植物响应缺磷胁迫的分子机制研究进展

磷是植物生长发育必需的大量营养元素之一。土壤中的磷主要以无机磷酸盐(inorganic phosphate, Pi)的形式被植物吸收。然而,土壤中的Pi易被固定,有效性较低。因此,研究植物响应缺Pi胁迫的分子机制对于提高作物磷素的有效利用具有重要意义。近20年来,植物缺Pi响应调控机制的研究取得了突破性进展。本文对近年来国内外研究进展进行了系统性的综述,包括植物局部缺Pi胁迫响应信号介导的根构型改变,以缺Pi响应因子PHR(PHOSPHATE STARVATION RESPONSE)-SPX(SYG1/Pho81/XPR1)为中心的植物系统性缺Pi响应信号网络的调控机制,缺Pi条件下水稻丛枝菌根真菌共生的分子机制,植物对磷素从根际到地上部的运输和分配机制,以及植物叶片向籽粒转运磷素的再分配与再利用机制等。最后,我们对今后缺Pi胁迫响应分子机制的研究方向进行了探讨。该综述通过对已有研究成果的总结和对未来研究方向的展望,以期为植物缺Pi胁迫响应分子机制研究和作物磷高效改良提供科学参考。

柱花草根系分泌物对缺磷胁迫的响应分析

为探索柱花草(Stylosanthes guianensis)根系分泌物对缺磷胁迫的响应,本研究以‘热研5号’柱花草为材料,通过水培试验,分析了正常供磷(+P)和缺磷(-P)处理对柱花草生长及根系分泌物的影响。结果表明,相对于+P处理,-P处理显著降低了柱花草植株干重和全磷含量。随后,代谢组共检测到101个根系分泌代谢物,可被分为有机酸、氨基酸、类黄酮、糖及醇类等七类,其中-P与+P处理间的差异累积代谢物25个。属于有机酸的咖啡酸、1-氨基环丙烷-1-羧酸和α-酮戊二酸在-P处理下的分泌量显著增加,且其中α-酮戊二酸对磷酸铝具有较强的溶解能力。此外,荧光定量PCR分析发现,柱花草根系中参与α-酮戊二酸合成的柠檬酸脱氢酶基因SgICDH在-P处理下的表达量显著增加。因此,柱花草根系通过上调SgICDH基因的表达,促进α-酮戊二酸的合成与分泌,从而增强对难溶性磷的活化利用,以适应缺磷胁迫。

“赤霞珠”葡萄叶片缺磷胁迫的VIS/NIR光谱快速无损诊断方法

研究旨在明确“赤霞珠(Cabernet Sauvignon, Vitis Vinifera L.)”葡萄健康叶片和缺磷胁迫不同时期下的光谱信号特征变化,构建基于光谱技术的“赤霞珠”葡萄叶片缺磷胁迫快速无损诊断模型,为葡萄园病害防治与管理提供理论参考和技术支持。以酿酒葡萄“赤霞珠”葡萄叶片为研究对象,分别采集了正常、缺磷胁迫初期和末期葡萄叶的VIS/NIR反射率信息。对比Savitzky-Golay卷积平滑(S-G Smoothing)、移动平均平滑(MAS)、标准正态变换(SNV)和多元散射校正(MSC)4种预处理及组合方法对于去除葡萄叶光谱信号中随机噪声的能力,确定最佳预处理方法。采用连续投影法(SPA)筛选与“赤霞珠”葡萄叶缺磷胁迫相关的光谱特征变量,分别构建基于线性核函数(Linear)、多项式核函数(Poly)、径向基核函数(RBF)和二层神经网络核函数(Sigmoid)的支持向量机(SVM)模型,以灵敏度(SEN)和准确率(CCR)为依据评估模型诊断性能,形成基于VIS/NIR光谱的“赤霞珠”葡萄叶片缺磷胁迫快速无损诊断方法。S-G Smoothing预处理后的光谱信号的信噪比为110.58,以其为校正集构建的缺磷胁迫诊断模型最佳,因此确定其为最佳的预处理方法。采用主成分分析(PCA)计算样本光谱贡献率,以95%置信空间为依据检测数据集中的异常样本,最终发现并剔除了22的离群点。通过SPA筛选出402.6、 404.6、 409、 411.5、 539.4、 691.9、 729.9、 838.7、 1 011.9、 1 017.5和1 020.5 nm等11个反映“赤霞珠”葡萄叶缺磷胁迫的光谱特征波段,作为缺磷胁迫快速无损诊断模型的输入变量。通过对比分析上述4种核函数SVM的诊断结果,以Linear为核函数构建的“赤霞珠”葡萄叶缺磷胁迫诊断模型能力最佳,对正常叶片诊断的SEN为81.08%, CCR为100%;对缺磷胁迫早期叶片诊断的SEN为100%, CCR为84.78%;对缺磷胁迫末期叶片诊断的SEN为100%, CCR为100%。该研究建立了基于VIS/NIR光谱的“赤霞珠”葡萄叶片缺磷胁迫快速无损诊断方法,能够满足葡萄园病害防治与智能化管理的生产需求,为酿酒葡萄智慧农业发展提供了技术参考。

