不同花生品種磷吸收速率和根系形態(tài)對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

　　摘要：為研究不同花生品種對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)能力，本試驗(yàn)選用10個(gè)花生品種，其幼苗分別在足磷(0.6mmol/LKH2PO4)和低磷(0.01mmol/LKH2PO4)營(yíng)養(yǎng)液生長(zhǎng)16～18d，將生長(zhǎng)16d的幼苗移入磷濃度為0.2mmol/LKH2PO4的營(yíng)養(yǎng)液中處理，測(cè)定單株磷吸收速率，取生長(zhǎng)18d的幼苗用以分析不同磷吸收能力花生品種的根系形態(tài)差異及特點(diǎn)。結(jié)果顯示，低磷處理提高大多數(shù)花生品種的磷吸收能力，顯著促進(jìn)根系增大，根干重、總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)高于足磷處理。以低磷處理的單株磷吸收速率為依據(jù)，將10個(gè)花生品種分為磷吸收高效、磷吸收中效和磷吸收低效三類。在低磷處理下，磷吸收高效品種在根干重、總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)方面均顯著大于磷吸收低效品種，其中魯花3號(hào)主要通過增大根表面積和根體積來提高磷吸收能力，山花14號(hào)主要通過降低比根長(zhǎng)來提高磷吸收能力。

　　關(guān)鍵詞：花生;磷吸收速率;根系形態(tài);低磷脅迫

　　花生是磷需求量較多的作物[1]，缺磷會(huì)抑制其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和莢果發(fā)育，嚴(yán)重缺磷時(shí)花生減產(chǎn)顯著[2]。適當(dāng)增施磷肥有利于促進(jìn)花生根系生長(zhǎng)，進(jìn)而帶動(dòng)整株生長(zhǎng)發(fā)育，最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)[3]。研究表明，當(dāng)植物感受到低磷脅迫時(shí)，可通過改變自身根系形態(tài)特征及地上部生長(zhǎng)等來維持正常生長(zhǎng)，如根冠比增加、主根生長(zhǎng)的促進(jìn)或者抑制、側(cè)根長(zhǎng)度與數(shù)量的增減等[4]。栗振義[5]研究苜蓿在低磷環(huán)境下的表型變化發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下其地上部、地下部干重均受到抑制，但根冠比顯著提高。丁艷等[6]使用低磷營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)水稻苗，發(fā)現(xiàn)磷脅迫下的水稻地上部干重減少、根長(zhǎng)增加、根冠比增大。楊春婷等[7]采用沙培法培養(yǎng)苦蕎，結(jié)果表明苦蕎株高、莖粗、地上干重、根體積減小，主根長(zhǎng)與根冠比增大。

　　作物的磷吸收效率十分重要，研究表明低磷脅迫下作物的磷效率主要由磷吸收效率決定[8-10]。王應(yīng)祥等[10]研究大豆在低磷脅迫下的應(yīng)對(duì)機(jī)制發(fā)現(xiàn)，磷效率主要是通過磷吸收效率而不是磷利用效率來實(shí)現(xiàn)的。根系的發(fā)達(dá)程度是決定作物磷吸收效率的主要因素之一。磷素主要通過質(zhì)流和擴(kuò)散作用在土壤中移動(dòng)至根系表面，但其移動(dòng)性較差且易與物質(zhì)反應(yīng)而被固定，且作物吸收速率與磷擴(kuò)散效率的不一致，最終導(dǎo)致根際發(fā)生顯著的磷耗竭[11]。因此根系對(duì)磷的吸收很大程度上取決于根系的形態(tài)變化[12，13]。

　　在遭遇低磷脅迫時(shí)，不同磷效率品種的根系形態(tài)會(huì)發(fā)生不同變化。趙攀衡[14]研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下磷高效燕麥相較于磷低效燕麥具有更高的根長(zhǎng)、不定根數(shù)量、根表面積和根體積。羅佳等[15]研究發(fā)現(xiàn)，磷高效棉花比磷低效棉花有更大的比根長(zhǎng)和更小的平均直徑，磷高效棉花較大幅度地增加細(xì)根比例，降低根系總體細(xì)度，提高根系構(gòu)建效率。王文華等[16]研究發(fā)現(xiàn)，磷高效甘藍(lán)型油菜比磷低效的具有更大的根干重、根長(zhǎng)、根表面積和側(cè)根數(shù)量。這類研究已在多種作物上進(jìn)行，但在花生上的研究較少，因此研究不同磷吸收效率花生在低磷脅迫下的根系差異具有重要意義。

