磷營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻籽粒鋅生物有效性的影響及其與植酸等磷酸肌醇譜含量的關(guān)系

蘇 達(dá) 吳良泉 S?ren K. Rasmussen 周廬建 潘 剛 程方民,*

磷營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻籽粒鋅生物有效性的影響及其與植酸等磷酸肌醇譜含量的關(guān)系

蘇 達(dá)1,2吳良泉2S?ren K. Rasmussen3周廬建4潘 剛4程方民4,*

1福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物遺傳育種與綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建福州 350002;2福建農(nóng)林大學(xué)國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所, 福建福州 350002;3哥本哈根大學(xué)植物與環(huán)境科學(xué)系, 丹麥哥本哈根;4浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 浙江杭州 310058

作物籽粒鋅缺乏所導(dǎo)致的“隱性饑餓”已威脅到全世界1/3人群的健康。為明確磷對(duì)水稻籽粒鋅的生物有效性的影響, 利用大田磷肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 并結(jié)合稻穗離體培養(yǎng)技術(shù), 探討了不同外源磷濃度下水稻籽粒鋅的生物有效性的變化及其與籽粒植酸等磷酸肌醇譜含量的關(guān)系。試驗(yàn)表明高磷處理顯著增加水稻籽粒中植酸磷和總磷的含量, 以及不同價(jià)位磷酸肌醇(InsP1-6)含量, 其中以高價(jià)磷酸肌醇(InsP4-6)在磷供給下的增幅最為顯著。與籽粒植酸的變化趨勢(shì)相反, 高磷水平降低了稻米中鋅的含量及其有效性。稻穗離體培養(yǎng)中, 高磷(P12)處理相比無磷(P0)對(duì)照, 籽粒鋅的有效性降幅高達(dá)81.3%。因此, 過量磷肥投入會(huì)通過顯著提高水稻籽粒中的植酸及高價(jià)磷酸肌醇含量, 在同步降低籽粒鋅含量的同時(shí), 進(jìn)一步顯著降低其在水稻籽粒中的生物有效性。

磷; 植酸; 鋅生物有效性; 磷酸肌醇; 稻米品質(zhì)

鋅是作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素, 參與作物光合、逆境脅迫、激素合成、種子萌發(fā)以及細(xì)胞膜建成等多個(gè)生理過程[1-2]。全世界范圍內(nèi)土壤缺鋅均較為普遍, 堿性石灰土壤中鋅雖然不是一個(gè)限制因子, 但往往會(huì)與碳酸鈣結(jié)合或被土壤團(tuán)粒吸附, 降低其被作物吸收利用的有效性[2]。此外, 鋅在人體生理代謝中也發(fā)揮著重要作用[3], 食源鋅攝入不足, 即所謂的“隱性饑餓”, 已經(jīng)威脅到世界1/3人口的健康, 其中以發(fā)展中國(guó)家面臨的挑戰(zhàn)最為嚴(yán)峻[4]。

水稻是重要的糧食作物, 全國(guó)有65%的人口以稻米為主糧。與其他禾谷類和豆科作物相比, 水稻籽粒中的鋅、鐵含量普遍較低, 且集中分布于表皮及糊粉層中[5]。受傳統(tǒng)飲食習(xí)慣的影響, 水稻籽粒在去麩加工成精米的過程中會(huì)造成鋅(27%~45%)、鐵(60%~76%)等礦質(zhì)元素的進(jìn)一步流失[2,6]。而植酸(C6H18O24P6, InsP6, 六磷酸肌醇)作為水稻籽粒中磷的最主要貯存形式, 往往還會(huì)與稻米中的鋅、鐵、鈣和鎂等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素絡(luò)合, 形成難溶性的植酸鹽, 從而降低它們的生物有效性[2]。因此, 生物強(qiáng)化的實(shí)現(xiàn), 除需培育和篩選鋅、鐵富集的優(yōu)質(zhì)作物資源, 還應(yīng)同時(shí)降低作物籽粒中植酸等“抗?fàn)I養(yǎng)元素”的水平。

磷素對(duì)水稻籽粒中鋅和植酸的合成和積累都有顯著的調(diào)控效應(yīng)[7-9]。首先, 磷素是稻米中植酸積累最直接的調(diào)控因子。前人在不同作物(小麥、燕麥、玉米、水稻、大豆等)中已廣泛證明外源磷供應(yīng)對(duì)作物籽粒植酸的積累有顯著促進(jìn)作用[10-13], 且籽粒不同部位的植酸積累對(duì)外源磷的響應(yīng)還存在一定的空間區(qū)位特異性[14-15]。其次, 磷也是影響作物籽粒中鋅含量的重要環(huán)境生態(tài)因子[16], 但由于磷肥對(duì)作物籽粒鋅的調(diào)控同時(shí)還受到土壤特性、土壤中菌根數(shù)量、根系形態(tài)特征、作物類型以及氣候條件等因子互作的影響[9,17], 使得磷肥對(duì)作物籽粒鋅積累的影響規(guī)律還存在不一致甚至相互矛盾的地方。尤其是在目前集約化栽培體系下, 施磷量普遍較高[16], 過量磷肥投入在可能影響稻米植酸含量的同時(shí), 對(duì)籽粒鋅含量以及鋅的生物有效性的影響, 目前還少見相關(guān)報(bào)道。

本研究利用大田磷肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 結(jié)合稻穗離體磷培養(yǎng), 旨在闡明磷營(yíng)養(yǎng)對(duì)籽粒鋅的生物有效性的影響及其與籽粒不同價(jià)位磷酸肌醇含量之間的關(guān)系, 為稻米品質(zhì)改良及合理磷肥運(yùn)籌提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 大田磷肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)