缺磷胁迫对旱柳生长及光合作用的影响

该文以当年旱柳扦插苗为试材,磷元素供应由KH2PO4提供,设置浓度分别为136(CK)、91.1、44.9、0mg/L共4个处理,研究缺磷胁迫对旱柳生长及光合作用的影响。结果表明:(1)缺磷胁迫会导致植株株高、地径、生物量的降低,叶绿素、光合速率、RuBP羧化酶活性的降低,PEP羧化酶和SOD活性的提高。胁迫程度不同,表现存在差异。(2)3个不同程度缺磷处理均导致旱柳株高、生物量的降低,且随缺磷程度加大影响加重。轻度胁迫(91.1mg/L)对旱柳地径影响不显著,中、重度胁迫(44.9、0mg/L)显著降低地径生长量。(3)中、重度胁迫(44.9、0mg/L)显著降低旱柳叶片叶绿素含量、光合速率和RuBP羧化酶活性,显著提高PEP羧化酶和SOD活性。轻度胁迫(91.1mg/L)除第30天显著低于对照外,其余时间点与对照差异不显著。光合速率、RuBP羧化酶和SOD活性与对照差异不显著,PEP羧化酶30d后显著高于对照。综合分析认为,磷浓度低于44.9mg/L会对旱柳产生显著的胁迫作用,抑制苗木生长,91.1mg/L处理对旱柳生理特性影响较小。

缺磷胁迫下马尾松和杉木苗根系有机酸的分泌

用溶液培养的方法研究了缺磷胁迫下不同种源马尾松和杉木苗木根系有机酸的分泌。结果表明:缺磷胁迫下杉木和马尾松苗木根系有机酸的分泌量显著增加,在Po(KH2PO4,0 mmol/L)、P1(KH2PO4,0.03 mmol/L)和P2(KH2PO4,0.09 mmol/L)3种缺磷水平下,马尾松根系有机酸的平均分泌量分别比正常供磷P3(KH2PO4,0.5 mmol/L)时提高328.6%、267.9%和126.4%,其中浙江马尾松根系分泌有机酸最多;浙江杉木根系有机酸分泌量分别比正常供磷时提高325.0%、150.0%和50.0%。缺磷胁迫下,不同种源的杉木和马尾松增加分泌有机酸的种类不同,浙江马尾松主要增加分泌草酸、酒石酸、柠檬酸和苹果酸,广西马尾松主要增加分泌草酸和酒石酸,贵州马尾松主要增加分泌酒石酸、草酸和苹果酸;杉木主要增加分泌草酸和酒石酸。

缺磷胁迫下草甘膦对抗草甘膦大豆幼苗光合作用和叶绿素荧光参数的影响

为探明缺磷胁迫下草甘膦对抗草甘膦大豆幼苗叶片光合作用和叶绿素荧光参数的影响,采用溶液培养方法,在大豆长出真叶时进行缺磷胁迫,第二复叶完全展开时进行草甘膦处理,5d后测定各生理指标。结果表明:相对于正常供磷条件的清水处理,缺磷胁迫下4.98 mL/L草甘膦处理的大豆叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、最大荧光(F m)、PSⅡ最大光化学效率(F v/F m)、PSⅡ的有效量子产量[Y(Ⅱ)]、PSⅡ非调节性能量耗散的量子产量[Y(NO)]、最大电子传递速率(ETR max)和半饱和光强(I k)均呈下降趋势。而气孔限制值(Ls)、叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、叶绿素a/b(Chl a/b)、类胡萝卜素(Car)、总叶绿素(Chl)含量和PSⅡ调节性能量耗散的量子产量[Y(NPQ)]均呈升高趋势。说明缺磷胁迫和喷施草甘膦显著降低了抗草甘膦大豆的光合速率。缺磷引起的气孔因素可能是导致大豆光合速率下降的主要原因,而光合速率的下降导致其PSⅡ反应中心的开放程度降低,活性减弱,参与CO2固定的电子较少,光化学效率较低。

