低磷胁迫对玉米磷吸收、转运及IAA和CTK水平与分布的影响

摘要

磷素作为植物生长发育所必需的大量元素之一，不仅是植物细胞的结构成分，而且在细胞的代谢调控及信号转导中起重要作用。由于磷素在土壤中的相对不可移动性，土壤有效磷不足成为限制植物生长和产量的主要因素之一。为应对土壤低磷，植物已进化出低磷耐受机制，在根系结构、磷吸收和体内磷周转利用等方面做出适当调整，以更好地适应低磷环境。近年来，植物磷吸收调节的研究已取得了一定的进展，但有关于磷吸收与体内磷浓度之间的关系仍有待于进一步研究；对于低磷状况下叶细胞的磷吸收动力学特性及其生理意义也有待于揭示；对植物激素在植物低磷反应中作用的认识也需要拓宽和深入。本工作以玉米自交系Qi319为材料，分析了植株的磷吸收与体内磷浓度之间的关系；研究了低磷条件下成熟叶的细胞磷吸收动力学特征的变化，进而探讨了该变化在叶片磷输出转运中的生理学意义；比较了Qi319与其衍生的耐低磷自交系99037在不同供磷条件下的根系构型和根部IAA、玉米素的水平与分布，观察了外源激素和化学抑制剂对根系构型的影响，进一步揭示了玉米磷吸收、转运的调控机制，以及激素在低磷诱导的根系构型改变中的作用。 一、玉米根系磷吸收的调节1.植株磷吸收状态与体内磷浓度之间的关系将Qi319植株在不同供磷条件(0.1-1000 μM KH2PO4)下进行溶液培养25天，分析植株的供磷水平、体内磷浓度与磷吸收之间的关系。结果显示，植株的体内磷浓度随供磷水平的提高而增大，磷吸收速率(Vmax)和对磷(phosphate，Pi)的亲和力则随供磷水平的提高而减小。相关性分析表明，在0.1-1000 μM供磷范围内，磷吸收表观Vmax值与供磷水平、茎叶及根部磷浓度呈显著负相关(P＜0.01)，在75-1000 μM的供磷范围内，表观Km和Cmin值与供磷水平、茎叶及根部磷浓度呈显著正相关(P＜0.01)。当供磷水平处在0.1至75 μM之间时，表观Km和Cmax值变化不显著(P＞0.05)。偏相关性分析显示，植株的磷吸收Vmax、Km和Cmin，值与体内磷浓度显著相关(P＜0.01、P＜0.05、P＜0.05)，而与供磷水平之间无显著的相关性(P＞0.05)。这些结果表明植株的磷吸收状态与体内磷浓度具有密切的关系。在含1000 1.μM KH2PO4的营养液中培养23天后，Qi319植株转入无磷营养液中继续培养10天，观察缺磷胁迫期间植株的体内磷浓度和磷吸收的变化。结果显示，随缺磷胁迫时间的延长，植株的体内磷浓度逐渐降低，而磷吸收Vmax和对Pi的亲和力则逐渐增大。相关性分析表明在缺磷胁迫期间植株的磷吸收Vmax、Km和Cmin埘加值与茎叶及根部磷浓度之间也存在显著相关性(P＜0.01)。 对在无磷营养液中生长的玉米植株进行叶面供磷处理3天，发现植株的体内磷浓度逐渐升高，且茎叶与根部磷浓度存在较大差异。当茎叶磷浓度已达足磷水平时，根部磷浓度虽有所增加，但仍处在严重缺磷状态，而此时植株的根系磷吸收表观Vmax和对Pi的亲和力显著减小(P＜0.01)。上述结果表明，叶面供磷处理植株的根系磷吸收与茎叶磷浓度有关，这为系统磷信号调控根系磷吸收的观点提供了新证据。 2.依据茎叶磷浓度估测植株的磷吸收状态玉米植株磷吸收动力学参数与体内磷浓度之间存在着显著的相关性，预示着可依据体内磷浓度来估测玉米植株的磷吸收状态。本研究对玉米植株的磷吸收动力学参数(Vmax、Km和Cmin)与茎叶磷浓度进行线性回归分析，得到三个具有较高拟合优度(R2)的线性方程式。利用这三个方程式，依据茎叶磷浓度估算不同磷处理植株的磷吸收动力学参数，并与传统的离子耗竭法测定的参数值相比较。结果显示，除缺磷预处理植株在恢复供磷后的几天内，Vmax的估算值比离子耗竭技术的测定值偏低外，不同磷处理植株的磷吸收动力学参数(Vmax、Km和Cmin)的估算值均与离子耗竭法的测定值相吻合。