草莓根系線粒體對外源酚酸脅迫的生理響應

魯曉峰，杜國棟，邵靜，張靜茹，孫海龍

草莓根系線粒體對外源酚酸脅迫的生理響應

魯曉峰1，杜國棟2，邵靜3，張靜茹1，孫海龍1

1中國農業科學院果樹研究所/農業農村部園藝作物種質資源利用重點實驗室，遼寧興城 125100；2沈陽農業大學園藝學院/沈陽市北方果樹栽培與生理生態重點實驗室，沈陽 110866；3吉林省農業科學院果樹研究所，吉林公主嶺 136100

草莓；酚酸脅迫；線粒體；呼吸；生理響應

0 引言

【研究意義】連作障礙是設施草莓生產遇到的嚴重問題，植物根系作為植物與外界交流的重要媒介，在與外界互作過程中起重要作用[1]。酚酸物質是根系分泌物的主要成分，同時也是造成連作障礙的主要原因之一[2]。因此，探究草莓根系線粒體對酚酸脅迫的生理響應規律，可為進一步研究草莓根系線粒體對連作障礙的適應機制提供理論基礎。【前人研究進展】一般認為，土壤和植株兩個系統內部的生物和非生物因素都是引起草莓連作障礙的主要原因，而化感自毒作用是導致土壤微環境惡化的主要原因之一[3]。自毒物質可促使細胞膜結構發生改變，造成細胞內物質外滲，阻礙細胞正常生理活動及物質運輸[4]。吳鳳芝等[5]在探究外源對羥基苯甲酸和苯丙烯酸對黃瓜幼苗生長發育時發現，高濃度酚酸破壞黃瓜根系貯藏組織結構，線粒體功能基本喪失。Singh等[6]研究也指出，單萜等發生氧化應激反應會引起細胞膜及膜結構的完整性喪失，從而導致細胞死亡破裂。環境釋放化感物質會導致植物根系的相對活性及功能發生變化。ABENAVOLI等[7]研究發現，肉桂酸、阿魏酸和香豆酸會影響根系硝酸鹽的吸收和膜H+-ATPase的活性。供體植物釋放的化感物質可通過影響線粒體電子傳遞過程、養分吸收、ATP生成和氧化磷酸化過程來抑制細胞呼吸。張國偉等[8]在用羥基苯甲酸和間苯三酚處理棉花根系時發現，MPTP開放，線粒體膜中不飽和脂肪酸氧化，膜流動性降低，打破線粒體內電化學平衡，阻礙氧化還原通道的暢通。平邑甜茶在受到根皮苷脅迫后，線粒體膜的完整性被破壞，影響線粒體的結構和功能，抑制根系呼吸速率，降低根系TCA循環關鍵酶活性[9]。張鶴[10]在對草莓連作土壤進行分離鑒定時發現，對羥基苯甲酸、香草酸、鄰苯二甲酸和丁香酸為主要變化的酚酸類物質，其中丁香酸和鄰苯二甲酸作用效果最顯著?！颈狙芯壳腥朦c】有關外源酚酸對作物根系形態及保護性酶活性的影響已有研究，但有關外源酚酸鄰苯二甲酸和丁香酸對草莓根系線粒體膜功能、呼吸代謝、抗氧化酶系統的影響及它們之間的關系還未見詳細報道。【擬解決的關鍵問題】通過外源酚酸澆灌根系的方式，驗證和理清自毒酚酸物質對草莓植株根系線粒體功能的影響，為研究草莓連作障礙防控技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2016年5月至2017年12月進行，供試材料為日本草莓品種‘寶交早生’（×Duch.），取自遼寧省沈陽市沈北新區國邦園藝農場草莓苗木生產基地。外源酚酸物質鄰苯二甲酸和丁香酸都為分析純標準品（Sigma公司，美國），購自蘇州科銘生物技術有限公司。

1.2 試驗處理

參考連作22年的草莓根際土壤中檢測出的鄰苯二甲酸和丁香酸的實際濃度，配制27.0 μg·g-1鄰苯二甲酸（L）、丁香酸（D）及兩種酚酸混合溶液（D+L）進行外源處理[10]。用0.3%的乙醇溶液配制濃度為27.0 μg·g-1的鄰苯二甲酸和丁香酸溶液，敞口避光放置過夜，使乙醇充分揮發，以溶有0.3%酒精的清水敞口放置過夜作為對照（CK）。