MicroRNA828负调控缺磷胁迫诱导的番茄花青素生物合成

【目的】深入解析番茄mi R828的生物学功能,特别是参与番茄缺磷胁迫响应和花青素生物合成的调控作用。【方法】分别利用ps RNATarget和RLM-5′RACE预测和验证mi R828在番茄中的靶基因。用Meg Align和MEGA5对番茄Sl MYB7-like与部分R2R3 MYB转录因子氨基酸序列进行了多重比对和进化树分析。用q RT-PCR分析mi R828及其靶基因Sl Myb7-like在AC、Micro Tom和LA1996 3个不同番茄种质中的表达和mi R828在番茄(AC)中的组织特异性表达模式。以mi R828过表达转基因番茄和野生番茄为材料,设置正常供磷(+Pi,MS+KH2PO4 3.4 g·L-1)和缺磷(-Pi,MS+KCl 1.86 g·L-1)2个处理的培养试验。用q RT-PCR分析mi R828及其靶基因在缺磷胁迫下的表达模式。将野生型和mi R828过表达的转基因番茄植株缺磷培养15 d后,观察番茄植株地上部分和地下部分的表型差异,通过q RT-PCR分析mi R828、mi R828的靶基因Sl Myb7-like(SGN-U320618)和花青素合成相关酶基因(PAL、CHS、DFR、ANS、3GT和F3′H)的表达模式,应用分光光度计测量各样品的花青素含量。【结果】RLM-5′RACE剪切试验表明mi R828对靶基因Sl Myb7-like存在剪切调控作用,且剪切作用位点位于成熟mi R828的第10位和第11位核苷酸之间,从而验证了Sl Myb7-like是mi R828直接作用的靶基因。氨基酸序列多重比对及进化树分析显示番茄Sl MYB7-like与拟南芥At MYB7和金鱼草MYB330的序列相似性最高。Sl MYB7-like含有与花青素合成相关的保守氨基酸基序。mi R828在Micro Tom幼苗中的表达最高,在LA1996中的表达最低。相反,mi R828靶基因Sl Myb7-like在LA1996中的表达水平最高,在Micro Tom中的表达水平最低。q RT-PCR分析显示Sl Myb7-like的表达模式与mi R828相反,证明Sl Myb7-like被mi R828调控。正常供磷条件下,野生型番茄各组织中mi R828的表达量普遍较低,但在花芽、花和绿果中相对较高;mi R828过表达转基因番茄植株中各花青素合成相关基因的表达量降低为野生型植株的30%—60%,花青素含量降低为野生型植株的40%。在缺磷胁迫下,野生型和mi R828过表达转基因番茄植株中mi R828及其靶基因Sl Myb7-like的表达均受到诱导上调表达;转基因番茄植株地上部分和根系生长受到的抑制程度均小于野生型番茄;转基因番茄植株的颜色较野生型番茄植株颜色浅;转基因番茄植株中Sl Myb7-like、花青素合成相关基因的表达以及花青素含量均低于野生型植株;mi R828过表达转基因番茄植株缺磷胁迫耐受性却高于野生型番茄。【结论】在番茄中,mi R828直接作用的靶基因是Sl Myb7-like。野生型番茄所测组织中mi R828的表达量普遍较低,但在花芽、花和绿果中相对较高。mi R828及其靶基因Sl Myb7-like的表达受缺磷胁迫诱导。在正常供磷和缺磷条件下,mi R828过表达转基因番茄植株中各花青素合成相关基因的表达量和花青素含量均低于野生型,表明mi R828通过靶向Sl Myb7-like负调控花青素合成相关基因的表达,进而负调控番茄植株中花青素的生物合成。mi R828能够提高番茄对缺磷胁迫的耐受性。

缺磷胁迫增强了马铃薯植株的耐旱能力

大多数研究结果表明,充足的磷营养能促进光合作用和根系生长,增加束缚水含量和膜稳定性,提高植株的耐旱能力。我们在对马铃薯24个品种(系)的盆栽沙培试验中发现缺磷胁迫反而增强了植株的耐旱能力。为进一步研究磷营养对马铃薯植株耐旱能力的影响,以两个远缘杂交后代分离群体的60个株系(30d苗龄)为材料,在正常磷和缺磷的1/2MS矿质营养液中培养16d后,用8%PEG8000模拟干旱胁迫3h,干旱胁迫前后取样测定形态生理指标。结果表明,缺磷处理的植株矮小且气孔密度下降,长出更多新根;叶片和根系的可溶性糖、脯氨酸(Pro)含量以及叶片过氧化物酶(POD)活性与正常磷处理相比升高了一倍左右。干旱胁迫后缺磷处理叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性极显著升高,叶片未萎蔫;而正常磷处理叶片Pro、丙二醛(MDA)含量均显著升高,叶片明显萎蔫;缺磷处理叶片和根系可溶性糖、根系Pro含量、叶片POD和SOD活性都显著或极显著高于正常磷处理。说明马铃薯在适应缺磷胁迫中发生的形态和生理代谢改变有助于提高其耐旱能力。

