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磷是林木生长发育所必需的矿质营养元素之一,由于南方酸性土壤对磷的强烈化学固定作用,致使土壤磷素多以Fe-P、Al-P和O-P等难溶态存在,即土壤全磷含量高,而林木可吸收利用的有效磷低[1-2],因此土壤有效磷不足一直是限制南方人工林产量的重要因素[3]。植物在长期的进化过程中,为适应低磷环境形成了复杂的响应调控机制[4]。在磷胁迫条件下这些植物能明显感受到环境的低磷逆境,并能诱导体内产生胁迫信号,引起植物一系列生理生化过程的改变,以增加在磷胁迫条件下完成生命周期的机会。
在我国南方,杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook)是人工商品林的当家树种,其生长迅速、产量和质量高,在南方16个省区内均有栽培,栽培历史达到一千多年[5-6]。在长期的演化过程中,杉木体内形成了许多对养分及环境胁迫的适应性机制,前期研究证实,耐低磷杉木基因型在感受环境低磷胁迫后,能诱导体内产生胁迫信号,根系分泌一定数量有机酸,活化土壤中难溶性磷,提高土壤有效磷含量,改善其体内磷的营养状况等过程来适应低磷胁迫逆境[7]。
细胞内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等酶促系统,是植物抵抗养分胁迫引起氧化胁迫的关键[8]。如潘晓华[9]等研究结果表明,植物抵抗逆境能力的高低与植物保护性酶系统的活性变化之间存在一定的关系。此外,逆境胁迫下不仅会影响植物正常生理功能,而且也会造成植物新陈代谢紊乱,引起植物体内养分吸收失去平衡,改变植物体内化学组分[10]。但是低磷胁迫下杉木养分吸收和体内化学组成是如何变化, 目前尚未有相关文献报道。
傅里叶红外光谱(FTIR)是一种主要基于化合物中极性键和官能团振动的结构分析技术[11]。目前国内外已有一些利用FTIR来研究缺磷[12-14]、缺氮[14]、缺钙[15]等养分胁迫下植物体内化学组分的变化,但是对缺磷条件下杉木不同部位化学组分进行FTIR的研究较少。
有鉴于此,本试验选用杉木幼苗,研究低磷胁迫对杉木幼苗各种抗氧化酶等生理指标的变化影响,探讨抗氧化酶活性与杉木耐低磷能力的关系,揭示低磷胁迫下杉木养分吸收的适应机制,并结合FTIR法测定杉木幼苗不同部位的光谱特性,阐明杉木体内生物大分子对低磷胁迫的响应。
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经不同程度的供磷处理后,杉木幼苗根内的抗氧化酶SOD(F = 10.73,P= 0.02)、CAT(F = 9.31,P= 0.02)和POD(F = 7.46,P = 0.04) 的活性以及MDA含量(F = 8.82,P= 0.03)发生了显著变化,如表 1所示。低磷胁迫使杉木幼苗根的SOD、CAT活性随着磷胁迫的增加先升高后降低。这说明磷素对杉木幼苗SOD、CAT活性具有诱导作用,一定程度的缺磷使SOD、CAT活性增加,超过一定限度时使得SOD、CAT活性降低。不同的是,低磷胁迫使杉木幼苗根的POD活性随着磷胁迫的增加呈现出升高的趋势,特别是,无磷(0 mmol·L-1)处理比正常供磷(1.00 mmol·L-1)处理明显增加了68.47%,这表明低磷胁迫对杉木幼苗的POD活性具有显著诱导效应。通过对杉木幼苗根的MDA分析表明,随着磷胁迫的增加MDA呈现出先降低再升高后下降的趋势,究其原因可能是在抗氧化酶的作用下,低磷胁迫没有引起杉木苗根系细胞脂质过氧化,即低磷胁迫没有破坏其生物膜的结构与功能。
表 1 低磷胁迫对杉木苗根保护酶活性及MDA含量的影响
Table 1. Effect of low P stress on protective enzyme activity and MDA content in roots of Chinese fir seedlings
生化测定
Biochemical measurements磷浓度Phosphorus concentrations/(mmol·L-1) 0 0.25 0.50 1.00 SOD活性SOD activity/(U·g -1) 48.3±17.42a 103.9±2.30b 127.0±7.21b 117.6±10.09b CAT活性CAT activity/(U·g -1·min-1) 18.4±2.93a 32.2±0.80b 32.1±2.99b 30.9±0.97b POD活性POD activity/(U·g -1·min-1) 604.3±28.41b 484.0±61.59ab 460.5±15.99ab 358.7±24.38a MDA含量MDA content/(mmol·g-1) 1.5±0.12ab 1.6±0.08ab 1.3±0.04a 1.8±0.01b 注:不同小写字母间表示差异显著(P < 0.05); Note: Different lowercase letters indicate significant differences at P < 0.05 level -
经不同程度的供磷处理后,杉木幼苗叶片的抗氧化酶SOD(F = 11.36,P = 0.02)、CAT(F = 16.94,P = 0.01) 和POD(F = 8.25,P = 0.04) 的活性以及MDA含量(F = 10.21,P = 0.02)也发生了显著变化,如表 2所示。低磷胁迫使杉木幼苗叶片的SOD、CAT活性随着供磷程度的降低呈现出先升高后降低的趋势,说明一定程度的缺磷对杉木幼苗叶片中SOD、CAT活性具有显著诱导效应。而不同的是,低磷胁迫使杉木幼苗叶片的POD活性随着磷胁迫的增加呈现出先降低后升高的趋势。但是与正常供磷相比,低磷胁迫没有引起杉木幼苗叶片的MDA含量升高,这说明在抗氧化酶的作用下,低磷胁迫同样没有引起叶片脂质过氧化的产生。