以‘寶交早生’為試驗材料，取4葉1心的草莓幼苗定植于直徑16 cm、高16 cm的塑料盆中，栽培基質為消毒的清潔河沙，質量為1.5 kg，每盆單株小區，重復30次。整個生長周期在基地溫室內進行，定期澆灌Hoagland營養液，補充充足的水分及養分，確保植株正常生長。定植30 d后選擇長勢一致的草莓植株，用濃度為27.0 μg·g-1的丁香酸、鄰苯二甲酸溶液及丁香酸+鄰苯二甲酸混合液分別澆灌草莓根部，連續5次澆灌，每次間隔1 d，每株用量100 mL，重復3次。為防止酚酸溶液流失，在培養缽下面放置托盤，將外滲的酚酸溶液重新澆回培養缽中。處理10 d后按不同時間段取樣，進行相關生理指標的測定。

1.3 測定方法

1.3.1 草莓植株生長量、生物量及形態指標的測定 植株處理20 d時，用卷尺、游標卡尺等測定植株株高、莖粗、葉面積及葉柄長度，每個指標10次重復。另外，每個處理中選取3株長勢均一的幼苗，用蒸餾水將植株清洗干凈，擦干植株表面水分，用于鮮重的測定。后于105℃殺青20 min，置于烘箱中，80℃烘至恒重，冷卻后測定干物質重量。

利用根系掃描儀（Epson Perfection V800 photo）掃描并保存完整的植株根系圖像，用WinRHIZO根系分析軟件對根總長、根系總表面、根系平均直徑、根體積、根尖數量進行分析，并進行根系分級。

1.3.2 根系線粒體細胞功能測定 線粒體膜通透性轉換孔（MPTP）的測定參照DE MARCHI等[11]方法，單位為△A·g-1。按照BRAIDOT等[12]方法測定線粒體膜電位，以550 nm和630 nm兩種波長下單位質量線粒體的吸收值之比計算細胞色素Cyt c/a[13]。

1.3.3 根系活力及活性氧含量的測定 根系活力采用TTC法測定[14]，單位為mg·g-1·h-1；質膜H+-ATPase測定參照BLUMWALD等[15]方法，單位為μmol Pi?mg-1protein·h-1。

H2O2的組織化學定位參照LI等[16]的方法，用二氨基聯苯胺（DAB，Amresco）（0.2 mol?L-1的HCl溶解）對H2O2的產生進行定位。取草莓根尖浸入到含1 mg?mL-1DAB的水溶液，抽真空后培養箱（25℃）黑暗中反應2 h，以使DAB被吸收并與根系內H2O2和過氧化物酶進行反應，在95%的乙醇溶液中煮沸10 min進行固定和脫色，萬能顯微鏡拍照保存。

1.3.4 根系抗氧化系統相關酶活性測定 SOD、POD、CAT、APX活性的測定參照汪曉謙[17]所在實驗室建立的體系。

1.3.5 草莓根系線粒體電子傳遞鏈、呼吸途徑和能量代謝等途徑關鍵酶的研究 根系呼吸代謝途徑參照余讓才等[18]的方法，采用HANSATECH公司（英國）Oxytherm液相氧電極自動測定系統測定，經過根系澆灌等酚酸處理，測定第1、3、5、7和9天的根系呼吸速率；糖酵解途徑（EMP）、三羧酸循環（TCA）和磷酸戊糖途徑（PPP）分別用0.5 mol·L-1的NaF、丙二酸和Na3PO4抑制，3種生化途徑的反應介質為0.2 mol·L-1磷酸緩沖液（pH 6.8）。己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）、丙酮酸激酶（PK）、蘋果酸脫氫酶（MDH）、琥珀酸脫氫酶（SDH）、異檸檬酸脫氫酶（IDH）、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G-6-PDH）及6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶（6-PGDH）等活性的測定采用試劑盒（蘇州科銘生物有限公司）方法測定。氧化磷酸化相關酶Na+K+-ATPase、Ca2+Mg2+-ATPase活性的測定采用試劑盒（蘇州科銘生物有限公司）測定。