缺磷胁迫对甘蔗膜脂过氧化及保护酶系统活性的影响

利用水培试验研究了不同基因型甘蔗在缺磷条件下的叶片膜脂过氧化和保护酶系统的变化．结果显示缺磷能引起甘蔗叶片膜脂过氧化程度的提高及保护酶系统活性的改变，不同基因型的变化方式和幅度不同，与其耐低磷特性之间有一定的相关性．

缺磷胁迫下长豇豆幼苗膜脂过氧化及保护酶活性的变化

研究对缺磷敏感程度不同的长豇豆品种在缺磷胁迫下叶片和根系SOD、CAT、POD活性及MDA含量的变化。结果表明 ,对缺磷不敏感的‘芦花白’保护酶活性升高或升幅较大 ,对缺磷敏感的‘二芦白’则活性下降或升幅较小 ,缺磷胁迫下长豇豆根SOD和POD活性升高。

缺磷胁迫加重柑橘叶片光合作用的光抑制及叶黄素循环的作用

用营养液培养的方法 ,研究了不同光强和磷水平对温州蜜柑叶片光合作用光抑制的影响。结果表明 ,在缺磷强光条件下 ,叶片的初始荧光Fo、最大荧光Fm、PSⅡ光化学效率 (Fv Fm)及表观电子传递速率 (ETR)下降 ,叶片非光化学猝灭的慢相 (qNs)和叶温升高。用叶黄素循环的抑制剂DTT处理叶片后 ,Fo升高。这些结果说明 ,缺磷胁迫加重了温州蜜柑叶片光合作用的光抑制 ,叶黄素循环的非辐射能量耗散在保护光合机构免受强光破坏方面起着重要作用。

缺磷胁迫条件下大豆根系有机酸的分泌特性

采用水培和砂培方法检测了缺磷胁迫条件下大豆不同生育时期根系有机酸的分泌总量和组分的变化,结果表明:不同磷处理对大豆根系分泌有机酸有显著的影响,缺磷胁迫条件下,不论是有机酸总量还是各有机酸组分的含量均显著高于正常供磷水平,差异显著,表明缺磷胁迫是促进大豆根系分泌有机酸的一个重要原因;大豆根系有机酸的分泌随生育时期而变化,表现为先增加后降低,在花期达到分泌高峰;大豆根系分泌的有机酸各组分在水培和砂培条件下基本一致,主要以苹果酸、柠檬酸、草酸、酒石酸等为主,砂培条件下有机酸的分泌量为水培条件下的2～3倍。

缺磷胁迫对黄瓜体内磷运输及再分配的影响

本研究用营养液培养法定量地测定并计算了在正常供磷及缺磷后不同时间黄瓜植株体内磷的分布及再运输。缺磷处理５天后，新生叶和根系中的吸磷量明显增加，分别占植株总吸磷量的３６．１％和１３．５％，而相应的正常供磷植株的新生叶和根系中的吸磷量仅分别占植株总吸磷量的２２．４％和６．３４％，而且缺磷植株根系的生长显著快于供磷的植株。缺磷胁迫１０天后，植株地上部生长受到明显抑制，老叶中的磷通过韧皮部运向新生叶以保证新生器官的生长，使新生叶中磷的浓度比老叶中高４７％，但缺磷植株根系中磷的累积量下降不多。本研究还定量证明了即使在正常供磷条件下，随着生长时间的延长，也有大量的磷由老叶运向新叶。不论缺磷与否，植株新生叶和根中磷的浓度都保持最高，但缺磷和供磷植物体中磷的分配模式不同。

缺磷胁迫对温州蜜柑叶片光合作用的影响

温州蜜柑经不同程度磷胁迫处理后,其净光合速率(Pn)、光呼吸速率(Pr)、表观量子效率(AQY)、羧化效率(CE)、最大荧光(Fm)、光化学效率(Fv/Fm)、量子产量(Y)、电子传递速率(ETR)显著下降。但光呼吸/光合比(Pr/Pn)和初始荧光(Fo)显著升高。当采用叶面喷施KH2PO4的方式供磷时,缺磷状况可在24h内基本恢复到处理前的水平。