　　本試驗(yàn)以低磷處理下的磷吸收能力為依據(jù)，將10份花生種質(zhì)分為磷吸收高效、中效和低效三類，鑒定評(píng)價(jià)不同磷吸收能力花生品種在低磷脅迫下的根系形態(tài)差異及特點(diǎn)。

　　1材料與方法

　　1.1試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)于2019年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試材料為10個(gè)花生品種，分別為東平大爬蔓、費(fèi)縣三粒中、萊蕪爬蔓、魯花11、魯花3號(hào)、日照大果子、山花14號(hào)、泰花4號(hào)、群選5號(hào)和E5。

　　1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

　　試驗(yàn)采用營(yíng)養(yǎng)液水培法。設(shè)兩個(gè)磷濃度處理，即低磷處理(0.01mmol/LKH2PO4)和足磷對(duì)照(0.6mmol/LKH2PO4)，重復(fù)3次。每重復(fù)1盆，每盆6株。

　　選取均勻一致的花生種子120粒，在0.15%的H2O2中浸泡6h后移入鋪有浸潤(rùn)脫脂棉的發(fā)芽盒中，保鮮膜封閉萌發(fā)5d，待子葉展開并萌發(fā)出主根時(shí)，每盆移入10株大小均勻一致的幼苗，在清水中培養(yǎng)3d，之后每盆留苗6株并進(jìn)行低磷和足磷處理。每盆加1.4L營(yíng)養(yǎng)液，每4d換1次營(yíng)養(yǎng)液，18d后收獲。

　　營(yíng)養(yǎng)液為改良Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，含KNO31mmol/L、Ca(NO3)2·4H2O1mmol/L、MgSO4·7H2O0.4mmol/L、EDTA·Fe0.01mmol/L、H3BO30.1×10-3μmol/L、MnSO40.15×10-3μmol/L、ZnSO4·7H2O0.03×10-3μmol/L、Na2MoO4·2H2O1×10-6μmol/L、CuSO4·5H2O0.16×10-6μmol/L、CoCl2·6H2O0.21×10-6μmol/L。低磷處理用KCl補(bǔ)充K+，使K+濃度與足磷處理一致。生長(zhǎng)室環(huán)境：溫度24℃，光照強(qiáng)度為11.4klx，光照時(shí)間為16h/d。

　　1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

　　1.3.1磷吸收速率 花生幼苗低磷或足磷培養(yǎng)16d后，移入去離子水中饑餓24h，然后移入磷濃度為0.2mmol/L、體積為1.4L的營(yíng)養(yǎng)液中，低磷處理吸收8h，足磷處理吸收24h，營(yíng)養(yǎng)液取樣3mL測(cè)定磷濃度。采用鉬銻抗比色法測(cè)定吸收前后營(yíng)養(yǎng)液中的H2PO-4濃度，得到該階段的磷吸收量。單株磷吸收速率[Puptakerateperplant，PUR，μmol/(h·株)]為單株花生單位時(shí)間內(nèi)吸收的磷，反映植株的磷吸收能力。計(jì)算公式：

　　1.3.2根系形態(tài)性狀 植株培養(yǎng)18d后收獲，每處理每重復(fù)取2株，將地上部與根系分離，用根系掃描儀(MICROTEKScanMakeri800plus)掃描根系，用萬深LA-S植物根系分析系統(tǒng)處理掃描獲得根系形態(tài)圖片，得到總根長(zhǎng)(totalrootlengthperplant，TRL)、根表面積(rootsurfaceareaperplant，RSA)、根體積(rootvolumeperplant，RV)、平均根直徑(averagerootdiameterperplant，ARD)、根尖數(shù)(Roottipsperplant，RT)。

　　1.3.3根干重 根系掃描完成后置于烘箱，80℃烘干至恒重，稱量獲得根干重(rootdryweightperplant，RDW)，以總根長(zhǎng)除以根干重得到比根長(zhǎng)(specificrootlengthperplant，SRL)。