表 2 低磷胁迫对杉木苗叶片保护酶活性及MDA含量的影响
Table 2. Effect of low P stress on protective enzyme activities and MDA content in leaves of Chinese fir seedlings
生化测定
Biochemical measurements磷浓度Phosphorus concentrations/(mmol·L-1) 0 0.25 0.50 1.00 SOD活性SOD activity/(U·g -1) 63.2±5.20a 67.1±6.58a 99.0±2.16b 66.5±4.90a CAT活性CAT activity/(U·g -1·min-1) 8.8±1.48a 9.1±0.53a 17.1±0.87b 5.7±1.52a POD活性POD activity/(U·g -1·min-1) 254.1±19.07b 131.5±14.80a 194.0±23.25ab 213.3±11.85ab MDA含量MDA content/(mmol·g-1) 4.3±0.17ab 3.7±0.15a 4.2±0.21ab 4.8±0.02b 注:不同小写字母间表示差异显著(P < 0.05); Note: Different lowercase letters indicate significant differences at P < 0.05 level. -
由图 1可以看出:随着磷胁迫的增加,杉木苗叶片的叶绿素总量和叶绿素a的含量呈现出先增加然后减少最后再增加的规律,叶绿素b的含量呈现出相同的变化趋势;这表明低磷胁迫对杉木苗光合作用产生了重要影响。
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从图 2中可看出,随着磷胁迫的增加,杉木苗根系所含的Mn呈上升趋势(图 2-6),Al、Cu含量先降后升(图 2-1、图 2-3),Na的含量则变化很小(图 2-7),说明低磷胁迫显著提高杉木幼苗根系对Al、Cu、Mn元素的吸收。根系Fe和K的含量则有所下降(图 2-4和图 2-8),Ca含量先升后降(图 2-2)。杉木幼苗叶片中,Fe和Mn的含量随着磷胁迫的增加大体呈降低的趋势,Cu和K的含量呈先上升后下降的趋势,Ca含量与Mg(图 2-5)、Na含量的变化趋势相反,且当供磷浓度为0.25 mmol·L-1时,Mg和Na的含量显著高于正常供磷(P < 0.05),Ca含量则显著低于正常供磷处理(P < 0.05)。而杉木幼苗叶片中Al含量在不同浓度磷处理下基本没有变化。
图 2 低磷胁迫对杉木幼苗根、叶金属元素含量的影响
Figure 2. Effects of low P stress on contents of metal elements in roots and leaves of Chinese fir seedlings
杉木幼苗根系Al含量在不同浓度磷处理下均大于叶片含量,而Ca、Na和K在叶片中的积累量大于根系。当供磷浓度为1.00 mmol·L-1时,杉木幼苗根系Mn含量小于叶片中Mn的积累量,随着磷胁迫的增加,根系Mn含量大于叶片中Mn的含量,这可能是由于低磷胁迫使Mn元素在植物体中的运输途径受阻,根系对Mn元素的吸收速率大于其运输速率。
如图 3所示,随着磷胁迫的增加,根系和叶片中P含量均呈下降的趋势,无磷处理与正常供磷相比,杉木幼苗根系中P含量降低了42.99%,而叶片中P含量降低了26.96%,这可能是由于随着磷胁迫的增加,杉木幼苗从环境中所能吸收利用的磷素减少,从而使其体内的磷素积累量减少。
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通过对磷浓度及杉木幼苗根系各养分含量之间的相关性进行Pearson相关分析,得出(表 3):Fe和磷浓度之间存在极显著的正相关关系(r = 0.998,P < 0.01),Mn和磷浓度之间存在显著的负相关关系(r =-0.975,P < 0.05),Fe和Mn、Na含量之间存在显著的负相关关系(r =-0.986,P < 0.05;r =-0.950,P < 0.05)。
表 3 磷浓度与杉木幼苗根系Al和各养分含量之间的相关系数及显著性检验
Table 3. Correlation coefficient between phosphorus concentration and Chinese fir seedling root Al and nutrient contents and significance test
项目Items 磷浓度Phosphorus concentration Al Ca Cu Fe K Mg Mn Na 磷浓度Phosphorus concentration 1 Al -0.527 1 Ca 0.193 -0.931 1 Cu -0.398 0.695 -0.71 1 Fe 0.998** -0.558 0.224 -0.378 1 K 0.932 -0.381 0.09 -0.541 0.905 1 Mg 0.547 0.411 -0.679 0.139 0.506 0.669 1 Mn -0.975* 0.685 -0.375 0.436 -0.986* -0.85 -0.353 1 Na -0.935 0.444 -0.088 0.088 -0.950* -0.759 -0.504 0.933 1 **. 在0.01水平(双侧)上显著相关。*. 在0.05水平(双侧)上显著相关。
