋等[23]通过对低磷胁迫下的不同基因型小麦进行主成分分析发现，故根冠比作为区别两种不同基因型小麦的依据.本研究提取了两个主成分，通过对根冠比、总根长、总根表面积、总根体积等几个因素的分析区别对于低磷胁迫下不同基因型小麦的生长趋势，主成分1中最大载荷值为根冠比(0.937)，主成分2中最大载荷值为地上部干质量(0.798)，且主成分1的特征值和贡献率大于主成分2，因此根冠比可首选作为区分不同基因型小麦品种的重要参数.这一结果与辣椒[22]和小麦[23]结论一致.

4 结论

在不同的施加磷素的水平下，小麦的总根的长度、表面积、体积和根冠比都是磷效率基因型表现最显著差异的指标，也是影响小麦磷素吸收的重要指标之一.在低磷胁迫下，耐低磷基因型小麦可通过在保证植株正常生长的情况下，增加体内Apase活性，提高磷素的再利用并调节根系构型，减少单位根长构建所消耗的生物量，增加小麦根部伸展和磷素的吸收能力.因此，平衡地上部和地下部的生长，是耐低磷基因型小麦适应低磷胁迫的基础.根冠比作为区别不同基因型小麦品种的重要参数.