大豆根系分泌物和根细胞壁对难溶性磷的活化

1、沈 宏等：大豆根系分泌物和根细胞壁对难溶性磷的活化 635大豆根系分泌物和根细胞壁对难溶性磷的活化沈 宏，杨存义，范小威，严小龙华南农业大学植物营养遗传与根系生物学研究中心，广东 广州 510642摘要：探讨了不同磷效率大豆品种根系细胞壁和根分泌物对难溶性铝磷的活化与吸收能力。结果表明，砂培条件下，磷高效品种（巴西10号）对难溶性铝磷的吸收显著高于磷低效品种（本地2号）。铝磷处理条件下，根系总表面积巴西10号是本地2号的131%，而钾磷处理二者没有明显差异。根系细胞壁对铝磷的活化表明，大豆苗期根系细胞壁对铝磷的活化量显著高于成熟期。苗期、成熟期巴西10号对铝磷的活化量为本地2号的119%、17

2、6%。不同栽培方式根系细胞壁对铝磷的活化量表现为水培大于砂培，水培条件下两个大豆基因型对铝磷的活化量没有差异。不同生育时期、栽培方式根分泌物对铝磷的活化量表现为，成熟期大于苗期，砂培大于水培。巴西10号根分泌物对铝磷的活化量比本地2号分别高出69.3%（成熟期）和40.1%（砂培）。上述研究结果表明，大豆根分泌物和根细胞壁对难溶性铝磷的溶解具有促进作用，有利于大豆对铝磷的吸收。关键词：大豆；根分泌物；根细胞壁；铝磷；活化中图分类号：S154.4 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）04-0633-03大豆，俗称黄豆，属于豆科属作物，因其蛋白质含量高，深受人们喜爱。然而在酸性

3、红壤发展大豆生产，受到很多因素的限制。土壤有效磷含量低，就是其中限制因子之一，大部分磷以铝磷、铁磷形式存在，难以被植物利用1。依靠改良土壤和施用磷肥来改善作物的磷营养状况，需要投入大量的人力、物力和财力。因此，在改土施肥的同时，还需考虑植物特性。选育磷高效的大豆品种对大面积利用华南坡地红壤土壤具有重要意义2。不同来源的大豆基因型在磷吸收效率方面存在显著的基因型差异，为进一步研究大豆磷高效基因型的生理、分子基础及其遗传特性提供了可能。Ae等3认为落花生在低磷条件下能够比高粱等植物生长得更好的原因与其根系细胞壁内可能存在着磷溶解活性物质有关，并认为这种活性物质广泛地存在于多种植物的根系细胞壁中。S

4、hen等4研究表明，象草对铝磷的高量吸收与其根分泌物对铝磷的活化有关。然而大豆对难溶性磷的活化吸收是否也存在类似的机制还不清楚。本试验以不同来源大豆为材料，研究了大豆根系细胞壁和根分泌物对难溶性磷的活化与吸收。1 材料与方法本文以大豆品种巴西10号（来源于巴西）和本地2号(来源于华南本地区)为供试植物材料。供试磷源：磷酸铝（经过15次洗涤，可溶性磷含量为0.45 mg/g）和钾磷（磷酸二氢钾）。水培试验：将河沙中萌发3 d的大豆转入营养液生长，营养液组成除缺磷外，其它组分与Hogland营养液相同。每星期更换一次营养液，分别于第3周（苗期）、第10周（成熟期）取样分析，用于细胞壁活性物质的提取

5、。其具体方法如下3：将收获的大豆根系，在50 条件下烘干、粉碎、过100目筛。然后将所得根粉置于贴好滤纸的漏斗中，用0.5 mol/L的HCl淋洗5次，蒸馏水漂洗5次；再用丙酮淋洗3次，蒸馏水漂洗3次，并适时搅动。将洗好的细根连同滤纸置于40 下烘干即制得粗细胞壁。砂培试验与水培试验基本相同，不同之处在于大豆根系生长在石英砂中，用缺磷的Hogland营养液浇灌。取样时间及方法与水培相同。根系分泌物分别取不同生育时期大豆根系淋洗液（收集时间1 d），然后取其淋洗液活化难溶性磷。难溶性磷活化试验：用分析天平称取约0.1 g粗细胞壁，置于60 mL的塑料瓶中，再向塑料瓶中加入约0.06 g铝磷矿粉和

