生長素和獨(dú)腳金內(nèi)酯參與磷素調(diào)控水稻分蘗的機(jī)制初探

趙晨云，郭小麗，陳亞軻，龔思遠(yuǎn)，李俊周，趙全志，孫虎威

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/河南省水稻生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046）

磷素是植物生長發(fā)育所必需的大量元素，在植物生長發(fā)育（地上部和根系發(fā)育、種子萌發(fā)、花粉發(fā)育、種子和果實(shí)的形成等）過程中起著重要的作用[1-2]。植物生長發(fā)育對(duì)磷的需求量比較大。因此，磷缺乏是限制植物生長的主要因素之一。在低磷脅迫條件下，植物能夠通過一系列響應(yīng)機(jī)制來適應(yīng)低磷環(huán)境，例如：植物可通過改變根系形態(tài)和結(jié)構(gòu)來適應(yīng)外界環(huán)境[3-6]，植物也能夠通過減少無效分枝或分蘗來提高對(duì)磷的利用效率[7-8]。植物的分枝或分蘗不僅受外界養(yǎng)分供應(yīng)的影響，同時(shí)還受體內(nèi)多種激素水平的影響。生長素及其極性運(yùn)輸在植物分枝或分蘗發(fā)生過程中有著極其重要的調(diào)節(jié)作用[9-12]，磷濃度能夠調(diào)控植物體內(nèi)生長素的極性運(yùn)輸、分布及敏感性[5，13-14]。除生長素之外，獨(dú)腳金內(nèi)酯作為一種新的植物激素，具有抑制植物分枝或分蘗的作用[7-8，15]，其合成受低磷脅迫誘導(dǎo)[5，16]，且其參與低磷脅迫抑制水稻分蘗發(fā)生的過程[7]。綜上，磷在調(diào)控植物分枝或分蘗方面有著非常重要的作用，而獨(dú)腳金內(nèi)酯和生長素也被證實(shí)參與調(diào)控植物分枝或分蘗，但兩者在磷調(diào)控水稻分蘗過程中的相互關(guān)系還有待于深入研究。為此，研究不同磷濃度下水稻分蘗數(shù)和分蘗芽長度的變化及施加外源生長素、生長素極性運(yùn)輸抑制劑對(duì)野生型水稻及獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵基因突變體d14分蘗的影響，旨在揭示水稻分蘗對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)機(jī)制以及此過程中獨(dú)腳金內(nèi)酯和生長素的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻材料為日本晴和中花11 以及獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵基因突變體d14（對(duì)應(yīng)野生型為中花11）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水培試驗(yàn)：所有水稻材料的種子經(jīng)30% NaClO消毒30 min，清水沖洗干凈后置于裝有清水的培養(yǎng)皿中，7 d 后選擇地上部、根系形態(tài)和大小均一致的幼苗，置于pH 值5.5的國際水稻所（IRRI）修正營養(yǎng)液中，進(jìn)行不同磷濃度[低磷（LP，10 μmol/L）和正常供磷（NP，300 μmol/L）]及外源生長素萘乙酸（NAA，10 nmol/L）、生長素極性運(yùn)輸抑制劑萘基鄰氨甲酰苯甲酸（NPA，0.5 μmol/L）處理（LP+NAA、LP+NPA、NP+NAA），21 d 后觀察水稻的分蘗數(shù)，并測定分蘗芽長度。

土培試驗(yàn)：在IRRI 修正營養(yǎng)液中培養(yǎng)日本晴14 d，采用盆栽試驗(yàn)進(jìn)行正常供磷（NP，磷酸二氫鉀1.92 g/kg）和低磷（LP，磷酸二氫鉀0.192 g/kg）處理，每個(gè)盆裝干土10 kg，每個(gè)處理設(shè)置5 個(gè)重復(fù)，在灌漿期測定水稻的分蘗數(shù)和株高。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 分蘗芽長度 采用體視顯微鏡測量水稻分蘗芽長度。

1.3.2 總磷含量 將處理21 d 的水稻根莖結(jié)合處樣品烘干后稱質(zhì)量。然后稱取烘干的根莖結(jié)合處樣品約0.03 g，置于50 mL 消化管中，用濃H2SO4-H2O2高溫消煮至清亮，冷卻后定容、混勻，利用流動(dòng)分析儀（型號(hào)AAA3）測定總磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 10 軟件進(jìn)行ANVOA 單因素方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷濃度處理對(duì)水稻株高、分蘗數(shù)、根莖結(jié)合處磷含量的影響

土培試驗(yàn)結(jié)果（圖1）表明，與正常供磷處理相比，低磷處理日本晴株高明顯降低；分蘗數(shù)顯著減少42%。水培試驗(yàn)（圖2a、b）得出相同的結(jié)果，與正常供磷處理相比，低磷處理日本晴分蘗數(shù)顯著減少50%。這些結(jié)果表明，低磷脅迫降低水稻株高，顯著抑制水稻分蘗的發(fā)生。

