全 文 :第35卷第5期 西 南 大 学 学 报 (自然科学版) 2013年5月
Vol.35 No.5 Journal of Southwest University(Natural Science Edition) May 2013
文章编号:1673-9868(2013)05-0137-08
钙磷对紫花苜蓿根瘤菌体系
酸铝胁迫的修复效应
①
王晓锋, 罗 珍, 刘晓燕, 朱 丹, 张 磊
西南大学 资源环境学院,重庆400715
摘要:为初步探究钙、磷在酸铝胁迫之后对豆科植物及其根瘤菌共生结瘤的修复效应,本试验采用水培培养法,
以紫花苜蓿和耐酸苜蓿根瘤菌91522为材料,探讨了钙磷对酸铝胁迫后苜蓿根瘤菌生长、存活及苜蓿结瘤、初生
根伸长的影响.结果显示,5mmol/L Ca2+能够显著提高酸铝胁迫下耐酸根瘤菌的生长和存活,4μmol/L P素在
Ca2+的基础上进一步提高根瘤菌存活率.在钙、磷共同存在的条件下,苜蓿初生根的伸长量比酸铝胁迫对照提高
了5~7倍;在铝毒害之后,通过补充Ca2+和P,苜蓿结瘤数、瘤鲜重、现瘤时间、农艺性状得到了显著的恢复;
高浓度(10mmol/L)Ca2+对苜蓿根瘤菌生长有更好效果,但对苜蓿结瘤效果则不如5mmol/L Ca2+.初步认为,
钙磷可以通过提高根瘤菌在酸性环境下的存活、苜蓿根系生长以及参与根瘤菌与豆科宿主识别过程来恢复酸铝
毒害后的苜蓿-根瘤菌共生结瘤过程.
关 键 词:钙;磷;酸铝毒害;苜蓿;耐酸根瘤菌
中图分类号:X502 文献标志码:A
全世界50%以上的耕地和潜在可耕地,即约1.5Ghm2 属于酸性土壤[1].我国酸性土壤遍及南方15
个省区,总面积为2.03×107 hm2,约占全国土地总面积的21%[2].在酸性土壤中,铝离子从硅酸盐或
氧化物中释放出来,溶解到土壤溶液中,对植物具有毒害作用[3],并且已经成为一个世界性的限制酸性
土壤上作物产量的主要因子[4-5].紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是一种营养丰富的优良牧草,因其生物
固氮能力、适应性强、产量高、品质好等优点,其种植已被列入国家重大规划项目.然而,苜蓿是对酸性
条件最为敏感的植物之一[6],酸性土壤中铝毒害的问题,更加限制苜蓿的北草南引的战略,因此有必要
建立高效、抗逆性和适应性强的豆科植物-根瘤菌共生体系,并结合物理化学手段,来提高苜蓿耐受酸性
土壤及其铝毒胁迫.铝毒对植物的毒性及其作用机理已有过许多报道[7-9],铝毒害的可能机制是抑制细
胞分裂,干扰养分吸收,导致膜脂过氧化,降低H+泵活性,并抑制Ca2+-ATP的活性等[10].进而铝离子
交换量占土壤中阳离子交换总量的20%~80%,酸性土壤中单体铝离子溶出,导致其他土壤阳离子的
吸附或流失,造成磷、钙和钼等营养元素的缺乏[11-12].研究表明,通过施钙[13-14]和磷矿粉[15]能够有效
地缓解铝毒,而且接种耐酸根瘤菌能够提高苜蓿的耐酸性和酸性土壤条件下的结瘤固氮能力[16-17].但
① 收稿日期:2012-04-30
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30871597).
作者简介:王晓锋(1987-),男,河南三门峡人,硕士研究生,主要从事农业微生物学研究.
通信作者:张 磊,博士,副教授.
DOI:10.13718/j.cnki.xdzk.2013.05.027
大部分的研究都只对钙或磷单独缓解铝毒效应进行了探讨,有关酸铝胁迫条件下同时补充钙和磷对作
物抗铝毒胁迫的反应鲜有报道.