1.4 數據處理

所得數據利用DPS 7.05統計軟件進行單因素方差分析（ANOVA），Duncan新復極差法檢驗差異顯著性，Sigma plot 10.0軟件繪圖。

2 結果

2.1 不同酚酸處理對草莓幼苗根系形態指標的影響

植物根系是酚酸作用的主要對象，酚酸物質能通過影響植株根系構型，包括根系的形態和表型，阻礙植株對土壤中的水分和養分的吸收，進而影響草莓植株的生長發育。由表1可知，外源酚酸處理草莓根系能顯著影響根系各構型參數，表現為D處理＞D+L處理＞L處理，其中，D處理顯著影響草莓根系總根長、總表面積、根系總體積和平均直徑，分別比對照減少了5.2%、16.2%、7.2%、10.0%（＜0.05）；L處理抑制程度最輕，在處理20 d后測定各指標，分別比對照減少了1.1%、8.8%、2.9%、5.0%。說明外源施入酚酸后，惡化了土壤環境，抑制草莓植株根系的加粗生長。各處理的根尖數、分枝數和交叉數也低于對照，變化趨勢與根系各構型參數相似，說明酚酸物質抑制根系的發生和生長，根系對丁香酸的作用更為敏感。兩種酚酸混合后，使根系構型各參數整體下降，能一定程度上減緩丁香酸對根系的損傷。

表1 外源酚酸處理對草莓根系根構型參數的影響

CK：對照；D：丁香酸；L：鄰苯二甲酸；D+L：丁香酸、鄰苯二甲酸混合處理。同列不同小寫字母表示差異顯著（＜0.05），表格中的數據均為10次重復。下同

CK: Control; D: Phthalic acid; L: Syringic acid; D+L: Syringic acid + phthalic acid. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (＜0.05). The data in the form are repeated 10 times. The same as below

2.2 不同酚酸處理對草莓幼苗根系活力及離子泵含量的影響

2.2.1 對草莓幼苗根系活力的影響 如圖1所示，施加兩種外源酚酸及其混合溶液均能導致植株根系活力顯著降低，且隨著處理時間的延長，根系活力呈現明顯的下降趨勢。其中，外源施入丁香酸后傷害程度最大，在第9天時活力最低，比對照降低了34.1%（＜0.05），施加鄰苯二甲酸和兩者混合溶液出現相似的變化趨勢，但變化幅度相對較小，分別比對照降低了23.2%和27.6%。由此可知，外源酚酸能夠一定程度上降低植株的根系活力，不同類型酚酸作用程度不盡相同。

2.2.2 對草莓幼苗根系質子泵活性的影響 通常情況下，質子泵可通過水解ATP產生能量，調節植株細胞內pH、促進根系吸收養分及同化物運輸，是衡量植物受脅迫傷害程度的重要指標。如圖2-a所示，在草莓根系受到外界酚酸脅迫時，隨著脅迫時間的延長，H+-ATPase活性前期呈現顯著下降趨勢；在處理第3天時下降幅度最大，處理D、處理L、處理D+L分別比對照下降了38.8%、28.8%、33.7%（＜0.05），后期變化趨于平穩。K+Na+-ATPase活性變化具有相似的變化趨勢，活性隨著酚酸脅迫時間的延長，呈現出逐步下降的趨勢，各處理均在第9天時活性最低，且表現為處理D＞處理L＞處理D+L（圖2-b）。由圖2-c可知，與對照相比，外源酚酸處理可顯著降低根系Ca2+Mg2+-ATPase活性；處理第1天時各處理之間變化并不明顯，但隨著處理時間的延長，根系Ca2+Mg2+-ATPase活性降低幅度顯著降低，于處理第9天下降幅度最明顯，各處理分別比對照降低了44.6%、30.1%和39.4%。由此可知，外源酚酸能顯著影響植株根系離子泵活性，阻礙細胞內外各離子的運轉能力。