以上结果表明，玉米茎叶磷浓度可反映根系的磷吸收状态，因此，依据茎叶磷浓度估算根系磷吸收动力学参数可成为一个方便快捷的估测玉米植株磷吸收状态的新方法，该方法对指导玉米精准化施用磷肥和玉米高产有一定意义。 二、低磷胁迫对玉米成熟叶磷转运的影响用含1000 μM KH2PO4营养液培养23天的Qi319植株移入低磷(0.1 μM Pi)营养液后(0-14天)，检测茎基部和成熟叶叶片木质部伤流液的Pi浓度，以及成熟叶叶片韧皮部渗出液的磷含量，来反映成熟叶的磷输入和输出的变化。结果显示，在低磷条件下，通过木质部向成熟叶输入的磷明显减少，通过韧皮部输出的磷则相对增多。用成熟叶制各质膜囊泡进行磷吸收测定，发现来自于低磷处理植株质膜囊泡的磷吸收表观Vmax值，与来自高磷对照植株的相比显著增大(P＜0.01)，表明成熟叶的细胞磷吸收能力在低磷胁迫下明显增强。为探究该动力学特征变化的生理意义，在成熟叶的叶片上局部施加含NEM(跨质膜磷转运抑制剂)或不含NEM的32P标记Pi溶液，检测叶片(去除Pi施用区域)和叶片韧皮部渗出液的放射活度，结果显示，在NEM存在时，叶细胞从质外体中吸收32P标记Pi的量显著减少(P＜0.01)，叶片韧皮部渗出液的放射活度也显著降低(P＜0.01)，这表明叶细咆从质外体中吸收Pi与叶的磷输出有关。玉米成熟叶的细胞在低磷胁迫下增强磷吸收能力，可能有利于从低Pi浓度的质外体及木质部中吸收较多的Pi，这对维持细胞的正常生理活动和增加叶的磷输出具有一定的意义。 三、生长素和细胞分裂素在低磷诱导的根系构型改变中的作用植物根系的胚后发育是高度可塑的，植物通常通过调控根系的胚后发育和修饰根系构型以更好地适应外部环境。在自然生态系统中，有效磷不足是限制植物生长的重要因素之一，而植物对磷养分的吸收能力与根系构型密切相关。植物激素，如生长素和细胞分裂素都参与根系的胚后发育调控和构型修饰，但这两种激素及其之间的互作在低磷诱导的根系构型改变中的作用目前仍了解甚少。 自交系99037是通过细胞工程技术获得的、来自于Qi319的耐低磷细胞突变体。在不同供磷条件下，99037植株较Qi319有更长的轴根(基根和不定根)和侧根以及更高的磷吸收累积能力；在田间99037植株也比Qi319具有更高的干物质和籽粒产量。 将99037和Qi319植株在高磷(1000 μM Pi)或低磷(5 μM Pi)营养液中培养18天，观察低磷胁迫下根系IAA和玉米素水平与分布及根系构型的变化。结果显示，在低磷条件下，玉米素浓度在植株的轴根幼嫩区段(约1cm)和成熟区段(去除轴根幼嫩区段)以不同的幅度显著降低(P＜0.05)，IAA浓度及其与玉米素浓度的比值在轴根幼嫩区段明显增大，在轴根成熟区段却显著减小(P＜0.05)；同时在低磷条件下，植株的轴根数目、侧根平均长度和密度比在高磷条件下显著减少(P＜0.05)，而轴根平均长度却显著增加(P＜0.05)，因而形成了轴根长的根系。上述结果提示，在低磷条件下，玉米植株根系的构型发生改变，与生长素和玉米素在根部的水平和分布以及两种激素浓度比例的变化有关。为进一步验证，本工作用6-BA和NAA单独或组合处理以及用生长素极性运输抑制剂(TIBA)处理不同供磷条件下生长的两个自交系植株，观察根系结构的变化。结果支持了上述推测。 99037和Qi319植株在根系结构、根系IAA浓度和分布、IAA与玉米素浓度比例、以及其侧根对低磷胁迫和TIBA的敏感性等方面存在差异，这些差异及差异间的对应关系也支持上述推测。 基于以上结果可以认为，在低磷条件下，生长素和细胞分裂素在玉米根系中的浓度和分布及两种激素的浓度比例发生明显的变化，这些变化以及两种激素间的互作在低磷诱导的根系构型改变中起着重要作用。寻找玉米磷信号和激素信号网络的共有接点无疑会加深对玉米耐低磷机制的认识。

