酸性磷酸酶與土壤磷素豐缺的關(guān)系

充足的磷素供應(yīng)是植物正常生長的重要保障。然而,由于土壤的吸附作用﹑磷的低溶解性以及在土壤中難以移動(dòng)等因素的影響,僅有少量的磷素存在于土壤溶液中,土壤磷素的低有效性已成為限制植物生長的重要因子之一。有機(jī)磷是土壤中重要的磷庫,占土壤總磷量的5%~90%。土壤中的有機(jī)磷為非活性養(yǎng)分,僅有少量能被植物直接吸收,大部分有機(jī)磷只有被水解成無機(jī)磷形態(tài)才能被植物吸收利用,這需要經(jīng)歷一個(gè)從固態(tài)到液態(tài)、大分子到小分子、無機(jī)到有機(jī)的轉(zhuǎn)化過程。在這一過程中,根際生命活動(dòng)產(chǎn)生的酸性磷酸酶類物質(zhì)起著重要作用。因此,深入研究植物及土壤中的酸性磷酸酶對(duì)于充分挖掘、利用土壤中的有機(jī)磷資源、有效減緩世界性的缺磷危機(jī)具有重要意義。為了減輕缺磷脅迫的程度,植物自身會(huì)發(fā)展形成各種形態(tài)上和生理上的適應(yīng)性來獲得土壤中的磷素。其中高效利用磷的生理方面的適應(yīng)性變化包括:根系分泌有機(jī)酸和質(zhì)子酸化土壤、分泌酸性磷酸酶水解有機(jī)磷化合物等。酸性磷酸酶是植物體和土壤中一種重要的水解酶,它不僅在植物碳水化合物的轉(zhuǎn)化及蛋白質(zhì)的合成中起著重要的作用,還與土壤及植株體內(nèi)有機(jī)磷的分解和再利用有著密切的關(guān)系。它能夠酶促土壤有機(jī)磷化合物的酯磷鍵發(fā)生水解性裂解,釋放出相應(yīng)的醇和無機(jī)磷,提高土壤磷素的有效性。這一重要性已經(jīng)在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注,而有關(guān)酸性磷酸酶與土壤有機(jī)磷的有效性的關(guān)系也一度成為世界植物和土壤科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。本文從磷素與植物體內(nèi)和根系分泌的酸性磷酸酶的關(guān)系、根系分泌的分子機(jī)理及其與有機(jī)磷有效性的關(guān)系等方面作一綜述,并對(duì)將來植物酸性磷酸酶研究的前景和存在問題進(jìn)行展望。1植物體內(nèi)的酸性磷酸酶1.1不同立地條件下的酸性磷酸酶活性酸性磷酸酶是一種誘導(dǎo)酶,其活性受植物供磷狀況的影響。很多研究表明,磷脅迫能夠顯著提高植物體內(nèi)的酸性磷酸酶活性,其活性增加是植物對(duì)缺磷脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)。Elliot等利用葉片酸性磷酸酶活性進(jìn)行玉米磷缺乏診斷時(shí)發(fā)現(xiàn),磷缺乏時(shí)同一部位單位面積的葉片酸性磷酸酶活性比磷充足時(shí)增加2~3倍。龐欣等通過分根處理試驗(yàn)研究了黃瓜部分根系供磷對(duì)根系酸性磷酸酶活性的影響,結(jié)果表明:分根處理后不供磷根系的酸性磷酸酶活性顯著高于供磷根系的酸性磷酸酶活性。同樣的研究結(jié)果在對(duì)玉米、花生、小麥、甜菜等作物的研究中也有報(bào)道。即使在不同作物之間以及同種作物的不同基因型之間,由缺磷誘導(dǎo)的酸性磷酸酶活性也存在很大差異。Tian等通過田間試驗(yàn)調(diào)查了缺磷和磷充足條件下274個(gè)菜豆基因型的葉片酸性磷酸酶的活性,統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:與磷充足時(shí)相比較,大約60%的基因型在不供磷處理下的葉片酸性磷酸酶活性有不同程度的增加,供試材料之間存在著顯著的基因型差異。