不同磷水平下小麥B染色體雙端體植株干物質積累和磷效率特征研究

郭 麗, 郭程瑾, 丁長歡, 趙 妙, 李小娟, 肖 凱*

(1 河北農業大學農學院，河北保定 071001；2 河北農業大學生命科學學院，河北保定 071001；3 華北電力大學科技學院，河北保定 071000)

提高小麥的磷素吸收和利用效率，對于促進磷素資源可持續利用和推動農業可持續發展具有重要實踐意義[1-3]。研究證實，小麥等作物基因型和品種在磷素吸收和利用上存在著明顯遺傳多樣性特征[4-5]，菜豆、玉米和小麥等植物對磷脅迫的適應和抵御能力，是由多基因控制的數量遺傳性狀[6]。其中，調控菜豆磷效率性狀的多基因間存在著積加和上位遺傳效應[7]。此外，植物中眾多基因參與了對磷脅迫的應答和抵御過程[8]。

對小麥養分效率與染色體關系的研究發現，小麥D染色體組含有Zn脅迫下的Zn高效利用基因[9]。不同供肥水平下，小麥二倍體染色體組AA、BB或DD、四倍體染色體組AABB和六倍體染色體組AABBDD在養分吸收、利用效率上存在明顯差異，隨染色體倍數增加，氮、磷和鉀的利用效率顯著提高。AA、BB和DD染色體組均存在著養分高效利用基因[10]。表明在小麥由二倍體向六倍體的演變和進化過程中，隨產量和收獲指數顯著增加，養分利用效率也明顯提高[11]。

B染色體組是小麥3個遺傳同源群之一，在調控植株生長、發育和應答及抵御各種生物、非生物逆境中發揮著重要作用[10,12-13]。中國春(CS)及其系列遺傳材料是近年來小麥遺傳學和外源基因轉移等研究的工具和對照材料，在重要農藝性狀及抗逆性狀主效基因的定位和基因克隆中具有重要理論和實踐價值。前期工作中，作者研究室利用中國春遺傳背景的B染色體組雙端體為材料，開展了小麥光合特性染色體效應的研究[14]。本項研究針對迄今小麥有關磷效率與染色體長、短臂關系報道尚少的現狀，以中國春(CS)及整套B染色體組雙端體為材料，研究了豐、低磷條件下各雙端體和CS的單株干重、磷效率性狀、氮鉀效率性狀及植株形態學特征，旨在為今后小麥高效吸收和利用磷素的遺傳改良提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

選擇籽粒均勻的CS和各B染色體組代換系種子，在25℃下萌發。從萌發后種子中，選擇芽長約1 cm均勻萌芽種子，擺放至漂浮于MS營養液、間隔均勻的泡沫板孔(行列間距均為10 cm)內。設置豐磷(1.2 mmol/L Pi)和低磷(12 μmol/L Pi )2種處理，其他營養含量不變。參照Sun等2011年的方法[15]進行幼苗培養，時間為3周。CS和各雙端體各處理均種植12株，3次重復。培養條件為光周期12 h/12 h，溫度20℃/15℃(白天/黑夜)，光通量密度200 μmol/(m2·s)。處理期間，微型氣泵供氣，每3 d更換一次營養液。

1.2 樣品測定

選擇豐、低磷處理各供試材料6株，測定株高、單株葉面積、根長、單株干重、根冠比和全磷、全氮和全鉀含量。其中，用直尺量取分蘗節至葉片拉直后的頂端距離獲得獲得株高；用葉面積分析儀測定所有葉片葉面積求和獲得單株葉面積；用直尺量取各植株所有根系發根基部至根尖長度，求和后除以測定根數計算根長；將植株根系和地上部分別烘至恒重后稱量求和獲得單株干重；通過根系干重和地上部干重比值計算根冠比。

