低磷胁迫对麻竹幼苗叶片非结构性碳水化合物及抗氧化保护酶系统的影响

江瑞熠, 朱梦恬, 杨 靖, 韩永振, 何天友, 荣俊冬, 郑郁善, 陈礼光

(1.福建农林大学林学院;2.福建农林大学园林学院,福建 福州 350002)

我国南方以丘陵山地为主,土壤总磷含量高,但有效磷匮乏,从而限制了农作物生长[1-2]。磷作为植物生长必需的元素之一,不仅是植物体内生物膜、核酸及腺苷三磷酸(ATP)等物质的组成成分,还参与植物的呼吸作用、光合作用和信号传导等代谢过程,对植物的生长发育具有重要作用[3-5]。研究[6]表明,植物在缺磷的逆境中,形态、生理生化等方面都会发生显著变化,具体表现为植株矮小、叶片暗绿、根系发育受阻、分蘖减少等,生长和繁育受到严重威胁。但植物也具有适应逆境胁迫的能力[7]。低磷胁迫下,植物根系会分泌化学物质,影响根际土壤养分的有效性[8]。一些植物会通过调整根冠比等生物量分配来适应低磷环境[9-10]。同时,在逆境下,植物细胞膜脂质会受到活性氧自由基的伤害,可以通过调节抗氧化酶[超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)及过氧化氢酶(catalase, CAT)]活性来降低活性氧自由基对蛋白质、核酸及膜系统的破坏程度,保证植物正常的生长和繁育[11]。此外,低磷胁迫还会促使植物改变自身对养分的需求,协调植物体内的养分平衡[12]。

糖是植物体内的重要有机物,其存在形式广泛,不仅可作为呼吸底物为植物的生长发育提供能量,还可作为代谢中间产物通过代谢途径合成其他物质,是植物生长发育和基因表达的重要调节因子[13]。糖与植物激素类似,在信号转导过程中可作为第一信使调节基因表达、同化物分配以及细胞的分裂、分化和代谢[14]。研究[15-17]表明,植物在低磷环境中主要通过根系增生来增强对土壤磷的吸收能力,大豆、马铃薯、杉木等在低磷环境中还可以通过添加外源蔗糖来增加根尖数量、根系生物量,提高根系蔗糖和磷的含量。

麻竹(DendrocalcmuslatiflorusMunro)又名大头麻、六月麻,为牡竹属合轴丛生大型竹种,是我国南方主要栽种的笋材兼用竹种,分布在福建、广东、广西、云南、贵州等地[18]。这些地区的土壤主要为酸性红壤,其中铁、铝含量较高,施用磷肥后磷酸离子与土壤中的铁、铝发生反应,使磷的有效性降低[19]。相比于毛竹、雷竹等散生竹种,丛生竹对生长环境的要求更高,在实际生产中也会施用更多化肥,在这种环境下磷的有效性会被进一步减弱[20-21]。目前,麻竹在低磷逆境胁迫下的响应及作用机制仍不明确[22-23]。鉴于此,本研究选取麻竹实生幼苗进行室内控制条件下的低磷胁迫试验,分析低磷胁迫对麻竹幼苗叶片生理指标的影响,以期为揭示麻竹适应低磷胁迫的内在机制、提高抗逆性以及合理施磷等提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于福建农林大学(119°13′51.73″E,26°04′55.5″N),属亚热带季风性气候,全年冬暖夏凉,年平均日照1 755.4 h,无霜期360 d以上;年均温度19.9 ℃,最高温度42 ℃,最低温度0 ℃;空气相对湿度79%。

1.2 供试材料

供试材料为育苗期3个月的麻竹幼苗,种子购于云南珍竹农业科技有限公司。平均苗高(16.72±0.36) cm,平均地径(1.64±0.27) mm,盆栽基质土为泥炭土,每盆幼苗20～30株,共50盆。

1.3 试验设计

采用水培法进行室内控制条件下的低磷胁迫试验,营养液按照霍格兰配方配制。参考文献[24-25]进行低磷胁迫试验。用KH2PO4分别配制0.2、0.4、0.8和1.6 mmol·L-14个磷胁迫处理组(处理1～处理4),设置缺磷处理(0 mmol·L-1)为对照。挑选高度、长势基本一致的麻竹幼苗作为试验材料,每个处理10株。在胁迫试验中保证24 h不间断通气,并补充蒸馏水;添加0.1 mol·L-1HCl和0.1 mol·L-1NaOH溶液使得营养液的pH值达到5.8。为了防止污染,每4 d更换一次营养液。水培14 d后发现对照的麻竹幼苗植株生长瘦弱,色泽偏黄,叶片整体表现为暗绿色,部分叶片为紫红色,呈赤枯状,表现出明显的缺磷症状。在第14天采集麻竹幼苗的新鲜叶片,用冰袋保存,带回实验室,一部分制成干样,用于糖代谢指标的测定;另一部分保存在-80 ℃冰箱,用于酶活性的测定。