6、6 ml pH=5的醋酸缓冲液。盖紧瓶盖，放在恒温振荡器上振荡1 h（100 r/min，25 ）。将振荡液过滤，吸取0.5 mL过滤液于25 mL容量瓶中，用钼蓝比色法测定其中活化的可溶性磷。根系总表面积用扫描仪将根扫描存入计算机，再用根系图像分析软件Win RHIZO（Regent Instruments Inc, 加拿大）分析根表面积。2 结果与分析2.1 磷吸收与根系总表面积砂培条件下，研究了磷高效品种（巴西10号）与磷低效品种（本地2号）对不同磷源的吸收（图1a）。结果表明，生长7周后，取样分析发现，以速效性钾磷为磷源，巴西10号与本地2号在磷吸收方面没有明显差异。而铝磷条件下，巴西

7、10号的磷吸收是本地2号的172%。根系总表面积分析表明（图1b）：钾磷处理，两基因型根总面积没有差异；铝磷处理，巴西10号是本地2号为131%。为探讨巴西10号对铝磷具有较高的吸收的机制，在下面试验中，我们研究了根系细胞壁和根分泌物对铝磷的活化效果。2.2 根系细胞壁对磷酸铝的活化Ae 等研究表明3，落花生根系细胞壁对难溶性磷活化吸收具有重要作用。大豆根系细胞壁对铝磷的活化效果表明：大豆苗期根系细胞壁对铝磷的活化量显著高于成熟期。苗期、成熟期巴西10号对铝磷的活化量为本地2号的119%、176%（图2a）。不同栽培方式根系细胞壁对铝磷的活化量表ba0306090120150K-PAl-P磷吸

8、收量/(mg·株-1)Brazil 10Local 2 0200400600K-PAl-P根总表面积/(cm2·株-1)图1 大豆磷吸收（a）和总根表面积（b）ba020406080100苗期成熟期活化的磷/(mg·g-1)Brazil 10Local 2 050100150砂培水培活化的磷/(mg·g-1)图2 根细胞壁对铝磷的活化现为水培大于砂培，水培条件下两大豆基因型对铝磷的活化量没有差异（图2b）。水培条件根系生长没有阻力，而砂培条件根系生长过程中机械阻力较大，可能不利于细胞壁磷溶解活性物质的形成。2.3 根分泌物对磷酸铝的活化除研究根系细胞壁对

9、铝磷的活化作用外，我们还研究了根分泌物对铝磷的活化作用。比较砂培条件与水培条件收集根分泌物对铝磷的活化量表明（图3a和3b），巴西10号和本地2号砂培条件下收集的根分泌物对铝磷的活化量分别是水培条件的289%和243%。砂培条件下，不同生育时期，根分泌物对铝磷活化效果表现为：巴西10号和本地2号成熟期与苗期分别高出147%和105%。 3 讨论土壤有效磷低的条件下，大豆根系对难溶性磷源（如铁磷、铝磷）的活化能力对维持大豆正常生长具有重要意义。大豆根系对难溶性磷的活化能力影响因子比较多，如根分泌物的种类、数量、根细胞壁、根毛、边缘细胞等。本文比较了磷效率差异显著的巴西10号（磷高效）和本地2号（

10、磷低效）两个大豆品种，结果发现，铝磷条件下，巴西10号能吸收较多的磷，说明巴西10号在活化难溶性铝磷方面可能存在特别的机制。低磷条件下，大豆根表面积与总吸磷量呈正相关，根表面积的增长，增大了根与土粒的接触机会，有利于高效地吸收介质中的磷5；与本地2号相比较，巴西10号磷吸收增加了72%，而根表面积只增加了31%，表明除根系总表面积增加外，还有一些机制参与了巴西10号对铝磷的高量吸收。根系细胞壁对铝磷的活化效果发现，苗期巴西10号与本地2号的细胞壁对铝磷活化量，没有差异；而成熟期巴西10号显著高于本地2号，这一结果表明，在生育后期，巴西10号细胞壁对该大豆基因型对铝磷的高效率起了重要作用（图2）

