Pantoea_sp._SH3对番茄缺铁反应的影响_黄家梦.pdf

安徽科技学院学报，（）：收稿日期：基金项目：安徽省重点研究与开发计划项目（）；安徽省自然科学基金面上项目（）。作者简介：黄家梦（），男，安徽宿州人，硕士研究生，主要从事微生物与植物互作研究。通信作者：周成，教授，：。对番茄缺铁反应的影响黄家梦，陆晓民，肖兵，周成，（安徽科技学院 农学院，安徽 凤阳 ；安徽科技学院 生命与健康科学学院，安徽 凤阳 ；南京农业大学 资源与环境科学学院，江苏 南京 ）摘要：目的：探讨植物根际促生菌 对番茄缺铁反应的影响，为限铁土壤的番茄生产提供新的理论依据。方法：以“”番茄为研究材料。在铁限制条件下接种 处理番茄幼苗，分析根际促生菌对番茄幼苗生物量、叶绿素含量、酶活性、组织铁含量与内源性水杨酸含量等参数的影响。结果：在缺铁条件下，番茄幼苗生长发育受阻，叶绿素含量和生物量显著降低，并且缺铁诱导根系水杨酸的累积；而接种 后，番茄幼苗的铁缺乏症状得到明显的改善，生物量和叶绿素含量显著提高，根系水杨酸水平显著降低，并且与缺铁对照相比，接种植株根系质外体铁含量显著降低。外源性应用水杨酸后，番茄幼苗表现出更加严重的缺铁症状，而水杨酸羟化酶基因转基因植株的缺铁症状得到了缓解，根质外体铁含量显著降低。结论：能够通过抑制植株内水杨酸的累积，促进根系质外体铁的再利用，从而改善植物的铁营养状态。关键词：土壤盐碱化；缺铁；根际促生菌；质外体铁；水杨酸中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：“”，：，：，：；铁作为生物生长发育所必需的微量元素，参与植物生长发育的许多生物过程，如光合作用、呼吸作用、叶绿素合成等。缺铁是最常见和最普遍的人类营养不良症状，全世界有超过 亿人受其影响，是全球疾病负担的主要原因之一。虽然土壤中铁的含量很高，但在 较高的盐碱土壤中容易被氧化为植物不可利用的铁氧化物，往往会导致植物生长发育受阻和黄化的现象，严重影响作物产量和土壤养分状况，缺铁已成为阻碍农业生产的一个世界性问题。番茄作为世界上最重要的蔬菜作物之一，其果实营养丰富，具特殊风味，在中国南北方广泛栽培。据统计，年全球产量超过 亿，收获面积超过 万。但近年来由于农业生产实践的影响，土壤盐碱化问题日益加重，盐碱土壤的铁缺乏问题已成为制约番茄产量和品质的又一因素。越来越多的证据表明，在缺铁的土壤中，植物本身的策略不足以避免铁缺乏。土壤微生物在植物铁吸收过程中也起着重要作用。例如，在无菌土壤中生长的向日葵比在非无菌土壤中生长的植株表现出更严重的萎黄病；油菜和红三叶在无菌土壤中的铁吸收和生长也显著减少。因此植物根际促生菌的应用能够改善植物铁营养状况。本试验通过从盐碱土壤中生长的番茄根际分离得到的一株根际促生菌进行接种处理，调查该菌株对缺铁条件下番茄生长的影响，从而明确该菌株改善盐碱土壤中番茄铁营养的可能性。材料与方法 植物材料试验于安徽科技学院生物医药与健康研究院内进行。以番茄品种“”为试验材料。番茄种子表面消毒后置于发芽框中，发芽。幼苗培养于含有以下成分的营养液中：、（）和 。为了进行表型分析，将大小和形态相似的周龄幼苗分别用以下营养条件处理：（完全营养液作为对照）、（完全营养液加 接种处理）、（完全营养液，但不含铁）和 （缺铁营养液加 接种处理）。而在盆栽试验中，为了创造理想的试验环境，我们选择蛭石而不是土壤来培育幼苗，蛭石不含可溶性铁，但含有 ，因此在 处理中应用菲洛嗪螯安徽科技学院学报 年合铁离子，从而限制铁离子的吸收。所有处理中的番茄幼苗是在 、相对湿度 和昼夜节律 的光照培养箱中培养。处理溶液每天更新或浇灌次。叶绿素含量测量叶绿素含量以土壤植物分析发育（）值表示，该值是用便携式叶绿素仪（柯尼卡美能达 ）在完全展开的幼苗新叶上测定的。根 活性测量高铁还原酶（）活性根据 描述的方法。将整个根切下放入装有分析溶液的试管中，该溶液包含 、吗啉乙磺酸、菲洛嗪和 ，。将试管置于黑暗中孵育。测定溶液在 处的吸光度，按照 的方法计算还原率。