铝毒和低磷胁迫对水稻幼苗生长？根系有机酸分泌的影响

王瑞琳等

摘要[目的]为明确低磷、铝毒单独及复合胁迫下，不同水稻品种生理响应的差异。[方法]采用营养液培养试验，以秀水132（耐铝型）和甬优8号（铝敏感型）为材料，研究了各胁迫下幼苗干物质积累、光合能力和根系有机酸分泌量。[结果]低磷、铝毒胁迫下根系和地上部干重、叶绿素含量、光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著下降。低磷铝毒复合胁迫下幼苗干重及光合参数值均显著低于单一胁迫处理；酒石酸、苹果酸、柠檬酸和乙酸是根系各处理下分泌的主要有机酸。低磷、铝毒胁迫下根系乙酸、苹果酸和柠檬酸分泌量增加，复合胁迫时根系3种有机酸的分泌量高于单一胁迫处理。低磷、铝毒胁迫下水稻幼苗干重、光合能力及根系有机酸分泌存在显著的基因型差异。各胁迫下甬优 8 号植株干重和光合参数的下降幅度高于秀水 132，而秀水132根系有机酸分泌量的增幅大于甬优 8 号。[结论]低磷铝毒复合胁迫引发水稻幼苗更严重的生理代谢抑制，以甬优8号表现更明显；复合胁迫下根系有机酸分泌量高于单一胁迫，以秀水132增幅更大。

关键词水稻；低磷；铝毒；干重；光合参数；有机酸分泌

中图分类号S511文献标识码

A文章编号0517-6611（2014）06-01603-04

Abstract [Objective] The experiment was focused on the physiological response of two rice genotypes differing in Al tolerance to the treatments of phosphorus （P） deficiency and aluminum （Al） toxicity single and combinationed stresses. [Method] Hydroponic experiment was undertaken to study the seedlings growth， photosynthetic capacity and secretion of organic acid （OA） in the roots of rice cultivars exposed to the stress solution. [Result] P deficiency and Al toxicity both inhibited plants dry matter accumulation， significantly decreased chlorophyll content， photosynthetic rate， stomatic conductance and transpiration rate. P deficiency aggravated Al toxicity to the dry matter accumulation and photosynthetic capacity of rice seedlings. Tartaric acid malic acid， citric acid and acetic acid were the main OA secreted by rice roots irrespective of treatments. The secretions of malic acid， citric acid and acetic acid increased under P deficiency or Al stress， and the secretions were promoted when both excessive Al and P deficiency were present. There was significant cultivars difference in seedlings growth and OA secretion in response to P deficiency and Al toxicity， thus more severe growth inhibition was observed in Yongyou 8， while more OA secretion was detected in Xiushui 132. [Conclusion] Combination of Al and low P caused serious disturbance of physiological metabolisms， especially for Yongyou 8. Further， it induced powerful OA secretion and the more was observed in Xiushui 132.

Key words Rice； Phosphorus deficiency； Aluminum toxicity； Dry weight； Photosynthetic parameters； Secretion of organic acid在酸性紅壤中，有效磷（P）含量低和铝（Al）离子活性高是限制作物生长的主要因素[1-2]。植物铝毒害最典型的症状是根系生长受抑制，进而影响根际养分的有效性，并且导致一些代谢关键酶的活性异常[3-4]。低磷胁迫可抑制植物干物质积累，降低叶面积，并且引发光合效率下降和生化代谢途径改变等[5-6]。植物可通过一定的形式避免或忍受逆境胁迫，其中根系分泌低分子量有机酸被认为是较有效的耐铝及耐低磷胁迫机制之一[7]。铝胁迫下耐铝植物根系分泌大量的有机酸，可在根区与铝螯合，减少铝进入细胞的量，降低铝毒性。磷效率低的酸土作物根系也会分泌大量的有机酸，以活化土壤中磷素[8]。此外，根系分泌的有机酸由于其分子结构及荷电特性，影响土壤中的许多过程，对植物根际营养具有重要的作用。

目前，关于低磷和铝毒单一胁迫对植物生长、代谢的毒害及植物产生的抗性机制已有许多报道。虽然研究低磷和铝毒复合胁迫的生态意义更大，但关于二者复合胁迫下水稻生长、根系有机酸分泌情况的报道不多见。水稻作为我国主要的粮食作物，其耐铝性相对较强，但不同品种间的耐铝性差异很大。笔者利用前期筛选获得的耐铝性差异较大的水稻品种为材料，研究了低磷、铝毒单独及复合胁迫条件下植株生长、光合能力及根系有机酸分泌种类和数量，旨在鉴定不同耐铝水稻品种的耐低磷能力，明确不同品种胁迫下有机酸分泌情况，为水稻耐酸土机制研究提供参考。