由于豆科植物根系不仅是植物抵御土壤胁迫和吸收营养的主要部位,也是共生结瘤固氮的重要参与
者,所以通过研究钙磷营养对铝毒条件下豆科植物根系的效应,可进一步探讨高效共生固氮体系的耐胁迫
机理.关于酸铝胁迫对紫花苜蓿共生结瘤的影响已有一些研究报道[18-19],但研究钙磷修复酸铝胁迫对豆科
植物伤害的报道尚少.本试验以紫花苜蓿和耐酸苜蓿根瘤菌为材料,研究钙磷对酸铝胁迫下苜蓿根瘤菌的
生长和存活的影响,探讨了酸铝胁迫后钙磷对苜蓿生长、结瘤和固氮等生理作用的恢复效应.
1 材料与方法
1.1 试验材料
紫花苜蓿为连云港地方品种,购自江苏省连云港草业中心.苜蓿根瘤菌91522为本研究室分离获
得,能在pH=4.8的YMA固体培养基上正常生长并能使紫花苜蓿植株结瘤,是一株耐酸苜蓿根瘤菌
(Sinorhizobium meliloti)[20-22].根瘤菌培养基采用改进的YMA培养基:甘露醇10g,酵母浸出粉5g,
NaCl 0.1g,MgSO4·7H2O 0.2g,K2HPO40.5g[23].供试Ca2+为分析纯CaCl2,P素为NaH2PO4.
自体诱导物AHL高效检测菌株KYC55由南京农业大学朱军教授馈赠.
1.2 紫花苜蓿无菌幼苗及根瘤菌株的培养
紫花苜蓿种子幼苗准备:先用95%乙醇浸泡5min,再用0.1% HgCl2 溶液灭菌6~10min,无菌水冲
洗5~6次,播种于灭菌的滤纸上[23],于28±1℃下暗培养1d,再于28±1℃、16h的光照下萌发2d(用
于根毛变形率检测)和5d(用于结瘤检测).
根瘤菌株的培养:取生长于pH=4.8斜面的供试菌株各1支,用5mL无菌水洗下菌体,取1mL接
种于100mL中性YMA培养液中进行快速培养复活,置于28℃恒温震荡器中培养24h,调节其 OD600
值约为1.0.
1.3 苜蓿根瘤菌生长及存活试验
设置pH=5.0,铝浓度为30μmol/L
[24].钙、磷水平如表1,重复3次.取新培养的苜蓿根瘤菌液0.5mL
以1∶100体积比接入事先用HCl和NaOH调节pH=5.0的YMA液体培养基中,于28℃恒温震荡器中培
养,每2h测定1次菌液OD值[25],绘制生长曲线.另外,12和24h时取菌液用稀释平板计数测定菌体数量,
以对OD值进行验证.
表1 水培条件不同钙、磷水平试验设计表
Ca2+水平
/(mmol·L-1)
P水平/(μmol·L
-1)
0 4 30
0 Ca0P0 Ca0P4 Ca0P30
5 Ca5P0 Ca5P4 Ca5P30
10 Ca10P0 Ca10P4 Ca10P30
1.4 紫花苜蓿结瘤试验
酸铝胁迫条件设置为pH=4.8,铝浓度20μmol/L
[19],处理7~8d后进行添加钙、磷.钙、磷水平如
表1,重复3次.基本营养液为Fahraeus无氮营养液,使用 HAc-NaAc缓冲液调节溶液pH值.取正常生
长5d的苜蓿幼苗移植于各处理营养液中,每盆10株;接种活化18h的苜蓿根瘤菌液10mL入1 000mL
营养液,观察并记录现瘤日期,记录各阶段结瘤数,培养60d后收获,统计最终结瘤率.
结瘤率 %=结瘤苜蓿株数×100/总株数
1.5 紫花苜蓿初生根生长试验
酸铝胁迫条件设置为pH=4.8,铝浓度20μmol/L.钙、磷水平如表1,重复3次.取正常生长2d的
831 西南大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第35卷
苜蓿幼苗,选取根长2cm左右的幼苗,将幼根浸入酸铝处理液中,处理24h,之后转入钙、磷处理液中,
培养24h,分别测定处理前后幼根长度,两次测定之差为根的伸长量.
植株全氮:采用半微量凯氏定氮法测定[26]
1.6 数据处理
原始数据在Excel中进行标准化处理,应用SPSS17.0软件对试验数据进行方差分析,5%水平下LSD
多重比较各处理平均值之间的差异显著性.