不同小寫字母表示同一處理在不同時間段差異顯著（P＜0.05）；不同大寫字母表示不同處理在同一時間點差異顯著（P＜0.05）。下同

圖2 不同酚酸處理對草莓幼苗根系質子泵活性的影響

2.3 不同酚酸處理對草莓幼苗根系活性氧含量及組織化學定位的影響

2.3.1 對草莓幼苗根系活性氧含量的影響 如圖3-a所示，與對照相比，隨著處理時間的延長，處理D的草莓根系超氧陰離子自由基（）含量呈逐漸上升趨勢，處理第7天時，含量顯著上升，達最高值，較CK增長53.3%；L處理第7天時，草莓根系的含量比CK增長31.8%，各處理含量變化趨勢相似，但處理D+L的含量始終低于處理D。由圖3-b可知，與對照相比，隨著脅迫時間的持續，處理D的根系過氧化氫（H2O2）含量呈上升趨勢，處理第9天時，H2O2含量達到最高值，較CK增長61.8%；處理L和處理D+L根系H2O2含量變化與處理D相似，但始終低于處理D。說明外源丁香酸處理對植株根系的傷害嚴重，對ROS產生有較大的影響，而兩種溶液混合處理有效緩解丁香酸對草莓根系的傷害。

2.3.2 對草莓幼苗根系活性氧組織化學定位的影響 如圖4所示，在正常培養情況下，活性氧的積累量較低，根系澆灌酚酸處理后，與對照相比，H2O2和染色程度都出現不同程度的加深，表現為D處理＞D+L處理＞L處理，說明外源酚酸處理對植株根系的傷害嚴重，對ROS的產生有較大影響，且不同類型酚酸作用程度略有差異，根系對丁香酸處理更敏感。

圖3 不同酚酸處理對草莓幼苗根系活性氧含量的影響

圖4 不同酚酸處理對草莓幼苗根系活性氧組織化學定位的影響

2.4 不同酚酸對草莓幼苗根系線粒體功能的影響

第3天時，與對照相比，處理D根系線粒體膜通透性（MPT）顯著上升，比CK上升59.1%；處理第9天時，MPT達最高值。處理L和處理D+L的MPT值一直低于處理D（圖5-a）。由此可知，外源丁香酸處理影響了線粒體通透性轉換孔道的開放程度，對MPT產生抑制作用，且作用效果明顯高于鄰苯二甲酸，混合溶液處理可一定程度上減緩對MPT的負面影響。

處理D使根系線粒體膜Δψm呈持續下降的趨勢，于處理第1天下降幅度最顯著，較CK下降25.2%，并在第9天達到最低值。處理L、處理D+L的Δψm與處理D有相似的變化趨勢，但前兩者普遍高于后者。說明丁香酸對草莓根系線粒體膜功能的傷害程度高于鄰苯二甲酸，混合溶液處理能一定程度緩解丁香酸對草莓植株的傷害（圖5-b）。

由圖5-c可知，Cyt c/a變化趨勢與Δψm相似，與對照相比，各處理均使草莓根系線粒體內膜上細胞色素Cyt c/a含量明顯下降，均于處理第9天達最低值，且D+L處理的線粒體Cyt c/a較處理D下降幅度小，但均與對照差異顯著。表明外源酚酸導致草莓根系線粒體內膜上的Cyt c不斷流失，對線粒體的呼吸電子傳遞功能產生嚴重影響，而不同類型酚酸處理作用效果不同。

2.5 不同酚酸處理對草莓幼苗根系呼吸速率及根呼吸途徑的影響

2.5.1 對草莓幼苗根系呼吸速率的影響 根系呼吸速率可反映根系呼吸代謝變化。如圖6所示，在正常培養情況下，根系呼吸速率可達到1.2 μmol O2·min-1·g-1FW，外源酚酸處理后，根系總呼吸速率呈現下降趨勢，處理D、處理L、處理D+L分別比對照下降22.1%、6.6%和8.2%，說明酚酸處理在一定程度上影響根系呼吸代謝活動，且不同酚酸的作用效果不同。