稱取根系和地上部混合粉碎后的樣本0.20 g，經濃H2SO4-H2O2消煮后，采用Auto Analyzer3(AA3 )流動注射分析儀測定樣本全氮和全磷含量，采用火焰分光光度計法測定樣本全鉀含量[16]。通過單株干重分別與磷、氮和鉀含量乘積獲得單株磷、氮和鉀累積量。用單株干重分別與單株磷、氮和鉀累積量的比值計算磷、氮和鉀效率。

1.3 數據分析

采用SAS統計學分析軟件進行數據平均值、標準差、顯著性測定和相關分析。

2 結果與分析

2.1 豐、低磷處理后中國春和各雙端體的植株形態和單株干重

與CS相比，部分雙端體的植株形態和單株干重與CS差異較小，如豐磷處理的4BS、6BS、3BL及7BL和低磷處理的4BS、6BS、7BS和7BL(圖1、圖2)。表明上述特定B染色體組長、短臂缺失對不同供磷下植株形態和單株干重未表現明顯遺傳效應。除上述雙端體外，豐、低磷下其他雙端體植株形態和單株干重與CS相比表現出明顯差異，呈植株形態變劣(圖1)和單株干重降低特征(圖2)。其中，豐磷下以3BS與CS差異最大，低磷下以3BS和1BL與CS差異最大(圖1、圖2)。表明3B長臂和1B短臂在調控植株豐、缺磷條件下的植株干物質積累中發揮重要作用。

圖1 豐、低磷處理后中國春(CS)和各雙端體的植株形態Fig. 1 The plant phenotypes of Chinese spring (CS) and each ditelosomic line in the treatments with sufficient- and low-Pi[注(Note)： A，豐磷 Sufficient-Pi； B，低磷 Low-Pi.]

2.2 豐、低磷處理后中國春和各雙端體的植株磷累積量、磷含量和磷效率

表1表明，豐、低磷條件下，各雙端體單株磷累積量與CS相比多呈減少趨勢。豐磷下，單株磷累積量僅4BS較CS顯著增加，而1BS、2BS、3BS、5BS、6BS、7BS和2BL較CS顯著降低，其中3BS的降低幅度達到極顯著水平；低磷下，單株磷累積量僅5BS較CS顯著增加，而3BS、1BL和3BL較CS顯著降低，其中3BS和1BL的降低幅度達到極顯著水平。豐、低磷下各雙端體的全磷含量與CS相比變幅相對較小，豐磷下表現為4BS和4BL較CS顯著增加，5BS較CS顯著降低；低磷下5BS較CS顯著提高，3BL和5BL較CS顯著降低。與CS相比，各雙端體植株的磷效率在豐、低磷下表現較大變化，豐磷下，3BS和5BS較CS顯著增加，4BS、1BL和4BL較對照顯著減少；低磷下，1BL和3BL較CS顯著增加，1BS、2BS和5BS較CS顯著減少(表1)。表明缺失特定的B染色體長、短臂，通過改變植株在豐、低磷下的植株磷素吸收和利用能力，對植株全磷含量和干物質積累能力產生較大影響。

圖2 豐、低磷處理后中國春(CS)和雙端體的單株干重Fig. 2 The plant dry weights of Chinese spring (CS) and ditelosomic lines with sufficient- and low-Pi supplies[注(Note)： 相同磷水平不同字母表示達到0.05顯著水平 Different letters in the same P level mean significant difference at 0.05 level.]