2 结果与分析
2.1 钙磷交互作用对酸铝胁迫下苜蓿根瘤菌生长影响
由图1可以看出,在pH5.0和铝浓度为30μmol/L的培养条件下,根瘤菌的生长受到抑制(图1-
B),对数期滞后,稳定期到达延迟.比较钙浓度一致的处理,可见加入不同浓度磷素对苜蓿根瘤菌的生
长影响不大(图1-A,1-C,1-D).而保持相同磷浓度,钙离子(5、10mmol/L)可以促进酸铝胁迫下苜蓿
根瘤菌的生长,使其生长速率提高,对数期提前,稳定期提前到达(图1-B,1-E,1-F).说明在酸性和铝
毒条件下,较高浓度的Ca2+能促进苜蓿根瘤菌的存活.通过比较图1-B、1-E和1-F发现,4μmol/L磷素
存在的条件下,10mmol/L的钙使对数期提前到30h,比0μmol/L P处理提前了4~6h,同时也较高P
(30μmol/L)处理提前4~6h,说明适当的磷素能够强化钙离子对苜蓿根瘤菌生长的促进作用,但作用
的差异不显著.
2.2 钙磷交互作用对酸铝胁迫下苜蓿根瘤菌存活率影响
苜蓿根瘤菌初进入酸性胁迫环境中会出现延滞期和菌体死亡.由图2可以看出,在培养12h的样品
中,5和10mmol/L的Ca2+均能显著提高苜蓿根瘤菌在酸性有铝条件下的存活,P素作用并不显著.
在24h时,菌体存活率进一步降低,与无P对照相比,4μmol/L的P处理下苜蓿根瘤菌存活率得到
提高,而高磷(30μmol/L)条件反而使存活率降低;施加5mmol/L Ca
2+显著提高了苜蓿根瘤菌的存活
率,而且高浓度Ca2+下存活率高于低浓度Ca2+;钙磷有一定交互作用,高P(30μmol/L)表现出一定的
抑制作用.
2.3 钙磷交互作用对苜蓿初生根酸铝胁迫下的伸长量影响
铝毒害的最初反应是抑制植物根的生长,在酸铝胁迫下根伸长率的大小常作为铝毒害程度的重要指
标[27].由图3可见,在酸铝胁迫条件下,苜蓿初生根1d的伸长量不足3.3mm,不同浓度的P促进了根尖
伸长,但不显著;补充Ca2+能够显著提高根尖伸长量,缓解酸铝毒害对根尖生长的抑制.但10mmol/L
Ca2+下苜蓿初生根伸长量显著低于5mmol/L处理,说明高浓度Ca2+并不利于苜蓿初生根的生长.
图3中,Ca2+5mmol/L和P 4μmol/L处理根尖伸长量最大,与对照相比提高了6~7倍;同一Ca
2+
水平下,加入4μmol/L P素比无P素处理相比,提高了根尖伸长量,但不显著,而30μmol/L P素下根尖
的伸长比对照有所降低,说明适当的P才能促进酸铝胁迫下苜蓿根尖伸长,而过高的P素并不利于对酸铝
毒害的修复.
2.4 钙磷交互作用对紫花苜蓿受酸铝胁迫后农艺性状的影响
表2所示,在酸铝胁迫和零水平钙处理中随着P素浓度提高,苜蓿鲜质量、株高和植株全氮有所提高,
但影响不显著;加入Ca2+能够显著提高酸铝胁迫之后苜蓿的农艺性状,高浓度的Ca2+处理下苜蓿鲜质量、
株高、氮含量均高于低浓度Ca2+处理的.同一水平Ca2+处理下,补充适当的P素能够提高苜蓿鲜质量,而
且P 4μmol/L的效果优于P 30μmol/L的,说明一定浓度Ca
2+的条件下,补充4μmol/L P素对修复酸铝
毒害后的苜蓿具有更好的效果,但施用更高浓度P则可能抑制紫花苜蓿的正常生长.
