低磷胁迫对葛藤根与叶内源激素的影响

雷 耀,张淑炜,席 溢,张 莉,成启明,李茂雅

(贵州大学动物科学学院, 贵阳 550025)

磷是作为植物生长必需的营养元素,以多种方式参与植物体内各个生长过程,是影响植物生长发育、抗逆性、产量和品质的重要因素[1]。土壤存在大量的有机磷和无机磷,但这些磷并不能被植物直接吸收利用,世界上大量的土地缺少有效磷,土壤有效磷磷含量及利用率是影响农业发展的重要因素[2,3]。植物内源激素对植物生长及发育起着重要的调节作用,影响植物生长发育过程。脱落酸(ABA)能通过植物蛋白的基因表达提高植物的抗逆性[4];高等植物内源赤霉素(GA3)水平能够影响植物的光合作用,提升内源赤霉素水平能提升植物的光合活性[5];玉米素(ZR)在逆境胁迫下能促进过氧化物酶增加,提高植物抗逆性[6];生长素(IAA)几乎参与了调控植物生长发育的各个过程[7];独角金内酯(SLs)能调节植物的分枝和侧芽的生长[8]。因此,研究逆境胁迫下植物内源激素的变化具有重要意义。外界因素影响植物激素的含量,养分供应可以影响植物激素的合成和降解[9]。有研究表明低磷胁迫下,甜瓜地上部脱落酸和独角金内酯含量增加[10];杉木幼苗根系玉米素含量明显降低,生长素和脱落酸的含量明显增加[11];刺梨的根和叶中脱落酸、生长素和玉米素含量明显增加[12];陈波浪等的研究表明,低磷胁迫促使棉株体内的脱落酸含量显著提升[13]。

葛藤(Puerarialobate),又名野葛,为蝶形花科葛藤属,是多年生藤本植物。葛藤具有很强适应性,具有耐寒、抗旱、耐瘠薄等优点。葛藤根系十分发达,扎根深,能有效改良土壤结构,有效防止径流和侵蚀、保水保土、防风固沙,有助于喀斯特地区的生态恢复,此外,葛藤地上生物量高,营养丰富,是极具开发潜力的绿色饲料植物[14,15]。

葛藤的研究主要集中在饲用[16]、药用[17]、生态价值[18]等方面,而关于葛藤低磷胁迫对内源激素的影响少见报道。本研究以3个不同来源葛藤材料为研究对象,通过水培法探究葛藤幼苗期在不同磷营养水平下的5种内源激素(ABA、GA、ZT、IAA、SLs)变化,通过分析不同磷营养水平下葛藤内源激素的含量,了解植物激素与磷营养的关系,以期助推葛藤种质资源的利用和耐低磷品种选育,为进一步指导葛藤生产实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选取3个种源的葛藤种子为试验材料,分别来自于澳大利亚(Austrilia,A),由江苏冈仁波齐种业有限公司提供;中国江苏(Jiangsu,J),由江苏种业科技有限公司提供;湖南(Hunan,H),湖南种子市场。

1.2 试验方法

葛藤种子用 NaClO(3%)浸泡20 min后,用超纯水进行冲洗3～4次,室温条件下浸泡种子6 h后,将种子置于光照培养箱(光照14 h/10 h、温度25 ℃/22 ℃)中培养催芽。当长出2叶1心时移入塑料盆(长49.5 cm×宽20 cm×高15 cm)中进行培养。移苗时使用1/2营养液,5 d后换为全营养液,全营养液培育2个星期后进行低磷处理。

3个种源葛藤幼苗在恒温培养下进行胁迫,设置常磷(0.5 mmol·L-1KH2PO4)、低磷(0.05 mmol·L-1KH2PO4)、极低磷(0.005 mmol·L-1KH2PO4)3个试验水平,共计9个处理,每个处理设3次重复,共计27盆。每3 d换1次营养液,随机移动每盆葛藤位置,减少环境因素的影响。营养液成分均相同(见表1),pH值在6.0至6.2之间。