注(Note): *和**表示與CS相比分別達到0.05和0.01顯著水平 Mean significant difference compared with CS at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.3 豐、低磷處理后中國春和各雙端體的植株氮鉀累積量、氮鉀含量和氮鉀效率

表2表明，豐、低磷條件下，各雙端體的植株氮累積量與CS相比差異較小，均未達到統計學顯著水平。豐磷下各雙端體全氮含量與CS的差異也均不顯著；低磷下，7BS、1BL和2BL的全氮含量較CS顯著降低，其他雙端體全氮含量與CS差異不顯著。豐磷下，2BS、5BS、6BS和7BS氮效率較CS顯著降低；低磷下，3BS氮效率較CS顯著降低(表2)。表明缺失部分B染色體長短臂對低磷下植株全氮含量(7BS、1BL和2BL)、氮效率(3BS)和豐磷下氮效率(2BS、5BS、6BS和7BS)也具有明顯調控效應。

表3顯示，豐、缺磷條件下，各雙端體全鉀含量和鉀效率均與CS無顯著差異，單株鉀累積量也與CS差異較小。其中，僅3BS在上述供磷處理下的單株鉀累積量較CS顯著降低。表明供磷水平對雙端體鉀素吸收和利用的調控效應較小，與不同供磷下各雙端體與CS在磷氮含量、單株磷氮累積量和磷氮效率上多表現明顯差異的結果不同。3BS在豐、低磷下單株鉀累積量均較CS顯著降低，表明該染色體短臂含有鉀高效吸收調控基因。

表2 不同供磷水平下各雙端體的植株氮累積量、全氮含量和氮效率Table 2 The N accumulation amount, total N contents and N usage efficiencies in Chinese spring (CS) in plant and ditelosomic lines with sufficient- and low-Pi supplies

注(Note): *和**表示與CS相比分別達到0.05和0.01顯著水平 Mean significant difference compared with CS at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.4 豐、低磷處理后中國春和各雙端體的植株形態學性狀

CS和各雙端體植株株高、單株葉面積、平均根系長度和根冠比見表4。與CS相比，各雙端體豐、低磷條件下的株高、葉面積、根長和根冠比均具有不同程度改變。其中，豐、低磷下各雙端體根長和根冠比與CS相比的差異均未達到顯著水平。豐、低磷下，3BS單株葉面積均較CS顯著減小，與豐低磷下該雙端體較CS植株形態明顯變劣和單株干重顯著降低相吻合。除3BS外，其他雙端體單株葉面積與CS相比均無顯著差異。豐磷下，1BS和3BS株高較CS顯著減小，其他雙端體株高與CS差異不顯著；低磷下，3BL和4BL株高較CS顯著降低，其他雙端體株高與CS無顯著差異。

表3 不同供磷水平下各雙端體的植株鉀累積量、全鉀含量和鉀效率Table 3 The plant accumulation amount of K, total K contents and K usage efficiencies in Chinese spring (CS) and ditelosmic lines with sufficient- and low-Pi supplies

注(Note): *和**表示與CS相比分別達到0.05和0.01顯著水平 Mean significant difference compared with CS at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

表4 不同供磷水平下各雙端體的植株株高、葉面積、根長和根冠比Table 4 The plant heights, leaf area per plant, root lengths and ratios of root weight and aerial weight of Chinese spring (CS) and ditelosmic lines with sufficient- and low-Pi supplies

注(Note): *和**表示與CS相比分別達到0.05和0.01顯著水平 Mean significant difference compared with CS at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.5 豐、低磷下單株干重、磷效率性狀與氮鉀效率性狀和植株形態學性狀的相關分析

豐磷下，單株干重與磷累積量、全磷含量、氮效率、鉀累積量、鉀效率、株高呈顯著正相關，與其他測試性狀和指標相關不顯著；磷效率與磷累積量和全磷含量分別呈顯著和極顯著負相關。低磷下，單株干重與磷累積量、氮累積量、鉀累積量、鉀效率和葉面積；磷效率與磷累積量和全磷含量呈極顯著負相關，與根長呈顯著正相關(表5)。上述結果表明，不同供磷水平下的植株干重和磷效率與部分養分含量、效率參數和植株形態學性狀具有緊密聯系。

表5 單株干重、磷效率與氮鉀養份效率性狀和植株形態學性狀間的相關系數Table 5 The correlation coefficients between plant dry weight and P use efficiency with N, and K efficiency and some plant phenotype parameters under sufficient- and low-Pi conditions