**. Indicates significant differences at P < 0.01 level. *. significant differences at P < 0.05 level.通过对磷浓度及杉木幼苗叶片各养分含量之间的相关性进行Pearson相关分析,得出(表 4):Al和磷浓度之间存在显著的正相关关系(r = 0.969,P < 0.05),Al和Fe、Mn之间存在显著的正相关关系(r = 0.957,P < 0.05;r = 0.981,P < 0.05),Mg和Na之间存在显著的正相关关系(r = 0.980,P < 0.05)。
表 4 磷浓度与杉木幼苗叶片Al和各养分含量之间的相关系数及显著性检验
Table 4. Correlation coefficient between phosphorus concentration and Chinese fir seedling leaf Al and nutrient contents and significance test
项目Items 磷浓度Phosphorus concentration Al Ca Cu Fe K Mg Mn Na 磷浓度Phosphorus concentration 1 Al 0.969* 1 Ca 0.105 0.082 1 Cu -0.174 -0.408 -0.142 1 Fe 0.920 0.957* -0.211 -0.356 1 K 0.415 0.179 0.004 0.820 0.177 1 Mg 0.015 -0.061 -0.918 0.484 0.209 0.388 1 Mn 0.950 0.981* 0.273 -0.440 0.882 0.152 -0.246 1 Na -0.132 -0.233 -0.868 0.614 0.025 0.430 0.980* -0.403 1 *. 在0.05水平(双侧)上显著相关。
*. Indicates significant differences at P < 0.05 level. -
如图 4和图 5所示,在3 367 cm-1波数附近的峰为糖类O-H伸缩振动,主要来自杉木幼苗体内的糖类等碳水化合物[14-15]。与正常供磷处理相比,杉木苗根系在3 367 cm-1特征峰处吸光值随着营养液磷含量的降低而降低,而叶片在各种磷浓度处理下,其吸光值均相等,表明低磷胁迫造成杉木幼苗根系中糖类降低,却对叶片中糖类基本无影响。在2 921 cm-1波数附近为糖类CH3、CH2和CH伸缩振动以及羧酸O-H伸缩振动,主要来自于杉木幼苗植株内的碳水化合物、维生素、油脂、核酸[14-15]。杉木幼苗的根系在2 921 cm-1特征峰处吸光值低磷处理高于正常供磷处理,而叶片中低磷处理与正常供磷处理的差异较小,说明低磷胁迫只对杉木幼苗根系脂类化合物影响较大,促进其脂类化合物的合成,对叶片中脂类化合物影响较小。在1 738 cm-1波数附近为羧酸羰基C = O伸缩振动,在1 630 cm-1波数附近为羰基C = O伸缩振动(酰胺I),在1 380 cm-1波数附近为-CH2-、-CH3-的弯曲振动,主要来自蛋白质[14-15]。在1 738 cm-1附近的特征峰处,低磷处理的杉木幼苗根系的吸光值均比正常供磷处理高,而叶片中仅0.25 mmol·L-1磷浓度处理的吸光值比正常供磷处理高;在1 630 cm-1附近的特征峰处,0、0.50 mmol·L-1磷浓度处理的杉木苗根系的吸光值大于正常供磷处理,而叶片中各磷浓度处理的吸光值均大于正常供磷处理;在1 380 cm-1波数附近的特征峰吸光值,根系中0和0.50 mmol·L-1磷浓度处理大于正常供磷处理,叶片中0、0.50 mmol·L-1磷处理小于正常供磷处理,说明低磷胁迫对杉木幼苗中蛋白质、多肽和氨基酸类物质影响较大。1 150~1 000 cm-1是C-OH和C-O-C伸缩振动,主要来自醇、醚、酯或酚类等碳水化合物[14-15],杉木苗根系在该处的特征峰吸光值无磷处理大于正常供磷处理,说明低磷胁迫促进杉木苗根系碳水化合物的合成。
杉木对低磷胁迫的响应和生理适应机制
Response and Physiological Mechanism of Chinese Fir to Low Phosphorus Stress
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摘要:
目的 研究低磷胁迫对杉木幼苗各种抗氧化酶等生理指标的变化影响,探讨抗氧化酶活性与杉木耐低磷能力的关系,揭示低磷胁迫下杉木养分吸收的适应机制,阐明杉木体内生物大分子对低磷胁迫的响应。 方法 通过设置不同磷浓度(0、0.25、0.50、1.00 mmol·L-1)Hoagland营养液,模拟低磷胁迫试验,测定低磷胁迫对杉木幼苗的生理指标的影响,研究低磷胁迫对杉木幼苗养分吸收的影响机制以及测定杉木幼苗不同部位的光谱特性。 结果 随着缺磷程度的增加,杉木幼苗中SOD活性、CAT活性以及叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量均先升后降,根系中POD活性呈现出升高的趋势、MDA含量先降再升后降,叶片中POD活性和MDA含量先降后升。低磷胁迫对杉木幼苗根系和叶片吸收利用营养元素有显著影响。杉木苗根系所含的Mn随着缺磷程度的增加呈上升趋势,而Al和Cu先降后升,Fe和K则有所下降,Ca先升后降。此外,杉木叶片中Fe和Mn的积累量呈降低的趋势,Cu和K先升后降。低磷胁迫对杉木幼苗根系和叶片组织在3 367、2 924、1 736、1 630、1 380、1 150~1 000 cm-1处特征峰吸光值影响不同。 结论 低磷胁迫下,杉木幼苗的根系和叶片会通过改变保护酶(SOD、CAT和POD)活性抑制MDA形成,降低膜脂过氧化对细胞膜系统的破坏,通过增加对其他养分元素的吸收来规避损伤以及通过改变不同部位糖类、氨基酸和蛋白质等物质含量来适应低磷环境。 