圖5 不同酚酸處理對草莓幼苗根系線粒體功能的影響

圖6 不同酚酸處理對草莓幼苗根系呼吸速率的影響

2.5.2 對草莓幼苗根呼吸途徑的影響 由圖7可知，在進行根系浸泡處理后，各代謝途徑發生變化，EMP途徑所占比例大幅降低，與對照相比，處理D、處理L、處理D+L分別比對照降低了51.4%、34.0%、44.6%；TCA循環也出現一定程度的下降，但各處理變化并不明顯，由EMP-TCA逐漸向PPP途徑轉化，PPP途徑分別上升了111.9%、74.5%、21.4%，產能逐漸降低，且脅迫越深，負效應越顯著。

2.6 不同酚酸處理對草莓幼苗根系呼吸關鍵酶活性的影響

2.6.1 對根系呼吸EMP途徑關鍵酶活性的影響 己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶（PK）是糖酵解途徑（EMP）調控關鍵酶。如圖8-a所示，與對照相比，處理D和處理D+L的HK活性表現為隨著脅迫時間的延長逐漸降低，而處理L在酚酸脅迫下先升高后降低，在處理后第3天，其活性達到最大值，比對照增長了3.3%，然后持續降低，第9天達最低值。由圖8-b可知，隨著外源酚酸脅迫時間的延長，各處理根系PFK活性均表現為先升高后降低的趨勢，均在第5天活性達到最大值，處理D、處理L和處理D+L分別比對照增加了108.4%、117.3%和103.5%，并于第9天降到最低值，其中處理L和處理D+L活性高于對照，而處理L的PHK活性比對照降低20.1%。由圖8-c可知，在酚酸脅迫前期，各處理均使根系PK活性呈升高的趨勢，然后在第5天顯著降低，至第9天為最低值，變化幅度表現為處理D＞處理D+L＞處理L。

圖7 不同酚酸處理對草莓幼苗根呼吸途徑的影響

圖8 不同酚酸處理對草莓幼苗根呼吸EMP途徑關鍵酶活性的影響

2.6.2 對根系呼吸TCA途徑關鍵酶活性的影響 琥珀酸脫氫酶（SDH）、異檸檬酸脫氫酶（IDH）和蘋果酸脫氫酶（MDH）在調控TCA途徑中起關鍵調控作用。如圖9-a所示，酚酸處理后，根系琥珀酸脫氫酶（SDH）隨處理時間的延長呈緩慢下降趨勢，前期變化并不顯著，于處理后第7天下降最顯著，與對照相比，處理D、處理L和處理D+L分別下降了45.2%、17.4%和27.7%，并于第9天達到最低值，且處理D始終為最低水平。圖9-b顯示，處理D和處理D+L的異檸檬酸脫氫酶（IDH）活性都表現為先迅速下降，然后變化趨于平穩，再顯著下降，且活性始終為處理D+L＞處理D；處理L也呈顯著下降趨勢，但活性始終高于處理D和處理D+L。說明根系TCA途徑對丁香酸響應更為敏感，兩種溶液混合作用一定程度上減緩丁香酸對植株根系的傷害。由圖9-c可以看出，隨著脅迫時間的延長，處理D的蘋果酸脫氫酶（MDH）活性呈現持續降低的趨勢，處理L的MDH活性先升高后降低，處理D+L具有相似的變化趨勢，但變化程度低于處理L。

圖9 不同酚酸處理對草莓幼苗根呼吸TCA途徑關鍵酶活性的影響

2.6.3 對根系呼吸PPP途徑關鍵酶活性的影響 如圖10-a所示，在整個酚酸處理過程中，對照組根系中葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G-6-PDH）變化并不明顯，與對照相比，植株在受到外源酚酸脅迫過程中，G-6-PDH具有相似的變化趨勢，表現為活性先升高后降低，且處理D＜處理D+L＜處理L＜CK。酚酸脅迫第3天時，處理D的6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶（6-PGDH）活性驟增，比對照上升了30.3%，隨后迅速降低，于處理第9天達到最低值（圖10-b）。處理L和處理D+L的6-PGDH活性隨著酚酸脅迫時間的延長呈逐漸下降趨勢，第9天活性最低，分別比對照下降了52.3%和60.8%。