大田試驗(yàn)地點(diǎn)是浙江省海寧市楊渡村浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基地。該基地從2011年起開始連續(xù)用于磷肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 土壤類型為水稻土類、黃松田土屬。2016年水稻播種前土壤速效氮和速效鉀含量分別為126.6 mg kg–1和135.9 mg kg–1, 2017年水稻播種前土壤速效氮和速效鉀含量分別為151.7 mg kg–1和126.5 mg kg–1。供試水稻材料為秀水134。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 設(shè)3個(gè)磷肥處理水平, 分別為不施磷處理(0 kg hm–2, LP)、中磷處理(75 kg hm–2, MP)和高磷處理(150 kg hm–2, HP)。磷肥于水稻播種前一次性基施, 設(shè)每個(gè)磷處理3個(gè)重復(fù)小區(qū), 小區(qū)面積30 m2。其中, 不施磷處理的3個(gè)小區(qū)土壤速效磷的本底值為43.2 mg kg–1(2016年)和37.4 mg kg–1(2017年), 中磷處理的3個(gè)小區(qū)土壤速效磷的本底值為151.5 mg kg–1(2016年)和146.7 mg kg–1(2017年), 高磷處理的3個(gè)小區(qū)土壤速效磷的本底值為206.3 mg kg–1(2016年)和214.6 mg kg–1(2017年)。在2016和2017年的試驗(yàn)期間, 不同磷肥處理小區(qū)的氮肥(尿素)和鉀肥(氯化鉀)用量一致, 分別為180 kg hm–2和120 kg hm–2。其中, 氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥比例5∶2∶3施用, 分蘗肥于移栽后7 d一次性施用, 穗肥于倒四葉時(shí)期施用。鉀肥分別于移栽前和穗肥期等量施入。各小區(qū)之間用水泥埂隔開, 并包被防水薄膜, 獨(dú)立排灌。播種日期分別是2016年5月20日和2017年5月21日, 采用常規(guī)濕潤(rùn)育秧, 25 d左右的秧齡時(shí)手工移栽于大田, 栽插密度為25 cm × 13 cm, 每穴2株苗。水稻大田生長(zhǎng)期間田間進(jìn)行常規(guī)水分管理, 及時(shí)防治病蟲雜草。待水稻生長(zhǎng)至齊穗期, 選同日開花的單穗掛牌標(biāo)記, 并在水稻成熟收獲時(shí)取標(biāo)記稻穗籽粒。

1.2 稻穗離體培養(yǎng)試驗(yàn)

為進(jìn)一步明確外源磷與水稻籽粒鋅的生物有效性及植酸磷等磷酸肌醇譜含量之間的關(guān)系。我們?cè)诖筇锪追书L(zhǎng)期定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 利用多磷梯度水平的稻穗離體培養(yǎng)試驗(yàn), 對(duì)其調(diào)控規(guī)律做了進(jìn)一步探討。稻穗離體培養(yǎng)試驗(yàn)在浙江大學(xué)紫金港校區(qū)控溫培養(yǎng)室進(jìn)行。供試水稻品種為秀水110, 單季稻種植, 播種日期與田間試驗(yàn)一致, 6月中旬單本插栽于大田, 常規(guī)高產(chǎn)水作管理。參照已授權(quán)發(fā)明專利(專利授權(quán)號(hào): CN103355169B)的稻穗離體培養(yǎng)方法。抽穗期選擇生育時(shí)期一致(長(zhǎng)勢(shì)、生育進(jìn)程及外觀)的水稻主莖進(jìn)行培養(yǎng)。離體主莖需保留2個(gè)完整節(jié)間, 同時(shí)保留5 cm長(zhǎng)旗葉和旗葉鞘。暴露于培養(yǎng)瓶中的主莖部位需依次用70%乙醇和1%次氯酸鈉分別消毒45 s和15 min。其后迅速轉(zhuǎn)移至已滅菌的培養(yǎng)基及培養(yǎng)瓶中, 并用無菌脫脂棉包裹固定, 便于與外界環(huán)境隔絕, 離體培養(yǎng)過程中培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)部全程保持無菌。將培養(yǎng)瓶統(tǒng)一置1~2℃冰臺(tái)的淺層冷水浴中。由室內(nèi)控溫控濕控光裝置調(diào)控, 穗層溫度為24~26℃, 濕度為75%。16 h光照/8 h黑暗, 光強(qiáng)為300 μmol m–2s–1。培養(yǎng)過程每6 d更換一次培養(yǎng)基, 并重復(fù)前期稻株和培養(yǎng)基的滅菌過程。離體培養(yǎng)試驗(yàn)以NaH2PO4·2H2O為磷源, 設(shè)0、1、3、6和12 mmol L–1五個(gè)磷梯度處理(分別標(biāo)記為P0、P1、P3、P6、P12)。不同處理間除磷水平差異外, 培養(yǎng)基的其他成分保持一致。

1.3 籽粒不同磷組分(植酸磷、不同價(jià)位磷酸肌醇譜、總磷)含量分析

風(fēng)干水稻籽粒樣品經(jīng)去離子水沖洗3次并吸干水分, 于60℃烘干至恒重后, 人工去殼, 用研缽手工研磨成米粉, 并過0.25 mm篩后放入聚乙烯離心管中低溫保存, 用于品質(zhì)相關(guān)的理化指標(biāo)分析。籽粒植酸含量采用Liu等[18]和Bi等[19]鐵沉淀法分析, 植酸磷含量 = 植酸含量 × 0.2815; 總磷含量參照Wilcox等[20]方法測(cè)定。不同價(jià)位磷酸肌醇含量參照Zhou等[21]方法利用HPLC-ESI-MS測(cè)定。

