磷脅迫對不同基因型魔芋組培苗生長及生理生化特性的影響

王自布+陳相為+李浩

摘要：旨在探討不同磷水平對魔芋生長及相關生理特性的影響，為發掘磷高效魔芋提供科學依據。以貴州喀斯特山區農戶種植的花魔芋和白魔芋組培苗為材料，采用沙培方法研究不同磷水平（正常供磷、低磷）下2種魔芋的生長及生物量大小、根長、葉片的氧化酶活性、可溶性蛋白含量和淀粉含量。結果表明：在相同磷濃度下，花魔芋與白魔芋的部分生物性狀、生理性狀顯著不同；在生長特征方面，在高磷條件下，與花魔芋相比，白魔芋的根長極顯著降低，株高顯著降低；在低磷條件下，與花魔芋相比，白魔芋株高、根長均極顯著降低，根冠比顯著下降；在生理特征方面，在相同供磷條件下，與花魔芋相比，白魔芋葉片可溶性蛋白含量、淀粉含量、抗氧化酶活性均有一定的變化?？梢钥闯?，基因型不同的魔芋在不同磷環境下表現出不同的磷利用能力，且花魔芋表現出更強的磷高效利用能力。

關鍵詞：魔芋；基因型；組培苗；磷脅迫；生長特性；生理特性

中圖分類號： S632.301文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0251-03

研究磷脅迫下不同基因型魔芋的生長情況及其與磷相關的生理生化特征，可以為磷高效魔芋種質資源的開發提供科學的理論依據。魔芋是貴州省名、優、特農作物之一，總產量居全國前列，是貴州山區魔芋種植戶脫貧致富的一個特色產業[1]。但是對于生長在喀斯特區域的植物來說，由于喀斯特地區的偏堿性環境及較多的鈣離子，能直接被植物吸收利用的有效磷被土壤礦物質緊密結合而導致其活性降低，從而極易成為影響植被生長的限制因子而導致植被的退化，這正是喀斯特石漠化的重要前提[2]，植物受到這種地貌特征的影響，要吸收到足夠的磷十分不易，尤其是魔芋的種植戶習慣把魔芋種植在林下或套種以節省有限的土地資源。在這種條件下，土壤缺磷是作物生產的限制因素之一[3]。磷又是不可再生的資源，全球磷礦資源有限。據美國地質調查局統計，預測全球磷礦資源將在50～100年內面臨耗竭的危險。已有很多研究表明，不同物種、品種、種源及無性系之間對磷的利用效率存在顯著的差異，高磷效品種具有自身特有的低磷適應機制，在整個農林業面臨著土地資源有限、大量施肥帶來資源浪費和環境污染的情況下，開展魔芋低磷脅迫研究、充分發揮魔芋自身潛力、改良魔芋磷素營養性狀，是提高魔芋對土壤磷吸收利用的一個重要途徑。尤其是在喀斯特區域開展魔芋低磷脅迫研究，將為地區魔芋高磷效率品種篩選壓力、指標和磷脅迫程度評價指標等積累資料，為發掘魔芋自身的高效磷利用能力、提高魔芋磷利用效率、促進魔芋低磷育種和栽培管理技術升級提供科學依據和技術支撐，對節約資源、保護環境和降低魔芋生產成本具有重要的現實意義。

植物在低磷脅迫時，其在性狀以及生理生化等方面均會發生變化，最終將會影響植物的生長發育進而影響植株的生物產量[4-7]。研究發現，低磷對植物的生長發育具有影響，能夠增加葉片與根系中淀粉含量，植物地上部和根系的生長均明顯減緩[8]。在逆境脅迫時（如干旱、鹽分、污染物等），可溶性蛋白的合成也會受到抑制或促進[9-10]。另外，逆境脅迫也會導致植物體內的保護酶系統發生改變，如過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）及超氧化物歧化酶（SOD）等活性提高[11-13]。我國學者研究了不同植物包括玉米[14]、松樹[15]、番茄[12]、油茶[16]、馬鈴薯[17]等的磷利用情況，將一些生理生化特點作為評價和篩選耐低磷品種的指標。但是魔芋的耐低磷篩選指標的研究目前還沒有統一的標準，而魔芋又是貴州喀斯特山區分布較廣的經濟作物，種質資源豐富，目前還缺乏對這些資源在不同磷脅迫下生長狀況和生理特征方面的研究。為此，本試驗選擇貴州喀斯特山區農戶種植的不同基因型的魔芋為試驗材料，以前期獲得的盆栽組培苗為研究對象，探討不同磷水平對不同基因型魔芋在生長狀況、根、莖、葉、葉片可溶性蛋白含量、淀粉含量、酶活性方面的影響，以期為魔芋磷高效資源的篩選和評價指標提供參考依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗材料來源于貴州師范學院組培實驗室培養的花魔芋、白魔芋組培苗。

