螯合–緩沖營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下添加外源鋅對小麥幼苗生長和TaZIPs基因表達(dá)的影響

李廣鑫，趙 鵬，睢福慶，劉紅恩，秦世玉，段 然，楊艷征，王 云，李 暢

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/河南省土壤污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450002）

鋅(Zn)是動植物所必需的微量營養(yǎng)元素，在生長發(fā)育、生殖遺傳等生理過程中能夠激活促進(jìn)與生長和代謝相關(guān)的酶，并產(chǎn)生在DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄中發(fā)揮重要作用的含鋅金屬蛋白，從而控制相關(guān)基因的表達(dá)[1–2]。鋅通常以二價(jià)離子的形式被植物所吸收，外源供鋅可以有效提高作物的產(chǎn)量和鋅含量[3–4]。鋅缺乏和鋅過量的生理范圍較窄，一般莖葉中的鋅含量在 10～100 mg/kg，當(dāng)超過 300 mg/kg 時，鋅的毒害作用較為明顯[5–6]。Broadley等[6]研究發(fā)現(xiàn)小麥中的鋅濃度會隨鋅供應(yīng)的增加而顯著提高，過多的鋅致使大量的重金屬離子進(jìn)入植物的原始平衡系統(tǒng)，導(dǎo)致代謝紊亂。侯雷平等[7]研究發(fā)現(xiàn)缺鋅或高鋅均會導(dǎo)致番茄葉片的葉綠素含量下降，而適量供鋅可促進(jìn)植株根系伸長，根系活力增強(qiáng)；同時還可提高劍麻葉片葉綠素含量，增強(qiáng)光合作用，促進(jìn)碳水化合物的合成和代謝[8]。

研究表明，植物本身為獲得適當(dāng)?shù)匿\營養(yǎng)也進(jìn)化出了復(fù)雜的感知和響應(yīng)機(jī)制[9]，如調(diào)節(jié)根對鋅的吸收，以減輕鋅有效性的變化[10]。植物體內(nèi)的Zn2+平衡與鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因家族密不可分，而ZIP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被認(rèn)為是植物適應(yīng)土壤中鋅有效性低和變化的關(guān)鍵基因[11–12]。植物的生長發(fā)育過程受到基因表達(dá)方式的嚴(yán)格調(diào)控。某些基因在植物生長的各個階段持續(xù)表達(dá)，其基因表達(dá)水平幾乎不受外界環(huán)境的影響，這類基因表達(dá)稱為組成型表達(dá)；與之相對的是一些基因表達(dá)極易受環(huán)境變化的影響，在特定的環(huán)境信號刺激下，這些基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種表達(dá)方式稱為誘導(dǎo)性表達(dá)。有報(bào)道稱，在中國春小麥(Triticum dicoccoides-nudigl)中，TaZIP3、TaZIP6、TaZIP7、TaZIP9和TaZIP13基因的表達(dá)受缺鋅誘導(dǎo)(也稱誘導(dǎo)性表達(dá))[13]，這些基因的表達(dá)在一定程度上均會對作物的鋅肥利用率產(chǎn)生影響，但關(guān)于其受鋅影響的變化和作用機(jī)制尚不十分明確。

因此，本試驗(yàn)通過采用螯合–緩沖營養(yǎng)液培養(yǎng)來模擬土壤缺鋅環(huán)境，研究不同供鋅水平對小麥的生長、光合作用、離子平衡以及ZIP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)的影響，從生理和分子水平上揭示小麥植株體內(nèi)鋅離子平衡的作用機(jī)制，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鋅肥的平衡施用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試小麥品種為‘百農(nóng)207’。試驗(yàn)選取顆粒飽滿、大小一致的種子，在10% NaClO溶液中浸泡消毒5 min，用自來水沖洗干凈后，再用蒸餾水和去離子水各清洗3次后，在去離子水中浸泡24 h，將吸脹后的種子放置在濕潤的棉紗上進(jìn)行催芽。供試營養(yǎng)液為螯合–緩沖營養(yǎng)液[14]，其基本配方為：1.5 mmol/L KNO3、0.6 mmol/L NH4H2PO4、0.25 mmol/L MgSO4·7H2O、1.0 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O、2.56 mmol/L MES (pH 為 6.1)、20 μmol/L EDTA-Fe、12.5 μmol/L H3BO3、3.0 μmol/L MnSO4、0.1 μmol/L H2MoO4、0.1 μmol/L NiSO4、2.8 μmol/L CuSO4·5H2O、50 μmol/L K3-HEDTA，營養(yǎng)液 pH 為 6.1。

