低磷脅迫對葛藤根與葉內源激素的影響

雷 耀,張淑煒,席 溢,張 莉,成啟明,李茂雅

(貴州大學動物科學學院, 貴陽 550025)

磷是作為植物生長必需的營養元素,以多種方式參與植物體內各個生長過程,是影響植物生長發育、抗逆性、產量和品質的重要因素[1]。土壤存在大量的有機磷和無機磷,但這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響農業發展的重要因素[2,3]。植物內源激素對植物生長及發育起著重要的調節作用,影響植物生長發育過程。脫落酸(ABA)能通過植物蛋白的基因表達提高植物的抗逆性[4];高等植物內源赤霉素(GA3)水平能夠影響植物的光合作用,提升內源赤霉素水平能提升植物的光合活性[5];玉米素(ZR)在逆境脅迫下能促進過氧化物酶增加,提高植物抗逆性[6];生長素(IAA)幾乎參與了調控植物生長發育的各個過程[7];獨角金內酯(SLs)能調節植物的分枝和側芽的生長[8]。因此,研究逆境脅迫下植物內源激素的變化具有重要意義。外界因素影響植物激素的含量,養分供應可以影響植物激素的合成和降解[9]。有研究表明低磷脅迫下,甜瓜地上部脫落酸和獨角金內酯含量增加[10];杉木幼苗根系玉米素含量明顯降低,生長素和脫落酸的含量明顯增加[11];刺梨的根和葉中脫落酸、生長素和玉米素含量明顯增加[12];陳波浪等的研究表明,低磷脅迫促使棉株體內的脫落酸含量顯著提升[13]。

葛藤(Puerarialobate),又名野葛,為蝶形花科葛藤屬,是多年生藤本植物。葛藤具有很強適應性,具有耐寒、抗旱、耐瘠薄等優點。葛藤根系十分發達,扎根深,能有效改良土壤結構,有效防止徑流和侵蝕、保水保土、防風固沙,有助于喀斯特地區的生態恢復,此外,葛藤地上生物量高,營養豐富,是極具開發潛力的綠色飼料植物[14,15]。

葛藤的研究主要集中在飼用[16]、藥用[17]、生態價值[18]等方面,而關于葛藤低磷脅迫對內源激素的影響少見報道。本研究以3個不同來源葛藤材料為研究對象,通過水培法探究葛藤幼苗期在不同磷營養水平下的5種內源激素(ABA、GA、ZT、IAA、SLs)變化,通過分析不同磷營養水平下葛藤內源激素的含量,了解植物激素與磷營養的關系,以期助推葛藤種質資源的利用和耐低磷品種選育,為進一步指導葛藤生產實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選取3個種源的葛藤種子為試驗材料,分別來自于澳大利亞(Austrilia,A),由江蘇岡仁波齊種業有限公司提供;中國江蘇(Jiangsu,J),由江蘇種業科技有限公司提供;湖南(Hunan,H),湖南種子市場。

1.2 試驗方法

葛藤種子用 NaClO(3%)浸泡20 min后,用超純水進行沖洗3～4次,室溫條件下浸泡種子6 h后,將種子置于光照培養箱(光照14 h/10 h、溫度25 ℃/22 ℃)中培養催芽。當長出2葉1心時移入塑料盆(長49.5 cm×寬20 cm×高15 cm)中進行培養。移苗時使用1/2營養液,5 d后換為全營養液,全營養液培育2個星期后進行低磷處理。

3個種源葛藤幼苗在恒溫培養下進行脅迫,設置常磷(0.5 mmol·L-1KH2PO4)、低磷(0.05 mmol·L-1KH2PO4)、極低磷(0.005 mmol·L-1KH2PO4)3個試驗水平,共計9個處理,每個處理設3次重復,共計27盆。每3 d換1次營養液,隨機移動每盆葛藤位置,減少環境因素的影響。營養液成分均相同(見表1),pH值在6.0至6.2之間。

表1 營養液成分及濃度

1.3 激素測定方法

用酶聯免疫法檢測植物內源激素。采用雙抗體一步夾心法酶聯免疫吸附試驗(ELISA)。往預先包被植物生長素(IAA)捕獲抗體的包被微孔中,依次加入樣品、標準品、HRP標記的檢測抗體,經過溫育并徹底洗滌。用底物TMB顯色,TMB在過氧化物酶的催化下轉化成藍色,并在酸的作用下轉化成最終的黃色。顏色的深淺和樣品中的植物生長素(IAA)呈正相關。用酶標儀在450 nm波長下測定吸光度(OD值),計算樣品濃度。其他指標檢測原理及步驟同上。