1.2試驗方法

選擇大小一致的組培苗，洗去根部粘連的培養基，用1%次氯酸鈉溶液消毒10 min左右，再用去離子水沖洗2～3次，栽培在基質中統一煉苗。然后選擇整齊度均勻的幼苗室外盆栽，塑料盆大小為30 cm×25 cm，每盆裝沙、蛭石、珍珠巖，按照1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1進行混合；設置2個磷素水平[低磷（1.0 μmol/L磷酸二氫銨）、高磷（1.0 mmol/L磷酸二氫銨）]；定期定量地進行營養液澆灌管理。營養液組分濃度：4.0 mmol/L硝酸鈣、5.0 mmol/L硝酸鉀、2.0 mmol/L硫酸鎂、1.0 mmol/L磷酸二氫銨、0.1 mmol/L EDTA-Fe、0.01 mmol/L氯化錳、0001 mmol/L硫酸銅、0.001 mmol/L硫酸鋅、0.033 mmol/L硼酸、0.000 2 mmol/L鉬銨酸；低磷的營養液中磷酸二氫銨濃度為1.0 μmol/L，缺少的氮以硝酸銨補齊。每個處理3個重復（單位：盆），每個重復20盆。待魔芋葉片全展開后取樣測定。

1.3指標測定

每個重復取1株，用去離子水洗凈，吸水紙吸凈表面水分，測定株高、根長、莖粗，計算葉面積，再將植株分為地上部、地下部2個部分，分別稱質量。然后將樣品用液氮處理5 min左右，保存于-80 ℃冰箱中備用。魔芋CAT、SOD活性測定參考蘇賀等方法[18]；用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量；POD活性測定參照李合生的方法[19]。

1.4數據處理

數據整理采用Excel 2003 軟件，采用SPSS18.0進行方差分析和相關性分析。

2結果與分析

2.1不同磷處理對魔芋生長的影響

由表1可以看出，本試驗中魔芋的7個性狀中只有株高和根長受魔芋基因型影響，達顯著或極顯著差異，其他幾個性狀與基因型無關。磷水平對魔芋地下鮮質量沒有影響，其他幾種性狀均受磷水平的影響，分別達到了顯著或極顯著水平。試驗中7個性狀均受基因型和磷水平交互作用的影響，分別達到了顯著或極顯著水平。

由表2可知，株高在高磷水平下均高于低磷水平，同一磷水平下不同基因型間差異達到顯著或極顯著水平；根長在低磷條件下，明顯高于正常供磷的水平；根冠比在低磷水平差異顯著；其余性狀差異均沒有達到顯著水平。

3結論與討論

磷是植物生長的必需營養元素之一，可參與植物的光合作用、呼吸代謝、能量轉化、信號轉導、生物大分子合成以及酶活性的調節等，在植物整個新陳代謝過程中扮演著十分重要的角色[20]。研究發現，當外界磷有效性較低時，植物能夠將更多的碳源分配到根系，促進根系生長，提高根冠比[21]。在本試驗中，低磷條件下魔芋根系長度明顯高于正常供磷水平；而低磷處理的根冠比要比正常供磷的處理大，但是差異沒有達到顯著水平。除此之外，全展葉葉面積對魔芋生物量的影響具有決定意義。在低磷條件下，花魔芋葉面積、莖粗、地上鮮質量、地下鮮質量、可溶性蛋白含量以及淀粉含量均高于白魔芋，花魔芋表現出磷高效利用能力。

輕微逆境能刺激保護酶系統活性的提高，且在不同植株體內反應能力不同[22]。本試驗中，魔芋基因型極顯著地影響SOD活性，顯著影響POD活性，但是對CAT活性沒有顯著影響。磷水平對SOD、POD活性均達到了極顯著的影響水平，對CAT酶活性沒有顯著影響?；蛐团c磷水平二者交互作用對3種酶活性影響不顯著。但是低磷水平時，花魔芋中只有POD活性高于白魔芋，而SOD活性變化不大，差異不顯著，這說明基因型對氧化酶活性的影響要高于磷水平的影響。低磷脅迫程度不同的魔芋葉片中酶活性的變化幅度不一致，表明保護酶的絕對活力與低磷脅迫無關，而變化幅度與低磷脅迫有關。這與王晶等在番茄中低磷脅迫結論一致[12]。

本試驗根據不同磷水平，觀察不同基因型的2種魔芋的生長狀況、根系長度和氧化酶活性變化，證實花魔芋具有很強的耐低磷脅迫能力及特性，對今后進一步深入研究花魔芋耐低磷脅迫的分子機理和將其作為磷高效種質資源加以利用提供了重要的線索和依據。

參考文獻：

[1]丁海兵，姜霞，鄧寬平，等. 貴州魔芋產業發展現狀、存在的問題及對策[J]. 貴州農業科學，2012，40（8）：226-230.