缺磷胁迫对花生磷酸酶活性的影响

通过水培试验,对不同磷处理的花生干物重及酸性磷酸酶(APA)活性变化进行比较研究。结果表明不同花生品种耐低磷能力存在差异,豫花七号和农大818相对生长量高,有较高的耐低磷能力。在不同磷处理下,根系分泌APA及叶片APA活性差异明显,缺磷处理高于供磷处理,品种间差异显著。

缺磷胁迫下的小麦根系形态特征研究

研究了缺磷条件下不同基因型小麦 (TriticumaestivumL .)苗期根系形态学适应特征 ,以明确环境因子对根系不同组分 (根轴和侧根 )生长发育调控作用的强度和根系形态与磷营养效率关系 .在缺P环境中 ,小麦根轴数量和侧根长度明显减小 ,同化物向根部的分配比例增加 ,根轴长度、侧根数量和根系长度等均有显著提高 .供试基因型小麦的根轴数量及其长度的差异在每个供磷水平及不同供磷水平之间均呈显著 ,说明这两种性状的差异是由基因型和环境因素共同决定的 ;而侧根特征的差异只在不同供磷水平间显著 ,表明侧根性状主要受环境因素的控制 .对 6种基因型小麦的研究表明 ,根轴数量、根轴长度、根生长角度和根系长度根角之间存在着显著的基因型差异 .相关分析表明 ,小麦的相对产量与缺磷条件下的小麦苗期根系形态指标的交互作用之间具有显著的线性关系 .

缺磷胁迫下不同长豇豆品种幼苗中IAA含量的变化

缺磷胁迫下对缺磷敏感程度不同的 3个品种长豇豆幼苗根中IAA含量均提高 ,二芦白升幅最大 ,芦花白次之 ,香港青最小 ;嫩茎叶中IAA含量都升高 ,香港青升幅最大 ,芦花白次之 ,二芦白最小。缺磷胁迫下长豇豆幼苗中IAA含量升高 ,并可能从地上部向根系运转 ,因而根冠比提高。

缺磷胁迫对大豆植株磷素与干物质积累的影响

磷是大豆体内重要化合物的组成因素,缺磷胁迫会影响大豆植株对磷素的吸收和分配,从而影响干物质的积累。通过采用砂培方法,自大豆V3期开始,连续进行4次缺磷处理,研究了缺磷胁迫对大豆植株磷素和干物质积累的影响。结果表明:在苗期至花期和花荚期缺磷胁迫,磷素由幼嫩向成熟生长和已成熟的叶部向外转移,以供给新生长的茎叶根和荚果对磷素的需要;苗期至花荚期缺磷处理对成熟和由幼嫩向成熟生长的叶片干物质积累影响不明显,说明叶片在向外输出磷素时,预留出自身生长需要的磷素;在结荚、鼓粒期缺磷胁迫,可导致成熟营养器官早衰;缺磷处理对干物质影响明显小于对磷素积累的影响,说明外界磷素供应不足时,大豆植株会更高效地利用磷素。

缺磷胁迫对大豆膜脂过氧化及保护酶活性的影响

研究大豆不同磷素基因型在缺磷胁迫条件下叶片SOD、CAT、POD活性及MDA含量的变化。结果表明,磷高效基因型‘铁7555’和‘辽豆13号’保护酶活性升高或升幅较大,磷低效基因型‘凤59-15’和‘辽豆11号’则活性下降或变化不明显,低磷胁迫下大豆叶片SOD和POD活性升高。

缺磷胁迫下不同长豇豆品种幼苗的解剖结构

研究了不同长豇豆〔VignaunquiculataW.ssp.sesquipedalis(L.)Verd〕品种幼苗在缺磷胁迫下的形态结构变化。结果表明:缺磷胁迫下,耐缺磷品种'芦花白'的叶片和海绵组织厚度增幅较大,栅栏组织厚度与海绵组织厚度的比值减小,气孔密度增幅较小;茎和茎导管直径增大,且比不耐缺磷的品种'二芦白'大;根直径变小,根量增加,这使其在缺磷胁迫下能保持较强的养分和水分吸收、输导能力和光合能力。缺磷胁迫下,长豇豆叶表皮气孔密度增大,气孔蒸腾加强,促进了水分和磷从根部向上运转及磷的被动吸收。不耐缺磷品种'二芦白'的气孔密度增加幅度较大,促进磷吸收运转的强度较大,为避免过多失水,栅栏组织厚度及栅栏组织与海绵组织厚度的比值增加较大,减弱了非气孔蒸腾的强度。