水磷耦合對高淀粉玉米自交系根系形態磷素吸收分配的影響

張慧 穆春華 孫驗玲 徐立華 陳宇 翟學旭 李宗新 王慶成 劉霞

摘要：以玉米自交系12SG188（高淀粉含量）和99038（低淀粉含量）為試材，采用石英砂盆栽方法，研究了磷素和水分對玉米自交系根系形態及植株體內磷素吸收分配的影響。結果表明，高淀粉玉米自交系12SGJ188生長期內植株根系數量、總葉面積、干物質積累和磷吸收效率均高于低淀粉玉米自交系99038。無論水分脅迫與否，隨供磷量的增加，兩個玉米自交系植株總葉面積和干物質積累量均顯著增加，而水分脅迫對99038植株干物質積累的影響較12SG188更大。12SG188磷的總積累量的增加量低磷水分脅迫處理大于低磷正常水分處理，且大于99038低磷水分脅迫處理。99038磷的總積累量的增加量高磷正常水分處理大于高磷水分脅迫處理，且大于12GJ188高磷正常水分處理。可見，12SG188玉米自交系較99038具有較高的磷素吸收效率，較99038更耐低磷耐旱。12SG188高磷正常水分條件下木質部汁液磷總運輸量和韌皮部磷的再循環量最高，99038低磷水分脅迫條件下木質部和韌皮部中磷的總運輸量最低。

關鍵詞：玉米自交系；水磷交互；磷素營養；木質部汁液；體內循環

中圖分類號：S513.01

文獻標識號：A

文章編號：1001-4942（2016）01-0074-09

淀粉占玉米籽粒干重的70%左右，主要以淀粉粒的形式存在于籽粒胚乳中，淀粉粒大小及分布是淀粉重要的品質性狀之一，玉米淀粉粒形態存在顯著的基因型差異，不同大小的淀粉粒對淀粉特性有顯著影響。前人從淀粉合成相關酶和蔗糖代謝方面對淀粉形成機理的研究發現，ADPG是淀粉合成的直接底物，是淀粉合成的第一步，由AGPase催化葡萄糖-1-磷酸和ATP產生。玉米胚乳中AGPase受3-磷酸甘油（3-PGA）激活，被無機磷（Pi）抑制。

無機磷（Pi）是玉米體內磷的主要運輸形式，正常情況下胞質Pi濃度一般維持在一個較窄的范圍內（5～17mmol/L）。玉米是典型的磷敏感型作物，由于生產中的盲目施肥以及各地土壤磷含量存在較大差異，常會發生施磷過量或不足的情況，同時Pi在土壤中的運動速率較低，使玉米根系周圍容易產生Pi缺乏區。因此在我國及世界范圍內的農業生產中，Pi不足已成為限制玉米產量的關鍵因素。

磷的有效性與土壤的水分條件關系密切，在正常水分條件下，磷素在木質部和韌皮部中的轉運和再分配對促進作物生長發育和提高養分利用效率等生理過程具有顯著作用，在干旱脅迫下促進效果更明顯。Gnansiri等（1990）報道，干旱脅迫下磷素能明顯提高玉米的滲透調節能力，顯著改善玉米植株的水分狀況。曲東等（1996）對玉米的研究發現，發生干旱脅迫時，有磷處理能較好地適應脅迫環境而產生必要的響應，缺磷處理的調節能力較差。沈玉芳等（2002）研究了水分脅迫下磷營養對玉米苗期根系導水率的影響，得出干旱脅迫可導致玉米根系導水率急劇降低。

許多學者在作物水磷互作方面做了大量的工作，但多集中在水分管理對水稻和小麥磷素營養吸收、產量形成及水分利用效率等方面，而針對水磷互作對高淀粉玉米自交系根系形態及磷素吸收轉運方面的研究較少。如何提高玉米籽粒淀粉含量和水磷利用率，降低玉米生產成本，減少農業生態面源污染，已成為當前研究的重點。為此，本試驗通過研究水磷互作對不同淀粉含量玉米自交系根系形態及植株磷素吸收分配的影響，探討其對高淀粉玉米自交系生長的藕合效應與機理，為水磷高效型高淀粉玉米培育以及水分和磷素管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2013年在山東省農業科學院飲馬泉試驗農場（36°43′N，117°06′E）進行。供試材料為高淀粉玉米自交系12SG188（A1）和低淀粉玉米自交系99038（A2）。