1.4 籽粒鋅含量及鋅的生物有效性分析

籽粒鋅含量參照Wei等[22]的電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)分析。

鋅的生物有效性(TAZ)參照Miller等[23]的三元模型分析:

其中, 每日攝入鋅的生物有效性(TAZ, mg Zn d–1), 即有效鋅指數(shù), 將根據(jù)每日膳食中植酸(TDP, mmol PA d–1)和鋅(TDZ, mmol Zn d–1)的含量擬合后獲得。與腸內(nèi)鋅穩(wěn)態(tài)和生物利用率相關(guān)的3個(gè)常數(shù)為MAX(最大鋅吸收) = 0.091;R(Zn受體結(jié)合反應(yīng)的平衡解離常數(shù)) = 0.680;P(Zn和PA結(jié)合反應(yīng)的平衡解離常數(shù)) = 0.033。以平均每日稻米攝入量400 g作為Zn和PA的來源[24]。

此外, 用能譜掃描電鏡分析籽粒中磷和鋅的空間分布, 參照戴云云等[25]方法, 直接用鑷子掰斷稻穗離體培養(yǎng)的典型磷處理的糙米樣品(P0、P3、P12), 保留自然狀態(tài)下斷裂的橫截面, 朝上將樣品沾于銅樣臺(tái)上, 用離子濺射噴鍍儀對(duì)斷面鍍金處理后, 在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(XL30 ESSM-TMP)上觀察照相。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、整理和計(jì)算, 運(yùn)用SPSS 16.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL, USA)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析, 以Turkey多重比較分析處理間差異顯著性, 顯著水平設(shè)定為=0.05 (One-way ANOVA, Turkey’s Multiple Range Test), 以GraphPad Prism軟件繪圖。并用R統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析(R分析包為pheatmap)。最終結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 大田長(zhǎng)期磷肥定位試驗(yàn)中不同磷肥處理對(duì)水稻籽粒植酸、鋅含量和鋅生物有效性的影響

由圖1可見, 磷肥施用量對(duì)水稻籽粒植酸磷含量和總磷含量有顯著的影響。其中, 籽粒植酸磷含量和總磷含量均隨磷肥施用量的增加呈上升趨勢(shì), 且高磷(HP)處理 > 中磷(MP)處理 > 不施磷(LP)處理(其中2017年中磷和高磷處理的籽粒植酸磷含量差異不顯著), 但籽粒植酸磷與總磷的比值(PAP/TP)在高磷處理(HP)卻呈下降趨勢(shì), 2年大田試驗(yàn)的數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致。上述現(xiàn)象說明, 磷肥施用量的增加會(huì)引起水稻籽粒中植酸磷和總磷含量的顯著提升, 其中總磷相比植酸磷含量受磷肥處理的影響更為顯著。

水稻籽粒中的鋅和鐵含量隨磷肥施用量增加呈明顯下降趨勢(shì)(圖2)。2年數(shù)據(jù)中, 與LP相比, HP處理下水稻籽粒中鋅含量降低了9.0%~10.7%, 鐵含量降低了15.4%~17.1%。磷肥處理對(duì)水稻籽粒中錳含量的影響效應(yīng)不明顯, 而籽粒銅含量在年際間的變化不一致。受籽粒植酸磷和鋅含量共同變化的影響, 不同磷肥處理下水稻籽粒鋅的有效性的變異系數(shù)進(jìn)一步加大(其中, 2016和2017年間植酸和鋅的變異系數(shù)分別為4.0%~5.7%和4.4%~5.2%, 而鋅的生物有效性的變異系數(shù)為8.7%~9.8%)。與LP處理相比, HP處理下籽粒鋅的生物有效性降低了18%~20%。

圖1 大田磷肥處理對(duì)水稻籽粒植酸磷、總磷含量以及植酸磷/總磷比值的影響

標(biāo)以相同小寫字母的柱值差異未達(dá)到0.05的顯著水平。LP: 低磷處理; MP: 中磷處理; HP: 高磷處理; PAP: 植酸磷; Total P: 總磷; PAP/total P: 植酸磷/總磷。

Bars indicated by the same letter among treatments are not significantly different at the 0.05 probability level. LP, MP, HP mean the low phosphorus level, medium phosphorus level, and high phosphorus level. PAP: phytic acid-phosphorus; Total P: total phosphorus; PAP/total P: phytic acid-phosphorus/total phosphorus.

圖2 大田磷肥處理對(duì)水稻籽粒鋅、鐵、錳、銅含量以及鋅的生物有效性的影響

標(biāo)以相同小寫字母的柱值差異未達(dá)到0.05的顯著水平。LP: 低磷處理; MP: 中磷處理; HP: 高磷處理。TAZ: 鋅的生物有效性。

Bars indicated by the same letter among treatments are not significantly different at the 0.05 probability level. LP, MP, HP mean the low phosphorus level, medium phosphorus level, and high phosphorus level, respectively. TAZ represents Zn bioavailability.

