大麥株高近等基因系的磷素利用效率特性分析

王婧月，胡德益，孫 娟，唐曉燕，陳光登

(四川農業大學資源學院，四川成都 611130)

大麥是我國第四大糧食作物，也是啤酒與飼料工業的主要原料，在飼料、食品、啤酒、醫藥和食用保健品中都有著重要用途[1]。磷是大麥正常生長所必需的大量營養元素之一，參與了大麥體內眾多的生理生化過程。植物主要從土壤中汲取磷，而土壤中的有效磷含量較少[2-3]。因此，選育能高效利用土壤磷，且具有優良農藝性狀及產量性狀的大麥已成為當代大麥育種工作者追求的目標。株高是植物形態學調查工作中最基本的指標之一，是反映植物生長狀態最重要的性狀之一。有文獻認為，作物株高與磷效率之間可能存在一定的關系[4]，但這僅僅是基于相關性分析的結果，還需要更多的系統性研究來驗證。磷素利用效率是表征植物體內磷分配的重要指標，且作物的磷素利用效率又直接關系到產量性狀[5]。因此，改善作物磷素利用效率可起到增產的作用。影響磷素利用效率的因素有很多。研究表明，作物磷素的高效利用取決于其對體內儲存的磷素轉運、再利用能力的大小[6]。低磷脅迫下，油菜通過將代謝不活躍部位的磷素向活躍的代謝中心進行轉運來提高對體內磷素的再利用能力[7]。同時低磷脅迫也會刺激作物釋放其液泡內的磷素來改善體內缺磷的現象[8]。株高除影響水稻、小麥等作物磷素利用外[4,9]，也與作物產量及穗長、芒長等農藝性狀具有極顯著的相關關系[10-12]。此外，磷對植物的株高也會產生一定的影響。增施磷會提高小麥的株高[13]。因此，選育在不同磷水平下理想株高的大麥可增強作物的磷素利用效率及收獲指數，從而提高大麥產量[14]。近年來，雖然在作物磷效率機理方面的研究已取得一定進展，但對磷效率與農藝性狀，如磷效率與株高關系的研究還較少，尤其是作物形態學與磷效率之間關系的研究還鮮見報道。本研究采用土培盆栽試驗，分析不同施磷處理下大麥株高近等基因系磷素利用效率差異及農藝性狀與磷素利用效率相關關系，以期明確株高對大麥磷素利用效率的影響，為大麥磷高效育種提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為第四系近代河流沖積物發育而成的灰潮土，采自四川省成都市溫江區。其pH為8.05，有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為15.99 g·kg-1、0.50 g·kg-1、68.07 mg·kg-1、7.74 mg·kg-1、84.05 mg·kg-1。

供試材料為大麥株高近等基因系4對，分別為NIL01(NIL01-D、NIL01-T)、NIL02(NIL02-D、NIL02-T)、NIL03(NIL03-D、NIL03-T)、NIL04(NIL04-D、NIL04-T)(其中D表示為矮稈，T表示為高稈)；NIL01及NIL02遺傳背景來自于TX9425/Gairdner，NIL03及NIL04來自于TX9425/Franklin，均由四川農業大學資源學院提供。供試肥料為尿素(含N 46%)、磷酸二氫鉀(含P2O552%，K2O 34%)和硫酸鉀(含K2O 54%)，均為分析純。

1.2 試驗設計與處理

試驗于2016-2017年在四川農業大學教學科研農場有防雨設施的網室內進行，采用土培盆栽試驗(盆下徑直徑為28 cm，每盆裝5 kg風干土)，設置不施磷(P0)和施磷(P2O560 mg·kg-1，P60)兩種處理，重復三次，完全隨機排列，N、K均按150 mg·kg-1土正常供應。其中氮肥使用尿素，鉀肥使用K2SO4及KH2PO4，磷肥使用KH2PO4。每種基因型取20顆種子在10%H2O2溶液中消毒10 min，蒸餾水沖洗干凈后，于培養皿中催芽，待幼芽長至1～2 cm后選取長勢一致幼苗移栽于盆栽中。