試驗采用盆栽條件，塑料盆（上口內徑×高×下口內徑為20.5cmx18.0cmx15.0cm）底部裝1.5kg石英砂（粒度0.25～0.50mm），上部用蛭石填充，擺放在防雨棚水分池中。水分池大小為2.5mx2.5m，共4個池子，每個池子擺4行，每行擺9盆，折合行距50cm、株距25cm。挑選均勻一致的兩個玉米自交系的種子，種植于上述塑料盆中，每盆一株。每兩天澆1次營養液，培養24d后，改為每天澆1次。營養液母液（mmol/L）有：MgSO₄（325）、Ca（NO₃）₂（1000）、K₂SO₄（375）、H₃BO₃（200）、MriSO₄（40）、ZriSO₄（10）、CuSO₄（2）、（NH₄）₆MO₇O₂₄（0.1）、Fe-EDTA（50）、KCl（100）和KH₂PO₄（120）。其它田間管理措施按玉米高產技術規程進行。

1.2 試驗設計

試驗設2個水分處理和3個磷素水平處理。2個水分處理分別為灌水處理（用W表示），即每隔l天灌水500mL（測量使田間持水量約為70%）和干旱處理（用R表示），即每隔1天灌水50mL（測量使田間持水量約為55%）；3個磷素水平處理分別為低磷處理（用P1表示）、中磷處理（用P2表示）和高磷處理（用P3表示）。灌水處理營養液配制：P1處理分別吸取MgS04、Ca（NO₃）₂、K₂SO₄和Fe-EDTA母液各16mL，其余母液各吸取0.4mL；P2處理在P1基礎上另加KH₂PO₄母液16mL；P3處理在P1基礎上另加KH₂PO₄母液32mL；均定容至4L。干旱處理營養液配制：P1、P2和P3各處理均保持吸取營養液母液量不變，定容至1L。兩種營養液初始pH值均保持在6.0±0.1。田間布置情況見圖1。

1.3 處理和取樣方法

玉米生長到9葉齡（42d）時開始進行處理。將塑料盆中長勢和發育狀況基本相同的玉米植株隨機分成兩部分。一部分用于測定處理前后的干物質及磷鈣含量，另一部分用于木質部汁液的收集。將第一部分隨機分成7組，每組重復3盆。當天收獲一組玉米植株作為基礎樣（第1次收獲）；同時，對其余組進行處理，用于第2次收獲。處理天數是從更換營養液后第2次處理開始計算。處理15d后，進行第2次收獲。兩次收獲時，均將玉米植株分根、下部葉（1～6片葉）、中部葉（7～8片葉）和上部葉（9片葉以上及莖）分別取樣。

另一部分同第一部分進行處理，每處理重復3盆。處理后第5d，采用依靠植物根壓自然收集法收集木質部汁液。具體作法是：脫脂棉經稀鹽酸、蒸餾水、去離子水清洗后烘干待用。在玉米不同葉位基部處用經丙酮浸泡消毒的刀片快速切斷莖稈，用脫脂棉蘸去離子水，快速擦洗切口并吸干表面水分，開始的部分汁液用脫脂棉吸收后棄去。然后將脫脂棉附于切口處，外面套一個乳膠套后用橡皮筋扎口，如圖2所示，吸取溢出的汁液12h，然后用醫用注射器吸取汁液放人10mL的離心管中。分別在玉米的第5（下部葉）、7（中部葉）、9（上部葉）葉位上收集第一次木質部汁液，5d后再收集1次，共收集2次。收集到的木質部汁液保存在-20℃冰箱中待測。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 植株干重凈增量 植株樣品于105℃殺青30min后，85℃烘干至恒重時稱重，后于微型植物粉碎機中粉碎，計算各植物器官的干重凈增量，各器官干重凈增量為第2次收獲時的積累量減去第1次收獲時的積累量。

1.4.2 植株磷含量和木質部汁液的P和Ca²⁺稱取粉碎烘干的樣品0.19，于控溫消煮爐上采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法消煮至透明、透亮、無色，自然冷卻后定容至50mL的容量瓶中，作為待測溶液。稀釋后的消煮液和木質部汁液均采用鉬藍比色法測定總磷量：0.5mL待測溶液+2mL水+2.5mL定磷試劑（H₂O：3mol/L H₂SO₄∶2.5%鉬酸銨：5%抗壞血酸=2∶1∶1∶1，體積比），45℃保溫25min，823nm波長下比色；采用火焰光度計法測量待測溶液和木質部汁液中鈣含量。