試驗(yàn)共設(shè)置5個營養(yǎng)液供Zn水平：0、0.05、0.25、1.0、2.5 mg/L，相當(dāng)于 Zn 0、0.76、3.82、15.30、38.23 μmol/L，以 ZnSO4?7H2O 形式加入，各處理營養(yǎng)液要保持pH一致(通過NaOH和HCl調(diào)節(jié)pH)。選擇長勢一致的幼苗移栽到含有2 L螯合-緩沖營養(yǎng)液的黑色塑料容器中，每個塑料容器中種植10棵小麥苗。試驗(yàn)在溫濕可控的人工光照培養(yǎng)室中進(jìn)行，溫度為25℃±5℃，濕度75%±1%，光照/黑暗時間分別為14 h/10 h。待幼苗長至一葉一心時，首先使用1/4和1/2的螯合-緩沖營養(yǎng)液分別培養(yǎng)3天后，再選擇全營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，同時進(jìn)行供鋅處理，每個處理重復(fù)4次，每3天更換1次營養(yǎng)液。在配制鋅溶液時，要求ZnSO4?7H2O與等物質(zhì)的量的K3-HEDTA混合平衡后使用。

試驗(yàn)在鋅處理3周后收獲取樣，采集測定小麥植株長度、生物量、光合參數(shù)、鋅鐵等金屬離子含量等指標(biāo)，部分樣品經(jīng)液氮冷凍后保存于－80℃超低溫冰箱中。選擇0、0.25、2.5 mg/L供鋅處理下的小麥幼苗進(jìn)行基因表達(dá)分析。

1.2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1 根系形態(tài)及幼苗生長 處理14天時，每個處理隨機(jī)選取 4 株完整的小麥植株，采用根系掃描儀 (V700PHOTO, Epson, Japan)和數(shù)據(jù)分析軟件 Win RHI-ZO Version 2009 PRO (Regent Instruments,Quebec City, Canada)分別對根系總長 (RL)、根系表面積(RSA)、根體積(RV)和平均根直徑(RAD)進(jìn)行掃描分析，測定根系形態(tài)。

在供鋅處理21天時，用刻度尺測量幼苗莖基部至頂端葉尖的長度，即為株高，根尖到幼苗莖基部的長度即為根長。將小麥植株在105℃下殺青30 min，70℃下烘干至恒重后，地上部和根部分開稱重。

1.2.2 光合參數(shù) 處理14天時，選取小麥幼苗完全展開的倒二葉，用便攜式光合測定系統(tǒng)(LI-6400XT, USA)測定葉片面積，根據(jù)葉面積換算得出小麥葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

1.2.3 微量元素含量 將小麥地上部和根部粉碎后，采用 HNO3∶HClO4(87∶13，V/V)混酸提取，石墨消解爐 (EHD36，Lab Tech Ltd, USA)消解，原子吸收分光光度法 (ZEEnit 700；Analytik. Jena AG，Germany)測定小麥Zn、Cu、Fe、Mn含量。

1.2.4 RNA 提取及實(shí)時熒光定量 PCR (qRT-PCR)用Trizol試劑(Invitrogen, USA)提取小麥根部和地上部的總RNA，去除基因組DNA后，使用 M-MLV逆轉(zhuǎn)錄酶(Fermentas，USA)和dT18寡核苷酸引物將 RNA 反轉(zhuǎn)錄為 cDNA。使用 ABI Quant Studio 3 實(shí)時熒光 PCR 系統(tǒng)和 SYBR Green Kit (Takara)進(jìn)行實(shí)時 qRT-PCR。PCR 條件為預(yù)變性 95℃ 30 s，40 個循環(huán) 95℃ 10 s，60℃ 30 s，融解曲線 95℃ 15 s，60℃60 s，95℃ 15 s。3 個生物重復(fù)被用于轉(zhuǎn)錄分析，每個cDNA 樣本進(jìn)行了3次技術(shù)重復(fù)。相關(guān)基因的引物序列見表1。

表1 引物序列與相關(guān)信息Table 1 Sequences and related information of primers used in this study

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有試驗(yàn)均采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，重復(fù)4次。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 22.0 (Chicago, USA)軟件進(jìn)行方差分析和差異顯著性分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD法進(jìn)行多重比較(P<0.05)，使用Sigmaplot 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供鋅水平對小麥幼苗生長的影響