圖1 不同磷濃度土培條件下水稻株高和分蘗數(shù)Fig.1 Plant height and tiller number of rice by soil culture under different P concentrations

由于分蘗產(chǎn)生于根莖結(jié)合處，根莖結(jié)合處的磷含量會(huì)影響分蘗發(fā)生。因此，為了研究低磷處理是否降低水稻體內(nèi)總磷含量，測定了水稻根莖結(jié)合處的總磷含量。水培試驗(yàn)結(jié)果（圖2c）表明，與正常供磷處理相比，低磷處理水稻根莖結(jié)合處的總磷含量顯著降低67%。由此可見，低磷脅迫降低水稻根莖結(jié)合處的總磷含量，進(jìn)而抑制水稻分蘗的發(fā)生。

圖2 不同磷濃度水培條件下水稻分蘗數(shù)和根莖結(jié)合處總磷含量Fig.2 Tiller number and total P content in the junction of shoot and root of rice by hydroponic culture under different P concentrations

2.2 不同磷濃度處理對(duì)水稻分蘗芽長度的影響

分蘗的產(chǎn)生主要依賴于分蘗芽的伸長。因此，研究不同磷濃度處理對(duì)水稻分蘗芽長度的影響，以揭示磷素調(diào)控水稻分蘗發(fā)生的生理機(jī)制。從圖3可以看出，與正常供磷處理相比，低磷處理日本晴的分蘗芽長度顯著減少75%。由此說明，低磷脅迫抑制水稻分蘗發(fā)生主要是通過抑制分蘗芽伸長來實(shí)現(xiàn)的。

圖3 不同磷濃度處理下水稻分蘗芽長度Fig.3 Tiller bud length of rice under different P concentrations

2.3 外源NAA和NPA對(duì)不同磷濃度下水稻分蘗數(shù)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，與正常供磷處理相比，低磷脅迫促進(jìn)了水稻體內(nèi)生長素的極性運(yùn)輸，進(jìn)而抑制分蘗發(fā)生[7，14]。為進(jìn)一步證實(shí)生長素極性運(yùn)輸是否影響水稻分蘗的發(fā)生，對(duì)正常供磷條件下日本晴進(jìn)行了外源生長素NAA 和生長素極性運(yùn)輸抑制劑NPA 處理。結(jié)果（圖4a）表明，在正常供磷條件下，施加NAA顯著抑制了水稻分蘗的發(fā)生，而施加NPA處理后水稻分蘗數(shù)則顯著增加，說明生長素的極性運(yùn)輸能夠抑制水稻分蘗的發(fā)生。為了研究生長素是否參與低磷抑制水稻分蘗發(fā)生的過程，對(duì)正常供磷處理的水稻進(jìn)行NAA 處理，對(duì)低磷處理的水稻進(jìn)行NPA 處理。結(jié)果（圖4b）表明，在正常供磷條件下，施加NAA后水稻分蘗數(shù)與低磷處理相近，差異不顯著；在低磷條件下，施加NPA 處理不能增加水稻的分蘗數(shù)，其分蘗數(shù)與低磷處理相近，差異不顯著。上述結(jié)果表明，在低磷脅迫下，除了生長素之外，可能存在其他因素抑制水稻分蘗的發(fā)生。

圖4 外源NAA和NPA對(duì)不同磷濃度下水稻分蘗數(shù)的影響Fig.4 Effects of exogenous NAA and NPA on tiller number of rice under different P concentrations

2.4 獨(dú)腳金內(nèi)酯和生長素在磷素調(diào)控水稻分蘗過程中的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，獨(dú)腳金內(nèi)酯也參與了低磷抑制水稻分蘗發(fā)生的過程[7]。為了研究獨(dú)腳金內(nèi)酯和生長素在磷素調(diào)控水稻分蘗發(fā)生過程中的關(guān)系，在不同磷濃度處理下觀察獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵基因突變體d14分蘗數(shù)的變化。結(jié)果表明，與中花11相比，正常供磷處理下，d14分蘗數(shù)輕微增加，但差異不顯著；低磷處理下，d14分蘗數(shù)顯著增加，達(dá)到與野生型水稻正常供磷條件下相似的水平，說明獨(dú)腳金內(nèi)酯參與低磷抑制水稻分蘗發(fā)生的過程（圖5a）。同時(shí)，對(duì)突變體d14在正常供磷和低磷條件下施加NAA后發(fā)現(xiàn)，與不施加NAA 處理相比，無論在正常供磷還是低磷條件下，施加NAA 處理突變體d14的分蘗數(shù)均顯著降低（圖5b），說明在缺失獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)的情況下，生長素依然能夠抑制水稻分蘗的發(fā)生。