1.4.3 植株葉面積及根系 分別選取處理前后各處理下的玉米植株3盆，調查玉米根層數和數量，以及所有綠葉的長寬（葉面積=葉長×葉寬×0.75）。

1.5 數據處理和統計分析

磷循環模式圖的計算方法：前提是植物只通過根系吸收養分。Ca²⁺只能單向地通過木質部運往地上部各器官，在韌皮部中幾乎不移動。具體表述為：①在一定時期內由木質部運輸進入植物體各器官的Ca²⁺量等于該時間段前后兩次收獲時該器官Ca²⁺的凈增量（△Ca²⁺）。②在相對穩定的生長條件下，木質部中的P和Ca²⁺以恒定的含量比向地上部各器官運輸，這一比值可通過測定木質部汁液中P和Ca²⁺的含量來獲得。③一段時期內通過木質部輸入各器官的磷量等于各器官Ca²⁺的凈增量乘以該器官木質部汁液中的磷鈣比值。④韌皮部中P的輸出量等于各器官中的凈增量減去木質部輸出量。

采用Microsoft Excel 2007和DPS數據處理系統進行數據處理、繪制養分循環模式圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1 玉米各器官干物質重

第一次收獲時，12SG188各器官干重均高于99038，莖+上部葉、中部葉和根差異極顯著，下部葉差異不顯著（表1）。

處理15d后，兩個玉米自交系各器官的干重與處理前相比均增加。正常水分條件，除99038低磷處理表現不一致外，其余處理玉米各器官干重凈增量均表現為莖+上部葉>根>下部葉>中部葉。除12SG188中、下部葉和99038根系外，其余各器官干重凈增量均隨供磷量的增加而增大。供高磷時，12SG188和99038玉米自交系整株干重分別為77. 41、68. 13g/株；供中、低磷時，分別為71.91、53.90g/株及45.03、41.33g/株。

水分脅迫條件下，除99038中、高磷處理表現不一致外，其余處理各器官干重凈增量也均表現為莖+上部葉>根>下部葉>中部葉。除根系和99038中部葉外，其余處理各器官干重凈增量均隨供磷量的增加而增大。供高磷時，12SG188和99038玉米自交系整株干重分別為65.91、45.96g/株；供中、低磷時，分別為57.00、44.39g/株及46.21、20.37g/株。與正常水分處理相比，水分脅迫下除12SG188低磷處理表現為增加外，其余處理玉米整株干重凈增量均降低，12SG188降幅在19.78%～28.30%之間，99038降幅在19.82%～59.21%之間。

2.2 玉米葉面積及根系分布特征

由表2可知，第一次收獲時12SG188根系層數、數量和總葉面積均高于99038，數量和總葉面積差異極顯著，根系層數差異不顯著。第二次收獲后，除12SG188根系層數及P1處理的根系數量和總葉面積外，其余處理的根系層數、數量和總葉面積均出現明顯增加。正常水分條件，除12SG188根系層數和99038根系數量外，各處理根系層數、數量和總葉面積均隨著供磷水平的提高而增加。水分脅迫條件下，除12SG188根系層數、數量和99038根系層數外，其余均隨著供磷水平的提高而增加。與正常水分處理相比，水分脅迫下除12SG188根系層數、低中磷根系數量及99038低磷根系層數、中磷根系數量表現為增加外，其余處理根系層數、數量和總葉面積均降低，降幅分別為4.76%～8.70%、1.56%～12.90%和8.27%～52.72%。

2.3 玉米各器官磷含量

由表3可以看出，第一次收獲時，12SG188各器官磷含量除下部葉外均高于99038，且差異極顯著。各器官磷含量12SG188和99038均表現為莖+上部葉>根>下部葉>中部葉。

第二次收獲時，除99038低磷處理下部葉外，兩個玉米自交系各器官磷含量與處理前相比均增加。正常水分條件下，各器官磷含量除99038低磷和高磷處理外，其余處理均表現為莖+上部葉>根>下部葉>中部葉。除12SG188下部葉和99038根外，各器官磷含量均隨供磷量的增加而增大。處理15d后，12SG188和99038玉米自交系整株磷含量供高磷處理分別增加388.26、442.06mg/株，供中、低磷處理分別增加267.85、317.67mg/株及115.05、174.69mg/株。

