赵晨云，郭小丽，陈亚轲，龚思远，李俊周，赵全志，孙虎威

（河南农业大学河南粮食作物协同创新中心/河南省水稻生物学重点实验室，河南 郑州 450046）

磷素是植物生长发育所必需的大量元素，在植物生长发育（地上部和根系发育、种子萌发、花粉发育、种子和果实的形成等）过程中起着重要的作用[1-2]。植物生长发育对磷的需求量比较大。因此，磷缺乏是限制植物生长的主要因素之一。在低磷胁迫条件下，植物能够通过一系列响应机制来适应低磷环境，例如：植物可通过改变根系形态和结构来适应外界环境[3-6]，植物也能够通过减少无效分枝或分蘖来提高对磷的利用效率[7-8]。植物的分枝或分蘖不仅受外界养分供应的影响，同时还受体内多种激素水平的影响。生长素及其极性运输在植物分枝或分蘖发生过程中有着极其重要的调节作用[9-12]，磷浓度能够调控植物体内生长素的极性运输、分布及敏感性[5，13-14]。除生长素之外，独脚金内酯作为一种新的植物激素，具有抑制植物分枝或分蘖的作用[7-8，15]，其合成受低磷胁迫诱导[5，16]，且其参与低磷胁迫抑制水稻分蘖发生的过程[7]。综上，磷在调控植物分枝或分蘖方面有着非常重要的作用，而独脚金内酯和生长素也被证实参与调控植物分枝或分蘖，但两者在磷调控水稻分蘖过程中的相互关系还有待于深入研究。为此，研究不同磷浓度下水稻分蘖数和分蘖芽长度的变化及施加外源生长素、生长素极性运输抑制剂对野生型水稻及独脚金内酯信号转导关键基因突变体d14分蘖的影响，旨在揭示水稻分蘖对低磷胁迫的响应机制以及此过程中独脚金内酯和生长素的关系。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试水稻材料为日本晴和中花11 以及独脚金内酯信号转导关键基因突变体d14（对应野生型为中花11）。

1.2 试验设计

水培试验：所有水稻材料的种子经30% NaClO消毒30 min，清水冲洗干净后置于装有清水的培养皿中，7 d 后选择地上部、根系形态和大小均一致的幼苗，置于pH 值5.5的国际水稻所（IRRI）修正营养液中，进行不同磷浓度[低磷（LP，10 μmol/L）和正常供磷（NP，300 μmol/L）]及外源生长素萘乙酸（NAA，10 nmol/L）、生长素极性运输抑制剂萘基邻氨甲酰苯甲酸（NPA，0.5 μmol/L）处理（LP+NAA、LP+NPA、NP+NAA），21 d 后观察水稻的分蘖数，并测定分蘖芽长度。

土培试验：在IRRI 修正营养液中培养日本晴14 d，采用盆栽试验进行正常供磷（NP，磷酸二氢钾1.92 g/kg）和低磷（LP，磷酸二氢钾0.192 g/kg）处理，每个盆装干土10 kg，每个处理设置5 个重复，在灌浆期测定水稻的分蘖数和株高。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 分蘖芽长度 采用体视显微镜测量水稻分蘖芽长度。

1.3.2 总磷含量 将处理21 d 的水稻根茎结合处样品烘干后称质量。然后称取烘干的根茎结合处样品约0.03 g，置于50 mL 消化管中，用浓H2SO4-H2O2高温消煮至清亮，冷却后定容、混匀，利用流动分析仪（型号AAA3）测定总磷含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 10 软件进行ANVOA 单因素方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同磷浓度处理对水稻株高、分蘖数、根茎结合处磷含量的影响

土培试验结果（图1）表明，与正常供磷处理相比，低磷处理日本晴株高明显降低；分蘖数显著减少42%。水培试验（图2a、b）得出相同的结果，与正常供磷处理相比，低磷处理日本晴分蘖数显著减少50%。这些结果表明，低磷胁迫降低水稻株高，显著抑制水稻分蘖的发生。

图1 不同磷浓度土培条件下水稻株高和分蘖数Fig.1 Plant height and tiller number of rice by soil culture under different P concentrations

由于分蘖产生于根茎结合处，根茎结合处的磷含量会影响分蘖发生。因此，为了研究低磷处理是否降低水稻体内总磷含量，测定了水稻根茎结合处的总磷含量。水培试验结果（图2c）表明，与正常供磷处理相比，低磷处理水稻根茎结合处的总磷含量显著降低67%。由此可见，低磷胁迫降低水稻根茎结合处的总磷含量，进而抑制水稻分蘖的发生。

图2 不同磷浓度水培条件下水稻分蘖数和根茎结合处总磷含量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 不同磷浓度处理对水稻分蘖芽长度的影响

分蘖的产生主要依赖于分蘖芽的伸长。因此，研究不同磷浓度处理对水稻分蘖芽长度的影响，以揭示磷素调控水稻分蘖发生的生理机制。从图3可以看出，与正常供磷处理相比，低磷处理日本晴的分蘖芽长度显著减少75%。由此说明，低磷胁迫抑制水稻分蘖发生主要是通过抑制分蘖芽伸长来实现的。

图3 不同磷浓度处理下水稻分蘖芽长度Fig.3 Tiller bud length of rice under different P concentrations