表1 营养液成分及浓度

1.3 激素测定方法

用酶联免疫法检测植物内源激素。采用双抗体一步夹心法酶联免疫吸附试验(ELISA)。往预先包被植物生长素(IAA)捕获抗体的包被微孔中,依次加入样品、标准品、HRP标记的检测抗体,经过温育并彻底洗涤。用底物TMB显色,TMB在过氧化物酶的催化下转化成蓝色,并在酸的作用下转化成最终的黄色。颜色的深浅和样品中的植物生长素(IAA)呈正相关。用酶标仪在450 nm波长下测定吸光度(OD值),计算样品浓度。其他指标检测原理及步骤同上。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2013进行数据整理及绘图,应用SPSS 25.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 低磷胁迫对葛藤脱落酸的影响

脱落酸含量如图1A所示,葛藤根脱落酸含量常磷和极低磷条件均为江苏葛藤含量最高,低磷条件澳大利亚含量最高;葛藤叶脱落酸含量常磷、低磷和极低磷条件均为澳大利亚葛藤含量最高。江苏葛藤、澳大利亚葛藤和湖南葛藤根低磷条件的脱落酸含量显著低于常磷条件(P<0.05),分别减少了47.43%、14.19%和22.62%;江苏葛藤与湖南葛藤叶的脱落酸含量低磷条件显著低于常磷条件(P<0.05),分别减少了59.78%、63.52%,澳大利亚葛藤叶的脱落酸含量极低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),增加了19.25%。

注:不同大写字母表示不同磷处理下同一种源间差异在P<0.05水平显著;不同小写字母表示相同磷处理下不同源间差异在P<0.05水平显著。(A):脱落酸;(B):赤霉素;(C):玉米素;(D):生长素;(E):独角金内酯图1 葛藤内源激素含量变化情况

2.2 低磷胁迫对葛藤赤霉素的影响

赤霉素含量如图1B所示,葛藤根赤霉素含量常磷和低磷条件均为湖南葛藤含量最高,极低磷条件江苏葛藤最高;葛藤叶赤霉素含量常磷条件为江苏葛藤含量最高,低磷和极低磷条件均为澳大利亚葛藤含量最高。江苏葛藤、澳大利亚葛藤和湖南葛藤根的赤霉素含量极低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),分别增加了43.80%、13.19%和10.65%;江苏葛藤、澳大利亚葛藤和湖南葛藤叶的赤霉素含量极低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),分别增加了24.31%、37.64%和49.97%。

2.3 低磷胁迫对葛藤玉米素的影响

玉米素含量如图1C所示,葛藤根玉米素含量常磷、低磷和极低磷均为澳大利亚葛藤含量最高;葛藤叶玉米素含量常磷、低磷和极低磷条件分别为湖南葛藤、澳大利亚葛藤和江苏葛藤含量最高。江苏葛藤、澳大利亚葛藤和湖南葛藤根的玉米素含量极低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),分别在增加了31.93%、18.56%和34.06%;江苏葛藤、澳大利亚葛藤和湖南葛藤叶的玉米素含量极低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),分别增加了31.18%、27.62%和15.55%。

2.4 低磷胁迫对葛藤生长素的影响

生长素含量如图1D所示,葛藤根生长素含量常磷、低磷和极低磷条件均为湖南葛藤含量最高;葛藤叶生长素含量常磷条件为澳大利亚葛藤含量最高,低磷和极低磷条件均为湖南葛藤含量最高。江苏葛藤、澳大利亚葛藤和湖南葛藤根的生长素含量极低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),分别增加了94.43%、60.30%和34.43%;江苏葛藤、澳大利亚葛藤和湖南葛藤叶的生长素含量极低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),分别增加了75.17%、21.35%和72.1%。

2.5 低磷胁迫对葛藤独角金内酯的影响

独角金内酯含量如图1E所示,葛藤根独角金内酯含量常磷和低磷条件均为江苏葛藤含量最高,极低磷条件为澳大利亚葛藤含量最高;葛藤叶独角金内酯含量常磷和低磷条件均为澳大利亚葛藤含量最高,极低磷条件为江苏葛藤含量最高。江苏葛藤、澳大利亚葛藤和湖南葛藤根的独角金内酯含量极低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),分别增加了11.53%、56.43%和43.09%;葛藤叶独角金内酯含量江苏葛藤与澳大利亚葛藤低磷条件显著高于常磷条件(P<0.05),分别增加了21.61%、34.68%,湖南葛藤叶的独角金内酯含量无显著差异(P>0.05)。