注(Note): *和**表示相關程度分別達到0.05和0.01顯著水平 Mean significant difference compared with CS at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

此外，豐磷下，單株干重與氮效率、鉀累積量、鉀效率、株高和葉面積均呈顯著正相關，磷累積量與氮累積量、鉀累積量鉀效率和單株葉面積均呈正相關，全磷含量與氮效率呈正相關；低磷下，植株干重與氮累積量、鉀累積量、鉀效率和葉面積呈正相關，磷累積量與株高和葉面積呈正相關、與根長呈負相關；全磷含量和磷效率均與根長呈負相關(表5)。表明CS和雙端體植株磷素吸收和利用能力，與部分氮、鉀效率相關參數和植株形態學性狀共同作用，影響著不同磷水平下植株的干物質生產能力。單株葉面積與植株干重和單株磷累積量均呈顯著正相關，表明前者可作為評價不同磷水平下供試小麥雙端體及其他遺傳學材料磷效率的形態學指標。

3 討論與結論

小麥對礦質元素吸收、利用及效率特征在很大程度上受到遺傳因子的調控[6-8,17-18]。六倍體栽培小麥中的B染色體組源于擬斯卑爾脫山羊草，在小麥的生長發育、產量和品質形成及植株的抗逆性中具有重要的作用[12]。研究表明，與A、D染色體組相比，小麥B染色體組在調控CO2同化速率和增加葉綠素的含量上具有更重要的遺傳調控效應[12]。其中，2B 染色體對對光合速率和葉綠素含量具有正向調控效應，1B 和3B 染色體對光合速率和葉綠素含量具有負向調控效應[13]。

李小娟等(2006)以小麥B染色體組雙端體為材料，研究了B染色體組長短臂對光合效率的影響。發現染色體臂1BL和3BS對葉綠素含量分別具有正、負效應；2BL和7BL對光反應活性分別具有正、負效應，表明1BL和2BL含有高光效主效基因[14]。本研究對豐、低磷不同磷水平下中國春及其遺傳背景B染色體組整套雙端體的植株干重和磷效率相關性狀研究表明， 3BS含有調控豐磷下植株干物質積累主效基因，3BS和1BL含有調控低磷逆境下植株干物質積累主效基因。此外，在植株磷累積量上，豐磷條件下，1BS、2BS、3BS、5BS、6BS、7BS和2BL較CS顯著降低，其中3BS的降低幅度達到極顯著水平；低磷條件下，3BS、1BL和3BL較CS顯著降低，其中3BS和1BL的降低幅度達到極顯著水平。表明上述B染色體組長、短臂上含有調控小麥磷素吸收和累積的主效基因。上述部分結果與李玉京等[19]利用以中國春-長穗偃麥草二體異附加系和二體異代換系為材料，證實小麥3B和5B染色體攜帶磷高效基因的結果相吻合。有關不同磷水平下植株干物質積累和磷效率性狀的相關生化和分子機制及其內在聯系有待進一步探討。

本研究發現，豐、缺磷不同供磷條件下，與中國春相比，部分供試B染色體組雙端體氮、鉀效率性狀也發生不同程度改變。表明部分B染色體組長、短臂在調控不同磷水平下植株磷效率的同時，對氮、鉀吸收和利用效率也產生較大調控效應。有關不同氮、鉀供應條件下中國春(CS)和各B染色體組雙端體的氮素吸收、利用和干物質積累特征有待進一步研究。

