低磷脅迫對甘蔗幼苗生長和生理特性的影響

2019-12-23 07:23:39柯野謝璐藍林唐新蓮

江蘇農業科學 2019年20期

柯野謝璐藍林唐新蓮

摘要：以甘蔗品種ROC22和ROC10為材料，采用盆栽試驗研究了不同施磷量對甘蔗幼苗的生長、生理特性、磷利用效率的影響。結果表明：低磷脅迫使甘蔗的株高、葉長、葉寬、葉片數和生物量降低，根冠比提高，根的二維形狀發生改變;施磷量減少顯著降低了葉綠素含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶（POD）活性和超氧化物歧化酶（SOD）活性;低磷脅迫會降低甘蔗幼苗根、莖、葉各營養器官的磷累積量，而磷利用效率會隨著施磷量的減少而提高。綜上，低磷脅迫會使甘蔗形態發生改變，SOD與POD的活性發生變化，磷利用效率提高。

關鍵詞：低磷脅迫;甘蔗幼苗;生理特性;農藝性狀;根系形態;生物量;根冠比;抗氧化酶;磷積累量;磷利用效率

中圖分類號： S435.661;Q945?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0114-04

磷不僅是核酸、蛋白質、磷脂等有機化合物的重要組成成分，同時又參與植物體內光合與呼吸、酶的活化與失活、信號轉導等多種生理過程，對植物的生長發育、產量和品質都具有顯著的影響[1-2]。磷在土壤中的移動速率慢，且容易被鈣、鐵、鋁化合物以及黏粒吸附、固定、沉淀等[3]，使磷肥的利用率只有15%～25%[4]，土壤缺磷也成了作物生產的主要限制因素之一。

近年來隨著糖業基地建設發展，廣西甘蔗種植面積超過100萬hm2，占全國總種植甘蔗面積的60%左右[5]，蔗糖業已成為廣西經濟發展的重要支柱和農民脫貧致富的重要來源。然而熱帶亞熱帶蔗區絕大部分土壤為酸性紅壤，其有機磷含量只占全磷量的10%以下[6]，且土壤脫硅富鋁、富鐵化重，土壤有效磷缺乏和磷肥利用率低[7]。貯存和轉運能力是磷在甘蔗中最重要的作用[8]。適量的磷素能夠促進甘蔗干物質的積累、分蘗、生長，過多或過少都會對其產生不利的影響[9]。前人研究表明，缺磷會使甘蔗的形狀發生改變，主要表現為分蘗減少、節間變短、根細而長，變為紅棕色，莖葉和根的重量大減，從而影響甘蔗的產量和品質[10]。但有關磷對甘蔗根系構型、生理特性的研究較少，因此，本試驗從甘蔗形態、生理特性以及磷利用效率方面入手，研究低磷脅迫對甘蔗的形態變化、根系特性以及生理適用機制的影響，為進一步探討甘蔗耐磷脅迫的分子機制及培育耐低磷甘蔗品種提供參考，對于節約資源、保護環境和降低甘蔗生產成本也具有一定的作用。

1?材料與方法

1.1?供試材料

供試甘蔗品種為新臺糖22號（ROC22）和新臺糖10號（ROC10），均由廣西大學農學院提供。

1.2?供試土壤

試驗土壤來自廣西南寧市青秀區南陽鎮河床沙質土，土壤基本理化性質：全氮含量0.58 g/kg，堿解氮含量 57.12 mg/kg，全磷含量0.13 g/kg，全鉀含量4.37 g/kg，速效磷含量0.79 mg/kg，速效鉀含量49.5 mg/kg，有機質含量 7.31 g/kg，pH值4.62。

1.3?試驗設計

試驗于2014年4—6月在廣西大學農學院農業資源與環境系溫室大棚中進行，采用盆栽試驗方法。在高30 cm、直徑34.5 cm盆中裝20 kg風干土。試驗設置4個施磷處理：0.4 g/kg（P0.4）、0.2 g/kg（P0.2）、0.08 g/kg（P0.08）、0 g/kg（P0），其中P0.4為標準對照。氮肥和鉀肥用量均為 0.4 g/kg。供試氮肥為尿素，磷肥為磷酸二氫鈉（分析純），鉀肥為硫酸鉀（分析純）。將肥料與土壤拌均勻后裝入盆中，全部肥料均為一次性加入。材料均選取甘蔗中上部，砍5 cm左右的單芽莖，將砍下的甘蔗種莖放置在飽和石灰水中浸泡、催芽、滅菌，12 h后取出，用自來水沖洗干凈后，將種莖放在有機質中育苗2 d左右，至甘蔗芽萌動后，移栽盆中。每個處理3個重復，每盆定植3株。參照大田管理，及時澆水除草、必要時進行病蟲害防治。