而酸性磷酸酶活性的高低也反映了不同作物對(duì)磷脅迫的適應(yīng)程度和耐低磷脅迫的能力。1.2酸性磷酸酶活性的變化植物在受到缺磷脅迫時(shí),各組織器官中的酸性磷酸酶活性會(huì)發(fā)生不同程度的變化,而且這種變化與磷脅迫的時(shí)間存在著一定關(guān)系。張恩和等以春蠶豆作為研究對(duì)象,選用3個(gè)不同春蠶豆品種(系),采用嚴(yán)重缺磷的堿性灌淤土,利用盆栽試驗(yàn)研究了在不同供磷水平下不同基因型蠶豆的根系形態(tài)特征及酸性磷酸酶活性,結(jié)果表明:缺磷脅迫明顯誘導(dǎo)各基因型蠶豆體內(nèi)酸性磷酸酶活性的上升,同一蠶豆基因型的不同器官中酸性磷酸酶活性大小表現(xiàn)為根系>莖部>葉片。這可能是因?yàn)樗嵝粤姿崦富钚缘拇笮∨c植物各組織缺磷程度有關(guān),例如油菜幼葉、中部葉和老葉,玉米根尖和根基等器官的酸性磷酸酶活性均存在很大差異。綜合前人的研究結(jié)果,可以認(rèn)為:在低磷條件下,植物體內(nèi)酸性磷酸酶活性大小的規(guī)律為根系>莖稈>葉片,老葉>新葉,老根>新根,缺磷嚴(yán)重的部位>缺磷程度較輕的部位。但是也有不同作物在缺磷的不同階段表現(xiàn)出不同的規(guī)律。如:Song等分別調(diào)查了2個(gè)玉米基因型受缺磷脅迫3d、7d和14d時(shí)根系和莖稈的酸性磷酸酶活性的變化,發(fā)現(xiàn)根系的酸性磷酸酶活性要比莖稈增加得快,根系酶活性從開始受脅迫起就一直增加,而莖稈在缺磷3d時(shí)酸性磷酸酶活性并沒有增加,在第7天時(shí)才比磷充足時(shí)高。Yan等在水培試驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn),不同磷效率的蠶豆親本及其重組自交系在缺磷10d時(shí),不同部位葉片的酸性磷酸酶活性順序?yàn)?幼葉>中部葉>老葉,隨著缺磷脅迫時(shí)間的延長,不同基因型各部位葉片有不同的變化趨勢(shì),總體來說老葉的酶活逐漸增加,幼葉逐漸減小。可見,植物體內(nèi)酸性磷酸酶活性與缺磷脅迫時(shí)間的長短有著密切的聯(lián)系,在不同的時(shí)間取樣測(cè)定,可能得到完全相反的結(jié)果,這在我們今后的研究中應(yīng)該引起足夠的注意。1.3缺磷對(duì)植物根系活性的影響在缺磷土壤上,磷被植物利用的程度除了與磷的有效性有關(guān),還與植物本身吸收利用磷的能力有關(guān),這些能力包括根形態(tài)、根構(gòu)型的差異、根系分泌物的種類和數(shù)量、菌根的影響等。為了適應(yīng)缺磷脅迫,植物根系分泌的酸性磷酸酶數(shù)量和活性都會(huì)顯著增加。這在眾多作物包括玉米、番茄、水稻、三葉草和菜豆上已經(jīng)被廣泛報(bào)道。但根系在缺磷條件下分泌酸性磷酸酶的能力在不同作物上也表現(xiàn)出極大的差異。如在相同的缺磷條件下,白羽扇豆根系分泌的酸性磷酸酶活性是供磷處理的20倍,而赤豆僅為供磷處理的1.5倍。ALAIN等測(cè)定4個(gè)玉米基因型在缺磷處理18d后根系表面的酸性磷酸酶活性,發(fā)現(xiàn)基因型Corso的活性顯著低于其它3個(gè)基因型。通過向質(zhì)外體或者土壤中分泌更多的酸性磷酸酶,磷高效品種或基因型能夠水解更多的有機(jī)磷,供植物生長。