　　1.4數(shù)據(jù)處理與分析

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用MicrosoftOffice2019和SPSS26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同花生品種的磷吸收速率

　　由表1看出，10個(gè)花生品種在低磷處理下的磷吸收速率均明顯高于足磷對(duì)照。依據(jù)低磷處理下的磷吸收速率進(jìn)行聚類分析(圖1)，將10個(gè)品種分為三類。其中磷吸收高效品種3個(gè)，包括魯花3號(hào)、山花14號(hào)和日照大果子;磷吸收中效品種4個(gè)，包括魯花11、泰花4號(hào)、東平大爬蔓和萊蕪爬蔓;磷吸收低效品種3個(gè)，包括群選5號(hào)、E5和費(fèi)縣三粒中。

　　2.2不同濃度磷處理下不同PUR花生品種的根系形態(tài)差異

　　2.2.1總根長(zhǎng) 由表2可知，低磷處理下所有磷吸收高效品種和磷吸收低效品種群選5號(hào)、費(fèi)縣三粒中的總根長(zhǎng)顯著大于足磷對(duì)照，磷吸收中效品種(除魯花11外)的總根長(zhǎng)受低磷處理影響較小。從三類品種均值來看，在低磷與足磷處理下均為磷吸收高效品種>磷吸收中效品種>磷吸收低效品種。磷高效品種魯花3號(hào)足磷處理的總根長(zhǎng)較小，但在低磷處理下總根長(zhǎng)最大，這可能是其磷吸收能力較高的原因。

　　2.2.2根干重 由表2可知，低磷處理下多數(shù)品種的根干重顯著大于足磷對(duì)照，僅E5、東平大爬蔓、日照大果子3個(gè)品種表現(xiàn)相反。從三類品種均值來看，低磷處理下磷吸收高效品種>磷吸收中效品種>磷吸收低效品種，足磷對(duì)照的磷吸收高效與吸收中效品種間無顯著差異，而顯著大于磷吸收低效品種。磷吸收高效品種的根干重相對(duì)值大于吸收中效品種和吸收低效品種。高效品種中，魯花3號(hào)在低磷處理下根干重增幅最大，山花14號(hào)略低。

　　2.2.3比根長(zhǎng) 由表2可以看出，除磷吸收中效品種泰花4號(hào)外，其他品種的比根長(zhǎng)在低磷處理與足磷處理下均無明顯變化。從均值來看，低磷處理與足磷對(duì)照三類品種的比根長(zhǎng)均呈現(xiàn)磷吸收高效品種>磷吸收中效品種>磷吸收低效品種的規(guī)律。高效品種中，山花14號(hào)低磷脅迫下降低比根長(zhǎng)，相對(duì)值為0.767，日照大果子提高比根長(zhǎng)，相對(duì)值為1.254。

　　2.2.4根表面積 從表3可知，相較于足磷對(duì)照，低磷處理下費(fèi)縣三粒中、魯花11、魯花3號(hào)、山花14號(hào)、泰花4號(hào)、群選5號(hào)的根表面積顯著提高，E5、萊蕪爬蔓、日照大果子無顯著變化。低磷處理下三類花生品種根表面積表現(xiàn)為磷吸收高效品種>磷吸收中效品種>磷吸收低效品種，且差異顯著;足磷處理的磷吸收高效與吸收中效品種間無顯著差異。高效品種中，日照大果子的根表面積相對(duì)值小于1，但低磷處理與足磷對(duì)照間無顯著差異;魯花3號(hào)的根表面積相對(duì)值最大，為1.715，其應(yīng)對(duì)低磷脅迫的能力較強(qiáng)。

　　2.2.5根體積 與足磷對(duì)照比，低磷處理下費(fèi)縣三粒中、泰花4號(hào)、魯花11、魯花3號(hào)、山花14號(hào)的根體積顯著增大，東平大爬蔓的根體積顯著減小，群選5號(hào)、E5、萊蕪爬蔓、日照大果子無顯著變化。從均值看，低磷處理下磷吸收高效品種顯著大于吸收低效品種，與磷吸收中效品種間無顯著差異。三類品種的根體積相對(duì)值表現(xiàn)為磷吸收高效品種>磷吸收中效品種>磷吸收低效品種。除東平大爬蔓外，高效品種日照大果子也顯現(xiàn)出根體積在低磷環(huán)境下受抑制。