1.3 樣品的采集與制備

于成熟期采樣，樣品用自來水洗凈后，再用去離子水潤洗并將采集的樣品分為根、秸稈、穗，在105 ℃下殺青30 min，再將溫度降至75 ℃烘干至恒重，粉碎后備用。

1.4 測定項目及方法

所測定農藝性狀包括株高、穗長、芒長、干重等，均直接采用直尺及天平測量。植物樣品磷含量采用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測定。

1.5 數據處理

磷積累量=干重×磷含量

磷素利用效率=干重÷磷積累量

收獲指數(HI)=籽粒干重÷地上部干重×100%

磷收獲指數(PHI)=籽粒磷含量÷地上部磷含量×100%[13]

統計分析在DPS(7.05)數據處理系統中進行，多重比較采用LSD法，圖表制作采用Origin 9.0和Microsoft Excel 2016。

2 結果與分析

2.1 不同磷處理下大麥株高近等基因系農藝性狀差異

施磷處理下大麥近等基因系株高、單株產量、單株秸稈干重及收獲指數均較不施磷處理增高(表1)，說明施磷對大麥的生長和產量具有促進作用。同時，兩種磷處理下，高稈大麥的株高、穗長、芒長、產量及收獲指數均顯著大于矮稈大麥，而其單株秸稈干重小于矮稈大麥，且在不施磷處理下這種差異全部達到了顯著水平。與不施磷處理相比，施磷后高稈大麥株高增加幅度小于矮稈大麥。

表1 不同施磷處理下大麥株高近等基因系農藝性狀間的差異Table 1 Differences of the agronomic traits in plant height near-isogenic lines of barley under different phosphorus treatment

同列數值后不同小寫字母表示同一施磷水平下相同背景不同株高基因型間差異顯著(P<0.05)。“*”表示同一基因型的不同施磷水平間差異顯著(P<0.05)。下表同。

Different letters following the values within the same column indicate significant differences between two genotypes with a same genetic background and same P level at 0.05 level.* indicates significant differences between two phosphorus levels within a same genotype at 0.05 level.The same in table 2.

2.2 大麥株高近等基因系各部位磷含量及磷積累量

施磷處理的大麥近等基因系秸稈、籽粒及根系磷含量和積累量均高于不施磷處理(圖1)，其中根系、秸稈和籽粒磷含量的增幅分別為15%～148%、43%～323%和7%～36%，磷積累量的增幅分別為41%～188%、81%～297%和10%～141%。不施磷處理下，高稈大麥的秸稈磷含量及磷積累量整體小于矮稈大麥，而其籽粒磷積累量整體大于矮稈大麥，最大增幅可達89.87%。值得注意的是，施磷處理下高稈大麥的秸稈磷含量較不施磷處理提高168%～323%，而矮稈大麥則提高43%～85%，說明施磷對高稈大麥秸稈磷含量的促進效應明顯高于矮稈大麥。

圖柱上不同小寫字母表示同一施磷水平下相同背景不同株高基因型間差異顯著(P<0.05)?！?”表示同一基因型間不同施磷水平間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

2.3 大麥株高近等基因系磷素利用效率特性

從圖2可知，在施磷處理下，大麥根系、秸稈及籽粒的磷素利用效率總體小于不施磷處理，其中根系和秸稈磷素利用效率的降幅分別為40%～88%和25%～68%，籽粒磷素利用效率除近等基因系NIL03-D外，其余等基因系降幅為72%～97%。與不施磷處理相比，施磷后矮稈大麥的秸稈磷素利用效率下降了32%～48%，而高稈大麥則下降了69%～75%。在不施磷處理下，高稈大麥的秸稈磷素利用效率整體上大于矮稈大麥，最高高出78.29%。施磷處理下高稈大麥的磷收獲指數小于不施磷處理，而矮稈大麥則表現相反。同時，不施磷處理下，高稈大麥的磷收獲指數大于矮稈大麥。