由圖1可知，隨著供鋅濃度的增加，小麥幼苗的根長和株高呈先升后降的趨勢，以Zn0.05處理的小麥幼苗的根長和株高最大，分別為46.18和35.47 cm，是Zn0處理的1.24和1.22倍；隨著供鋅濃度的進(jìn)一步增加，小麥幼苗的根長和株高呈下降趨勢，但仍高于Zn0處理，其中，Zn0.05與Zn0.25處理的根長無顯著性差異。

圖1 不同供鋅水平下小麥幼苗的生長情況Fig. 1 Growth of wheat seedlings under different Zn levels

2.2 不同供鋅水平對小麥幼苗生物量的影響

由圖2可知，無論供鋅水平如何，小麥幼苗的地上部干重均高于根部。小麥幼苗的干重在Zn0.05處理時達(dá)到最大，隨著供鋅濃度的進(jìn)一步增加，呈下降的趨勢。與Zn0處理相比，供鋅后(Zn0.05、Zn0.25、Zn1.0、Zn2.5)的小麥幼苗根部干重分別提高了35.91%、20.19%、–1.05%、–13.89%，地上部干重分別提高了34.39%、16.66%、–2.55%、–8.08%。隨著供鋅濃度的進(jìn)一步提高，小麥幼苗干重呈下降趨勢，且對根部干重影響較大。缺鋅（Zn0）和高鋅（Zn1.0、Zn2.5）處理下小麥幼苗的生物量較Zn0.05處理下降了25.6%～31.6%?？梢姡Ｒ?guī)供鋅濃度(0.05、0.25 mg/L)可以顯著促進(jìn)小麥幼苗的生物量累積，而高鋅則會顯著抑制小麥的生長發(fā)育，這與鋅對小麥幼苗根長和株高的影響基本一致。

圖2 不同供鋅水平下小麥幼苗的生物量Fig. 2 Biomass of wheat seedlings under different Zn levels

2.3 不同供鋅水平對小麥幼苗根系形態(tài)的影響

如表2所示，小麥幼苗的根部總根長、表面積、體積和平均直徑均隨著供鋅水平的提高呈先增后降的趨勢，小麥幼苗的總根長在Zn1.0處理最大，根表面積、根體積、根平均直徑均在Zn0.25處理下達(dá)到最大。常規(guī)鋅（Zn0.05、Zn0.25）處理下根系形態(tài)指標(biāo)較Zn0處理增加了0.30%～27.0%。而Zn0以及Zn2.5處理下根系形態(tài)指標(biāo)較Zn0.25處理下降了1.3%～21.2%，顯著抑制了幼苗的根系形態(tài)發(fā)育，影響到了地上部的生長。

表2 不同供鋅水平下小麥幼苗的根系形態(tài)Table 2 Root morphology of wheat seedlings under different Zn levels

2.4 不同供鋅水平對小麥幼苗鋅含量和鋅累積量的影響

由圖3可知，小麥幼苗的鋅含量和鋅累積量均隨供鋅水平的升高而增加。Zn0.05、Zn0.25、Zn1.0、Zn2.5處理的小麥幼苗根部的鋅含量較Zn0處理分別增加了125.01%、138.32%、533.99%、1047.97%，地上部分別增加了170.54%、226.27%、491.26%、656.44 %；同樣，根部鋅累積量較Zn0處理分別增加了213.40%、188.34%、538.59%、1015.01%，地上部分別增加了219.08%、280.40%、474.14%、614.39 %。小麥幼苗鋅含量和鋅累積量均表現(xiàn)為根部>地上部。

圖3 不同供鋅水平下小麥幼苗各器官的鋅含量和鋅累積量Fig. 3 Zn content and accumulation in the roots and shoots of wheat seedlings under different Zn levels

小麥幼苗體內(nèi)的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在Zn0.25處理下最高，為Zn0處理的1.37倍(圖4)。高鋅(Zn1.0、Zn2.5)處理下，轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著低于常規(guī)供鋅(Zn0.05、Zn0.25)處理，緩解了對地上部的毒害作用。

圖4 不同供鋅水平下小麥幼苗體內(nèi)的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig. 4 Zn translocation factor in wheat seedlings under different Zn levels