931第5期 王晓锋,等:钙磷对紫花苜蓿-根瘤菌体系酸铝胁迫的修复效应
2.5 钙磷交互作用对酸铝胁迫后苜蓿结瘤效果的影响
本研究结果表明(数据未显示)Ca2+能够显著提高苜蓿结瘤率,较高浓度Ca2+可以将结瘤率提高至
80.00%,而且钙磷存在显著的交互作用,表现为5mmol/L Ca2+、4μmol/L P下结瘤率最高,达到90%;
而且在酸铝胁迫后,通过施加钙磷,紫花苜蓿的瘤鲜质量有显著提高,10mmol/L Ca2+下较对照提高了
254%;从结瘤时间上分析钙磷配施使得酸铝胁迫后苜蓿现瘤时间提前.
综上,Ca2+能够显著促进酸铝胁迫条件下苜蓿的结瘤,恢复酸铝胁迫对结瘤过程的限制;适当的P素
可以进一步提高结瘤效果,提高苜蓿结瘤固氮过程中的抗逆能力.
图1 不同钙磷交互处理对酸铝胁迫下苜蓿根瘤菌生长曲线的影响
041 西南大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第35卷
图2 不同钙磷交互处理对酸铝胁迫下苜蓿根瘤菌在12h和24h时存活率的影响
图3 不同钙磷交互处理对酸铝胁迫下苜蓿初生根伸长生长的影响
表2 不同钙磷交互处理对酸铝胁迫下苜蓿农艺性状的影响
鲜质量/g 株高/cm 植株全氮/%
Ca0P0 39.0+3.7d 7.96±0.73b 0.92±0.08e
Ca0P4 58.3+19.8d 9.40±0.83b 1.05±0.11e
Ca0P30 68.7+18.0d 10.08±1.03b 1.11±0.03e
Ca5P0 189.0+26.2c 12.58±0.17a 1.82±0.08d
Ca5P4 259.0+21.1ab 14.13±1.16a 2.42±0.17a
Ca5P30 217.7+24.6bc 13.38±0.36a 2.15±0.02abc
Ca10P0 244.7+27.2ab 13.88±1.22a 1.88±0.16cd
Ca10P4 277.0+14.4a 14.66±2.00a 2.22±0.16ab
Ca10P30 244.3+7.7ab 13.52±0.21a 2.03±0.21bcd
** ** **
注:表中结果为3个重复的平均值.* 表示在p=0.05水平显著性差异,** 表示在p=0.01水平显著性差异.同列
不同字母表示处理间差异显著(p<0.05).
3 讨论与结论
酸性条件下,铝毒能够破坏细菌的细胞壁、细胞膜[28],并抑制质膜 H+-ATPase的活性,导致胞质内
H+的积累和胞质的酸化[29].酸铝胁迫对耐酸根瘤菌的毒害作用很快,在12h内,耐酸根瘤菌91522存活
率降低了75.9%.杨敏等[19]的研究表明,pH=4.5、铝离子为9μmol/L下培养24h后苜蓿根瘤菌活菌数
减少了84.2%.本研究中通过补充Ca2+能够显著提高耐酸根瘤菌的存活.不同Ca2+,P浓度生长曲线的研
究结果表明Ca离子对根瘤菌抵御酸铝胁迫的机理是Ca2+促进了苜蓿根瘤菌在胁迫环境下的生长.
141第5期 王晓锋,等:钙磷对紫花苜蓿-根瘤菌体系酸铝胁迫的修复效应
已有的研究认为,铝毒害最初是抑制铝敏感植物根的伸长[27],且毒害效应也非常快,在供给Al 3+1h
后根的伸长便受到抑制[30].本试验发现,通过施加适当Ca2+能够显著提高酸铝毒害下紫花苜蓿初生根的
伸长生长,但高浓度Ca2+(10mmol/L)并不利于苜蓿初生根的生长.同时加入适当P素能进一步促进酸铝
胁迫下苜蓿根尖伸长.
