ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 2, с. 260-266
УДК 581.1
ГЕНОТИПИЧЕСКИЕ РАЗЛИЧИЯ, ПРОЯВЛЯЮЩИЕСЯ У РАСТЕНИЙ РИСА ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ ФОСФОРА ИЗ ФОСФАТА ЖЕЛЕЗА. ЗАВИСИМОСТЬ ОТ МОРФОЛОГИИ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ И КИНЕТИКИ ПОГЛОЩЕНИЯ ФОСФОРА
© 2007 г. Я. Ф. Ли*, А. Ч. Луо*, С. X. Вей**, С. Г. Яо*
*Колледж науки об окружающей среде и ресурсах, Чжэцзянский университет, Ханчжоу, Китай **Централъная государственная лаборатория биологии риса, Китайский националъный институт изучения риса, Ханчжоу, Китай Поступила в редакцию 19.11.2005 г.
Для выяснения роли морфологии корня и кинетики поглощения фосфора в процессе извлечения растениями фосфора из фосфорнокислого железа мы провели два типа опытов: (1) в песчаной культуре при достаточном снабжении растений фосфором (контрольные растения, 10 мг Р/л в виде Na2P04) или в присутствии Fe-P (40 мг Р/сосуд) в качестве единственного источника фосфора и (2) в водной культуре при достаточном снабжении растений фосфором (10 мг Р/л) или при дефиците фосфора (0.5 мг Р/л). Сравнивали 8 сортов риса (Oryza sativa L.), различающихся по способности извлекать Р из Fe-P. Анализировали поглощение Р растением и морфологию корневой системы. При использовании Fe-P в качестве единственного источника фосфора мы наблюдали достоверные (P < 0.05) различия между сортами по сухому весу растений и поглощению Р. У всех сортов обработка Fe-P достоверно (P < 0.05) снижала сухой вес растений, поглощение Р в расчете на растение и концентрацию Р в растениях в расчете на сухой вес. У растений на среде с Fe-P мы наблюдали достоверные (P < 0.05) генотипические различия морфологии корней, в частности длины корня, его поверхности, объема и числа боковых корней. Поглощение Р из Fe-P в расчете на растение достоверно (P < 0.05) коррелировало с поверхностью корневой системы и ее объемом, а также с числом боковых корней. Это говорит о тесной связи между морфологией корня и способностью растений риса поглощать Р из Fe—Р. Недостаточное снабжение фосфором в водной культуре заметно повышало максимальную скорость поглощения Р (1макс) растениями всех сортов риса, но сильно снижало концентрацию, при которой поглощение составляло половину от /макс (P < 0.05). Мы предполагаем, что параметры кинетики поглощения Р не влияют на способность растений риса извлекать Р из Fe-P.
Oryza sativa - фосфат железа - трудно растворимый фосфат - дефицит фосфора - кинетика поглощения фосфора - морфология корня
ВВЕДЕНИЕ
Недостаток фосфора является одним из факторов, лимитирующих продуктивность культур, выращиваемых повсюду в мире [1]. Обычным способом преодоления дефицита Р является внесение фосфорных удобрений. Однако скудность ресурсов минерального фосфора и низкая эффективность использования фосфорных удобрений показывает, что их ежегодное внесение не является эффективным способом преодоления не-
Сокращения: Смин - концентрация, при которой прекращается поступление Р; /макс - максимальная скорость поглощения; KM - константа Михаэлиса, т.е. концентрация, при которой поглощение составляло половину от 1макс; ДПП - дни после переноса растений на раствор Р.
Адрес для корреспонденции: A.C. Luo. College of Environmental and Resource Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310029, China. Fax: +86-571-869-71359; e-mail: acluo2000@yahoo.com
достатка фосфора в почве. В действительности общее содержание Р в почве может и не быть слишком низким, когда растения испытывают его недостаток [2], поскольку Р обычно присутствует в трудно усвояемой форме, будучи связанным с А1 или Fe. Более того, фосфорные удобрения быстро превращаются в такие малорастворимые соединения, что и приводит к низкой эффективности таких удобрений [2]. В литературе появлялись сообщения о генотипических различиях в усвоении фосфора из трудно растворимых фосфатов между разными видами растений [3, 4] или их сортами [2, 5-7]. Поэтому отбор или селекция сортов культурных растений, эффективно использующих Р из плохо растворимых фосфатов, может помочь преодолеть дефицит Р и повысить коэффициент усвоения фосфорных удобрений.
Для выбора сортов, способных извлекать Р из трудно растворимых соединений, важно понять механизм этого процесса. Общепринято, что для него особенно важны морфология корней и кинетика поглощения Р. О значении морфологии корней для поглощения Р появлялись сообщения для пшеницы [8], сои [9, 10], Arabidopsis thaliana [11], риса [12] и водяного гиацинта [13]. В большинстве этих работ в качестве источника Р использовали легкорастворимые фосфаты. Однако на рисовых полях южного Китая только небольшая доля Р растворима, в то время как большая его часть входит в состав трудно растворимых фосфатов Al или Fe. Поэтому полезнее изучать извлечение Р из трудно растворимых, чем из хорошо растворимых соединений.
Параметры кинетики поглощения Р, в том числе максимальная скорость поглощения (/макс), концентрация, при которой поглощение составляло половину от 1макс (KM), и концентрация, при которой прекращается поступление Р (Смин), заметно варьируют у разных видов [14-16] и сортов [17-20] растений. Более того, даже у одного сорта эти параметры не постоянны, а зависят от возраста растений [14] и режима их питания [15, 16, 19-22]. Было высказано предположение, что генотипы с высоким 1макс, низким KM и низкой Смин поглощают Р из трудно растворимых фосфатов более эффективно [17]. Однако прямых данных в пользу такого предположения немного.