铁含量分析对总铁含量检测，将收获的根和叶用 氯化钙洗涤次，并用 （，）消化。通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（）测定总铁浓度。根据 等 方法进行可溶性铁的提取。将根和叶在液氮中研磨，并在室温下用倍体积的去离子水提取，离心后收集上清液。使用 法测量上清液中的铁浓度。根据 等 方法检测质外体铁含量。将根转移到含有 的试管中浸泡 。然后，将根置于含有 ，联吡啶的试管中，通入 后，添加 ，再次通入 。最后，用分光光度法在 处测量溶液中的铁含量。水杨酸含量测定采用高效液相色谱法测定龄幼苗提取液中游离水杨酸含量。取 植物组织，用液氮磨成粉末，分别用 甲醇和 甲醇各提取次。甲醇蒸发后，馏分置于离心管中，并在通风柜中干燥。加入 醋酸钠（）溶解沉淀。加入 单位的葡萄糖苷酶在 下消化糖基共轭 。所有样品用等体积的 处理，离心 。用 萃取溶剂（乙酸乙酯环戊烷丙醇 ，）提取上清次。有机相收集在离心管中，并在通风柜中干燥。将残留组分重悬于 的 甲醇中，通过 尼龙膜离心 （），然后进行高效液相色谱分析。数据分析每个试验至少重复次。数据采用 和 进行统计和分析。柱状图上不同字母表示在 水平上平均值有统计学差异。结果与分析 对铁限制土壤中番茄生长的影响为了探讨 对番茄铁吸收的影响，分别以接种和不接种 的 营养液和 营养液处理番茄幼苗。由图可知，番茄新生叶片在 处理下出现严重褪绿，叶绿素含量下降，植株生长也受到抑制，生物量显著降低。而 处理下接种 ，褪绿现象得到明显的缓解，生物量也显著增加。此外，在 处理中，接种或不接种 的幼苗叶绿素含量和生物量无显著差异。对无铁水培条件下番茄生长的影响为进一步探讨 对番茄缺铁反应的可能影响，将番茄培养于接种或不接种 的 和 营养液中。由图可知，能够缓解番茄的缺铁症状，而接种 并未对 处理造成影响。处理后，处理的番茄表现出严重褪绿和生长抑制，叶绿素含量显著低于 处理。相比之下，处理中，缺铁引起的黄化和生长抑制现象得到了明显的改善。第 卷第期黄家梦，等：对番茄缺铁反应的影响图 对限铁土壤中番茄生长的影响 图水培条件下 对番茄生长的影响 质子分泌和 酶活性增强，是双子叶植物缺铁的标志反应，因此对一定时间内营养液的 和根系 酶活性进行测定，比较接种和不接种 处理之间的差异。由图可知，缺铁条件下，根系 酶活性呈上升的趋势，营养液 也随之降低，但在 处理的后期，根系 活性显著低于 处理，营养液 显著高于 处理。而在 条件下，接种 并不影响根系 活性和质子分泌。以上结果进一步验证了 能够缓解番茄幼苗的缺铁症状。安徽科技学院学报 年图 对番茄缺铁反应的影响 促进根系质外体铁的动用铁是叶绿素生物合成过程中最重要的金属离子，可溶性铁缺乏是导致叶片黄化的原因之一。因此，测量不同处理中番茄的可溶性铁含量。由图可知，处理中，接种或不接种 的番茄植株之间可溶性铁含量无显著差异。在缺铁条件下，处理番茄植株组织中可溶性铁含量显著降低，而 处理植株根和茎叶中的可溶性铁含量显著高于 处理。同时缺铁条件下，接种和不接种 处理之间，叶总铁含量无显著差异，而根总铁含量在接种 后显著降低。图 对番茄可溶性铁和总铁含量的影响 第 卷第期黄家梦，等：对番茄缺铁反应的影响植物中的铁主要储存在根系质外体中，质外体铁库可作为应对铁缺乏的临时铁源。由图可知，与 处理相比，缺铁条件下，根系质外体铁含量虽然有一定程度降低，但接种 后，可以发现根质外体铁含量进一步降低。因此 处理中可溶性铁的增加可能是因为促进了根系质外体铁的再利用。图 对番茄根质外体铁含量的影响 对番茄植株内源性水杨酸含量的影响结果表明 通过促进根系质外体铁的动员，改善植物的铁营养状况。但其是通过何种途径活化质外体铁，目前尚不清楚。缺铁可诱导植物中水杨酸的累积，从而增强植物的免疫反应，直接影响微生物在根际的定殖。为了验证水杨酸是否参与 改善植物铁营养的过程，我们对番茄植株的水杨酸水平进行了测定。由图可知，与 处理相比，处理植株的水杨酸含量显著增加，而接种 后水杨酸含量又显著降低。