水分脅迫條件下，除99038高磷處理表現為莖+上部葉>根>中部葉>下部葉外，其余處理均表現為莖+上部葉>根>下部葉>中部葉。隨供磷量的增加，各器官的磷含量除99038下部葉和12SG188根外均增加。處理15d后，12SG188和99038整株磷含量供高磷時分別增加273.36、264.84mg/株；供中、低磷時分別增加191.43、197.84mg/株及145.03、38.99mg/株。與正常水分處理相比，水分脅迫下各處理玉米整株磷含量除12SG188低磷處理外均降低，12SG188降幅在18.55%～21.58%之間，99038降幅在30.72%～54.93%之間。

2.4 玉米磷吸收轉運和分配

表4得出，兩個玉米自交系不同葉位木質部汁液的P含量除低磷正常水分處理和12SG188中磷水分脅迫處理外均表現為下部葉>中部葉>上部葉，Ca²⁺含量均表現為下部葉>中部葉>上部葉；而P/Ca²⁺表現不一致。

相同葉位木質部汁液中的磷含量，12SG188水分脅迫處理上、中部葉位以P2處理最高，下部葉位以P3處理最高；正常水分處理上、中葉位以P3處理最高，下部葉位以P2處理最高。99038水分脅迫處理上、中、下部葉位均以P3處理最高；正常水分處理上、下葉位以P1處理最高，中部葉位以P3處理最高。同一供磷水平下相同葉位木質部汁液的磷含量，除12SG188 P2中部葉位和99038 P3上部葉位外均表現為正常水分處理大于水分脅迫處理。

相同葉位木質部汁液中的鈣含量，12SG188水分脅迫處理和正常水分處理上、中、下部葉位均以P2處理最高。99038水分脅迫處理上、中部葉位以P1處理最高，下部葉位以P2處理最高；正常水分處理上部葉位以P1處理最高，中、下部葉位以P3處理最高。同一供磷水平下，相同葉位木質部汁液的鈣含量，除12SG188 P1下部葉和99038P3中部葉外均表現為水分脅迫處理大于正常水分處理。

相同葉位木質部汁液中的P/Ca²⁺，12SG188水分脅迫處理上、中部葉位均以P3處理最高，下部葉以P1最高；正常水分處理上、中、下部葉位均以P3處理最高。99038水分脅迫處理上、中、下部葉位均以P3處理最高；正常水分處理上、中、下部葉位均以P2處理最高。同一供磷水平下相同葉位木質部汁液的P/Ca²⁺，除12SG188 P1下部葉和99038 P3中部葉外均表現為正常水分處理大于水分脅迫處理。

通過不同葉位木質部汁液中的P/Ca²⁺值計算得到處理15d期間兩玉米自交系植株體內的磷吸收轉運情況，結果（圖1）表明，兩個玉米自交系除99038 P1處理下部葉消耗磷外，其余處理上、中、下部葉和根均積累磷。

正常水分條件下，12SG188除下部葉外上、中部葉和根積累磷的量均隨供磷水平的提高而增加；木質部中運輸磷的量和韌皮部的磷再循環量均以P3處理最高，其木質部中運輸總磷量的71.93%被運到上部葉，但其中56.93%的磷量又被韌皮部輸出；木質部中運輸總磷量和根積累磷量有63.22%來自韌皮部的再循環，其余來自根系的吸收。99038除根系外上、中、下部葉積累磷的量均隨供磷水平的提高而增加；木質部中運輸磷的量和韌皮部的磷再循環量均以P2處理最高，其木質部中運輸總磷量的31.12%被運到上部葉；木質部中運輸總磷量和根積累磷量有52.24%來自韌皮部的再循環，其余來自根系的吸收。

水分脅迫條件下，12SG188除根外上、中、下部葉積累磷的量均隨供磷水平的提高而增加；木質部中運輸磷的量和韌皮部的磷再循環量均以P3處理最高，其木質部中運輸總磷量的25.93%被運到上部葉。上部葉積累的磷有4.87%是來自木質部的運輸，其余的大部分是通過韌皮部運輸。木質部中運輸總磷量占根系吸收磷量的12.24%，韌皮部的磷再循環量占根系吸收量的71.66%，其余被根系積累。99038除下部葉積累磷的量以P2處理最高外，上、中部葉和根積累磷的量以及木質部中運輸磷的量均以P3處理最高，其木質部運輸總磷量的35.85%被運到上部葉，48.43%被運到中部葉，其余被運到下部葉；而韌皮部的磷再循環量以P2處理最高，占根系吸收磷量的49.06%。