目录

论文说明：符号说明

声明

第一章文献综述

1.1土壤磷状况

1.2磷素在植物生长发育中的作用

1.3植物在代谢上的低磷反应

1.4植物的磷吸收特征与调节

1.4.1 Pi从土壤溶液到根表皮-皮层共质体质膜的扩散

1.4.2与质子的共转运

1.4.3植物的跨质膜Pi转运模型

1.4.4植物质膜上的磷转运体

1.4.5低磷胁迫对植物磷吸收转运活性的影响

1.4.6共生现象

1.5磷在不同组织器官间的转运和再分配

1.5.1磷进入根木质部

1.5.2磷在木质部中运输

1.5.3磷进入叶组织的途径

1.5.4磷在植物体内的周转循环

1.5.5细胞内的磷转运

1.6土壤磷和植物体内磷的动员

1.7植物在根系结构上对低磷胁迫的反应

1.7.1低磷胁迫下植物根系结构的变化

1.7.2体内、外磷水平在根系低磷反应中的作用

1.7.3植物激素在根系低磷反应中的作用

1.8植物低磷反应的遗传基础及基因表达调控

1.9本研究的目的和意义

第二章玉米磷吸收的调节

2.1材料与方法

2.1.1材料

2.1.2生物量、磷含量和蛋白质测定

2.1.3质膜的制备

2.1.4质膜制备物的纯度和质膜囊泡的膜定向测定

2.1.5质膜囊泡的Pi跨膜转运活性测定

2.1.6离子耗竭法测定植株的磷吸收

2.1.7数据统计与分析

2.2结果与分析

2.2.1玉米的磷吸收特征

2.2.2供磷水平对玉米植株生长、体内磷浓度和磷吸收能力的影响

2.2.3缺磷胁迫对植株体内磷浓度和磷吸收的影响

2.2.4磷恢复处理对植株体内磷浓度和磷吸收的影响

2.2.5依据体内磷浓度估测玉米根系的磷吸收状态

2.2.6土培条件下玉米植株磷吸收与体内磷浓度之间的关系

2.3讨论

2.3.1玉米根系磷吸收的调节

2.3.2依据茎叶磷浓度估计玉米植株的磷吸收状态

第三章低磷胁迫对玉米成熟叶磷转运的影响

3.1材料与方法

3.1.1材料

3.1.2叶质膜的制备和跨质膜磷转运活性测定

3.1.3叶片局部外施磷的吸收转运测定

3.1.4木质部伤流液和韧皮部渗出液的收集

3.1.5蛋白和磷含量测定

3.1.6数据统计

3.2结果与分析

3.2.1低磷胁迫下成熟叶的磷含量变化

3.2.2低磷胁迫对叶细胞磷吸收的影响

3.2.3低磷胁迫下叶片渗出液和叶木质部伤流液含磷量的变化

3.2.4 NEM对叶片磷吸收和输出的影响

3.3讨论

第四章IAA和CTK在低磷诱导的玉米根系结构改变中的作用

4.1材料和方法

4.1.1材料

4.1.2培养条件

4.1.3生物量和磷含量及磷吸收测定

4.1.4根系结构参数测定

4.1.5内源IAA和玉米素含量的测定

4.1.6 NAA和TIBA处理对根系结构的影响

4.1.7 6-BA处理以及与NAA组合处理对玉米根系结构的影响

4.1.8数据统计

4.2结果与分析

4.2.1 Qi319和99037植株的生物量比较

4.2.2 Qi319和99037植株在不同供磷水平下的生长差异

4.2.3 Qi319和99037植株在体内磷含量上的差异

4.2.4 Qi319和99037植株在磷吸收能力上的差异

4.2.5供磷状况对玉米根系构型的影响

4.2.6供磷状况对玉米根系内源IAA和玉米素含量及分布的影响

4.2.7外源生长素对玉米根系构型的影响

4.2.8生长素极性运输抑制剂对玉米根系构型的影响

4.2.9 6-BA与NAA组合处理对玉米根系构型的影响

4.3讨论

4.3.1自交系99037的耐低磷特性

4.3.2低磷胁迫对玉米根系构型的影响

4.3.3低磷条件下根系IAA浓度和分布与根系构型的变化之间的关系

4.3.4低磷条件下玉米素浓度与根系构型的改变之间的关系

4.3.5生长素与细胞分裂素的互作与低磷诱导的根系构型改变之间的关系

第五章结语

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

发表论文一

发表论文二