11、。不同生育时期，大豆细胞壁对铝磷的活化作用苗期显著高于成熟期，这可能是由于大豆幼苗期的生长发育比较快，有利于细胞壁磷溶解活性物质的形成。水培条件下，大豆根系细胞壁对铝磷的活化能力显著高于砂培条件下的相应值，这可能与水培条件下，根系细胞壁生长环境受到的外界影响因子较小、生长介质比较均一，有利于细胞壁磷溶解活性物质的形成或降低活性物质的分解有关。有研究表明，该磷溶解活性物质具有耐高温（100）、耐碱不耐酸等性质3。从植物根系细胞壁中提取这种活性物质的最好条件是1.0 mol/L NaOH溶液，80 ，24 h，用HPLC技术鉴定发现构成这种活性物质的主要成分有两种6。至于这种活性物质具体是什么，其

12、结构性质如何，还有待于进一步的深入研究。根分泌物对铝磷效果表现为砂培大于水培，ba0204060水培砂培活化的磷/(mg·株-1)Brazil 10Local 2 0306090苗期成熟期活化的磷/(mg·株-1)图3 根分泌物对铝磷的活化这可能与砂培条件下，根系生长阻力较大，外源胁迫条件诱导根系分泌物的大量分泌，从而提高对铝磷的活化量。大豆生长的成熟期，大部分光合作用产物用于代谢过程，增加了代谢物的分泌，而苗期，大豆生物量较小，而且很大一部分光合产物要用于植物自身的合成需要，故大豆成熟期分泌物对铝磷活化高于苗期（图3）。上述结果表明，根分泌物和根细胞壁对难溶性磷活化具有一

13、定的促进作用，这为进一步从分子水平研究大豆根系对难溶性磷的活化提供了基础。参考文献：1 李庆逵. 中国红壤M. 北京: 科学出版社, 1985: 145-146.2 严小龙, 张福锁. 植物营养遗传学M. 北京: 中国农业出版社, 1997: 44-116.3 AE N, OTANI T. The role of cell wall component from groundnut roots in solubilizing sparingly soluble phosphorus in low fertility soilsJ. Plant Soil, 1997, 196: 265-270.

14、4 SHEN H, WANG X C, SHI W M, et al. Isolation and identification of specific root exudates in elephant grass (Pennis lium L.) in response to phosphorus deficiencyJ. Journal of Plant Nutrition, 2001, 24(7): 1117-1130.5 BORKET C M, BARBER S A. Effect of supplying P to a portion of the soybean root sys

15、tem on root growth and P uptake kineticsJ. Journal of Plant Nutrition, 1983, 895-910.6 SHEN R F, AE N. Extraction of P solubilizing active substances from the cell wall of groundnut rootsJ. Plant and Soil, 2001, 228(2): 243-252.Mobilization of sparingly soluble phosphates by root exudates and root c

16、ell wall of soybean seedlingsSHEN Hong, YANG Cun-yi, FAN Xiao-wei, YAN Xiao-longLab of Plant Nutritional Genetics and Root Biology Center, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, ChinaAbstract: Low P availability is one of the major limitations to crop production. How to improve P eff

17、iciency is the issue that scientific researchers in the field of soil science and plant nutrition are interested in. In this study, mobilization of aluminum-bound phosphate (Al-P) was examined by root cell wall and root exudates of two soybean genotypes with different P efficiency. Results with sand

18、 culture indicated that Brazil 10 had a higher Al-P uptake than the Local 2 did. Total root surface area of Brazil 10 was 131% of that in the Local 2 under Al-P treatment, while no difference under KP treatment. Mobilization of Al-P by root cell wall at seedling stage was significantly higher than that at mature stage. Al-P Mobilized by cell wall of Brazil at seedling and mature stages were 119 and 176% of those of the Local 2 respectively. The corresponding values under different cultivations were bigger under solution culture than under sand culture. However, no difference