2.5 不同供鋅水平對小麥幼苗體內(nèi)Cu、Fe、Mn吸收的影響

如圖5所示，小麥幼苗體內(nèi)的Cu、Fe、Mn含量顯著受到供鋅濃度的影響。Zn0處理下小麥體內(nèi)的Cu、Fe、Mn吸收最高，隨著供鋅濃度的增加，Cu、Fe、Mn吸收呈下降趨勢。小麥幼苗根部的Mn吸收較Zn0處理降低了19.13%～49.14%，地上部降低了6.70%～18.92%；根部Fe吸收降低了50.49%～78.66%，地上部降低了14.32%～34.01%；根部Cu吸收降低了34.21%～44.33%，地上部降低了19.80%～32.12%?？梢姡谛←溣酌绲捏w內(nèi)，金屬離子Cu、Fe、Mn與Zn之間存在著拮抗作用，且Zn對Fe的拮抗能力顯著強(qiáng)于對Cu和Mn。

圖5 不同供鋅水平下小麥幼苗根部和地上部Cu、Fe、Mn吸收量Fig. 5 Cu, Fe, and Mn uptake in roots and shoots of wheat seedlings under different Zn levels

Zn含量與Cu、Fe、Mn含量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)。根系Zn含量與Cu、Fe、Mn含量的相關(guān)系數(shù)(r)分別為–0.73、–0.74、–0.79，均達(dá)到0.05水平，而地上部之間的相關(guān)系數(shù)分別為–0.66、–0.81、–0.85，與Cu含量之間的相關(guān)性不顯著，而與Fe和Mn的負(fù)相關(guān)性達(dá)到0.01水平。這些結(jié)果進(jìn)一步證明了在小麥幼苗體內(nèi)Zn與某些金屬離子之間存在著拮抗機(jī)制。

表3 不同供鋅水平下小麥根部和地上部鋅與銅、鐵、錳含量之間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation of Cu, Fe, and Mn content with Zn content in the root and shoot of wheat seedlings

2.6 不同供鋅水平對小麥幼苗葉片光合參數(shù)的影響

由圖6可知，小麥幼苗的光合參數(shù)隨供鋅濃度的增加呈先增后降的趨勢，且均在Zn0.25處理達(dá)到最大。隨著供Zn濃度的增加，葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)較Zn0處理分別提高了42.86%～58.11%、40.39%～55.40%；常規(guī)供鋅(0.05、0.25 mg/L)水平時，胞間CO2濃度(Ci)和凈光合速率(Pn)較Zn0處理分別提高了3.55%～8.66%、10.07%～15.97%。而高 Zn (1.0、2.5 mg/L)供應(yīng)后，葉片的光合參數(shù) (Gs、Tr、Ci、Pn)較Zn0.25處理分別下降了6.22%～9.64%、5.00%～9.66%、14.07%～16.69%、8.15%～10.51%。由此可知，適量的供鋅濃度有利于提高小麥幼苗的光合能力，促進(jìn)干物質(zhì)重的累積，但并非越高越好。

圖6 不同供鋅水平下小麥幼苗葉片的光合參數(shù)Fig. 6 Photosynthetic parameter of wheat seedlings under different Zn levels

2.7 鋅對小麥幼苗體內(nèi)Zn2+平衡關(guān)鍵基因表達(dá)的影響

根據(jù)小麥相關(guān)生理指標(biāo)結(jié)果的分析，選用0、0.05、2.5 mg/L這3個供鋅濃度測定小麥根部和地上部TaZIP3、TaZIP5、TaZIP6、TaZIP7和TaZIP13的基因表達(dá)量(圖 7)?？芍琓aZIP3、TaZIP5、TaZIP7和TaZIP13在根系和地上部的基因表達(dá)量均在Zn0時最高，在Zn2.5時最低，TaZIP7和TaZIP13在地上部的基因表達(dá)趨勢與根系一致，而TaZIP3和TaZIP5在地上部的表達(dá)幾乎不受鋅濃度變化的影響。表明這些基因顯著受缺鋅信號調(diào)控，缺鋅誘導(dǎo)了小麥上調(diào)這些基因的表達(dá)量。TaZIP6在根系中呈組成性表達(dá)，其相對表達(dá)量幾乎不受供鋅濃度的影響，而在地上部的相對表達(dá)量則隨供鋅濃度的提高而增加，表明其主要作用與其他幾個基因不同，可能主要參與了鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖7 不同外源供鋅水平下小麥幼苗根部和地上部Zn2+平衡關(guān)鍵基因的相對表達(dá)量Fig. 7 Relative expression of genes related to Zn2+ homeostasis in the roots and shoots of wheat seedlings under different exogenous Zn supply levels