3 讨论

3.1 低磷胁迫对葛藤脱落酸的影响

有研究表明,随干旱胁迫增强苜蓿[19]、银杏[20]、核桃[21]等植物根系中脱落酸含量均表现为先增加后减少,海棠[22]在盐胁迫下及马铃薯[23]在水分胁迫下根系中脱落酸含量显著增加,地上部增幅弱于根系,这可能是由于ABA作为一种信号物质,由根系迅速感知胁迫信号,以ABA的形式将干旱信息传递到地上部,使植株代谢活动减弱,进而在形态和生理等方面发生与胁迫相适应的变化。在本研究中,葛藤根系脱落酸含量随磷胁迫增强呈现先降低后增加的变化,这与前人研究结果存在差异,这可能是由于本研究中葛藤具有较强的耐低磷能力,低磷条件尚未对葛藤形成胁迫有关,尚待进一步研究验证。在极低磷条件下,葛藤根系脱落酸含量显著增加,地上部增幅弱于根系,这与前人研究结果一致。

3.2 低磷胁迫对葛藤赤霉素的影响

叶思诚[24]研究油茶对低磷胁迫的响应发现,低磷胁迫能够有效提高油茶根系赤霉素含量,此外,刘辉等[25]通过研究低磷胁迫对大麦内源激素的影响发现低磷胁迫对赤霉素有较大影响,低磷胁迫会导致大麦赤霉素含量增加。Devaiah等[26]人研究发现磷供应不足能够提高赤霉素含量,这与本研究结果一致。本研究发现葛藤赤霉素含量随磷胁迫增强含量增加,葛藤根与叶呈现相同变化。

3.3 低磷胁迫对葛藤玉米素的影响

有研究表明,葡萄苗[27]内玉米素含量随盐胁迫增强逐渐降低,坛紫菜[28]在高温胁迫下玉米素逐渐减少,此外,邹显花等[29]人研究发现低磷胁迫下杉木玉米素含量显著降低。本研究发现葛藤玉米素含量随磷浓度降低,玉米素含量增加,这与前人研究结果不一致,这可能与葛藤耐低磷能力较强有关,尚需进一步验证。

3.4 低磷胁迫对葛藤生长素的影响

有研究表明,生长素有利于提高植物对不良环境的适应能力,提高植物抗逆性[30]。在高温胁迫下,植物生长素含量增加[31]。方义生[32]对大豆脱水胁迫的研究也发现,随胁迫增强,生长素含量增加。研究表明,低磷胁迫下生长素可以调控根系构型,引起植株内部干物质重新分配,使大量的同化物运输至根系以满足侧根发生[33]。生长素含量增加是由于植物为应对低磷胁迫,使生长素合成增加,通过极性运输至根部促进根系生长,根部生长素含量也增加。这与本研究结果相符,在低磷胁迫下葛藤生长素含量有较大幅度的增加。

3.5 低磷胁迫对葛藤独角金内酯的影响

独脚金内酯属于萜类小分子化合物,是部分天然的独脚金醇类化合物和人工合成类似物的总称,是新型植物激素之一[34]。独角金内酯参与调控植物的许多生理过程,如调节控制株高、光形态建成、叶片形状大小、花青素叶绿素累积、根系形态等,此外还响应植物对盐、干旱、低磷等非生物胁迫[35]。有研究表明,甜瓜[10]根系独角金内酯随磷胁迫加强含量增加,葛藤叶独角金内酯含量先增加后减少,这与本研究结果一致。这是由于根系中独角金内酯合成基因显著上调表达,促进根系中独角金内酯含量增加,根系中独角金内酯通过木质部转运至地上部,抑制地上部的分支和生长,因此地上部独角金内酯含量先增加后减少[36]。

4 结论

本研究通过分析3个种源葛藤种质进行低磷胁迫后的5种内源激素的变化,发现葛藤根脱落酸随磷浓度降低而降低,葛藤叶脱落酸含量先降低后增加;葛藤根赤霉素、玉米素、生长素、独角金内酯含量呈相同变化,随磷浓度降低而增加,葛藤叶赤霉素、生长素随磷浓度降低而增加,葛藤叶玉米素、独角金内酯随磷浓度降低先增加后降低。