1.4 可溶性糖、还原糖、淀粉、纤维素含量的测定

采用蒽酮检测法在620 nm波长处测定可溶性糖、淀粉和纤维素的光密度;采用3,5-二硝基水杨酸检测法在540 nm处测定还原糖的光密度[26]。

1.5 抗氧化酶活性和丙二醛含量的测定

丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定;SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)法测定;POD和CAT活性分别采用愈创木酚法和钼酸铵法测定[27]。

1.6 数据处理

采用Origin 2022b进行数据统计和作图,利用SPSS 19.0处理数据,运用单因素方差分析方法比较各组间数据,运用相关性分析方法比较各指标之间的关系。

2 结果与分析

2.1 低磷胁迫对麻竹幼苗叶片糖代谢物质含量的影响

由表1可知,低磷胁迫使麻竹幼苗叶片糖代谢物质的含量发生了显著变化(P<0.05)。其中,淀粉和可溶性糖含量随着磷含量的提高逐渐下降,而还原糖和纤维素含量随磷含量的提高逐渐提高。随着磷含量的升高,麻竹幼苗叶片糖代谢物质含量的变化程度也有所不同,与对照相比,处理4的淀粉和可溶性糖含量分别下降了34.86%和14.61%,还原糖和纤维素含量分别上升了56.45%和67.08%。当磷浓度从0.4 mmol·L-1上升到1.6 mmol·L-1时,淀粉、可溶性糖及还原糖含量发生显著变化(P<0.05),纤维素含量的变化幅度较小(P>0.05)。

表1 低磷胁迫对麻竹幼苗叶片糖代谢物质含量的影响1)Table 1 Effect of low P stress on content of carbohydrate metabolites in leaves of D.latiflorus seedlings mg·g-1

植物体内的可溶性糖不仅是植物生长发育过程的重要能量来源,也是基因表达的重要调节因子[13]。由表1可知:处理2和处理3麻竹幼苗叶片的可溶性糖及还原糖含量发生了显著变化(P<0.05);与对照相比,可溶性糖含量下降了10.89%,还原糖含量上升了44.60%。当磷含量较低时,麻竹幼苗的生长受到抑制,生长发育所需的能量较低,可溶性糖含量较高,生成的还原糖较少;随着磷含量的提高,麻竹幼苗的生长发育状况恢复到正常水平,所需的能量增多,许多非还原性糖如淀粉、蔗糖等进一步水解生成相应的还原性糖以提供其生长所需的能量。

纤维素是植物细胞壁的主要结构成分,起到维持植物细胞形态的作用[28]。从表1可以看出,当磷浓度从0.2 mmol·L-1提高到0.4 mmol·L-1时,麻竹幼苗叶片的纤维素含量提高了24.26%(P<0.05);当磷浓度从0.4 mmol·L-1提高到1.6 mmol·L-1时,麻竹幼苗叶片的纤维素含量仅提高了5.76%,变化不显著(P>0.05),这反映了麻竹幼苗对低磷环境的耐受性。

2.2 低磷胁迫对麻竹幼苗叶片膜脂过氧化程度及抗氧化酶活性的影响

由表2可知,随着磷浓度的提高,麻竹幼苗叶片膜脂过氧化程度及抗氧化酶活性发生了显著变化,MDA含量及抗氧化酶活性呈现下降的趋势。在不同磷浓度下MDA含量均存在显著差异(P<0.05);当磷浓度从0.2 mmol·L-1提高到0.4 mmol·L-1时,麻竹幼苗叶片的MDA含量下降了54.30%;当磷浓度从0.8 mmol·L-1提高到1.6 mmol·L-1时,麻竹幼苗叶片的MDA含量下降28.25%,但变化幅度减小。低磷胁迫(对照、处理1、处理2)的CAT活性与高磷胁迫(处理3、处理4)的差异显著(P<0.05);与对照相比,处理3、处理4的CAT活性分别下降了42.87%和64.19%,处理1、处理2的CAT活性仅下降11.77%和24.46%。对照的麻竹幼苗叶片POD活性为1 198.33 μg·g-1·min-1,而处理4的麻竹幼苗叶片POD活性为120.00 μg·g-1·min-1;与对照相比,低含量磷胁迫(处理2)的POD活性下降了73.30%,差异显著(P<0.05);当磷浓度从0.4 mmol·L-1提高到0.8 mmol·L-1时,麻竹幼苗叶片POD活性的变化幅度减小(P>0.05),仅下降28.65%。当磷浓度从0.4 mmol·L-1提高到0.8 mmol·L-1时,麻竹幼苗叶片的SOD活性下降了52.72%,差异显著(P<0.05);随着磷浓度的提高,麻竹幼苗叶片SOD活性的变化幅度逐渐减小;当磷浓度从0.8 mmol·L-1提高到1.6 mmol·L-1时,麻竹幼苗叶片的SOD活性仅提高1.55%(P>0.05)。