2.3 外源NAA和NPA对不同磷浓度下水稻分蘖数的影响

研究发现，与正常供磷处理相比，低磷胁迫促进了水稻体内生长素的极性运输，进而抑制分蘖发生[7，14]。为进一步证实生长素极性运输是否影响水稻分蘖的发生，对正常供磷条件下日本晴进行了外源生长素NAA 和生长素极性运输抑制剂NPA 处理。结果（图4a）表明，在正常供磷条件下，施加NAA显著抑制了水稻分蘖的发生，而施加NPA处理后水稻分蘖数则显著增加，说明生长素的极性运输能够抑制水稻分蘖的发生。为了研究生长素是否参与低磷抑制水稻分蘖发生的过程，对正常供磷处理的水稻进行NAA 处理，对低磷处理的水稻进行NPA 处理。结果（图4b）表明，在正常供磷条件下，施加NAA后水稻分蘖数与低磷处理相近，差异不显著；在低磷条件下，施加NPA 处理不能增加水稻的分蘖数，其分蘖数与低磷处理相近，差异不显著。上述结果表明，在低磷胁迫下，除了生长素之外，可能存在其他因素抑制水稻分蘖的发生。

图4 外源NAA和NPA对不同磷浓度下水稻分蘖数的影响Fig.4 Effects of exogenous NAA and NPA on tiller number of rice under different P concentrations

2.4 独脚金内酯和生长素在磷素调控水稻分蘖过程中的关系

研究发现，独脚金内酯也参与了低磷抑制水稻分蘖发生的过程[7]。为了研究独脚金内酯和生长素在磷素调控水稻分蘖发生过程中的关系，在不同磷浓度处理下观察独脚金内酯信号转导关键基因突变体d14分蘖数的变化。结果表明，与中花11相比，正常供磷处理下，d14分蘖数轻微增加，但差异不显著；低磷处理下，d14分蘖数显著增加，达到与野生型水稻正常供磷条件下相似的水平，说明独脚金内酯参与低磷抑制水稻分蘖发生的过程（图5a）。同时，对突变体d14在正常供磷和低磷条件下施加NAA后发现，与不施加NAA 处理相比，无论在正常供磷还是低磷条件下，施加NAA 处理突变体d14的分蘖数均显著降低（图5b），说明在缺失独脚金内酯信号的情况下，生长素依然能够抑制水稻分蘖的发生。

图5 不同磷浓度处理对突变体d14分蘖数的影响Fig.5 Effects of different P concentrations on tiller number of mutant d14

3 结论与讨论

土壤中的磷素大多数是以有机态形式存在，难以被植物吸收利用，且可溶的磷酸根离子在酸性和碱性土壤中易被钙、铝、铁等离子及其他化合物固定形成难溶态的磷。研究发现，土壤溶液中实际有效磷浓度平均为1～2 μmol/L，即使在肥沃的土壤中，可利用磷的浓度也很少超过10 μmol/L[1，17]。因此，提高磷素的利用效率至关重要。在低磷胁迫下，植物自身形态和生理特性的适应性变化是高效吸收利用磷素的重要物质基础，如减少分蘖或分枝[7-8]。拟南芥和水稻在低磷胁迫下分枝或分蘖均减少[7-8]，说明低磷胁迫对不同植物种类分枝或分蘖的发生有相似的影响。在本研究条件下，无论是水培还是土培条件下，随着磷浓度降低，水稻的分蘖数显著降低，证实低磷处理能够抑制水稻分蘖的发生。

研究发现，低磷胁迫能够促进水稻根系中独脚金内酯的合成和分泌[5，7]。与正常供磷处理相比，低磷胁迫条件下野生型水稻的分蘖数受到显著抑制，而独脚金内酯合成突变体（d10）和信号转导突变体（d3）的分蘖数则没有发生显著变化[7]，说明独脚金内酯参与低磷抑制水稻分蘖发生的过程。在本研究中，与正常供磷处理相比，低磷处理日本晴和中花11的分蘖数均显著降低，而独脚金内酯信号转导关键基因突变体d14的分蘖数对磷浓度不敏感，在正常供磷和低磷处理下均具有较多的分蘖，这与UMEHARA等[7]的结果一致。

生长素合成于植物顶端完全展开的叶片中，其极性运输能够抑制侧芽的发生[17]。研究发现，植物能够通过改变生长素的极性运输来调控水稻分蘖的发生[9-12，18]。与野生型水稻相比，生长素运输基因PIN1（PIN-FORMED 1）突变体的分蘖数显著增加[9，18]；超表达OsPIN2基因水稻植株根茎结合处的生长素浓度及分蘖数均显著增加[10]；超表达OsPIN5b基因水稻植株体内生长素含量显著增加，但分蘖数却显著降低[11]，说明水稻根茎结合处生长素的水平与水稻分蘖数并非完全一致。而在本研究中，在正常供磷条件下，施加外源NAA 能够抑制水稻分蘖的发生；在低磷处理下，施加NPA 不能够促进水稻分蘖的发生。这些结果表明，在低磷条件下，除生长素之外，可能存在其他因素抑制水稻分蘖的发生。

目前，关于独脚金内酯和生长素在调控植物分蘖过程中的相互关系研究很多。例如，独脚金内酯作用于生长素的下游来调控拟南芥和豌豆幼芽的发生[19]；独脚金内酯通过抑制生长素的极性运输来调控拟南芥地上部的分枝[20-21]；独脚金内酯在抑制拟南芥分枝的过程中可能独立于生长素[22]；无论是内源还是外源独脚金内酯均能抑制生长素从地上部向根茎结合处的极性运输，且降低PIN 家族基因在根茎结合处的表达[23]。这些结果说明，独脚金内酯和生长素在调控植物地上部分枝方面关系复杂且尚不清楚。在本研究中，独脚金内酯信号转导关键基因突变体d14具有较多的分蘖，且分蘖的发生对磷素不敏感，但在正常供磷和低磷条件下施加外源NAA 依然能够显著抑制d14分蘖的发生，说明生长素和独脚金内酯在低磷抑制水稻分蘖发生的过程中存在一定的独立性。