1材料与方法

1.1材料培养与处理

试验于学院实验基地进行。所用水稻品种由中国水稻所提供，并经前期依据植株生长情况对近 60 个品种进行耐铝性筛选而得。供试材料分别为耐铝水稻品种秀水 132 和铝敏感品种甬优 8 号。

每个处理取 5 株完整植株，将其根系于早上 9：00静置在自来水中0.5 h，然后依次用自来水、蒸馏水和去离子水轻轻清洗5～10次后，放置在 500 ml 含百里酚（微生物抑制剂）、0.5 mmol/L CaCl2 的溶液中，自然光下收集 5 h。根系分泌物收集液经中速滤纸过滤后，用 DEAE 纤维素层析柱浓缩，然后采用反向高效液相色谱（RPHPLC）法测定根系分泌物样品中的草酸、酒石酸、苹果酸、乙酸、柠檬酸和琥珀酸等有机酸含量[9]。

1.3数据统计试验数据均为3次重复的平均值。数据采用 SPSS 13.0（SPSS Inc.，19892004）软件进行 ANVOA 方差分析和多重比较。

2结果与分析

2.1植株干重

由图1可知，低磷、铝毒单独及复合胁迫下2个水稻品种植株生长均显著受到抑制。铝胁迫下根系短粗，呈褐色，表现出较明显的中毒症状，导致根系干重显著下降，而地上部干重的降幅相对较小，如单一铝胁迫下2个品种平均根系和地上部干重分别下降为对照组的64.8%和80.7%。低磷胁迫时水稻根系生长与对照组差异不大，但地上部生长明显受到抑制，如单一低磷胁迫下2个品种平均根系和地上部干重分别下降为对照组的 90.4% 和 71.9%。低磷和铝毒复合胁迫时各器官干重均在0.05水平显著低于单一胁迫水平。由此可见，胁迫处理下甬优 8 号根系和地上部干重下降幅度均高于秀水 132。

2.3有机酸分泌量由图2可知，

水稻根系分泌物中可检测出酒石酸、苹果酸、柠檬酸、草酸、乙酸，其中各处理下草酸分泌量均较低，酒石酸分泌量虽较高但较恒定，2种有机酸各处理间分泌量差异均不显著。受胁迫影响分泌量变幅较大的是柠檬酸、苹果酸和乙酸，且三者的变化趋势相似，即各胁迫处理均导致3种有机酸的分泌量显著增加，增幅以铝毒和低磷复合胁迫下最高，其次为单一低磷处理，再者为单一铝毒处理。比较3种有机酸含量，可见乙酸受胁迫影响的增幅最大，其次为苹果酸，柠檬酸增幅相对最小，如复合胁迫下甬优8号根系乙酸、苹果酸和柠檬酸分泌量分别为对照组的649、5.26、3.61倍，秀水132 根系乙酸、苹果酸和柠檬酸分泌量分别为对照组的8.16、6.91、4.75倍。比较不同品种，可见胁迫处理下 3 种有机酸的分泌量均以秀水 132 高于甬优 8 号。

3讨论

研究中，低磷和铝毒胁迫均显著抑制水稻幼苗根系和地上部生长，但铝毒主要影响根系生长，而低磷胁迫主要抑制地上部生长。这与 Tan等[10] 的报道一致。他们发现，0.4 mg/L Al 和低于正常水平的 P 供应分别导致高粱植株根系和地上部生长严重受抑制。与甬优 8 号相比，各种胁迫下秀水 132 植株干重降幅较小。这表明从水稻種质中筛选获得兼耐铝和低磷胁迫的品种是可行的。低磷和铝毒复合胁迫对水稻幼苗生长的抑制效应强于单一胁迫水平，表明低磷和铝毒对水稻幼苗干物质积累的抑制呈正协同效应。