2.2 稻穗離體培養(yǎng)條件下外源磷處理對(duì)水稻籽粒植酸磷、不同價(jià)位磷酸肌醇譜、鋅含量及其生物有效性的影響

隨外源磷處理濃度的上升, 水稻籽粒中的植酸磷和總磷含量呈逐漸增加的趨勢(shì)(圖3)。但外源磷處理濃度對(duì)水稻籽粒PAP/TP比值影響不顯著。利用能譜掃描電鏡對(duì)典型磷處理濃度(P0、P3和P12)下水稻籽粒樣品磷元素分布觀測(cè)也表明, 隨外源磷水平的上升, 水稻籽粒的表皮及糊粉層、籽粒內(nèi)部淀粉層的磷積累量均明顯增加(圖4)。考慮到植酸是籽粒磷的最主要貯存形式, 能譜電鏡掃描下籽粒在不同空間的磷分布可近似代表籽粒植酸的變化, 說明外源磷供給對(duì)水稻籽粒不同部位的植酸磷積累都有一定的促進(jìn)作用。

圖3 外源磷處理對(duì)水稻籽粒植酸磷、總磷含量以及植酸磷/總磷的比值的影響(稻穗離體培養(yǎng))

標(biāo)以相同小寫字母的柱值差異未達(dá)到0.05的顯著水平。P0、P1、P3、P6、P12分別代表0、1、3、6和12 mmol L–1的5個(gè)NaH2PO4·2H2O濃度梯度處理。PAP: 植酸磷; Total P: 總磷; PAP/total P: 植酸磷/總磷。

Bars indicated by the same letter among treatments are not significant at the 0.05 probability level. P0, P1, P3, P6, P12mean the P (NaH2PO4·2H2O ) levels of 0, 1, 3, 6, and 12 mmol L–1, respectively. PAP, total P, PAP/total P mean phytic acid-phosphorus, total phosphorus, and phytic acid-phosphorus/total phosphorus, respectively.

圖4 稻穗離體培養(yǎng)體系中不同磷濃度水平下水稻籽粒中的磷分布(5000倍光鏡下稻米橫斷面掃描, 100 μm)

A: P0處理; B: P3處理; C: P12處理。

A, B, C represent P0, P3, and P12treatments, respectively.

利用HPLC-ESI-MS對(duì)水稻籽粒中植酸合成過程中不同價(jià)位的磷酸肌醇譜(InsP1、InsP2、InsP3、InsP4、InsP5、InsP6)含量進(jìn)行測(cè)定(圖5), 表明外源磷處理影響水稻籽粒植酸磷與總磷含量的同時(shí), 對(duì)水稻籽粒中的不同價(jià)位的磷酸肌醇譜的含量也會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。隨外源磷處理濃度的上升, InsP6、InsP5和InsP4含量(mg g–1)呈明顯上升趨勢(shì)。與低價(jià)磷酸肌醇衍生物(InsP1、InsP2)相比, 高價(jià)磷酸肌醇(InsP4-6)在不同磷濃度處理下的差異幅度更大。此外, 水稻籽粒中的不同價(jià)位磷酸肌醇在不同磷濃度處理下的相對(duì)比例均表現(xiàn)為InsP6> InsP5> InsP4> InsP(1-3)。其中, InsP6、InsP5和InsP4分別占水稻籽粒總磷酸肌醇含量的70%~79%、17%~20%和2%~8%, 但外源磷處理對(duì)水稻籽粒不同價(jià)位磷酸肌醇組分所占比例的影響規(guī)律不顯著(圖6)。

圖5 外源磷處理對(duì)水稻籽粒不同價(jià)位磷酸肌醇含量的影響(稻穗離體培養(yǎng))

P0、P1、P3、P6、P12分別代表0、1、3、6和12 mmol L–1的5個(gè)NaH2PO4·2H2O濃度梯度處理。

P0, P1, P3, P6, P12mean the P (NaH2PO4·2H2O) levels of 0, 1, 3, 6, and 12 mmol L–1, respectively.

圖6 外源磷處理下水稻籽粒中不同價(jià)位磷酸肌醇占總磷酸肌醇含量的比例(稻穗離體培養(yǎng))

A: P0; B: P1; C: P3; D: P6; E: P12.

稻穗離體培養(yǎng)下, 外源磷供給對(duì)水稻籽粒鋅的積累也有顯著影響。對(duì)最適磷濃度處理(P3)和極端磷處理樣品(無磷, P0; 極高磷, P12)的能譜掃描電鏡分析顯示, 高磷濃度處理下, 籽粒中鋅的含量在籽粒不同的橫切面都表現(xiàn)為顯著降低(圖7)。ICP-MS的定量分析結(jié)果也表明(圖8), 相較于適宜P濃度處理(P3), 高磷濃度水平(P12)下水稻籽粒中鋅的含量降低了26.4%。由于極高磷(P12)水平相比無磷處理(P0)籽粒植酸磷含量增加了4.5倍, 因此受籽粒植酸磷和鋅含量共同變化的影響, 高磷濃度水平下鋅的生物有效性相比無磷處理(P0)降低了81.3%。說明籽粒鋅的生物有效性相比籽粒鋅含量受外源磷的影響更為顯著(圖8)。

2.3 不同磷素處理下各種指標(biāo)之間的相關(guān)性

大田磷肥試驗(yàn)表明(圖9左), 籽粒植酸磷和總磷之間呈極顯著正相關(guān)(0.944**), 與籽粒鋅的生物有效性之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(?0.692**)。綜合田間長(zhǎng)期磷肥定位試驗(yàn)和稻穗離體培養(yǎng)進(jìn)行相關(guān)性分析(圖9右)表明, 籽粒植酸磷和鋅的生物有效性之間呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)(?0.780**)。說明外源磷處理可顯著增加水稻籽粒植酸磷和總磷含量, 同時(shí)降低籽粒鋅的生物有效性。

圖7 稻穗離體培養(yǎng)體系中不同磷濃度水平下水稻籽粒中鋅的分布(5000倍光鏡下稻米橫斷面掃描, 標(biāo)尺為100 μm)

A: P0處理; B: P3處理; C: P12處理。

A, B, C represent P0, P3, and P12treatment, respectively.