圖2 不同施磷處理下株高近等基因系磷素利用效率及磷收獲指數間的差異

2.4 大麥株高近等基因系農藝性狀與磷素利用特性的相關關系

相關性分析(表2)表明，在兩種磷處理下，大麥單株產量與籽粒磷積累都呈顯著正相關，而單株產量與根系磷積累呈極顯著或顯著負相關。有的相關關系受到施磷處理的影響。施磷處理下，株高、芒長與籽粒磷含量，單株秸稈干重與磷收獲指數間均呈顯著正相關，而株高、芒長與籽粒磷利用效率，芒長與秸稈磷利用效率，收獲指數與根系磷積累量則均呈顯著負相關。不施磷處理下，株高、芒長、穗長與籽粒磷積累量，穗長、單株產量、收獲指數與磷收獲指數，單株根系干重與籽粒磷利用效率，單株秸稈干重與秸稈磷含量，單株產量與根系磷利用效率均呈正相關；而株高、芒長、穗長、收獲指數與秸稈磷含量，單株根系干重與籽粒磷含量，單株產量與根系磷含量均呈負相關。

3 討 論

3.1 不同施磷處理下大麥近等基因系農藝性狀差異

本研究對四對大麥近等基因系的株高、穗長、芒長、干重及收獲指數進行了分析，結果表明,在不同施磷處理下大麥近等基因系間都存在著差異。株高和穗長是影響作物產量的兩個重要因素，選擇理想株高、穗長及芒長的品種將對作物的增產有著非常積極的意義[15-17]。本研究中，施磷能提高大麥的株高，對矮稈大麥的效應大于高稈大麥，但對穗長、芒長的影響較小。高稈大麥的株高、穗長、芒長顯著大于矮稈大麥，這一研究結果與杜歡等[10]的相似。目前對于作物株高、穗長及芒長的研究已進入分子水平[18-20]。控制作物株高、穗長、芒長的基因位于同一條染色體上，這可能是造成以上結果的原因之一[21]。有研究發現，施磷能促進大麥單株產量、秸稈干重及收獲指數的增加，而對根系干重的影響不明顯。造成這種現象的原因可能是不施磷處理下，低磷脅迫促進大麥根系的伸長，從而獲得更多的磷[22-23]。收獲指數對作物產量貢獻較大[24]。本研究中，矮稈大麥單株秸稈干重及收獲指數大于高稈大麥，且差異在不施磷處理下都達到了顯著水平，與Manske等[9]在小麥中的研究結果一致，推測造成這種現象的原因是矮稈大麥具有更多的分蘗數或者更粗的莖稈[25-26]。

表2 不同施磷處理下株高大麥近等基因系農藝性狀與磷效率間的相關關系Table 2 Relationship between agronomic traits and phosphorus efficiency in plant height near-isogenic lines of barley under different phosphorus treatments

*：P<0.05；**:P<0.01.

3.2 不同施磷處理下大麥近等基因系磷素利用特征

植物體內磷含量與干重息息相關[27]，為獲得更高的產量，提高植物體內磷含量是重要的措施之一。本研究結果顯示，大麥近等基因系根系、秸稈、籽粒磷含量及磷積累量整體表現為施磷處理高于不施磷處理；同時不施磷處理下，秸稈磷含量及磷積累量表現為矮稈大麥大于高稈大麥，而籽粒磷積累量則表現相反。此外，施磷下高稈和矮稈大麥秸稈磷含量分別增加了2.68～4.23和1.43～1.85倍。上述結果說明，施磷能提高大麥體內的磷含量及磷積累量，而高稈大麥秸稈磷含量的敏感度高于矮稈大麥，表明高稈大麥在低磷條件下擁有更佳的秸稈磷素利用效率，有能向籽粒分配更多磷素的潛力，從而更好地適應低磷環境。