1.4根及其排根部位的定位在以前的研究中,根系分泌的酸性磷酸酶活性一般用單位鮮根重在單位時(shí)間內(nèi)分泌的酸性磷酸酶、水解底物對(duì)硝基苯磷酸二鈉(p-NPP)生成的對(duì)硝基苯酚的量來表示,因此,根系不同部位分泌量的差異問題往往被忽視,這就不可避免地會(huì)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果帶來誤差。很多研究表明,缺磷條件下作物分泌酸性磷酸酶的活性與根尖數(shù)量有關(guān),根尖表皮細(xì)胞分泌的酸性磷酸酶與磷效率的關(guān)系比較密切。另外,一些羽扇豆類作物在缺磷條件下能夠形成特異的排根,以分泌大量的酸性磷酸酶來利用缺磷土壤中的有機(jī)磷化合物。但是,由于根尖或者排根這些部位與其他部位分泌的酸性磷酸酶很難完全分開,在實(shí)際操作中很難定量研究,因此,目前對(duì)于根系分泌酸性磷酸酶部位的定位大多采用染色的方法進(jìn)行。孫海國等研究缺磷條件下小麥根系分泌酸性磷酸酶時(shí),將缺磷培養(yǎng)的小麥根置入反應(yīng)液[74mL蒸餾水、12mLpH4.8的醋酸緩沖液、1mL5%Pb(NO3)2水溶液、2mL3.2%β-甘油磷酸鈉的混合液]中,在25℃保溫1~2h,再用蒸餾水沖洗數(shù)次后,浸于1%硫化銨中0.5~1.0min,在根表產(chǎn)生棕黑色沉淀后,用蒸餾水沖洗,放入FAA固定液,然后制作成不同根段的石蠟切片,觀察顏色變化以明確酸性磷酸酶的主要產(chǎn)生部位。研究結(jié)果表明:小麥整個(gè)根表面都能分泌酸性磷酸酶,但在成熟根段的細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間隙酶的活性很低,而根尖,特別是在根尖表皮細(xì)胞有大量黑色沉積物,表明酸性磷酸酶在根尖的活性最高。另一種染色方法的原理是酸性磷酸酶可以水解底物如1-naphtylphosphate,4-methylumbelliferonephosphate(MUP)等,形成的產(chǎn)物再與染色劑反應(yīng)生成有色的復(fù)合物。具體操作過程為:先制成含有反應(yīng)底物的瓊脂板,再將其平鋪在要顯色的植物根表面,培養(yǎng)大約2h后,由于酸性磷酸酶的作用,瓊脂板上顏色的深淺及其出現(xiàn)的位置會(huì)顯示根分泌酸性磷酸酶的數(shù)量和部位。Wasaki等利用這種方法研究缺磷脅迫下白羽扇豆根系分泌酸性磷酸酶時(shí)發(fā)現(xiàn),缺磷誘導(dǎo)根系分泌大量的酸性磷酸酶,而根尖和排根是分泌該酶的主要部位。2根際土壤中酸性磷酸酶活性的變化根際土壤酸性磷酸酶的來源主要是植物根系分泌物、細(xì)菌微生物的分泌等。一般來說,影響根際土壤酸性磷酸酶活性高低的因素包括土壤類型、土壤濕度、溫度、土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤有效磷含量、種植作物以及有機(jī)肥料的施用等。土壤特性等與酸性磷酸酶活性的關(guān)系已經(jīng)在很多研究中被描述。據(jù)Beisner等報(bào)道,缺磷條件下甜菜根際酸性磷酸酶活性隨土壤pH從酸性到中性升高而不斷增加。類似的研究結(jié)果Borivoj等在麥類作物上也有報(bào)道。對(duì)英國沼澤濕地磷酸酶的研究中發(fā)現(xiàn)H+濃度是影響磷酸酶活性的主要因子。周建朝等的研究也表明生長介質(zhì)中的pH對(duì)甜菜根系各種內(nèi)源磷酸酶的分泌具有明顯的調(diào)控作用,營養(yǎng)環(huán)境處于酸性時(shí)(pH4~5),根際酸性磷酸酶的活性僅為pH6~7時(shí)的1/2~1/3。