圖8 外源磷處理水稻籽粒鋅的含量及其有效性的影響(稻穗離體培養(yǎng))

標(biāo)以相同小寫字母的柱值差異未達(dá)到0.05的顯著水平。P0、P1、P3、P6、P12分別代表0、1、3、6和12 mmol L–1的5個(gè)NaH2PO4·2H2O濃度梯度處理。TAZ: 鋅的生物有效性。

Bars indicated by the same letter among treatments are not significant at the 0.05 probability level. P0, P1, P3, P6, P12mean the P (NaH2PO4·2H2O) levels of 0, 1, 3, 6, and 12 mmol L–1, respectively. TAZ: Zn bio-availability.

圖9 不同磷肥處理水平下水稻籽粒磷組分和鋅的生物有效性之間的相關(guān)性分析(左: 大田試驗(yàn); 右: 大田試驗(yàn)+稻穗離體培養(yǎng)試驗(yàn))

PAP: 植酸磷; TP: 總磷; TAF: 鋅的生物有效性。

PAP: phytic acid phosphours; TP: total phosphours; TAF: Zn bio-availabiity.**< 0.01.

3 討論

針對(duì)水稻和小麥等大宗糧食作物籽粒鋅、鐵的生物強(qiáng)化, 是目前農(nóng)業(yè)研究中作物品質(zhì)改良以及對(duì)抗“隱性饑餓”的主要方向。實(shí)現(xiàn)生物強(qiáng)化的目標(biāo), 除要通過育種和栽培管理措施提高籽粒微營(yíng)養(yǎng)含量外,還需要同步降低以植酸為主的“抗?fàn)I養(yǎng)元素”水平, 只有這樣才能保障或提高鋅等微營(yíng)養(yǎng)在人體內(nèi)的真正有效吸收。本試驗(yàn)在大田磷肥梯度長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步利用稻穗離體培養(yǎng)體系, 通過拉大外源磷梯度效應(yīng)和精確控制區(qū)分“源”中磷素供應(yīng)量, 試圖進(jìn)一步明確外源磷素對(duì)水稻籽粒鋅的生物有效性的影響及其與籽粒植酸等磷酸肌醇譜含量之間的關(guān)系。

與前人關(guān)于外源磷調(diào)控籽粒植酸合成的研究結(jié)果相似[16,26], 本試驗(yàn)也表明外源磷(肥)可顯著提高籽粒中植酸磷和總磷的含量(圖1、圖3、圖4和圖5), 大田和離體培養(yǎng)試驗(yàn)的結(jié)果相似。然而大田磷肥調(diào)控下, 水稻籽粒中總磷含量的增幅相比植酸磷變化更為顯著, 使得高磷處理水平(HP)下水稻籽粒植酸磷與總磷的比值(PAP/TP)顯著降低, 說明植酸磷、無機(jī)磷以及其他磷組分在高磷處理下的變化規(guī)律并不完全一致。Sompong等[27]對(duì)綠豆籽粒磷組分含量相關(guān)的QTL分析表明, 控制籽粒不同磷組分含量的基因位點(diǎn)不一致。其中, 有3個(gè)位點(diǎn)參與植酸磷(PAP)的合成, 另有2個(gè)和1個(gè)位點(diǎn)分別控制總磷、無機(jī)磷的合成。Taliman等[28]研究表明, 對(duì)低植酸大豆品系(LP-F10)而言, 高磷濃度處理下籽粒無機(jī)磷含量的顯著提高是總磷含量升高的主要原因, 植酸磷對(duì)外源磷濃度的響應(yīng)不顯著。而常規(guī)品種(Enrei)的植酸磷和其他磷組分表現(xiàn)為同步增加, 無機(jī)磷變化不顯著。說明磷(肥)對(duì)作物籽粒中不同磷組分的影響, 可能同時(shí)還受到籽粒植酸遺傳背景、磷肥梯度以及基因型差異等綜合因素的影響。此外, 長(zhǎng)期磷肥定位試驗(yàn)中, 施入土壤中的磷肥有效性除與肥料投入量密切相關(guān)外, 還受到土壤特性和土壤菌根數(shù)量的影響[29-30], 這可能是不同磷水平調(diào)控下, 籽粒磷的不同形態(tài)及其比例變化不一致的原因之一。同時(shí), 大田栽培和離體培養(yǎng)體系中, 水稻在磷吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的差異也可能是本試驗(yàn)PAP/TP在高磷濃度水平下變化規(guī)律不一致的原因之一。

前人已廣泛證明氮肥可顯著促進(jìn)作物籽粒鋅、鐵積累[31-32]。Kutman等[33]對(duì)硬粒小麥的研究表明, 氮素營(yíng)養(yǎng)無論是對(duì)鋅獲取還是鋅向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)都起到關(guān)鍵的作用。然而目前關(guān)于磷肥對(duì)作物鋅等微營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)影響的結(jié)論尚不完全一致。Bolland等[34]的結(jié)果表明, 缺磷土壤補(bǔ)充磷肥后, 小麥籽粒中鋅含量變化并不顯著。Orabi等[35]的結(jié)果表明, 磷肥促進(jìn)鋅從葉片向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn), 并增加籽粒鋅的積累。而Zhang等[36]研究表明, 磷肥會(huì)限制莖鞘中的鋅積累, 繼而減少鋅向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn), 成熟期小麥鋅含量降幅可達(dá)17%~56%, 但在Zhang等[16]的研究中這種抑制效應(yīng)在磷梯度超過100 kg hm–2時(shí)變化開始不顯著, 說明高磷對(duì)籽粒鋅吸收的抑制效應(yīng)還與具體的磷水平設(shè)置有關(guān)。此外, Ova等[9]認(rèn)為外源磷供應(yīng)降低小麥根系鋅吸收、營(yíng)養(yǎng)器官鋅轉(zhuǎn)移以及籽粒中的鋅積累, 主要與土壤中的菌根種類和數(shù)量有關(guān)。在缺乏菌根的培養(yǎng)基中沒有發(fā)現(xiàn)籽粒磷與鋅的負(fù)向調(diào)控效應(yīng)。本試驗(yàn)結(jié)果表明(圖2、圖7和圖8), 磷(肥)供應(yīng)下水稻籽粒中鋅含量顯著降低。不同的磷供應(yīng)試驗(yàn)(大田和離體培養(yǎng))的結(jié)果一致。說明菌根種類和數(shù)量的差異并不是磷素抑制籽粒鋅積累的唯一原因, 相關(guān)磷鋅互作的生理機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