作物磷素的高效利用取決于其對體內儲存的磷素轉運、再利用能力的大小[28]，作物磷利用效率又是其產量的重要影響因素之一[29]。研究表明，作物磷利用效率受環境中的磷含量影響，低磷脅迫下，作物通過優化磷素在各組織的分配比例或釋放液泡中儲存的磷使其生長狀況更佳[8,30]。本研究也得出了相似的結果，不施磷處理下大麥各部位磷素利用效率普遍更高，證明植物受到低磷脅迫時，有更好的磷分配能力，從而使植物獲得更好的生長及更高的產量[25,31]。同時不施磷處理下，高稈大麥磷收獲指數總體大于矮稈大麥，而施磷處理下表現相反，說明施磷肥能促進矮稈大麥體內的磷向籽粒中轉運，這與范霞等[32]對玉米氮收獲指數的研究結果相似。這一結果也間接說明高稈大麥在低磷條件下具有更優的磷分配能力，擁有更優的磷素利用能力，從而獲得低磷下更優的產量。而矮稈大麥的磷分配受低磷脅迫影響較高稈大麥更大。

3.3 大麥近等基因系農藝性狀與磷素利用特征的相關性分析

冬小麥與春小麥的磷營養效率與株高都有較為密切的關系[9,33]，同時株高也是玉米、大豆等磷效率的關鍵性因素[4,9,34]。而磷效率又包括磷吸收效率及磷利用效率[16]。有研究表明，在不同磷處理下，株高近等基因系中的矮稈小麥的單位根長磷素吸收效率具有顯著的差異[35]，說明了株高對作物磷素吸收效率的影響。但是關于株高對磷素利用效率是否存在影響，還值得我們做進一步的探討。

本研究結果表明，不施磷處理下，高稈大麥(NIL01-T、NIL02-T、NIL03-T)的磷收獲指數顯著大于矮稈大麥。造成這種現象的原因是不施磷處理下高稈大麥籽粒磷積累量整體高于矮稈大麥，而其秸稈磷積累量顯著低于矮稈大麥。這種現象表明在低磷脅迫下高稈大麥較矮稈大麥能分配更多的磷素到籽粒中，而矮稈大麥體內的磷素則更多的分配到秸稈中。同時通過相關關系分析也可以得到相似的結論，不施磷處理下，株高與磷收獲指數呈顯著正相關，說明高稈大麥在低磷脅迫下擁有更高的磷收獲指數，所以當大麥株高近等基因系體內磷積累量相似時，高稈大麥能往籽粒中分配更多的磷，而籽粒磷積累又與產量呈現顯著正相關，表明高稈大麥較矮稈大麥能在低磷脅迫下獲得更高的產量。同時在不施磷條件下，近等基因系秸稈磷素利用效率亦表現出高稈大麥大于矮稈大麥的趨勢。因此，在低磷下近等基因系中高稈大麥具有更好的磷分配比例和更高的磷利用效率，能更好地適應低磷環境，矮稈大麥則在磷充足的環境中能獲得更多的分蘗優勢[36]。

大麥磷素利用效率同時受到了株高及施磷處理的影響，其中施磷處理的影響較大，施磷促使大麥獲取更高的產量。相較于矮稈大麥，高稈大麥在低磷環境時具有更高的收獲指數及磷收獲指數，且高稈大麥收獲指數及磷收獲指數受低磷脅迫的影響程度較矮稈大麥更弱，說明高稈大麥具有更高的耐低磷特性。低磷條件下，高稈大麥能向籽粒中分配更多的磷素，減少產量損失。因此，高稈大麥具有更強的耐低磷特性，在缺磷土壤中選擇株高較高的大麥品種能獲得更好的經濟效益，而在磷充足的環境中，矮稈大麥則更具優勢。