1.4?測定項目與方法

收獲前一天采取正一葉測定葉綠素含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶活性以及超氧化物歧化酶活性。其中，葉綠素含量的測定參考高俊鳳的方法[11]，可溶性蛋白含量的測定參考考馬斯亮藍G-250染色法[11]，過氧化物酶（POD）以及超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定分別參考愈創木酚法和NBT光還原法[12]。收獲時測定葉長、葉寬、株高、葉片數等表型性狀。地下部清洗干凈后分離出1株根系進行掃描，采用根系掃描-WinRHIZO圖像分析系統，獲取根系的總根長、總表面積、總體積、平均直徑等二維根構型參數。其余地上部和地下部剪碎烘干后測定生物量及磷含量。

1.5?數據處理

用Excel 2007處理數據并作圖，用SPSS 17.0軟件進行顯著性檢驗和多重比較（新復極差法）。

2?結果與分析

2.1?低磷脅迫對甘蔗農藝性狀的影響

從表1可知，品種ROC22施磷處理（P0.4、P0.2、P0.08）的株高、葉長、葉寬以及葉片數均顯著高于不施磷肥（P0）處理（P<0.05），不同施磷量（P0.4、P0.2、P0.08）處理對株高和葉長無顯著影響，但低磷脅迫（P0.2、P0.08）處理的葉寬和葉片數與正常施肥（P0.4）處理間存在顯著性差異（P<0.05），P0.4處理的葉寬分別是P0.2和P0.08處理的 1.2、1.3倍，葉片數分別是P0.2和P0.08處理的1.13、1.20倍。品種ROC10在低磷脅迫（P0.2和P0.08處理）下，株高和葉長無顯著差異，葉寬和葉片數已經達到正常施磷（P0.4處理）水平。

2.2?低磷脅迫對甘蔗生物量及根冠比的影響

表2表明，2個甘蔗品種植株生物量均隨著施磷量的減少而明顯減少。其中施磷量對地上部的影響較大，對于ROC22品種，與P0.4處理相比，不施磷肥處理（P0）和低磷處理（P0.08和P0.2）地上部干質量均顯著減少（P<0.05）;對于ROC10品種，不施磷肥處理（P0）和低磷處理（P0.08和P0.2）的地上部干質量均低于P0.4處理，其中P0和P0.08處理差異達顯著水平（P<0.05）。甘蔗根干質量受磷肥影響較小，與正常施磷（P0.4處理）相比，不施磷肥處理（P0）的ROC22品種變化顯著，低磷處理（P0.08和P0.2）下的甘蔗根干質量無顯著變化。隨著施磷量的減少，根冠比呈現出增加趨勢，在不施磷肥（P0）和低磷脅迫（P0.08和 P0.2 處理）下ROC22品種的根冠比分別比正常施磷（P0.4處理）提高114%、36%和14%，ROC10品種的根冠比分別比正常施磷（P0.4處理）提高70%、30%和10%。

2.3?低磷脅迫對甘蔗根系形態的影響

從表3可以看出，低磷脅迫對甘蔗根系形態的影響在不同品種間表現不同。對于ROC22品種，各處理間甘蔗根系的平均直徑無顯著差異，而各處理下甘蔗根系的總長度、總表面積、總體積則表現為P0.08處理>P0.4處理>P0.2處理>P0處理，與P0.4處理相比，P0顯著減少，P0.2和P0.08處理無顯著變化（P<0.05），P0處理顯著減少（P<0.05），P0.2處理無顯著變化。對于ROC10品種，各處理間甘蔗根系的總表面積和總體積無顯著差異;與正常施磷（P0.4）處理相比，除不施磷肥（P0）處理的根系總長度、平均直徑顯著減少外，低磷處理（P0.08和P0.2）均無顯著差異。

2.4?低磷脅迫對甘蔗葉片葉綠素含量的影響

表4顯示，ROC22的葉綠素a含量和葉綠素總量的變化趨勢為P0.2處理>P0.08處理>P0.4處理>P0處理?ROC10的葉綠素a含量、葉綠素b含量及葉綠素總量的變化趨勢相同，均表現為P0.2處理>P0.4處理>P0.08處理>P0處理。與正常施磷（P0.4）處理相比，2個甘蔗品種不施磷（P0）處理的各項指標均顯著減少（P<0.05），P0.2略有增加。與P0.4處理相比，P0、P0.08和P0.2處理的葉綠素a/b均有所增加，其中P0.08和P0處理達顯著水平（P<0.05）。