结果显示，接种 显著影响缺铁幼苗的水杨酸含量，而水杨酸含量的变化可能直接影响质外体铁的动员。图 对番茄内源性水杨酸含量的影响 水杨酸对番茄缺铁反应的影响为了进一步验证水杨酸是否参与质外体铁的再利用，我们利用水杨酸羟化酶基因的番茄转基因株系（），探讨缺铁条件下水杨酸对质外体铁再利用的可能影响。图结果显示，处理番茄表现出严重的黄化现象，生物量也明显降低，外源应用水杨酸（）后黄化现象进一步加重；而 和 处理植株的萎黄症状得到了缓解，并且根系质外体铁含量显著下降，缺铁症状得到了明显的改善。结果表明，可能是通过抑制植物内源性水杨酸水平来促进根系质外体铁的再利用，从而达到改善铁营养的目的。安徽科技学院学报 年图水杨酸对番茄缺铁反应的影响 结论与讨论缺铁是一种普遍存在的农业问题，世界上大约 的耕地土壤中面临缺铁或潜在性缺铁的问题，随着世界人口的增加，由缺铁引起的作物产量和质量的降低，已严重影响世界粮食安全和人类营养健康。虽然土壤中含有丰富的铁元素，但是在 较高的盐碱土壤中，铁的生物有效性较低。而植物根际促生菌的招募，作为植物应对生物和非生物胁迫的有效手段，在植物营养调控过程中发挥重要作用。而关于根际细菌在植物铁动员过程中发挥什么样的作用，目前研究的并不透彻。本试验从盐碱土壤中栽培的番茄根际分离出株高效促生菌株，经过 测序鉴定为泛菌属，对其促生效果进行深入研究，发现 可通过促进根系质外体铁的再利用，从而缓解番茄由铁缺乏引起的黄化症状。缺铁常导致叶片黄化，叶绿素含量降低，抑制植物生长发育。相比之下，接种植株在缺铁条件下表现出较高的叶绿素含量和生物量，这说明 可能促进缺铁植株对铁的同化和利用。然而，在无铁环境中，接种植株的可溶性铁含量显著高于缺铁对照组，这说明植物自身铁库中的铁得到了活化。质外体铁库作为植物中的最大铁库，质外体铁的再活化对缺铁条件下的植物生长至关重要 ，但是，在一般情况下，只有很小一部分质外体铁能够再利用。而接种 可显著增加质外体铁的再利用程度。因此，接种 缓解缺铁症状的效果不是由于增强了植物对铁的吸收，而是由于促进了质外体铁的再利用。越来越多的证据表明，水杨酸是一种内源性信号，可以激活某些植物的防御反应。防御反应的激活严重影响了土壤微生物在根际的定殖，而部分根际微生物能够抑制根系局部免疫反应，进而实现根际定殖，在这个过程中，我们假设可能是通过影响水杨酸水平来实现的。而在缺铁条件下，接种 处理植株和 转基因植株根系的水杨酸含量均有不同程度的下降，缺铁症状也得到了缓解，并且外源应用水杨酸后，黄化症状比缺铁对照更加严重。所以，可能是在根际定殖过程第 卷第期黄家梦，等：对番茄缺铁反应的影响中，抑制了水杨酸在根系的积累，而在抑制番茄根系局部免疫反应的同时，还影响着番茄的铁营养状态。研究表明，根系中至少 的铁贮存在质外体中，当环境缺铁时，根系质外体铁首先被活化用于满足植物对铁的需求。缺铁条件下，接种 能够显著降低根系中的水杨酸累积，然而水杨酸含量变化对根系质外体铁的再利用是否有影响，我们对此问题进行了深入研究。与缺铁对照相比，外源应用水杨酸处理的番茄植株根系质外体铁表现出更高的水平，而 接种处理和 转基因植株根系的质外体铁含量显著低于缺铁对照，并且缺铁症状也得到了明显的改善。综上，在限铁的盐碱土壤中，能够抑制水杨酸在植物中的累积，从而促进根系质外体铁的再利用，以此达到改善番茄幼苗铁稳态的目的。参考文献：李文凤，朱海焰，兰平策略植物铁吸收稳态调控研究进展土壤，（）：，（）：张妮娜，上官周平，陈娟 植物应答缺铁胁迫的分子生理机制及其调控 植物营养与肥料学报，（）：，（）：黄文，李自娟，应芳卿，等 个早熟抗 番茄新品种比较试验长江蔬菜，（）：，：（），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：（）（），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：李培根，张玉婷，陈佳毅，等 植物缺铁性黄化病的防治技术应用研究的文献综述 农业装备技术，（）：宋亚娜，王贺，王震宇，等潜在性缺铁条件下大豆根系质外体铁