而且,植物向根際土壤分泌酸性磷酸酶的活性受根際pH值的影響程度因品種而異。例如:谷類作物的最佳分泌介質(zhì)pH為5.6~6.8,大豆為5.0、蕎麥為4.5~5.0。影響土壤酸性磷酸酶活性的另一個(gè)重要因素是有機(jī)肥料的施用。有機(jī)肥料的施用能夠使土壤酸性磷酸酶活性大大提高,一方面是因?yàn)橛袡C(jī)肥料本身帶有大量活性較高的酸性磷酸酶,另一方面,有機(jī)肥的施用使土壤中微生物活動(dòng)更加頻繁,這也使土壤酸性磷酸酶活性大大增加。有研究表明麥秸、馬糞、牛糞及人糞尿等有機(jī)肥的施用量與土壤酸性磷酸酶活性之間存在著極為顯著的正相關(guān)關(guān)系。酸性磷酸酶活性在一定范圍內(nèi)隨有機(jī)肥料用量的增加而增加,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值時(shí),卻不再增加。同時(shí),隨著有機(jī)肥料施用時(shí)間的延長,不同有機(jī)肥所引起的土壤磷酸酶活性的變化規(guī)律也是不同的。在施用麥秸、豬糞的前10~20d,土壤磷酸酶活性隨土壤培養(yǎng)時(shí)間的延長而增高,其后隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而逐漸趨于穩(wěn)定;而施牛糞的土壤在培養(yǎng)的前50d,隨培養(yǎng)時(shí)間的延長土壤磷酸酶活性也隨之增加。很多研究表明,與非根際土壤相比較,根際土壤中有較高的的酸性磷酸酶活性。這與植物根系適應(yīng)低磷脅迫的生理生化反應(yīng)及根際微生物的活動(dòng)有密切的聯(lián)系。在缺磷脅迫時(shí),植物根系誘導(dǎo)分泌酸性磷酸酶使土壤中的有機(jī)磷礦化為無機(jī)磷供植物吸收利用,磷的消耗導(dǎo)致根際酸性磷酸酶活性較高。隨著與根際距離的不斷增加,酸性磷酸酶活性也不斷減小。Mohammad等的研究表明,低磷和磷充足2個(gè)磷水平下,隨著到根際距離的增大,4種供試作物的土壤酸性磷酸酶活性都逐漸減小,與禾本科作物相比較,豆類作物根際的酸性磷酸酶活性更大。Jungk等和Li等也報(bào)道在距根表0~3mm,酸性磷酸酶活性隨到根表的距離增加而減小。這可能與植物在根表耗竭磷的程度更大以及土壤磷素被固定而不易移動(dòng)有關(guān)。3植物中酸性磷酸酶活性的變化磷饑餓條件下,植物被誘導(dǎo)分泌酸性磷酸酶;另一方面,植物根系分泌酸性磷酸酶活性的增加又能夠水解釋放土壤中的有機(jī)磷化合物供植物生長。在植物體內(nèi),酸性磷酸酶主要累積在液泡中,大量研究表明,酸性磷酸酶在調(diào)控植物磷營養(yǎng)方面有著非常重要的作用,它在有機(jī)磷的代謝及再利用過程中也起著十分重要的作用,其活性直接影響著有機(jī)磷有效性的高低。在植物體內(nèi),酸性磷酸酶對(duì)有機(jī)磷的再利用主要通過2個(gè)功能來實(shí)現(xiàn):1)將植物體內(nèi)的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷;2)將植株中的磷從衰老組織轉(zhuǎn)運(yùn)到幼嫩組織。梁宏玲的研究表明,低磷脅迫下,磷高效品種97081體內(nèi)酸性磷酸酶活性高于磷低效品種97009,低磷條件下97081各部位酸性磷酸酶活性比97009相應(yīng)部位增加的幅度大,植物體內(nèi)磷素的分組結(jié)果也是97081的相應(yīng)部位的可溶性磷占總磷的比例高于97009,說明97081在低磷條件下,酸性磷酸酶受到強(qiáng)烈的誘導(dǎo),其活性大幅度增加。