2.5?低磷脅迫對甘蔗葉片可溶性蛋白含量的影響

蛋白含量表現為P0.4處理>P0.2處理>P0.08處理>P0處理，與P0.4處理相比，P0.08和P0處理分別顯著降低了26%和46%（P<0.05），P0.2處理無顯著變化。ROC10品種的4個處理葉片可溶性蛋白含量則表現為P0.2處理>P0.4處理> P0.08處理>P0處理，與P0.4處理相比，P0.08和P0處理顯著減少（P<0.05），P0.2處理無顯著變化。

2.6?低磷脅迫對甘蔗葉片抗氧化酶活性的影響

表5顯示，隨著磷肥用量的減少，SOD和POD活性均提高了。對于ROC22品種，P0、P0.08、P0.2處理的POD活性分別是P0.4處理的4.8、2.3、1.5倍，其中P0和P0.08達到差異顯著水平（P<0.05）;P0.4處理SOD為3.52 U/mg，P0、P0.08和P0.2處理均比P0.4處理顯著增加（P<0.05）。對于ROC10品種，與P0.4處理相比，P0、P0.08和P0.2處理的SOD和POD活性均有所增加，其中P0、P0.08達到顯著水平（P<0.05）。

2.7?低磷脅迫對甘蔗磷積累量的影響

如表6所示，隨著施磷量的減少，ROC22的根、莖、葉中的磷積累量逐漸減少，植株中總的磷積累量也逐漸減少，與正常施磷（P0.4）處理相比，不施磷肥（P0）處理和低磷處理（P0.08和P0.2）均達到顯著差異水平（P<0.05）。在品種ROC10上，各處理根系中磷積累量無顯著差異;與P0.4處理相比，P0、P0.08和P0.2處理的莖、葉磷積累量以及總磷積累量均顯著下降（P<0.05）。

2.8?低磷脅迫對甘蔗磷利用效率的影響

由圖2可知，磷脅迫處理（P0、P0.08、P0.2）提高了磷的利用效率，相較正常磷供應（P0.4），ROC22的P0、P0.08、P0.2處理的磷肥利用效率分別提高了2.8、1.3、0.5倍，其中P0和P0.08處理達顯著水平（P<0.05）。對于ROC10品種，P0、P0.08、P0.2處理的磷肥利用效率分別比 P0.4 處理提高2.7倍、1.7倍、0.7倍，與P0.4處理相比，P0、P0.08和P0.2均達到顯著水平（P<0.05）。

3?討論與結論

磷是作物生長發育所必需的大量元素之一，在缺磷條件下，為了適應逆境條件，作物發生一系列的生理生化反應，作物[CM（25]的形態指標、產量發生變化。在根系形態變化上的研究結果中發現，低磷脅迫會顯著降低作物根系總根長、總根表面積等根系參數，主根長度、根系平均直徑變小等現象[13]。本研究結果表明，低磷脅迫會降低甘蔗的株高、葉長、葉片數、地上部和根的干質量、根系總長度、根系總面積和根系總體積，同時也會提高根冠比。這與前人對杉木[14]、紫花苜蓿[15]、甘薯[16]等作物的研究結果相一致。張彥麗發現，低磷脅迫雖然增加了擬南芥的側根數及長度、根系總表面積和總體積，但是對根系直徑影響不大[17]，與本研究表3的ROC22的結果一致。通過研究發現，ROC22與ROC10在一些指標的表現上不同，如ROC10的株高、葉長、根干質量、根系總表面積、根系總體積、根系磷積累量等方面并無顯著性差異，出現這種結果可能是由品種間差異造成的，說明ROC10對缺磷的忍受能力更強。

低磷脅迫會誘導植物產生一系列的生理生化反應，進而調節植物的生長發育。本試驗結果顯示，隨著施磷量的減少，可溶性蛋白和葉綠素含量也逐漸減少。與前人在馬尾松[18]、小麥[19]、大蒜[20]上的研究結果一致。與此同時，對比處理P0.2與處理P0.4可知，隨著施磷量的提高，會對可溶性蛋白含量產生抑制作用，這與馮磊等在大蒜[20]和郭愛花等在韭菜[21]上的研究結果相同，此現象可能是由于處理P0.2和處理P0.4已經對甘蔗產生高磷脅迫，使其體內的蛋白合成受阻，導致對甘蔗供試品種的可溶性蛋白產生抑制作用。