[2]劉方，王世杰，劉元生，等. 喀斯特石漠化過程土壤質量變化及生態環境影響評價[J]. 生態學報，2005，25（3）：639-644.

[3]陳磊，王盛鋒，劉自飛，等. 低磷條件下植物根系形態反應及其調控機制[J]. 中國土壤與肥料，2011（6）：1-12.

[4]周志春，謝鈺容，金國慶，等. 馬尾松種源對磷肥的遺傳反應及根際土壤營養差異[J]. 林業科學，2003，39（6）：62-67.

[5]Gilbert G A，Knight J D，Vance C P，et al. Proteoid root development of phosphorus deficient lupin is mimicked by auxin and phosphonate[J]. Annals of Botany，2000，85（6）：921-928.

[6]Neumann G，Massonneau A，Langlade N，et al. Physiological aspects of cluster root function and development in phosphorus deficient white lupin（Lupinus albus L.）[J]. Annals of Botany，2000，85（6）：909-919.[HJ1.7mm]

[7]Baldwin J C，Karthikeyan A S，Raghothama K G. LEPS2，a phosphorus starvation-induced novel acid phosphatase from tomato[J]. Plant Physiology，2001，125（2）：728-737.

[8]Fredeen A L，Rao I M，Terry N. Influence of phosphorus nutrition on growth and carbon partitioning in Glycine max[J]. Plant Physiology，1989，89（1）：225-230.

[9]蔣繼志，王金勝. 分子生物學[M]. 北京：科學出版社，2011：200.[ZK）]

[10]李妮亞，高俊鳳，汪沛洪. 小麥幼芽水分脅迫誘導蛋白的特征[J]. 植物生理學報，1998，24（1）：65-71.

[11]李鍵，黃錦湖，洪滔，等. 低磷脅迫對雷公藤幼苗形態指標及生物量的影響[J]. 熱帶亞熱帶植物學報，2012，20（5）：482-488.

[12]王晶，韓曉日，戰秀梅，等. 低磷脅迫對番茄葉片膜脂過氧化及保護酶活性的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2005，11（6）：851-854.

[13]鄭金鳳，董少鳴，嚴小龍，等. 低磷脅迫對小麥代換系保護酶活性和丙二醛含量的影響及染色體效應[J]. 植物營養與肥料學報，2010，16（6）：1366-1372.

[14]張麗梅，郭再華，張琳，等. 缺磷對不同耐低磷玉米基因型酸性磷酸酶活性的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2015，21（4）：899-911.

[15]龐麗，張一，周志春，等. 模擬氮沉降對低磷脅迫下馬尾松生長和磷效率的影響[J]. 應用生態學報，2014，25（5）：1275-1282.

[16]張雪潔，譚曉風，袁軍，等. 磷脅迫對油茶幼苗光合生理指標的影響[J]. 西北農林科技大學學報：自然科學版，2013，41（7）：125-133.

[17]李錫寧，農蘭霞，牟科，等. 低磷脅迫下對轉[WTBX][STBX]AtGAPC2[WTBZ][STBZ]基因馬鈴薯株系的評價與篩選[J]. 四川農業大學學報，2015（2）：126-132.

[18]蘇賀，牛曉雪，陳小文，等. 低磷脅迫對轉基因抗蟲玉米苗期生長的影響[J]. 中國農業大學學報，2014，19（3）：63-72.

[19]李合生. 植物生理生化實驗原理和技術[M]. 北京：高等教育出版社，2000：184-185.

[20]梁翠月，廖紅. 植物根系響應低磷脅迫的機理研究[J]. 生命科學，2015，27（3）：389-397.

[21]Wang X R，Yan X L，Liao H. Genetic improvement for phosphorus efficiency in soybean：a radical approach[J]. Annals of Botany，2010，106（1）：215-222.

[22]孫彩霞，劉志剛，荊艷東. 水分脅迫對玉米葉片關鍵防御酶系活性及其同工酶的影響[J]. 玉米科學，2003，11（1）：63-66.