　　2.2.6平均根直徑 從表4可知，與足磷對(duì)照相比，低磷處理的泰花4號(hào)平均根直徑顯著增大，日照大果子的平均根直徑顯著減小，其余品種無顯著變化。兩種磷水平處理下，磷吸收高效品種均顯著小于磷吸收低效品種，磷吸收中效品種與低效品種差異不顯著。磷吸收高效品種日照大果子的平均根直徑在低磷處理下顯著降低，可能與低磷下根表面積無變化、根體積減小、總根長(zhǎng)增加有關(guān)。

　　2.2.7根尖數(shù) 從表4可知，相較于足磷對(duì)照，低磷處理下除E5、東平大爬蔓、萊蕪爬蔓的根尖數(shù)無顯著變化外，其余品種均顯著提高。從均值看，低磷處理表現(xiàn)為磷吸收高效品種>磷吸收中效品種>磷吸收低效品種。磷吸收高效花生中，魯花3號(hào)的根尖數(shù)增比最大，其根系對(duì)低磷脅迫的反應(yīng)最大。

　　3討論與結(jié)論

　　根系構(gòu)型的改變是作物應(yīng)對(duì)低磷脅迫的一種對(duì)策。作物在低磷脅迫下，會(huì)產(chǎn)生一些生理生化變化，如通過根系形態(tài)變化、提高根系抗氧化酶活性等來提高對(duì)脅迫的適應(yīng)性[4]。本研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下花生幼苗根系顯著增大，具體表現(xiàn)為根干重、總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)的增加。這與在水稻[6]、玉米[17]等作物的研究一致。但在棉花[15]、馬鈴薯[18]等作物中，發(fā)現(xiàn)低磷脅迫下側(cè)根數(shù)量、根表面積和根冠比顯著降低。表明不同作物在應(yīng)對(duì)低磷脅迫時(shí)根系反應(yīng)不同，而花生在應(yīng)對(duì)低磷脅迫時(shí)，將更多地資源分配到根系，通過增大根系來增加獲取磷資源的范圍，從而吸收更多的有效磷。

　　不同磷效率品種應(yīng)對(duì)低磷脅迫而發(fā)生的表型變化是不同的。黃晨晨等[19]發(fā)現(xiàn)在低磷脅迫下，磷高效小麥在根干重、根長(zhǎng)、根表面積、根體積方面均顯著大于磷低效小麥。龔絲雨等[20]在水培條件下發(fā)現(xiàn)磷高效煙草品種的根干重、主根長(zhǎng)、根體積、根活力均顯著大于磷低效品種。本試驗(yàn)利用10個(gè)花生品種，以低磷處理下的磷吸收能力，將其分為磷吸收高效、磷吸收中效、磷吸收低效三類，發(fā)現(xiàn)低磷脅迫下，磷吸收高效品種在根干重、總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)上顯著大于磷吸收低效品種。

　　作物的磷吸收效率主要由兩個(gè)方面決定，一是根系形態(tài)，二是磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性。磷吸收高效品種在低磷脅迫下的根系形態(tài)普遍優(yōu)于低效品種，但不能僅以根系形態(tài)作為判定吸收效率高低的標(biāo)準(zhǔn)。在3個(gè)磷吸收高效的花生品種中，魯花3號(hào)在低磷環(huán)境下通過擴(kuò)大根系來增加磷吸收量，尤其在總根長(zhǎng)、根表面積、根體積方面;日照大果子在低磷環(huán)境下的根系并不突出，其較高的吸收速率可能源自其較高的磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性;山花14號(hào)顯著降低比根長(zhǎng)，使根系變得更細(xì)，其單株磷吸收速率最高。

　　本試驗(yàn)得到不同磷吸收效率品種的根系差異及低磷脅迫下的變化，探討了不同磷吸收高效品種的高效策略，可為一些研究提供相對(duì)可靠的試驗(yàn)材料，以便后續(xù)進(jìn)行磷吸收相關(guān)的基因研究。

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