97081體內(nèi)磷的代謝較97009快,可溶性磷占總磷的比例高,更有利于加快磷的運(yùn)輸,促進(jìn)磷的再利用。類似的研究結(jié)果在以前的研究中已有報(bào)道。為植物提供不同形態(tài)的有機(jī)磷源,植物的生長存在差異,說明不同的有機(jī)磷對(duì)植物的有效性是有差異的。Yadav等(49]利用植酸鈣鎂、卵磷脂、甘油磷酸3種形態(tài)的有機(jī)磷和可溶性無機(jī)磷作磷源研究9種谷類作物和油料作物時(shí)發(fā)現(xiàn),同一時(shí)間各處理作物分泌酸性磷酸酶的活性順序?yàn)?缺磷對(duì)照>植酸鈣鎂>卵磷脂>甘油磷酸>無機(jī)磷。酸性磷酸酶活性隨有機(jī)磷水解難度的增加而增加。在以有機(jī)磷作磷源進(jìn)行不同作物根系分泌APA研究時(shí),還出現(xiàn)了不同的結(jié)果。例如Adams等以植酸態(tài)有機(jī)磷和RNA作磷源對(duì)2種白羽扇豆根系分泌酸性磷酸酶活性的研究發(fā)現(xiàn),按酸性磷酸酶活性大小排列各處理,LupinusangustifoliusL.順序?yàn)?RNA>植酸態(tài)>不施磷>無機(jī)磷;而LupinusalbusL.順序?yàn)?不施磷>RNA>植酸態(tài)>無機(jī)磷,引起這種差異的原因還不清楚。因此,在缺磷條件下,根系分泌到土壤中的酸性磷酸酶主要水解何種形態(tài)有機(jī)磷,土壤種哪種形態(tài)有機(jī)磷對(duì)植物有效性更高等問題都需要進(jìn)一步研究。4低磷脅迫對(duì)植物根系酸性磷酸酶活性的影響植物能夠通過改善自身的生理特性增加磷的吸收量來適應(yīng)低磷脅迫,這些途徑包括:增加根毛長度和密度;產(chǎn)生菌根和菌絲來擴(kuò)大與土壤的接觸面積;分泌質(zhì)子和有機(jī)酸以及分泌酸性磷酸酶活化難溶性無機(jī)磷和有機(jī)磷等。因此,植物磷效率受很多因素的影響,其中,植物體內(nèi)酸性磷酸酶活性及根系分泌酸性磷酸酶活性能否作為評(píng)價(jià)磷效率的生理生化指標(biāo)一直是近年來學(xué)者研究的熱點(diǎn),但至今仍沒有形成較為一致的觀點(diǎn)。早在1990年,Helal等的研究就表明,在缺磷條件下植物對(duì)有機(jī)磷的利用能力明顯提高,主要是由于缺磷誘導(dǎo)了植物根系的酸性磷酸酶活性顯著提高,從而促進(jìn)了有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化,建議將根系分泌酸性磷酸酶活性的高低作為篩選磷高效型植物的一個(gè)重要指標(biāo)。孫海國等也選擇苗期小麥完整根系分泌的酸性磷酸酶的活性作為有效篩選磷高效小麥的一個(gè)生理指標(biāo)。梁霞等、丁宏等對(duì)不同基因型大豆的研究表明,在低磷脅迫條件下,葉片酸性磷酸酶活性與植株干重、全磷含量及產(chǎn)量成顯著相關(guān),葉片酸性磷酸酶活性可以作為評(píng)價(jià)磷效率的指標(biāo)。邱化蛟等則認(rèn)為低磷條件下小麥第3片葉磷酸酯酶活性和磷素利用效率顯著相關(guān),可以把它作為苗期選擇磷高效小麥基因型的一個(gè)指標(biāo)。Mclachlan等通過調(diào)查一些栽培品種和野生品種在缺磷條件下根系的酸性磷酸酶活性、生物學(xué)產(chǎn)量和磷的累積量并進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)根系酸性磷酸酶活性與生物學(xué)產(chǎn)量和磷累積量呈極顯著負(fù)相關(guān),進(jìn)一步證實(shí)了具有較低根系酸性磷酸酶活性的品種比具有較高酶活的品種能更快吸收和利用更多的磷這一觀點(diǎn)。