1.4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2013進行數據整理及繪圖,應用SPSS 25.0軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 低磷脅迫對葛藤脫落酸的影響

脫落酸含量如圖1A所示,葛藤根脫落酸含量常磷和極低磷條件均為江蘇葛藤含量最高,低磷條件澳大利亞含量最高;葛藤葉脫落酸含量常磷、低磷和極低磷條件均為澳大利亞葛藤含量最高。江蘇葛藤、澳大利亞葛藤和湖南葛藤根低磷條件的脫落酸含量顯著低于常磷條件(P<0.05),分別減少了47.43%、14.19%和22.62%;江蘇葛藤與湖南葛藤葉的脫落酸含量低磷條件顯著低于常磷條件(P<0.05),分別減少了59.78%、63.52%,澳大利亞葛藤葉的脫落酸含量極低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),增加了19.25%。

注:不同大寫字母表示不同磷處理下同一種源間差異在P<0.05水平顯著;不同小寫字母表示相同磷處理下不同源間差異在P<0.05水平顯著。(A):脫落酸;(B):赤霉素;(C):玉米素;(D):生長素;(E):獨角金內酯圖1 葛藤內源激素含量變化情況

2.2 低磷脅迫對葛藤赤霉素的影響

赤霉素含量如圖1B所示,葛藤根赤霉素含量常磷和低磷條件均為湖南葛藤含量最高,極低磷條件江蘇葛藤最高;葛藤葉赤霉素含量常磷條件為江蘇葛藤含量最高,低磷和極低磷條件均為澳大利亞葛藤含量最高。江蘇葛藤、澳大利亞葛藤和湖南葛藤根的赤霉素含量極低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),分別增加了43.80%、13.19%和10.65%;江蘇葛藤、澳大利亞葛藤和湖南葛藤葉的赤霉素含量極低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),分別增加了24.31%、37.64%和49.97%。

2.3 低磷脅迫對葛藤玉米素的影響

玉米素含量如圖1C所示,葛藤根玉米素含量常磷、低磷和極低磷均為澳大利亞葛藤含量最高;葛藤葉玉米素含量常磷、低磷和極低磷條件分別為湖南葛藤、澳大利亞葛藤和江蘇葛藤含量最高。江蘇葛藤、澳大利亞葛藤和湖南葛藤根的玉米素含量極低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),分別在增加了31.93%、18.56%和34.06%;江蘇葛藤、澳大利亞葛藤和湖南葛藤葉的玉米素含量極低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),分別增加了31.18%、27.62%和15.55%。

2.4 低磷脅迫對葛藤生長素的影響

生長素含量如圖1D所示,葛藤根生長素含量常磷、低磷和極低磷條件均為湖南葛藤含量最高;葛藤葉生長素含量常磷條件為澳大利亞葛藤含量最高,低磷和極低磷條件均為湖南葛藤含量最高。江蘇葛藤、澳大利亞葛藤和湖南葛藤根的生長素含量極低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),分別增加了94.43%、60.30%和34.43%;江蘇葛藤、澳大利亞葛藤和湖南葛藤葉的生長素含量極低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),分別增加了75.17%、21.35%和72.1%。

2.5 低磷脅迫對葛藤獨角金內酯的影響

獨角金內酯含量如圖1E所示,葛藤根獨角金內酯含量常磷和低磷條件均為江蘇葛藤含量最高,極低磷條件為澳大利亞葛藤含量最高;葛藤葉獨角金內酯含量常磷和低磷條件均為澳大利亞葛藤含量最高,極低磷條件為江蘇葛藤含量最高。江蘇葛藤、澳大利亞葛藤和湖南葛藤根的獨角金內酯含量極低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),分別增加了11.53%、56.43%和43.09%;葛藤葉獨角金內酯含量江蘇葛藤與澳大利亞葛藤低磷條件顯著高于常磷條件(P<0.05),分別增加了21.61%、34.68%,湖南葛藤葉的獨角金內酯含量無顯著差異(P>0.05)。