胁迫环境会影响植物叶片的生理生化功能。该研究表明，低磷和铝毒处理下2个水稻品种叶片叶绿素含量、光合速率、气孔导度和蒸腾速率等光合参数均显著下降。相比叶绿素含量，光合速率的降幅更显著。叶绿素含量的下降可能是由于胁迫环境使得叶绿素酶活性增加，导致叶绿素分解加快[11]。由于叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素含量下降必然会影响植物的光合能力。同时，胁迫环境下叶片气孔的保卫细胞会因失水而导致气孔缩小，进而影响叶片的气孔导度。气孔导度的下降影响CO2 进入，也会影响光合速率，并使水分向外排放的阻力增大，导致蒸腾速率下降。此外，胁迫逆境也会降低光合的关键酶 Rubisco 活性[12]，影响光合系统对光能的吸收、转变以及构成光合系统所需物质的合成及叶绿素结构的破坏等[13]，最终导致叶片的光合能力下降。低磷和铝毒复合胁迫时各光合参数均在0.05水平显著高于单一胁迫处理，表明低磷加强铝毒对叶绿素的破坏和光合能力的抑制作用。2个品种间相比，胁迫处理下甬优 8 号叶绿素含量、光合速率、气孔导度和蒸腾速率均低于秀水 132。这些均表明秀水 132 抗低磷、铝毒胁迫的能力更强。

众多研究表明，铝毒和低磷胁迫下根系分泌低分子量有机酸是植物主要的耐性机制之一[14-15]。根系分泌的有机酸可螯合铝离子，其中柠檬酸、草酸和酒石酸能与铝形成稳定的环状结构，是较强的铝解毒剂；苹果酸、丙二酸、水杨酸与铝形成复合物的稳定性稍低，是中等铝解毒剂；琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、邻苯二甲酸则是弱解毒剂[16]。根系分泌的有机酸还可将 P 从 FeP、AlP 复合物中释放出来，增加 P 的有效性。此外，植物本身分泌的有机酸也可以被植物再吸收利用，有利于植物营养元素的物质循环和能量流动。研究表明，酒石酸、苹果酸、乙酸和柠檬酸是水稻根系各处理下分泌的主要有机酸。铝毒和低磷胁迫下2个品种苹果酸、柠檬酸和乙酸的分泌量增加，增幅最大的为乙酸，其次为苹果酸，柠檬酸变幅相对较小。由于乙酸为弱解毒剂，水稻根系主要通过增加苹果酸和柠檬酸分泌量以缓解毒害。类似地，杨建立等[17] 研究发现，铝胁迫下小麦根系可分泌大量苹果酸，保护根尖不受铝的毒害；Ma 等[18] 发现，铝胁迫可刺激决明根系柠檬酸分泌量的增加；黎晓峰[19] 报道，铝诱导下水稻根系柠檬酸分泌量增加。试验中低磷胁迫根系分泌有机酸量也增加，且高于铝毒害处理。关于低磷胁迫下植物根系有机酸分泌也有许多报道，如 Zhang 等[20-21]发现低于正常水平的磷供应可促进小萝卜和油菜根系苹果酸和柠檬酸的分泌量显著增加；李德华等[22] 指出，低磷处理后水稻根系苹果酸等有机酸分泌量增加，尤其是耐低磷材料。但是，Wang 等[23] 报道，低磷和铝毒胁迫下白羽扇豆根系虽分泌柠檬酸，但分泌的部位不同，低磷胁迫下柠檬酸分泌部位为集群根，而铝毒胁迫时集群根和侧根均分泌柠檬酸。此外，研究还发现各胁迫下耐铝品种秀水132根系分泌的有机酸量均高于铝敏感品种甬优 8 号。这与前人的报道一致，即大豆耐铝性与其根系分泌有机酸量密切相关，耐铝品种分泌量更多[24]；柠檬酸和苹果酸分泌量与玉米耐铝性密切相关[25]。在低磷和铝毒复合胁迫下，2个水稻品种根系苹果酸和柠檬酸的分泌量均高于单一铝毒或低磷处理。同样，Li 等[26] 发现，与单一胁迫相比，低磷和铝毒复合处理时柱花草根系柠檬酸分泌量显著增加。Liao等[24，27]报道，低磷和铝毒复合胁迫下2种豆科植物——大豆和白羽扇豆根系柠檬酸分泌量增加。但是，Jemo等[28]指出，铝毒害可促进豇豆根系分泌苹果酸，低磷和铝毒复合胁迫下仅可促进耐铝品种根系苹果酸分泌量的增加。低磷和铝毒是酸土的2个主要植物生长限制因素。该研究对于明确酸土毒害及作物耐酸土胁迫机制具有重要意义。

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