Abstract:Objective To investigate the response mechanism of low-P stress on the antioxidant enzyme activities, nutrient uptake and bio-macromolecules of Chinese fir. Method The effects of low phosphorus stress on the physiological indexes of Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) seedlings, the mechanism of low phosphorus stress on the nutrient uptake of Chinese fir seedlings and the spectral characteristics of different parts of Chinese fir seedlings were studied by setting different phosphorus concentration in Hoagland nutrient solution. Result With the decrease of phosphorus level, the SOD activity, CAT activity, chlorophyll a, chlorophyll b and total chlorophyll content of Chinese fir seedlings rose at initial and then decreased. Low phosphorus stress made POD activity increase, and the MDA content decreased at first and then increased in the roots of Chinese fir. In the leaves, the POD activity and MDA content decreased at first and then increased. Low phosphorus stress had a significant effect on the absorption and utilization of nutrient elements in roots and leaves of Chinese fir seedlings. The content of Mn in Chinese fir roots showed an upward trend with the increasing level of P deficiency. The content of Al and Cu decreased at first and then increased, while the content of Fe and K decreased, and the content of Ca increased at first and then decreased. In addition, the accumulation of Fe and Mn in the leaves of Chinese fir showed a decreasing trend, and the accumulation of Cu and K increased and then decreased. On 3 367, 2 924, 1 736, 1 630, 1 380, 1 150~1 000 cm-1 wavelength, low phosphorus stress had an effect on the root and leaf tissue where the light absorption value of characteristic peak were different. Conclusion Under low phosphorus stress, the root and leaf of Chinese fir inhibit the formation of MDA by changing the activity of protective enzymes (SOD, CAT and POD), and decrease the damage of membrane lipid peroxidation to the cell membrane system. They also avoid the damage of low phosphorus stress by increasing the absorption of other nutrient elements, and adapt to the low phosphorus environment by changing the contents of sugars, amino acids and proteins in different parts of Chinese fir. -
表 1 低磷胁迫对杉木苗根保护酶活性及MDA含量的影响
Table 1. Effect of low P stress on protective enzyme activity and MDA content in roots of Chinese fir seedlings
生化测定