2.7 不同酚酸對草莓幼苗根系抗氧化酶活性的影響

超氧化物歧化酶（SOD）是參與分解的唯一酶類。由圖11-a可以看出，與對照相比，隨著外源酚酸脅迫處理時間增加，處理D、處理L和處理D+L的草莓根系SOD活性均呈逐漸下降趨勢，且處理D的SOD活性一直低于處理L的水平。

圖10 不同酚酸處理對草莓幼苗根呼吸PPP途徑關鍵酶活性的影響

圖11 不同酚酸處理對草莓幼苗根抗氧化酶活性的影響

過氧化物酶（POD）作為胞內酶又可作為胞外酶來參與H2O2的分解，是眾多涉及清除ROS類物質的最重要酶類之一。如圖11-b可知，隨酚酸脅迫處理時間的延長，POD活性呈先降低再升高的趨勢，但其酶活性明顯低于CK水平。說明外源酚酸對草莓根系產生傷害，引起根系保護性酶POD發生應激反應。

過氧化氫酶（CAT）清除劑也是生物防御體系的關鍵酶之一。如圖11-c所示，隨酚酸脅迫程度的加重，處理D的根系CAT活性逐漸降低，于脅迫處理第3天下降最為顯著，比對照降低了16.7%，處理第9天的CAT活性達最低值，較CK降低了33.0%；處理L和處理D+L的草莓根系CAT活性呈相似的變化趨勢，且處理L的活性始終高于處理D+L，表明兩種溶液混合處理后明顯緩解丁香酸對植株根系的傷害作用，為根系生理功能的正常發揮奠定條件。

如圖11-d所示，前期APX含量變化并不顯著，隨酚酸脅迫程度的加重，處理D、處理L和處理D+L的根系APX活性整體呈降低趨勢，并于第9天的含量達到最低值。

3 討論

連作將導致草莓植株生長變弱、產量下降、果實品質變差、甚至造成絕收，給草莓產業健康發展帶來嚴重的不良后果，酚酸作為連作障礙的主要因子之一，是目前要解決的一大重要問題。張鶴[10]對草莓連作土壤進行分離鑒定時發現，對羥基苯甲酸、香草酸、鄰苯二甲酸和丁香酸為主要變化的酚酸類物質，本研究選取其中具有顯著差異的2種酚酸類物質，模擬連作環境，明確草莓植株生長發育、線粒體功能等對自毒酚酸物質的應答機制。

根系作為對地下部分脅迫最敏感的部位，當植物受到外界脅迫時，根系首先感知地下部分環境變化，根系呼吸代謝發生改變。本研究中，在受到外源酚酸脅迫后，根系呼吸速率顯著降低，雖仍以EMP-TCA途徑為主，貢獻率卻顯著降低，而PPP途徑呈現出明顯的增大趨勢，EMP、TCA途徑關鍵酶活性均持續降低，PPP途徑關鍵酶活性出現短暫升高再降低的趨勢。說明在酚酸脅迫初期，植株根系對環境變化做出應激反應，根系PPP途徑正向調控，對脅迫做出積極響應。但后期隨著脅迫時間的延長，各呼吸關鍵酶活性均受到抑制作用，進而導致各呼吸途徑受阻，與前人研究相似[33]。自然環境中，植物最終表現出的化感活性，除具有化感潛力的單體物質外，與各物質間的互作效應也有一定的關系[34]。本研究發現，兩種溶液混合處理后，其作用效果顯著優于丁香酸單獨處理，各呼吸代謝途徑貢獻率變化幅度都顯著低于丁香酸處理，且酶活性變化也顯著提高，可能原因是2種物質之間存在拮抗效應，與單一酚酸物質作用效果不同，混合溶液產生的拮抗作用能一定程度降低丁香酸的傷害程度，改善了土壤環境，提高了草莓植株對外源酚酸的適應能力，此研究結果與李琳琳等[35]探究不同外源酚酸化感物質組合對棉花種子萌發和幼苗生長的結果相似。

4 結論

研究外源酚酸物質對草莓根系線粒體功能及抗氧化系統的影響，發現丁香酸和鄰苯二甲酸均降低草莓根系的根系活力和質子泵，阻礙細胞內外各離子的運轉能力，使線粒體功能的發揮受到抑制；酚酸抑制各呼吸關鍵酶活性，導致各呼吸途徑受阻；超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶等活性也受到不同程度的抑制作用，最后致使草莓根系的防御系統崩潰，植株受到傷害。