然而,樊明壽等、沈有信等的研究并不支持這些觀點(diǎn)。他們認(rèn)為,低磷脅迫下,酸性磷酸酶活性與培養(yǎng)介質(zhì)中的磷濃度沒有很好的相關(guān)性,說明植物體內(nèi)酸性磷酸酶活性并沒有隨磷脅迫程度的增加而升高,作物耐低磷脅迫的能力是通過其他途徑實(shí)現(xiàn)的,酸性磷酸酶活性的增加可能只是植物對(duì)低磷環(huán)境的一種適應(yīng)性反應(yīng)。Yan等等利用2個(gè)大豆親本及其重組自交系研究葉片酸性磷酸酶活性與磷吸收和利用效率的關(guān)系,結(jié)果也表明葉片酸性磷酸酶活性與其磷吸收效率和利用效率的相關(guān)性均不顯著,不能僅僅由葉片酸性磷酸酶活性作為評(píng)價(jià)植物磷效率高低的指標(biāo)。5酸性磷酸酶的基因表達(dá)分泌酸性磷酸酶是植物普遍存在的一種對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)性反應(yīng),而這種適應(yīng)性變化也是磷缺乏響應(yīng)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的結(jié)果,通過響應(yīng)基因產(chǎn)物的直接或間接作用,促進(jìn)磷素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和有效利用,有關(guān)酸性磷酸酶基因的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。Goldstein等研究發(fā)現(xiàn),番茄根系在低磷脅迫下可誘導(dǎo)分泌性酸性磷酸酶的產(chǎn)生,并具有基因表達(dá)調(diào)節(jié)和系列信號(hào)傳遞系統(tǒng)。在白羽扇豆上也同樣發(fā)現(xiàn)存在類似基因,低磷脅迫能誘導(dǎo)其增強(qiáng)表達(dá),表明植物體內(nèi)可能存在著低磷脅迫誘導(dǎo)的控制酸性磷酸酶分泌的基因。目前,一些控制酸性磷酸酶分泌的基因已經(jīng)在植物體內(nèi)被定位和分離。LASAP1是從白羽扇豆分離到的編碼分泌酸性磷酸酶的基因,其全長為2187bp,包含有一個(gè)1914bp長的編碼框,編碼由637個(gè)氨基酸殘基組成的多肽,氨基酸序列與外泌酸性磷酸酶的序列一致。LePS2是另一個(gè)從番茄體內(nèi)分離出的酸性磷酸酶基因。分根試驗(yàn)研究表明,LePS2的表達(dá)增強(qiáng)是對(duì)磷脅迫的一種特異反應(yīng),不受其他養(yǎng)分缺乏和非生物脅迫的影響。在磷缺乏條件下,番茄體內(nèi)的LePS2能夠快速地被誘導(dǎo)表達(dá),而在磷恢復(fù)時(shí)其表達(dá)又被抑制。由于酸性磷酸酶活性與植物磷效率之間存在的密切關(guān)系,這些酸性磷酸酶基因資源的分離也為作物磷營養(yǎng)性狀的遺傳改良提供了一個(gè)方向。6土壤有機(jī)磷的最佳外源酸性磷酸酶隨著酸性磷酸酶研究的不斷深入,傳統(tǒng)的技術(shù)與方法已經(jīng)不能滿足研究的現(xiàn)實(shí)需要。一批新型的儀器設(shè)備如電子探針、冰凍切片機(jī)、微電極、電子顯微鏡等已經(jīng)逐漸應(yīng)用到科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)