钙是植物必需的矿质营养元素之一,对于维持细胞壁、细胞膜及膜结合蛋白的稳定性,调节无机离子
运输等起重要作用.对豆科植物而言,钙参与其与根瘤菌的结瘤过程.当根毛接触结瘤因子后,胞内Ca2+
结合配位体通道释放出来,耦合钙离子泵形成Ca2+循环,引起结瘤基因被激活[31].Shaw和Long[32]在蒺
藜状苜蓿(Medicago truncatula)的根毛观察实验中发现苜蓿根毛接触到结瘤因子3min内可观察到根毛顶
端胞内Ca2+浓度的升高.本试验表明,Ca2+对经过酸铝胁迫后苜蓿根尖的生长有良好的修复效应,本研究
还发现Ca2+促进根毛变形(数据未显示).所以,钙、磷离子除了能够有效缓解铝毒对苜蓿初生根的抑制
外,对苜蓿与根瘤菌的共生结瘤也表现出恢复作用.本研究发现,通过补充钙、磷离子,酸铝毒害后苜蓿结
瘤得到明显的提高,且磷素对钙离子的作用具有补充效应.因此钙、磷交互能够有效地改善铝毒害对苜蓿
结瘤的抑制作用.可能机制为:
1)钙、磷作用提高了苜蓿根瘤菌在酸铝胁迫下的存活和生长能力.Fujihara S和Yoneyama T[33]认为
在根瘤菌进入宿主根系前,根瘤菌对酸性环境的敏感性强于宿主植物.根瘤菌生存能力和活性改善了根瘤
菌在酸性铝毒环境下的定殖.
2)钙促进酸铝胁迫下苜蓿根系生长,将增强根系结瘤能力;P是植物生长所必需的大量营养元素,促
进根系的伸长生长;钙、磷的交互作用促进苜蓿宿主耐酸铝胁迫能力.
3)在结瘤阶段,钙离子促进酸铝胁迫下根瘤菌与宿主的识别.Al 3+影响根瘤菌结瘤因子与寄主根毛识
别的去极化作用,限制结瘤基因的表达[34],从而抑制结瘤过程.Ca2+被认为是结瘤因子信号转导途中的第
二信使[35],胞内Ca2+浓度的升高可以激活质膜阴离子通道,导致Cl-外流,质膜去极化[36].
综上,本研究探讨了酸铝毒害处理苜蓿幼苗一周后,施加钙、磷离子对紫花苜蓿生长及其于根瘤菌共
生结瘤的修复/恢复作用.适当的Ca2+促进耐酸根瘤菌在酸铝胁迫条件下的存活和定殖;促进苜蓿植株酸
铝胁迫后根系的恢复和伸长.适当的P素营养与Ca2+的上述促进作用有交互效应.该交互效应导致苜蓿现
瘤时间较未经修复处理的提前14d.因而,在酸性铝毒环境下,施入适当Ca2+、P营养,能够修复胁迫对
苜蓿植物及其根瘤菌体系的负面影响,显著地促进紫花苜蓿的生长、结瘤,使苜蓿根系生长和营养能力得
到明显恢复,进而提高苜蓿的生物量和N素的营养.
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WANG Xiao-feng, LUO Zhen, LIU Xiao-yan,
ZHU Dan, ZHANG Lei
School of Resource and Environment,Southwest University,Chongqing 400715,China
Abstract:Alfalfa and its acid-tolerant rhizobium strain 91522were used as materials in a water culture ex-
periment to study the effects of calcium and phosphorus on the growth and nodulation of the alfalfa-rhizo-
bium system under acidity and aluminum stresses.The research showed that 5mmol/L Ca2+significantly
improved the growth and survival of rhizobium compared with the control and that under the same Ca2+
level the addition of 4μmol/L P further enhanced rhizobium survival rate.By combining Ca
2+and P,the
elongation of alfalfa primary root was raised by 5-7times over that of the control under the acidity+alu-
minum stress condition.When Ca2+and P were added in combination,the nodular number,nodule fresh
weight,time of nodule occurrence and agronomic traits of alfalfa were satisfactorily recovered.Compared
with the treatment 5mmol/L Ca2+,10mmol/L Ca2+ had better effect of improving nodule growth of al-
falfa but poorer effect on nodulation.It was tentatively concluded that Ca2+and P could recover the symbi-
osis nodular process after alfalfa suffered from acidity and Al toxicity,by improving rhizobium survival
and root growth and by participating in the identification process between the legume host and its rhizobi-
um strain.
Key words:calcium;phosphorus;aluminum toxicity;alfalfa;acid-resisting Rhizobium
责任编辑 陈绍兰
441 西南大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第35卷