表2 低磷胁迫对麻竹幼苗膜脂过氧化程度及抗氧化酶活性的影响1)Table 2 Effect of low P stress on membrane lipid peroxidation and antioxidant enzyme activity of D.latiflorus seedlings

2.3 磷含量与麻竹幼苗叶片各生理指标之间的相关性

从表3可以看出:磷含量与还原糖和纤维素含量呈极显著负相关,与其他指标呈极显著正相关;可溶性糖含量与还原糖含量、CAT活性之间的相关性显著,与其他指标之间的相关性极显著;淀粉含量与纤维素含量、纤维素含量与MDA含量、纤维素含量与POD活性、MDA含量与POD活性之间的相关系数均大于0.90;CAT活性与淀粉含量、可溶性糖含量与纤维素含量、可溶性糖含量与还原糖含量之间的相关系数均小于0.66。总体而言,磷含量与麻竹幼苗叶片各生理指标之间的相关性极显著,还原糖含量及纤维素含量与其他指标之间均呈极显著负相关,说明低磷胁迫能影响麻竹幼苗叶片的各项生理指标,其中,对CAT酶活性的影响程度较低。

表3 麻竹幼苗叶片各生理指标间的相关性1)Table 3 Correlation analysis on physiological indexes of leaves of D.latiflorus seedlings

3 讨论与小结

磷参与植物体内各种代谢过程,低磷胁迫会影响植物的正常生理代谢活动[29]。可溶性糖是植物碳水化合物代谢的主要产物[30]。国内外研究[30-33]均表明,在环境胁迫下,可溶性糖能调节植物的渗透作用,保证细胞的正常生理功能。低磷环境不仅影响光合作用,也能促使植物合成淀粉[34]。本研究中,麻竹幼苗叶片的淀粉含量及可溶性糖含量均随着低磷胁迫程度的增大而升高,而还原糖含量则随着低磷胁迫程度的增大而降低。这与钟鹏等[35-36]的研究结果一致。植物对磷的吸收与转运是一个耗能过程,需要通过糖代谢提供能量以维持正常的生理活动[37]。由此可知,低磷胁迫可使分解还原糖酶的活性增强,以维持细胞在低磷胁迫下存活所需要的能量。同时,低磷胁迫抑制了植物的正常生长发育,降低了能量的消耗,从而导致可溶性总糖和淀粉含量升高。

磷是构成生物膜的主要元素之一,在低磷胁迫下植物细胞膜结构会受到影响[38]。MDA是细胞膜脂质受到活性氧自由基氧化损伤的重要产物,它反映了膜结构的损伤程度和细胞的自我修复能力,也是体现植物抗逆性的有效指标[39]。本研究结果表明,随着磷含量的下降,麻竹幼苗叶片的MDA含量逐渐升高,表明麻竹幼苗细胞膜脂质受到活性氧自由基损伤的程度随低磷胁迫程度的加大而加大。这说明低磷胁迫促使麻竹幼苗叶片产生更多的自由基,导致叶片细胞膜的脂质过氧化加重,从而提高麻竹幼苗叶片的MDA含量。本研究还发现,随着低磷胁迫程度的加大,麻竹幼苗叶片的CAT活性、POD活性及SOD活性均持续上升,这与MDA含量的变化趋势一致。保护酶活性的提高使麻竹幼苗更适应低磷胁迫,番茄、马尾松、甘蔗等植物的酶活性在低磷胁迫下的表现亦是如此[38,40-41]。这说明低磷胁迫一方面刺激麻竹幼苗叶片产生更多的MDA,进而引起麻竹幼苗叶片细胞活性氧自由基代谢失衡;另一方面低磷胁迫下麻竹幼苗的活性氧自由基增多,削弱了膜脂过氧化能力,进而降低麻竹幼苗体内的MDA含量。由此可知,这两方面的动态平衡是麻竹耐低磷胁迫的主要抗性机制。

此外,POD还可通过氧化分解产生吲哚乙酸,从而影响植物的生长发育[42]。国内外研究[43-45]表明,低磷胁迫可通过诱导根系向地性的变化和碳源分配来影响根的构型,增大植物根系的长度和表面积,提高低磷胁迫下植物对磷的吸附速率。本试验中,随着低磷胁迫程度的加大,POD活性发生显著变化。其中,对照与处理4的POD活性相差10倍,表明在低磷胁迫下,较高的POD活性能够促进吲哚乙酸作用下麻竹根系的生长,进而提高植株对磷的吸收,这与丁冬等[46-47]的研究结果一致。麻竹幼苗对低磷胁迫表现出一定的抗逆性,可以很好地适应低磷环境,但处理2的麻竹幼苗叶片的各项生理指标与处理4存在一定的差异。因此,在实际生产活动中,对麻竹施用磷肥应遵循少量少施用的原则。