Biochemical measurements磷浓度Phosphorus concentrations/(mmol·L-1) 0 0.25 0.50 1.00 SOD活性SOD activity/(U·g -1) 48.3±17.42a 103.9±2.30b 127.0±7.21b 117.6±10.09b CAT活性CAT activity/(U·g -1·min-1) 18.4±2.93a 32.2±0.80b 32.1±2.99b 30.9±0.97b POD活性POD activity/(U·g -1·min-1) 604.3±28.41b 484.0±61.59ab 460.5±15.99ab 358.7±24.38a MDA含量MDA content/(mmol·g-1) 1.5±0.12ab 1.6±0.08ab 1.3±0.04a 1.8±0.01b 注:不同小写字母间表示差异显著(P < 0.05); Note: Different lowercase letters indicate significant differences at P < 0.05 level 表 2 低磷胁迫对杉木苗叶片保护酶活性及MDA含量的影响
Table 2. Effect of low P stress on protective enzyme activities and MDA content in leaves of Chinese fir seedlings
生化测定
Biochemical measurements磷浓度Phosphorus concentrations/(mmol·L-1) 0 0.25 0.50 1.00 SOD活性SOD activity/(U·g -1) 63.2±5.20a 67.1±6.58a 99.0±2.16b 66.5±4.90a CAT活性CAT activity/(U·g -1·min-1) 8.8±1.48a 9.1±0.53a 17.1±0.87b 5.7±1.52a POD活性POD activity/(U·g -1·min-1) 254.1±19.07b 131.5±14.80a 194.0±23.25ab 213.3±11.85ab MDA含量MDA content/(mmol·g-1) 4.3±0.17ab 3.7±0.15a 4.2±0.21ab 4.8±0.02b 注:不同小写字母间表示差异显著(P < 0.05); Note: Different lowercase letters indicate significant differences at P < 0.05 level. 表 3 磷浓度与杉木幼苗根系Al和各养分含量之间的相关系数及显著性检验
Table 3. Correlation coefficient between phosphorus concentration and Chinese fir seedling root Al and nutrient contents and significance test
项目Items 磷浓度Phosphorus concentration Al Ca Cu Fe K Mg Mn Na 磷浓度Phosphorus concentration 1 Al -0.527 1 Ca 0.193 -0.931 1 Cu -0.398 0.695 -0.71 1 Fe 0.998** -0.558 0.224 -0.378 1 K 0.932 -0.381 0.09 -0.541 0.905 1 Mg 0.547 0.411 -0.679 0.139 0.506 0.669 1 Mn -0.975* 0.685 -0.375 0.436 -0.986* -0.85 -0.353 1 Na -0.935 0.444 -0.088 0.088 -0.950* -0.759 -0.504 0.933 1 **. 在0.01水平(双侧)上显著相关。*. 在0.05水平(双侧)上显著相关。
**. Indicates significant differences at P < 0.01 level. *. significant differences at P < 0.05 level.表 4 磷浓度与杉木幼苗叶片Al和各养分含量之间的相关系数及显著性检验
Table 4. Correlation coefficient between phosphorus concentration and Chinese fir seedling leaf Al and nutrient contents and significance test
项目Items 磷浓度Phosphorus concentration Al Ca Cu Fe K Mg Mn Na 磷浓度Phosphorus concentration 1 Al 0.969* 1 Ca 0.105 0.082 1 Cu -0.174 -0.408 -0.142 1 Fe 0.920 0.957* -0.211 -0.356 1 K 0.415 0.179 0.004 0.820 0.177 1 Mg 0.015 -0.061 -0.918 0.484 0.209 0.388 1 Mn 0.950 0.981* 0.273 -0.440 0.882 0.152 -0.246 1 Na -0.132 -0.233 -0.868 0.614 0.025 0.430 0.980* -0.403 1 *. 在0.05水平(双侧)上显著相关。
*. Indicates significant differences at P < 0.05 level. -
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