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Physiological Response of Mitochondrial Function of Strawberry Roots to Exogenous Phenolic Acid

LU XiaoFeng1, DU GuoDong2, SHAO Jing3, ZHANG JingRu1, Sun HaiLong1

1Research Institute of Pomology, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Horticultural Crops Germplasm Resources Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xingcheng 125100, Liaoning;2College of Horticulture, Shenyang Agricultural University/Key Laboratory for Northern Fruit Cultivation and Physiology-Ecology of Shenyang City, Shenyang 110866;3Pomology Research Institute, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Gongzhuling 136100, Jilin

【】Continuous cropping obstacle is a serious problem in the facility production of strawberry (Duch.). Phenolic acid, a secretion of strawberry roots, is one of the main factors causing continuous cropping obstacle. The aim of this study was to explore the physiological response by which exogenous phenolic acids affected root mitochondrial function in strawberry roots under the effects of phenolic acids accumulated in the rhizosphere of long-term continuous cropping soil. The results were used to discuss the potential responding mechanism of mitochondria in strawberry roots to allelopathy effect mediating by phenolic acid, which would lay the foundation for the further study of continuous cropping obstacle of strawberry.【】In this study, strawberries were used as the test material, and syringic acid, phthalic acid and their mixed solution of 27.0 μg·g-1were exogenously applied. Scanning Electron Microscope (SEM), Histochemical Staining, Liquid-Phase Oxygen Measurement and other techniques were applied to observe the changes of ROS content in root system, to measure the changes of mitochondrial oxidative phosphorylation level, respiratory pathway and the activities of key enzymes in respiration, to study the effect of autotoxic phenolic acid-induced reactive oxygen species on mitochondrial function in root systems, and to explore the effects of root systems’ mitochondria on physiological functions, such as respiratory complex metabolism and energy metabolism. 【】Applying two exogenous phenolic acids or mixed solution treatment could significantly reduce the strawberry root vigor, affect the total root length, total surface area, total root volume and average diameter, and inhibit the occurrence and growth of roots, with the degree of changes: syringic acid treatment (D)＞two solution mixing treatment (D+L)＞phthalic acid treatment (L)＞CK. The activity of H+-ATPase decreased significantly in the early stage with the phenolic acid stress time, and the decline amplitude was the largest at the third day. Compared with CK, D, L and D + L were decreased by 38.8%, 28.8% and 33.7%, respectively, which hindered the ion transport capacity of root cells and became stable in the later stage. The activities of K+Na+-ATPase and Ca2+Mg2+-ATPase in roots were also decreased, and the changes were similar. Exogenous phenolic acid could reduce SOD, POD, CAT and APX activity, increase the contents of H2O2and, and also increase MPT in root mitochondria, and reduce Δψm and cytochrome Cyt c/a content in root mitochondrial inner membrane. Although the root respiratory pathway was still mainly the EMP-TCA pathway, the contribution rate was significantly reduced, while the PPP pathway showed an obvious increasing trend. In the late stage of applying exogenous phenolic acids, with the extension of stress time, all respiratory key enzyme activities were inhibited, which led to the obstruction of respiratory pathways, with the degree of changes: D＞D+L＞L＞CK. 【】Exogenous phenolic acid treatment could reduce root vigor and hinder the operational capacity of ions inside and outside cells. The treatment could also reduce root antioxidant enzyme activity and root mitochondrial function, leading to the reduction of key enzyme activities in every respiratory pathways, and ultimately obstruct every respiratory pathways.

strawberry; phenolic acid stress; mitochondria; respiration; physiological response

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.05.014

2020-05-21；

2020-11-26

中國農業科學院科技創新工程專項經費（CAAS-ASTIP-201X-ZFRI）、中央級公益性科研院所基本科研業務費（1610182020026）

魯曉峰，Tel：13314021850；E-mail：13314021850@163.com。通信作者孫海龍，Tel：18842959817；E-mail：sunhailong@caas.com

（責任編輯 趙伶俐）