不同供磷水平下，小麥植株在根系形態、地上部株高及葉面積、生理生化特征上均發生明顯變化[20,21]，在調控植株的磷素吸收、利用能力及磷效率上發揮重要作用[5,22]。本研究對不同供磷水平下中國春及供試B染色體組雙端體植株干重和單株累積量的相關分析發現，上述兩個性狀之間在豐、低磷條件下均呈顯著正相關，表明植株干物質累積數量與植株根系吸收的磷素數量之間具有密切聯系。較多的磷素吸收，是部分雙端體低磷逆境下緩解磷脅迫壓力、改善植株體內的能量合成和生化代謝，進而增強植株光合物質積累的重要原因。這與豐、低磷條件下單株干重和單株磷累積量均與單株葉面積呈顯著正相關的結果相吻合。表明植株磷素吸收數量增多，通過調控的植株光合面積，在較大程度上影響著植株的干物質累積量。因此，可用單株面積作為小麥染色體雙端體及特定小麥染色體分析遺傳材料的磷效率評價指標。

綜上，本研究表明，與中國春相比，豐磷下4BS、6BS、3BL及7BL和低磷下4BS、6BS、7BS和7BL植株形態和單株干重無明顯變化，其他B染色體組雙端體植株形態變劣、單株干重降低。豐、低磷下，各雙端體單株磷累積量與CS相比多呈減少趨勢；磷效率大體呈與單株磷累積量相反趨勢特征。豐、低磷條件下，單株干重與磷累積量及磷累積量與全磷含量顯著相關，單株干重和磷累積量均與單株葉面積顯著相關，因此，可用單株葉面積作為豐、低磷下植株磷效率的形態學評價指標。

參考文獻:

[1] Wissuwa M. How do plants achieve tolerance to phosphorus deficiency? Small causes with big effects[J]. Plant Physiol., 2003, 133(4): 1947-1958.

[2] Vance C P, Uhde S C, Allan D L. Phosphorus acquisition and use: Critical adaptations by plants for securing a nonrenewable resource[J]. New Phytol., 2003, 157: 423-447.

[3] Bieleski R L. Phosphate pools, phosphate transport, and phosphate availability[J]. Annu. Rev. Plant Physiol., 2007, 24: 225-252.

[4] 嚴小龍, 張福鎖. 植物營養遺傳學[M]. 北京: 中國農業大學出版社, 1997, 1-30.

Yan X L, Zhang F S. Plant nutrition and genetics[M]. Beijing: Chinese Agricultural University Press, 1997, 1-30

[5] 郭程瑾, 李賓興, 周彥珍, 等. 不同磷效率小麥品種的磷吸收特性[J]. 植物遺傳資源學報, 2006, 7(1): 49-53.

Guo C J, Li B X, Zhou Y Zetal. Characteristics of phosphorus acquisition in wheat varieties with different P efficiencies[J]. J Plant Gen. Resourc., 2006, 7(1): 49-53.

[6] 嚴小龍, 盧永根. 普通菜豆的起源、進化和遺傳資源[J]. 華南農業大學學報, 1994, 15(4): 111-116.

Yan X L, Lu Y G. The origin, evolution and genetic resources of kidney bean[J]. J. South China Agric. Univ.,1994,15(4): 111-116.

[7] 嚴小龍. 全國植物營養與肥料學術年會論文集[M]. 北京: 中國農業科技出版社, 1994. 15-18.

Yan X L. Annual proceedings of plant nutrition and fertilizer[M]. Beijing: Chinese Agricultural Science and Technology Press, 1994. 15-18.

[8] Misson J, Raghothama K G, Jain Aetal. A genome-wide transcriptional analysis usingArabidopsisthalianaAffymetrix gene chips determined plant responses to phosphate deprivation[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2005, 102: 11934-11939.

[9] Cakmak I, Torun B, Erenoglu Betal. Morphological and physiological differences in cereals in response to zinc deficiency[J]. Euphytica, 1998, 100: 349-357.

[10] Gill B S, Friebe B, Endo T R. Standard karyotype and nomenclature system for the description of chromosome bands and structural aberrations in wheat (Triticumaestivum)[J]. Genome, 1991, 34: 830-839.

[11] Batten G D. The uptake and use of phosphorus and nitrogen by diploid, tetraploid and hexaploid wheats (Triticumspp. )[J]. Ann Bot., 2006, 58: 49-59.