3 討論

3.1 低磷脅迫對葛藤脫落酸的影響

有研究表明,隨干旱脅迫增強苜蓿[19]、銀杏[20]、核桃[21]等植物根系中脫落酸含量均表現為先增加后減少,海棠[22]在鹽脅迫下及馬鈴薯[23]在水分脅迫下根系中脫落酸含量顯著增加,地上部增幅弱于根系,這可能是由于ABA作為一種信號物質,由根系迅速感知脅迫信號,以ABA的形式將干旱信息傳遞到地上部,使植株代謝活動減弱,進而在形態和生理等方面發生與脅迫相適應的變化。在本研究中,葛藤根系脫落酸含量隨磷脅迫增強呈現先降低后增加的變化,這與前人研究結果存在差異,這可能是由于本研究中葛藤具有較強的耐低磷能力,低磷條件尚未對葛藤形成脅迫有關,尚待進一步研究驗證。在極低磷條件下,葛藤根系脫落酸含量顯著增加,地上部增幅弱于根系,這與前人研究結果一致。

3.2 低磷脅迫對葛藤赤霉素的影響

葉思誠[24]研究油茶對低磷脅迫的響應發現,低磷脅迫能夠有效提高油茶根系赤霉素含量,此外,劉輝等[25]通過研究低磷脅迫對大麥內源激素的影響發現低磷脅迫對赤霉素有較大影響,低磷脅迫會導致大麥赤霉素含量增加。Devaiah等[26]人研究發現磷供應不足能夠提高赤霉素含量,這與本研究結果一致。本研究發現葛藤赤霉素含量隨磷脅迫增強含量增加,葛藤根與葉呈現相同變化。

3.3 低磷脅迫對葛藤玉米素的影響

有研究表明,葡萄苗[27]內玉米素含量隨鹽脅迫增強逐漸降低,壇紫菜[28]在高溫脅迫下玉米素逐漸減少,此外,鄒顯花等[29]人研究發現低磷脅迫下杉木玉米素含量顯著降低。本研究發現葛藤玉米素含量隨磷濃度降低,玉米素含量增加,這與前人研究結果不一致,這可能與葛藤耐低磷能力較強有關,尚需進一步驗證。

3.4 低磷脅迫對葛藤生長素的影響

有研究表明,生長素有利于提高植物對不良環境的適應能力,提高植物抗逆性[30]。在高溫脅迫下,植物生長素含量增加[31]。方義生[32]對大豆脫水脅迫的研究也發現,隨脅迫增強,生長素含量增加。研究表明,低磷脅迫下生長素可以調控根系構型,引起植株內部干物質重新分配,使大量的同化物運輸至根系以滿足側根發生[33]。生長素含量增加是由于植物為應對低磷脅迫,使生長素合成增加,通過極性運輸至根部促進根系生長,根部生長素含量也增加。這與本研究結果相符,在低磷脅迫下葛藤生長素含量有較大幅度的增加。

3.5 低磷脅迫對葛藤獨角金內酯的影響

獨腳金內酯屬于萜類小分子化合物,是部分天然的獨腳金醇類化合物和人工合成類似物的總稱,是新型植物激素之一[34]。獨角金內酯參與調控植物的許多生理過程,如調節控制株高、光形態建成、葉片形狀大小、花青素葉綠素累積、根系形態等,此外還響應植物對鹽、干旱、低磷等非生物脅迫[35]。有研究表明,甜瓜[10]根系獨角金內酯隨磷脅迫加強含量增加,葛藤葉獨角金內酯含量先增加后減少,這與本研究結果一致。這是由于根系中獨角金內酯合成基因顯著上調表達,促進根系中獨角金內酯含量增加,根系中獨角金內酯通過木質部轉運至地上部,抑制地上部的分支和生長,因此地上部獨角金內酯含量先增加后減少[36]。

4 結論

本研究通過分析3個種源葛藤種質進行低磷脅迫后的5種內源激素的變化,發現葛藤根脫落酸隨磷濃度降低而降低,葛藤葉脫落酸含量先降低后增加;葛藤根赤霉素、玉米素、生長素、獨角金內酯含量呈相同變化,隨磷濃度降低而增加,葛藤葉赤霉素、生長素隨磷濃度降低而增加,葛藤葉玉米素、獨角金內酯隨磷濃度降低先增加后降低。