3 討論

鋅的缺乏和過量都會影響植物的生理代謝[15]，降低作物幼苗的生長速率和干重[16]。本試驗(yàn)中，無外源鋅處理(Zn0)和高鋅處理(Zn1.0、Zn2.5)下，小麥幼苗生長、根系發(fā)育以及干物質(zhì)重均低于常規(guī)供鋅水平(Zn0.05、Zn0.25)處理，顯示了一定的抑制效果，這與邢飛等[17]、閆志剛等[18]、韓金玲等[19]研究結(jié)果相一致。多項(xiàng)研究表明，施鋅能明顯提高小麥植株中的鋅含量，促進(jìn)鋅在植株中的積累[3–4, 7, 16]。姜麗娜等[20]研究發(fā)現(xiàn)，外源鋅供應(yīng)能夠明顯提高小麥幼苗根和芽中的鋅含量和鋅累積量；汪洪等[21]也發(fā)現(xiàn)施鋅提高了玉米植株中的鋅濃度和吸收量，促進(jìn)了鋅向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究證實(shí)了供鋅可以明顯提高小麥幼苗根部和地上部的鋅含量和鋅累積量，這一結(jié)果與Cherif等[22]在番茄上的研究結(jié)果相一致。同樣，有研究表明，植株地上部的鋅含量通常在10～100 mg/kg，且含量超過300 mg/kg時，作物會出現(xiàn)毒害癥狀[6]。而在本研究中，小麥幼苗地上部鋅含量在高鋅(2.5 mg/L)水平下達(dá)到了364.17 mg/kg，但未表現(xiàn)出明顯的毒害癥狀，這可能與根系作為植物貯藏器官的作用有關(guān)[23]，導(dǎo)致大量鋅在根部累積，減輕了地上部的鋅毒害。

鋅、銅、鐵、錳是植物必需的微量元素，它們在植物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)具有十分重要的作用[24]。本研究中，Zn與Cu、Fe、Mn的吸收在小麥苗期存在著明顯的拮抗作用，隨著施鋅濃度的增加，小麥幼苗體內(nèi)的鋅含量和累積量顯著提高，但Cu、Fe、Mn的吸收顯著減少，以往研究也發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)作物中Zn與Cu、Fe、Mn的吸收存在著相互拮抗作用[25–26]，而這種拮抗的產(chǎn)生可能是由于Zn和其他金屬離子與氨基酸結(jié)合于同一位點(diǎn)上[27]。高鋅供應(yīng)會干擾植物體內(nèi)其他金屬離子的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配，影響植株體內(nèi)離子的平衡系統(tǒng)[28]。在本研究中，鋅供應(yīng)后，小麥幼苗根部的Mn、Fe、Cu含量較Zn0處理顯著下降，且Fe含量的下降幅度最大。這可能是由于“稀釋效應(yīng)”，施鋅促進(jìn)了干物質(zhì)的大量累積，從而進(jìn)一步導(dǎo)致了其他必需微量營養(yǎng)元素含量的下降[29]。

光合參數(shù)是植株生長發(fā)育的基礎(chǔ)，鋅的缺乏和過量均會破壞葉肉細(xì)胞從而引起光合系統(tǒng)的氧化損傷，導(dǎo)致光合能力下降[30]。光合速率和蒸騰速率是衡量光合作用能力和蒸騰作用強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，其中，胞間CO2濃度(Ci)直接關(guān)系到光合速率的變化，而氣孔導(dǎo)度(Gs)會直接影響到蒸騰速率。鋅缺乏或鋅過量均會導(dǎo)致植物體內(nèi)碳酸酐酶和羧化酶的活性降低，產(chǎn)生，光氧化傷害加重，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)CO2濃度下降和葉片氣孔導(dǎo)度降低，引起植物的光合能力下降[31]。本試驗(yàn)中，常規(guī)鋅供應(yīng)后增加了胞間CO2濃度(Ci)，提高了光合速率，葉片的氣孔導(dǎo)度(Gs)也有所升高，導(dǎo)致葉片的蒸騰速率提高，這一結(jié)果與杜新民等[32]在小白菜上的研究結(jié)果和Sagardoy等[33]在甜菜上的研究結(jié)果相一致。