圖5 不同磷濃度處理對(duì)突變體d14分蘗數(shù)的影響Fig.5 Effects of different P concentrations on tiller number of mutant d14

3 結(jié)論與討論

土壤中的磷素大多數(shù)是以有機(jī)態(tài)形式存在，難以被植物吸收利用，且可溶的磷酸根離子在酸性和堿性土壤中易被鈣、鋁、鐵等離子及其他化合物固定形成難溶態(tài)的磷。研究發(fā)現(xiàn)，土壤溶液中實(shí)際有效磷濃度平均為1～2 μmol/L，即使在肥沃的土壤中，可利用磷的濃度也很少超過10 μmol/L[1，17]。因此，提高磷素的利用效率至關(guān)重要。在低磷脅迫下，植物自身形態(tài)和生理特性的適應(yīng)性變化是高效吸收利用磷素的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，如減少分蘗或分枝[7-8]。擬南芥和水稻在低磷脅迫下分枝或分蘗均減少[7-8]，說明低磷脅迫對(duì)不同植物種類分枝或分蘗的發(fā)生有相似的影響。在本研究條件下，無論是水培還是土培條件下，隨著磷濃度降低，水稻的分蘗數(shù)顯著降低，證實(shí)低磷處理能夠抑制水稻分蘗的發(fā)生。

研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫能夠促進(jìn)水稻根系中獨(dú)腳金內(nèi)酯的合成和分泌[5，7]。與正常供磷處理相比，低磷脅迫條件下野生型水稻的分蘗數(shù)受到顯著抑制，而獨(dú)腳金內(nèi)酯合成突變體（d10）和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體（d3）的分蘗數(shù)則沒有發(fā)生顯著變化[7]，說明獨(dú)腳金內(nèi)酯參與低磷抑制水稻分蘗發(fā)生的過程。在本研究中，與正常供磷處理相比，低磷處理日本晴和中花11的分蘗數(shù)均顯著降低，而獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵基因突變體d14的分蘗數(shù)對(duì)磷濃度不敏感，在正常供磷和低磷處理下均具有較多的分蘗，這與UMEHARA等[7]的結(jié)果一致。

生長素合成于植物頂端完全展開的葉片中，其極性運(yùn)輸能夠抑制側(cè)芽的發(fā)生[17]。研究發(fā)現(xiàn)，植物能夠通過改變生長素的極性運(yùn)輸來調(diào)控水稻分蘗的發(fā)生[9-12，18]。與野生型水稻相比，生長素運(yùn)輸基因PIN1（PIN-FORMED 1）突變體的分蘗數(shù)顯著增加[9，18]；超表達(dá)OsPIN2基因水稻植株根莖結(jié)合處的生長素濃度及分蘗數(shù)均顯著增加[10]；超表達(dá)OsPIN5b基因水稻植株體內(nèi)生長素含量顯著增加，但分蘗數(shù)卻顯著降低[11]，說明水稻根莖結(jié)合處生長素的水平與水稻分蘗數(shù)并非完全一致。而在本研究中，在正常供磷條件下，施加外源NAA 能夠抑制水稻分蘗的發(fā)生；在低磷處理下，施加NPA 不能夠促進(jìn)水稻分蘗的發(fā)生。這些結(jié)果表明，在低磷條件下，除生長素之外，可能存在其他因素抑制水稻分蘗的發(fā)生。

目前，關(guān)于獨(dú)腳金內(nèi)酯和生長素在調(diào)控植物分蘗過程中的相互關(guān)系研究很多。例如，獨(dú)腳金內(nèi)酯作用于生長素的下游來調(diào)控?cái)M南芥和豌豆幼芽的發(fā)生[19]；獨(dú)腳金內(nèi)酯通過抑制生長素的極性運(yùn)輸來調(diào)控?cái)M南芥地上部的分枝[20-21]；獨(dú)腳金內(nèi)酯在抑制擬南芥分枝的過程中可能獨(dú)立于生長素[22]；無論是內(nèi)源還是外源獨(dú)腳金內(nèi)酯均能抑制生長素從地上部向根莖結(jié)合處的極性運(yùn)輸，且降低PIN 家族基因在根莖結(jié)合處的表達(dá)[23]。這些結(jié)果說明，獨(dú)腳金內(nèi)酯和生長素在調(diào)控植物地上部分枝方面關(guān)系復(fù)雜且尚不清楚。在本研究中，獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵基因突變體d14具有較多的分蘗，且分蘗的發(fā)生對(duì)磷素不敏感，但在正常供磷和低磷條件下施加外源NAA 依然能夠顯著抑制d14分蘗的發(fā)生，說明生長素和獨(dú)腳金內(nèi)酯在低磷抑制水稻分蘗發(fā)生的過程中存在一定的獨(dú)立性。