SOD是防御超氧陰離子自由基對細胞傷害的抗氧化酶，在植物體內活性氧清除系統中起著關鍵作用。POD具有多種氧化功能，能分解植物體內有害作用的過氧化氫，對基體起著重要的保護作用[22]。本研究結果表明，在低磷脅迫的作用下，SOD與POD的活性會明顯提高。這與馬建華等對高粱[23]、劉厚誠等對豇豆[24]的研究結果一致。SOD、POD活性的提高，主要是由于低磷脅迫下，植株內會產生大量的活性氧自由基，刺激了保護酶系統（SOD、POD）活性的增強，加快自由基的清除，從而提高防御能力，抵抗逆境條件對植株的傷害[25]。

本試驗結果表明，隨著施磷量的減少，甘蔗植株中總磷積累量明顯降低，其中降幅在甘蔗的莖、葉中尤為明顯，這與任立飛等在黃花苜蓿上的研究結果[26]一致。同時經研究發現，雖然施磷量減少，植株總磷積累量降低，但是磷利用效率卻顯著提高。這與前人在蘋果[27]和杉木[14]中的研究結果相同。根系是土壤和作物聯系的紐帶，因此甘蔗根系的變化可能是磷利用效率提高的原因之一。

參考文獻：

[1]Olday F C. Mineral nutrition of plants mineral nutrition of plants：principles and perspectives emanuel epstein[J]. Bioscience，1972，22（12）：739.

[2]劉?輝. 大麥和小麥對低磷脅迫的生長反應及其生理生化機制研究[D]. 重慶：西南農業大學，2003.

[3]王?艷，孫?杰，王榮萍，等. 玉米自交系苗期生物學性狀與磷效率的相關性[J]. 山西農業大學學報（自然科學版），2003（1）：28-31.

[4]李生秀. 植物營養與肥料學科的現狀與展望[J]. 植物營養與肥料學報，1999（3）：193-205.

[5]李恒銳，劉連軍，黎?萍. 甘蔗脫毒健康組培苗種植技術措施[J]. 農業研究與應用，2012（3）：50-51.

[6]孫桂芳，金繼運，石元亮. 土壤磷素形態及其生物有效性研究進展[J]. 中國土壤與肥料，2011（2）：1-9.

[7]郭家文，刀靜梅，樊?仙，等. 甘蔗磷高效種質資源的篩選[J]. 土壤與作物，2012，1（4）：248-254.

[8]《常用農業科技詞淺釋》編寫組. 常用農業科技詞淺釋[M]. 北京：科學普及出版社，1982.

[9]中國社會科學院語言研究所詞典編輯室. 現代漢語詞典（2002增補本）[M]. 北京：商務印書館，2002：114.

[10]McCray J J，Ronald W R，Luo Y G，et al. Sugarcane response to phosphorus fertilizer on everglades histosols[J]. Agronomy Journal，2010，102（5）：1468-1477.

[11]高俊鳳. 植物生理學實驗指導[M]. 北京：高等教育出版社，2006：72-142.

[12]張志良，瞿偉菁. 植物生理學實驗指導[M]. 北京：高等教育出版社，2003：123-124.

[13]羅?佳?候銀瑩?程軍回，等. 低磷脅迫下不同磷效率基因型棉花的根系形態特征[J]. 中國農業科學，2016，49（12）：2280-2289.

[14]于姣妲，李?瑩，殷丹陽，等. 杉木對低磷脅迫的響應和生理適應機制[J]. 林業科學研究，2017，30（4）：566-575.

[15]栗振義，張綺芯，仝宗永，等. 不同紫花苜蓿品種對低磷環境的形態與生理響應分析[J]. 中國農業科學，2017，50（20）：3898-3907.

[16]馬若囡，劉?慶，李?歡，等. 缺磷脅迫對甘薯前期根系發育及養分吸收的影響[J]. 華北農學報，2017，32（5）：171-176.

[17]張彥麗. 不同磷效率大豆基因型根形態構型對低磷脅迫的響應[J]. 中國農學通報，2010，26（14）：182-185.

[18]喬?光，崔博文，文曉鵬，等. 不同種源馬尾松幼苗對低磷脅迫的生理響應[J]. 種子，2017，36（8）：32-36，41.

[19]鄭金鳳，李成璞，董少鳴，等. 低磷脅迫對小麥代換系葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響及染色體效應[J]. 華北農學報，2010，25（5）：161-165.

[20]馮?磊，劉世琦，成?波，等. 不同水培磷素水平對大蒜產量、光合特性和品質的影響[J]. 中國土壤與肥料，2014（3）：38-43.

[21]郭愛花，陳?鈺. 不同供磷水平對韭菜可溶性蛋白與可溶性糖含量的影響[J]. 山東農業科學，2009（4）：78-79，89.

[22]黃小鳳，譚中文，梁計南，等. 缺磷脅迫下甘蔗幼苗和愈傷組織保護酶活性的變化[J]. 甘蔗糖業，2005（2）：15-21.