由于鋅在人體和非反芻動(dòng)物體內(nèi)最終被吸收的量(即鋅的生物有效性)同時(shí)還會(huì)受胃腸分泌的影響, 并不僅僅只是一個(gè)簡(jiǎn)單的量的吸收過程[37]。傳統(tǒng)以植酸和鋅的摩爾比([PA]/[Zn])來表征鋅的有效性的方法, 在高植酸背景研究中因其高抑制效應(yīng)不具有真實(shí)評(píng)價(jià)意義。同時(shí)也忽略了其他高價(jià)磷酸肌醇鹽(InsP4和InsP5)對(duì)以鋅為主的礦質(zhì)元素的絡(luò)合效應(yīng)。因此, 本研究在外源磷調(diào)控籽粒鋅相對(duì)含量的基礎(chǔ)上, 利用三元模型, 通過模擬鋅在人/單胃動(dòng)物腸胃內(nèi)的消化吸收過程, 進(jìn)一步分析不同磷濃度處理下籽粒鋅的生物有效性的變化。大田試驗(yàn)和稻穗離體培養(yǎng)結(jié)果均表明高磷處理會(huì)顯著降低鋅的生物有效性。其中長(zhǎng)期磷肥定位試驗(yàn)在相對(duì)較小的磷肥梯度水平內(nèi), 鋅的生物有效性降低了18%~20% (圖2)。而稻穗離體培養(yǎng)體系通過拉大磷供應(yīng)梯度, 極高磷濃度梯度(P12)相較無磷(P0)處理, 籽粒中鋅的生物有效性降幅高達(dá)81.3% (圖8)。相關(guān)性分析結(jié)果也表明, 植酸磷和籽粒鋅的生物有效性之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(圖9)。因此從稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)角度考量, 過量磷水平會(huì)顯著降低人體對(duì)鋅的有效吸收。

水稻籽粒植酸合成是以光合產(chǎn)物葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)為起始底物不斷順序磷酸化的過程[15]。在不同價(jià)位的磷酸肌醇中間產(chǎn)物(InsP1-6)中, 低價(jià)磷酸肌醇的磷酸基團(tuán)較少, 絡(luò)合礦質(zhì)離子的能力相對(duì)較弱。而高價(jià)磷酸肌醇(InsP4, InsP5)具有與植酸(InsP6)相似的多羥基生化結(jié)構(gòu), 同樣可以絡(luò)合礦質(zhì)離子并降低它們的生物有效性[15,37-39]。前人關(guān)于植酸對(duì)礦質(zhì)元素有效性影響的定量分析, 往往只關(guān)注磷酸肌醇合成的終產(chǎn)物, 即植酸(InsP6, 六磷酸肌醇)的含量水平, 忽略了其他高價(jià)磷酸肌醇(InsP4-5)對(duì)鋅等礦質(zhì)元素的絡(luò)合效應(yīng)?；谶@樣的研究背景, 本研究首次利用HPLC-ESI-MS分析了外源磷對(duì)不同價(jià)位磷酸肌醇含量/比例的影響, 試圖進(jìn)一步明確外源磷素調(diào)控下籽粒植酸等磷酸肌醇譜系的分布變化特征。試驗(yàn)結(jié)果表明, 不同磷處理水平下, 磷酸肌醇譜系中均表現(xiàn)為高價(jià)磷酸肌醇的含量顯著高于低價(jià)磷酸肌醇, 總體表現(xiàn)為InsP6> InsP5> InsP4> InsP1-3, 其中籽粒植酸InsP6占到了磷酸肌醇總含量的70%以上(圖2)。外源磷處理可以顯著提高不同價(jià)位的磷酸肌醇含量, 其中以高價(jià)磷酸肌醇(InsP4-6)對(duì)外源磷的響應(yīng)最為顯著。本試驗(yàn)中高磷濃度處理下高價(jià)磷酸肌醇(InsP4和InsP5)的相對(duì)高比例(19%~24%), 說明高磷濃度處理下籽粒鋅的生物有效性, 即真正被人體有效吸收的鋅比例, 可能被普遍低估。因此, 在保障水稻產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的同時(shí)適當(dāng)降低磷肥投入, 對(duì)改善作物以鋅為主的微營(yíng)養(yǎng)品質(zhì), 解決“隱性饑餓”具有重要的借鑒意義。

4 結(jié)論

外源磷可顯著提高作物籽粒的植酸磷、不同價(jià)位磷酸肌醇以及總磷含量, 同時(shí)降低籽粒鋅含量。外源磷供應(yīng)下稻米植酸磷和鋅含量的同步變化, 最終導(dǎo)致鋅的生物有效性進(jìn)一步顯著降低。過量磷肥投入對(duì)籽粒鋅營(yíng)養(yǎng)的負(fù)向調(diào)控效應(yīng)顯著。

[1] Noulas C, Tziouvalekas M, Karyotis T. Zinc in soils, water and food crops., 2018, 49: 252–260.