В данной работе мы выращивали растения в песчаной культуре или питательном растворе для того, чтобы выяснить значение морфологии корней и кинетики поглощения Р из фосфата железа. Мы сравнили 8 сортов риса, различающихся по эффективности извлечения Р из фосфата железа, после того как в предварительных опытах мы отобрали эти сорта из 51.
МЕТОДИКА
Опыты с песчаной культурой. В качестве инертного материала использовали кварцевый песок с размером частиц 0.42-0.77 мм ("Fuyang Quartz Sand Corporation," Китай) после его обработки в 1 М HCl в течение 24 ч, более чем десятикратного промывания водопроводной водой, трехкратного промывания дистиллированной водой и последующего высушивания в сушильном шкафу при 100°C. Схема устройства для выращивания проростков в песчаной культуре показана на рис. 1. Полиэтиленовую корзинку, выстланную нейлоновой тканью с диаметром пор 300 меш, заполняли кварцевым песком, в котором выращивали проростки риса. Эту корзинку погружали в питательный раствор, налитый в 2.5-литровый полиэтиленовый сосуд. Нейлоновая ткань препятствовала проникновению корней риса непосредственно в питательный раствор.
Проросток риса
Нейлоновая ткань (300 меш)
Кварцевый песок
Полиэтиленовая корзинка
Питательный раствор
Полиэтиленовый сосуд (2.5 л)
Рис. 1. Схема выращивания проростков риса в песчаной культуре.
Семена восьми сортов риса (Oryza sativa L. Zhenongda 454, IR 55178, Zhongbu 51, Pembe, Azucena, 31079, Xiqixuan и Hongmixian) стерилизовали 0.1%-ным HgCl2 в течение 1 мин и затем тщательно отмывали дистиллированной водой. Семена замачивали в дистиллированной воде при 30°C в течение 36 ч и затем проращивали на нейлоновой сетке на полной питательной среде, лишенной фосфора [23]. Полная питательная среда содержала 1.4 мМ NH4NO3, 0.32 мМ NaH2PO4, 0.5 мМ K2SO4, 1.0 мМ CaCl2, 1.6 мМ MgSO4, 9.5 мкМ MnCl2, 0.01 мкМ (NH4)6Mo7O24, 20 мкМ H3BO3, 0.15 мкМ ZnSO4, 0.15 мкМ CuSO4, 36 мкМ FeCl3. Когда у проростков риса развивалось по 2 листочка (10 дней после прорастания), одинаковые по размеру и степени развития проростки высаживали в емкости с песком, изображенные на рис. 1 (6 проростков на сосуд). Использовали два варианта снабжения растений фосфором: (1) контрольные проростки получали достаточно фосфора, но ни в кварцевый песок, ни в полный питательный раствор, находящийся в 2.5-литровом полиэтиленовом сосуде, не вносили фосфат железа; (2) FePO4 х 4H2O (0.287 г/сосуд) смешивали с кварцевым песком и вносили в лишенный фосфора питательный раствор в 2.5-литровом полиэтиленовом сосуде. Химически чистый FePO4 х 4H2O получали от "Sigma" (США). Опыты проводили в трех повторностях. Питательный раствор обновляли каждые пять дней. Растения собирали на 24-й день после их высадки в песок.
После сбора растений их тщательно промывали водопроводной водой для удаления частиц песка и делили на корни и побеги. Корни промывали дистиллированной водой и немедленно погружали в 25%-ный этанол. Побеги трижды промывали дистиллированной водой, сушили при 105°C в те-
чение 30 мин, а затем досушивали при 70°C до постоянного веса. Сухой вес побегов регистрировали. Образцы побегов измельчали в мельнице из нержавеющей стали, просеивали порошок через сито с порами 0.25 мм и использовали для химического анализа. Образцы порошка обрабатывали в течение 3 ч концентрированной H2SO4 и H2O2, и в гидролизате определяли содержание фосфора с помощью молибдатного метода [24].
Изучение морфологии корневой системы.
Корни, хранившиеся в 25%-ном этаноле, сканировали с помощью сканера STD 1600 ("Epson", Япония). Морфологические параметры корневой системы (длина корней, их поверхность, объем и число боковых корней) измеряли с помощью компьютерной программы анализа изображений корней ("Win-Rhizo, Regent Instruments," Канада). После сканирования корни промывали дистиллированной водой и готовили их для измерения сухого веса и содержания Р так же, как это было сделано в случае побегов.
Опыты с водной культурой. Используемые сорта риса и процедура подготовки семян и предварительного выращивания проростков были такими же, как в случае песчаной культуры. Через 10 дней после прорастания здоровые, одинаково выглядевшие проростки каждого сорта риса переносили в 60-литровые контейнеры, заполненные или полной питательной средой (10 мг Р/л) или раствором с низким содержанием Р (0.5 мг Р/л) [23]. Ежедневно подводили рН питательного раствора до 5.0 с помощью 10 мМ NaOH или 10 мМ HCl, и каждые пять дней сменяли питательный раствор.
Опыты с истощением фосфора в среде. Эти
опыты проводили так, как описано Claassen и Barber [25] с некоторыми модификациями. На 16-й день после переноса растений на раствор Р (ДПП) часть р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.