磷素对水稻根表红棕色铁膜的影响及营养效应

【目的】磷饥饿能明显诱导水稻根表红棕色铁膜的形成。然而,磷素是如何诱导水稻根表红棕色铁膜形成并不清楚。【方法】论文在水培条件下,对24个不同来源的传统水稻品种培养21 d后,分别进行缺磷和0.1 mmol·L-1 Fe2+处理,测定其根长、根表面积、根系干重、地上部干重及根表铁含量,从而筛选出根表铁膜含量较高的水稻品种"天优998",并以此为材料,设置不同养分元素缺乏试验(缺氮、缺磷、缺钾及其交互等8个处理)、分根试验(两边根系同时进行正常磷处理;一边根系缺磷处理,另一边根系正常供磷处理;两边根系同时进行缺磷处理)和不同磷铁比试验(磷浓度为0.0125—0.4 mmol·L-1;铁浓度为0.1—3.2 mmol·L-1,按磷铁比为1﹕1;1﹕3;1﹕5;1﹕8处理设计了4个小试验),测定了水稻根表铁膜浓度、根表无机磷浓度、根内无机磷浓度、根系和地上部磷、铁含量,探讨了磷素对根表红棕色铁膜形成及其营养效应。【结果】不同水稻品种根表铁膜浓度存在明显差异,24个水稻品种幼苗根表铁膜浓度范围为3.67—9.78 mg·g-1,水稻根表铁膜含量与根长、根表面积、根系干重、地上部干重呈显著的正相关。不同养分元素缺乏试验表明,水稻根表铁膜由红棕色铁膜和非红棕色铁膜组成,仅缺磷处理都能诱导水稻根表红棕色铁膜的形成,而缺氮和缺钾处理却不能。分根试验处理表明,缺磷处理根系侧并不能诱导正常供磷处理侧根系根表形成红棕色铁膜,根表红棕色铁膜形成主要受根表外源无机磷的影响,与根内无机磷无关。不同磷铁比试验表明,根表红棕色铁膜形成与根表磷铁比有关,根表DCB-Fe浓度与根系溶液中铁浓度有关;只有当磷铁比≤1﹕3时,根表才会形成明显的红棕色铁膜,随着磷铁比的降低,根表红棕色铁膜颜色加深;随着根系溶液中铁浓度的增加,根表DCB-Fe浓度逐渐增加,最大值为36.50 mg·g-1。最后进一步对磷铁比处理形成的根表红棕色铁膜水稻根系和地上部磷、铁吸收量进行测定,研究结果发现,根表红棕色铁膜的加深有利于水稻根系和地上部磷、铁的吸收。【结论】内源磷信号并不能诱导根表红棕色铁膜的形成,仅外源磷缺乏才能诱导根表红棕色铁膜的形成,根表红棕色铁膜的形成与根系周围环境中磷铁比有关,而根表DCB-Fe的形成仅与溶液中铁浓度有关。形成的根表红棕色铁膜在根系周围充当营养库的功能,有利于植物对磷、铁的吸收利用。

适度干湿交替促进水稻根表红棕色铁膜形成的根层诱导机制

干湿交替(AWD)是水稻(Oryza sativa)种植过程中常用的水分管理措施,该措施有利于提高根系氧化力,并促进大量根表红棕色铁膜的形成。然而,AWD诱导根表红棕色铁膜形成的根层机制并不清楚。本文利用简易AWD装置,采用砂-液联合培养,研究了AWD诱导水稻根表红棕色铁膜形成的机制。AWD强度试验表明,落干和淹水均为12 h时,水稻根系活力和根表铁膜形成量最高。在此基础上,随着AWD次数的增加,根表铁膜含量逐渐增加。根系灭活试验表明,水稻活根的根系活力为805.0~958.5μg·g^(-1)(DW)·h^(-1),根表铁膜含量为15.1~18.0 g·kg^(-1)(DW),而灭活根系没有根系活力,也无根表红棕色铁膜形成。H_2O_2促进剂氨基三唑(AT)和清除剂二甲基硫脲(DMTU)试验表明,与对照相比,AT处理的水稻根系H2O2含量、根系活力和根表铁膜含量分别增加了31.8%、20.1%和26.7%,而DMTU处理的水稻根系H2O2含量、根系活力和根表铁膜含量分别降低了27.2%、19.8%和18.4%。AWD 3次和5次处理与AWD 0次相比,水稻根系H2O2含量分别增加了29.1%和35.6%,根系活力分别增加了11.8%和16.8%。根层试验表明,在0~48 h的根表铁膜诱导过程中,AWD 5次处理与AWD 0次相比,水稻根际氧化还原电位(Eh)最大增加了9.3%,根际溶液中Fe^(2+)浓度最大降低了49.6%;相应地,以Fe^(3+)形态在根表沉积的铁膜最大增加了110.1%。上述结果表明,AWD通过诱导根系H_2O_2的累积,提高根系活力和根际Eh,促进根际Fe^(2+)氧化成Fe^(3+),从而在水稻根表形成红棕色铁膜。