[2] Hefferon K. Biotechnological approaches for generating zinc-enriched crops to combat malnutrition., 2019, 11: 253.

[3] Maqbool M A, Beshir A. Zinc biofortification of maize (L.): Status and challenges., 2019, 138: 1–28.

[4] Jaksomsak P, Tuiwong P, Rerkasem B, Guild G E, Palmer L J, Stangoulis J C, Promuthai C. The impact of foliar applied zinc fertilizer on zinc and phytate accumulation in dorsal and ventral grain sections of four Thai rice varieties with different grain zinc., 2018, 79: 6–12.

[5] Li W, Huang J, Zhao H, Tan Y, Cui H, Poirier Y, Shu Q. Production of low phytic acid rice by hairpin RNA- and artificial microRNA-mediated silencing ofin seeds., 2014, 119: 15–25.

[6] Liang J, Li Z, Tsuji K, Nakano K, Nout M J R, Hamer R J. Milling characteristics and distribution of phytic acid and zinc in long-, medium- and short-grain rice., 2008, 48: 83–91.

[7] Perera I, Seneweera S, Hirotsu N. Manipulating the phytic acid content of rice grain toward improving micronutrient bioavai-lability., 2018, 11: 4.

[8] Julia C, Wissuwa M, Kretzschmar T, Jeong K, Rose T J. Phosphorus uptake, partitioning and redistribution during grain filling in rice., 2016, 118: 1151–1162.

[9] Ova E A, Kutman U B, Ozturk L, Cakmak I. High phosphorus supply reduced zinc concentration of wheat in native soil but not in autoclaved soil or nutrient solution., 2015, 393: 147–162.

[10] Saneoka H, Koba T. Plant growth and phytic acid accumulation in grain as affected by phosphorus application in maize (L.).,2003, 48: 485–489.

[11] Miller G A, Youngs V L. Environmental and cultivar effects on oat phytic acid concentration.1980, 57: 189–191.

[12] Raboy V, Dickinson D B. Effect of phosphorus and zinc nutrition on soybean seed phytic acid and zinc.1984, 75: 1094–1098.

[13] Noack S R, Mclaughlin M J, Smernik R J, Mcbeath T M, Armstrong R. Phosphorus speciation in mature wheat and canola plants as affected by phosphorus supply., 2014, 378: 125?137.

[14] Su D, Zhou L J, Zhao Q, Pan G, Cheng F M. Different phosphorus supplies altered the accumulations and quantitative distributions of phytic acid, zinc, and iron in rice (L.) grains., 2018, 66: 1601–1611.

[15] Raboy V. Seeds for a better future: ‘low phytate’, grains help to overcome malnutrition and reduce pollution., 2001, 6: 458–462.

[16] Zhang W, Liu D, Liu Y, Chen X, Zou C. Overuse of phosphorus fertilizer reduces the grain and flour protein contents and zinc bioavailability of winter wheat (L.)., 2017, 65: 1473–1482.

[17] Imran M, Rehim A, Sarwar N, Hussain S. Zinc bioavailability in maize grains in response of phosphorous–zinc interaction., 2016, 179: 60–66.

[18] Liu Z H, Cheng F M, Cheng W D, Zhang G P. Positional variations in phytic acid and protein content within a panicle ofrice., 2005, 41: 297–303.

[19] Bi J, Liu Z, Lin Z, Alim M A, Rehmani M I A, Li G, Wang Q S, Wang S H, Ding Y F. Phosphorus accumulation in grains ofrice as affected by nitrogen fertilizer., 2013, 369: 231?240.

[20] Wilcox J R, Premachandra G S, Young K A, Raboy V. Isolation of high seed inorganic P, low-phytate soybean mutants., 2000, 40: 1601?1605.

[21] Zhou L, Ye Y, Zhao Q, Du X, Zakari S A, Su D, Pan G, Chen F M. Suppression of ROS generation mediated by higher InsP3level is critical for the delay of seed germination inrice., 2018, 85: 411?424.

[22] Wei Y Y, Shohag M, Wang Y Y, Lu L L, Wu C Y, Yang X. Effect of zinc sulfate fortification in germinated brown rice on seed zinc concentration, bioavailability, and seed germination., 2012, 60: 1871?1879.

[23] Miller L V, Krebs N F, Hambidge K M. A mathematical model of zinc absorption in humans as a function of dietary zinc and phytate., 2007, 137: 135?141.

[24] Brombach C, Manorut P, Kolambage-Dona P P P, Ezzeldin M F, Chen B, Corns W T, Feldmann J, Krupp E M. Methylmercury varies more than one order of magnitude in commercial European rice., 2017, 214: 360?365.

[25] 戴云云, 丁艷鋒, 劉正輝, 王強(qiáng)盛, 李剛?cè)A, 王紹華. 花后水稻穗部夜間遠(yuǎn)紅外增溫處理對(duì)稻米品質(zhì)的影響. 中國(guó)水稻科學(xué), 2009, 23: 414?420. Dai Y Y, Ding Y F, Liu Z H, Wang Q S, Li G H, Wang S H. Effects of elevated night temperature by far-infrared radiation at grain filling on grain quality of rice., 2009, 23: 414?420 (in Chinese with English abstract).

[26] Coelho C M M, Santos J C P, Tsai S M, Vitorello V A V C. Seed phytate content and phosphorus uptake and distribution in dry bean genotypes., 2002, 14: 51?58.

[27] Sompong U, Somta P, Raboy V, Srinives P. Mapping of quantitative trait loci for phytic acid and phosphorus contents in seed and seedling of mungbean [(L.) Wilczek]., 2012, 62: 87?92.