[12] Planchon C, Fesquet J. Effect of the D genome and of selection on photosynthesis in wheat[J]. Theor. Appl. Genet., 1982, 61: 359-365.

[13] Watanabe N, Ogawa A, Kitaya Tetal. Effects of substituted D genome chromosomes on photosynthetic rate of durum wheat (TriticumturgidumL. var. durum)[J]. Euphytica, 1994, 72(1/2): 127-131.

[14] 李小娟, 藍嵐, 李雁鳴, 等. 小麥B染色體組雙端體旗葉光合能量轉換參數的研究[J]. 華北農學報, 2006, 21(5): 9-12.

Li X J, Lan L, Li Y Metal. Studies on photosynthetic parameters related to energy transformation of flag leaf in wheat B ditelosomic lines[J]. Acta Agric. Boreali-Sin., 2006, 21(5): 9-12.

[15] Sun Z H, Ding C H, Li X Jetal. Molecular characterization and expression analysis ofTaZFP15, a C2H2- type zinc finger transcription factor gene in wheat (TriticumaestivumL.)[J]. J. Integr. Agric., 2012, 11: 31-42.

[16] 張英利, 許安民, 尚浩博, 等. AA3型連續流動分析儀測定土壤和植物全氮的方法研究[J]. 西北農林科技大學學報, 2006, 34(10): 128-132.

Zhang Y L, Xu A M, Shang H Betal. Studies on the assay method of total nitrogen in soil and plants using AA3 continuous flow analyzer[J]. J. Northwest A&F Univ., 2006, 34(10): 128-132.

[17] 郭程瑾, 張立軍, 崔喜榮, 等. 氮脅迫條件下中國春-代換系小麥苗期耐低氮特征研究[J]. 植物營養與肥料學報,2011, 17(1): 29-37.

Guo C J, Zhang L J, Cui X Retal. Characterization of low-nitrogen tolerance capacities of Chinese Spring substitution lines of wheat under deficient-N condition at the seedling stage[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 2011, 17(1): 29-37.

[18] Guo C J, Li J C, Chang W Setal. Effects of chromosome substitution on the utilization efficiency of nitrogen, phosphorus, and potassium in wheat[J]. Front. Agric. China, 2011, 5(3): 253-261.

[19] 李玉京, 劉建中, 李濱, 等. 普通小麥各基因組有效利用土壤磷基因的遺傳分析[J]. 西北植物學報, 1999, 19(1): 1-6.

Li Y J, Liu J Z, Li Betal. Genetic analysis of each wheat genome on effectively using the soil available phosphorus[J]. Acta Bot. Boreali-Occid. Sin., 1999, 19(1): 1-6.

[20] 郭麗, 龍素霞, 趙芳華, 等. 小麥不同品種磷效率比較和評價的生化指標研究[J]. 植物遺傳資源學報, 2008, 9(4): 506-510.

Guo L, Long S X, Zhao F Hetal. Comparison and evaluation of biochemical criteria for phosphorus efficiency in wheat[J]. J. Plant Gen. Resourc., 2008, 9(4): 506-510.

[21] 郭程瑾, 李賓興, 王斌, 等. 小麥高效吸收和利用磷素的生理機制[J]. 作物學報, 2006, 32(6): 827-832.

Guo C J, Li B X, Wang Betal. Physiological mechanisms of absorption and use of phosphorus with high efficiency in wheat cultivars[J]. Acta Agron. Sin., 2006, 32(6): 827-832.

[22] 張建恒, 李賓興, 王斌, 等. 不同磷效率小麥品種光合碳同化和物質生產特性研究[J]. 中國農業科學, 2006, 39(11): 2200-2207.

Zhang J H, Li B X, Wang Betal. Studies on the characteristics of photosynthesis and dry matter production in wheat varieties with different P efficiency[J]. Sci. Agric. Sin., 2006, 39(11): 2200-2207.