本研究中，小麥對鋅素的缺乏和過量都顯示了一定的反應(yīng)。鋅缺乏條件下，小麥的生長發(fā)育沒有受到明顯地抑制，可能是由于處理的時間較短(21天)以及小麥籽粒中本身含有鋅，對外源鋅的供應(yīng)需求較小。此外，鋅缺乏顯著提高了小麥幼苗體內(nèi)ZIP基因 (TaZIP3、TaZIP5、TaZIP7、TaZIP13)的表達(dá)，促進(jìn)了鋅的吸收利用和轉(zhuǎn)運(yùn)(圖7)。目前，在六倍體小麥中共鑒定出了14個TaZIPs基因，而受缺鋅誘導(dǎo)的TaZIPs基因表達(dá)結(jié)果表明ZIP成員可能在鋅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮著重要作用[13]。其中有許多作物中的ZIP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白已經(jīng)被證明參與了植物體內(nèi)的鋅離子平衡，如：水稻[34]、擬南芥[35]、大麥等[36]。ZIP3、ZIP5、ZIP6、ZIP7和ZIP13屬于已經(jīng)被證實(shí)來自擬南芥、水稻和大麥的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)ZIP基因系統(tǒng)發(fā)育的主要分支，但在小麥中幾乎還未被研究[13]。在本研究中，TaZIP3、TaZIP5、TaZIP6、TaZIP7和TaZIP13的基因表達(dá)在小麥幼苗的根系和地上部均被檢測到，且缺鋅顯著誘導(dǎo)了TaZIP3、TaZIP5、TaZIP7和TaZIP13在小麥體內(nèi)的高表達(dá)，表明這些基因受到缺鋅信號的顯著調(diào)控，其主要功能可能參與植物養(yǎng)分供應(yīng)不足時鋅的吸收過程。有研究發(fā)現(xiàn)，在水稻中，OsZIP3在薄壁細(xì)胞和木質(zhì)部轉(zhuǎn)移細(xì)胞中表達(dá)，可能負(fù)責(zé)鋅在水稻發(fā)育組織中的優(yōu)先分配[37]，而OsZIP4在根和莖中都有表達(dá)，可能參與了鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)和再分配[38]；在大麥中，HvZIP3和HvZIP5的轉(zhuǎn)錄水平受到鋅缺乏所誘導(dǎo)[39]；在野生二粒小麥中，TdZIP1(TaZIP3同源)會在缺鋅條件下高度表達(dá)[40]。TaZIP7與AtZIP4、AtZIP9、OsZIP7和OsZIP7a密切相關(guān)[13]，其中，AtZIP4在擬南芥的根和莖中都有表達(dá)，然而它的表達(dá)沒有逆轉(zhuǎn)鋅在酵母突變體中(ZHY3和DEY1453)的活性[41]，而OsZIP7和OsZIP7a在水稻的莖中受到缺鋅誘導(dǎo)，可能參與了鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)過程[42]。TaZIP13與HvZIP13、OsZIP8屬于最接近的同源基因[13]，其中OsZIP8參與水稻中鋅的吸收和分配[43]，而HvZIP13可能直接參與大麥中鋅的運(yùn)輸或在低鋅條件下被誘導(dǎo)[44]。本研究中，鋅供應(yīng)降低了TaZIP3、TaZIP5、TaZIP7和TaZIP13在小麥中的表達(dá)量。TaZIP6在根系中呈組成性表達(dá)，幾乎不受外界鋅含量變化的影響，而在地上部，其表達(dá)量隨供鋅水平的提高逐漸升高，表明其可能主要參與了鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)過程(圖7)。Evens等[13]也發(fā)現(xiàn)TaZIP6和TaZIP13在小麥根系和莖中的表達(dá)模式完全相反。由此可知，TaZIPs基因?qū)τ诰S持小麥植株體內(nèi)鋅離子平衡穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。結(jié)合供鋅對小麥幼苗各部位離子含量與鋅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響，表明植物通過調(diào)控TaZIPs基因的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控鋅的吸收以及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而改變了鋅在植株體內(nèi)的分布，保證了植物的正常生長發(fā)育。

4 結(jié)論

適量供鋅明顯改善小麥的光合作用、根系形態(tài)以及離子平衡等，從而促進(jìn)小麥的生長發(fā)育，積累更多的干物質(zhì)。缺鋅與過量均會抑制小麥幼苗的生長發(fā)育，但小麥適應(yīng)缺鋅與過量的機(jī)制不完全一致。缺鋅會上調(diào)小麥體內(nèi)鋅離子相關(guān)基因的表達(dá)量來提高對鋅的吸收利用和轉(zhuǎn)運(yùn)；鋅過量會減少小麥對Fe、Mn、Cu等微量元素的吸收，以維持小麥體內(nèi)膜內(nèi)外的離子平衡，同時，減少了鋅向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，緩解了鋅的毒害。