同一供磷水平下，12SG188 P1處理上、中、下部葉和根積累磷的量以及木質部、韌皮部中運輸磷量均表現為水分脅迫處理大于正常水分處理；P2處理上、下部葉及根磷積累量和木質部運輸磷量為正常水分處理大于水分脅迫處理，中部葉磷積累量和韌皮部運輸量為水分脅迫處理大于正常水分處理；P3處理上部葉磷積累量以及木質部、韌皮部中運輸磷量為正常水分處理大于水分脅迫處理，中、下部葉和根積累磷的量為水分脅迫處理大于正常水分處理。99038除P3處理木質部中磷運輸量為水分脅迫處理大于正常水分處理外，其余均表現為正常水分處理大于水分脅迫處理。

3 討論與結論

磷素和水分是影響玉米生長發育的重要因子。而干重是玉米生長發育受水磷脅迫影響的累積結果，同時也是產量形成的基礎。研究認為水分脅迫抑制玉米植株的生長，進而降低玉米光合作用和干物質積累。施磷能增加植株整株干物質積累量。而Khamis等報道，缺磷前期對地上部生長抑制作用較弱，且能促進根系生長，而后期雖對兩者均抑制，但對地上部的抑制作用明顯大于根系；長期缺磷也會限制根系生長。本試驗條件下，兩個自交系間比較，12SG188生長期內根系層數、數量、總葉面積和整株干物質量均高于99038。供磷水平比較，無論水分脅迫與否，隨供磷量的增加兩個玉米自交系植株總葉面積和干物質積累量顯著增加。供水條件比較，僅12SG188低磷處理水分脅迫下干物質積累量高于正常水分，其它整株干物質積累量均低于正常水分處理，且99038降低幅度較12SG188更大；兩個玉米自交系整株總葉面積水分脅迫處理均低于正常水分處理。說明，12SG188玉米自交系生育前期植株根系數量、總葉面積及干物質積累量均高于99038，磷素對兩個玉米自交系植株生長發育的影響表現一致，而水分脅迫對99038植株生長的影響較12SG188更大。

作物對水分和養分的吸收雖然是兩個獨立的過程，但水分和養分對于作物生長的作用卻是相互制約的，這種水分和養分對作物生長作用相互制約和耦合的現象，稱為水肥耦合效應。水分作為養分的載體對養分的吸收轉運有著至關重要的作用，水分虧缺不僅影響有效養分的數量，而且影響養分通過擴散和質流向根系遷移的速率。一般情況下，水分脅迫使得營養器官的養分向籽粒中運輸，但會因為營養元素、作物器官的不同而有不同的分配狀況。而磷是在植物體內移動性較強的營養元素。本研究結果表明，品種間，12SG188生長期內磷素積累量高于99038。正常水分條件下，12SG188磷的總積累量的凈增量小于99038，而水分脅迫條件下則相反，99038小于12SG188。磷水平處理間，兩個玉米自交系磷的總積累量均隨供磷水平的提高而增加，99038中、高磷處理磷的總積累量較低磷處理的增加量均高于12SG188。水分處理間，12SG188低磷處理水分脅迫增加磷的總積累量，其它處理水分脅迫均降低植株磷的總積累量，且99038的磷總積累量更低，降低比例更高；99038磷的總積累量的增加量高磷正常水分處理大于高磷水分脅迫處理，且大于12SG188高磷正常水分處理。可見，12SG188玉米自交系較99038具有較高的磷素吸收效率，也較99038更耐低磷耐旱。

研究還表明，缺磷促進光合產物和磷在植物體內的運輸，促進其向生長旺盛的新生器官轉移，并促進磷在韌皮部的再循環。水分脅迫降低玉米植株木質部和韌皮部中磷的運輸量，增加中下部葉磷的轉運。本研究認為，在本試驗條件下，供磷水平間，99038正常水分處理木質部磷總運輸量表現為中磷>高磷>低磷，其他處理隨供磷量的增加而增加。水分脅迫條件下，兩個玉米自交系韌皮部均表現為向上運輸，磷的總運輸量12SG188和99038分別以高磷和中磷最大；正常水分條件下，兩個玉米自交系韌皮部中磷的運輸轉變為磷的再循環，磷再循環總量12SG188和99038分別以高磷和中磷最大。供水條件比較，僅99038高磷處理水分脅迫下木質部磷總運輸量高于正常水分，其它處理水分脅迫下木質部磷總運輸量均低于正常水分處理；除99038高磷處理外，正常水分處理降低韌皮部中磷的總運輸量，增加磷再循環總量。可見，12SG188高磷正常水分條件下木質部汁液磷總運輸量和韌皮部磷的再循環量最高，99038低磷水分脅迫條件下木質部和韌皮部中磷的總運輸量最低。