[28] Taliman N A, Dong Q, Echigo K, Raboy V, Saneoka H. Effect of phosphorus fertilization on the growth, photosynthesis, nitrogen fixation, mineral accumulation, seed yield, and seed quality of a soybean low-phytate line., 2019, 8: 119.

[29] Park M, Singvilay O, Shin W, Kim E, Chung J, Sa T. Effects of long-term compost and fertilizer application on soil phosphorus status under paddy cropping system., 2004, 35: 1635?1644.

[30] Zhang W, Liu D, Li C, Cui Z, Chen X, Russell Y, Zou C. Zinc accumulation and remobilization in winter wheat as affected by phosphorus application., 2015, 184: 155?161.

[31] Zhang J, Wu L H, Wang M Y. Iron and zinc biofortification in polished rice and accumulation in rice plant (L.) as affected by nitrogen fertilization., 2008, 58: 267?272.

[32] Xue Y F, Yue S C, Zhang Y Q, Cui Z, Chen X, Yang F, Cakmak I, McGrath S P, Zhang F S, Zou C Q. Grain and shoot zinc accumulation in winter wheat affected by nitrogen management., 2012, 361: 153?163.

[33] Kutman U B, Yildiz B, Cakmak I. Effect of nitrogen on uptake, remobilization and partitioning of zinc and iron throughout the development of durum wheat., 2011, 342: 149?164.

[34] Bolland M D A. Residual value of superphosphate and Queensland rock phosphate measured using yields of serradella, burr medic and subterranean clover grown in rotation with wheat and bicarbonate-extractable soil phosphorus., 1993, 24: 1243?1269.

[35] Orabi A A, Mashadi H, Abdallah A, Morsy M F. Effect of zinc and phosphorus on the grain yield of corn (L.) grown on a calcareous soil., 1981, 63: 291?294.

[36] Zhang Y, Deng Y, Chen R, Cui Z L, Chen X P, Yost R, Zhang F S, Zou C Q. The reduction in zinc concentration of wheat grain upon increased phosphorus-fertilization and its mitigation by foliar zinc application., 2012, 361: 143?152.

[37] Liang J, Han B, Nout M J, Hamer R J. Effects of soaking, germination and fermentation on phytic acid, total andsoluble zinc in brown rice., 2008, 110: 821?828.

[38] Bohn L, Josefsen L, Meyer A A, Rasmussen S K. Quantitative analysis of phytate globoids isolated from wheat bran and characterization of their sequential dephosphorylation by wheat phytase., 2007, 55: 7547?7552.

[39] 蘇達(dá), 吳良泉, S?ren K R, 周廬建, 程方民. 低植酸水稻種質(zhì)資源篩選、遺傳生理調(diào)控與環(huán)境生態(tài)適應(yīng)性研究進(jìn)展. 中國(guó)水稻科學(xué), 2019, 33: 95?107. Su D, Wu L Q, S?ren K R, Zhou L J, Cheng F M. Research advances on the low phytic acid rice breeding and their genetic physiological regulation and environmental adaptability., 2019, 33: 95?107 (in Chinese with English abstract).

Influence of phosphorus on rice (L.) grain zinc bioavailability and its relation to inositol phosphate profiles concentration

SU Da1,2, WU Liang-Quan2, S?ren K. Rasmussen3, ZHOU Lu-Jian4, PAN Gang4, and CHENG Fang-Min4,*

1Key Laboratory of Ministry of Education for Genetics, Breeding and Multiple Utilization of Crops / College of Agriculture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian, China;2International Magnesium Institute, Fuzhou 350002, Fujian, China;3Department of Plant and Environmental Sciences, Section of Plant and Soil Science, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark;4College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China

The hidden hunger caused by grain zinc (Zn) deficiency in crop poses a potential threat to the health of nearly two billion people worldwide, especially in developing countries. In this study, the long-term phosphorus fertilizer experiment anddetached rice panicle culture systems with varied phosphorus levels were conducted to investigate the effect of phosphorus on rice grain Zn bioavailability and its relation of grain inositol phosphates profiles (phytic acid related metabolic derivatives) concentration. In our results, compared with low phosphorus level, high phosphorus supply increased grain phytic acid phosphorus and total phosphorus concentration (mg g–1). Moreover, high phosphorus supply also increased different grain inositol phosphate profile concentrations (InsP1-6), especially for InsP4-6. On the contrary, grain Zn concentration decreased with phosphorus supply. Both the decrement of Zn and increment of phytic acid phosphorus induced by the higher phosphorus supply in rice grain led to the significant decrement of grain Zn bioavailability. Indetached panicle culture system, the Zn bioavailability in P12treatment decreased by 81.3% relative to P0treatment. In conclusion, higher phosphorus input could significantly decrease grain Zn bioavailability through increased grain phytic acid phosphorus and inositol phosphates derivatives concentration, in addition to the decrement of grain Zn concentration.

phosphorus; phytic acid; zinc bioavailability; inositol phosphate; rice quality

本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300502), 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31571602), 福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2019J01374), 福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JAT170156)和國(guó)家留學(xué)基金委項(xiàng)目資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Project (2016YFD0300502), the National Natural Science Foundation of China (31571602), the Fujian Province Natural Science (2019J01374), the Education and Scientific Research Project for Middle-aged and the Young Teachers in Fujian Province (JAT170156), and the Foundation for China Scholarship Council.

10.3724/SP.J.1006.2020.92032

程方民, E-mail: chengfm@zju.edu.cn, Tel:0571-86771117

E-mail: littlepest@126.com, Tel: 0591-83722796

2019-06-03;

2019-08-09;

2019-09-10.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190910.1316.010.html