不同品種紫花苜蓿根系形態(tài)及生理特征對磷水平的響應

馬 紅，孟 捷，李 寧

（新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052）

磷是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一，在植物的光合作用、呼吸作用以及生理調(diào)節(jié)過程中起著不可替代的作用，也參與到植物體內(nèi)的能量傳輸過程[1]。土壤中磷素的來源主要是化學肥料中的磷素輸入，雖然外施磷肥能解決土壤中磷素匱乏的問題，但我國磷礦資源短缺，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的磷肥尚需進口；且磷素在土壤中易被固定，僅處于根區(qū)表層的磷易被植物吸收利用[2-3]。我國大部分土壤中有效磷含量較低或結(jié)合態(tài)磷含量較高，已成為限制植物生產(chǎn)的最主要的因素之一[4]。利用植物自身磷吸收與轉(zhuǎn)運高效的生物學特性來提高土壤磷肥的有效性，是解決土壤有效磷缺乏或磷利用效率低下問題的根本途徑[5]。植物對土壤中磷的吸收主要依靠植物根系，良好的根系形態(tài)有助于植物對養(yǎng)分的高效利用，植物根系形態(tài)具有可塑性，可通過調(diào)節(jié)自身形態(tài)適應外界環(huán)境[6]。例如植物通過對根系形態(tài)變化以及生理調(diào)控來緩解低磷脅迫，這些調(diào)控包括根系變長，根體積、根冠比的增大以及根際磷酸酶活性的增加等[7]。研究發(fā)現(xiàn)缺磷條件下，大豆(Glycine max)通過增加根系分泌酸性磷酸酶來實現(xiàn)磷的高效利用，低磷處理下多個大豆品種根尖酸性磷酸酶活性之間存在顯著差異，且低磷處理下的大豆根尖酸性磷酸酶活性高于正常磷處理[8]，而辣椒(Capsicum annuum)則通過增加根系生物量及總根長來適應低磷的根際特征[9]。因此，植物磷高效利用的途徑可能是綜合根系形態(tài)和根際生理特征兩方面。

我國是全球第二大苜蓿種植國，占全球種植面積的15%[10]。苜蓿作為西北干旱半干旱地區(qū)人工種植面積最大的優(yōu)質(zhì)多年生豆科牧草[11]，是畜牧業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的植物蛋白資源[12]。研究表明，施磷能提高紫花苜蓿(Medicago sativa)根瘤的固氮活性、促進根瘤的固氮能力，進而提高紫花苜蓿的飼草品質(zhì)和干草產(chǎn)量[13]。紫花苜蓿作為喜磷作物之一，其生長過程中所需有效磷一般為10～15 mg·kg?1，但在生產(chǎn)中尤其是高產(chǎn)苜蓿田中，磷肥的合理施用還沒有引起人們廣泛關注[14]。已有研究證實，植物磷吸收利用效率的差異不僅出現(xiàn)在不同作物之間，同種作物的不同基因型之間也存在磷吸收的差異性[15]。所以提高紫花苜蓿磷吸收利用效率，解決苜蓿生產(chǎn)中有效磷缺乏的問題，可以考慮通過篩選耐低磷品種，挖掘紫花苜蓿自身遺傳潛力，改善磷營養(yǎng)遺傳特性等手段來實現(xiàn)。本研究通過設定6 種磷水平，研究了新牧一號、耐鹽之星、隴東、龍牧801、肇東、巨能Ⅱ 6 種紫花苜蓿在不同磷濃度處理下的總根長、根表面積、根體積、根系磷吸收效率及根系酸性磷酸酶活性對磷肥的響應特征，以期為紫花苜蓿磷高效品種的選育、耐低磷性評價及土壤缺磷地區(qū)紫花苜蓿品種的選擇提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

試驗于2019 年6 月 ? 10 月在新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院植物光照培養(yǎng)室、土壤與生態(tài)過程實驗室開展。選取前期篩選出的具有磷效率差異的6 份紫花苜蓿種質(zhì)材料(新牧一號、耐鹽之星、隴東、龍牧801、肇東、巨能Ⅱ)。營養(yǎng)液采用改良的Hoagland 營養(yǎng)液配方(表1)[16]，其中全量Hoagland營養(yǎng)液中鐵鹽溶液2.5 mL·L?1、微量元素5 mL·L?1，營養(yǎng)液中的磷源采用KH2PO4(分析純)配制，用KCl調(diào)平鉀離子。共設6 個磷水平，分別為0 (P0)、50 (P1)、100 (P2)、500 (P3)、1 000 (P4)和1 500 μmol·L?1(P5)，以KH2PO4為磷源的Hoagland 營養(yǎng)液。挑選顆粒飽滿、顏色純正的紫花苜蓿種子，用75%酒精滅菌后晾干，置于含有濾紙的培養(yǎng)皿發(fā)芽。保持濕潤條件，待幼苗生長10 d 時，即胚根長度約為3 cm 時移至長寬 高分別為38 cm × 27 cm × 14 cm 的含有改良的Hoagland 營養(yǎng)液的方形培養(yǎng)盆，每盆移植30 株，用定植棉和定植籃定植于方形培養(yǎng)盆，置于溫室培養(yǎng)，光照條件為光照14 h/黑暗10 h，晝/夜溫度為25℃/20 ℃，每4 d 換一次營養(yǎng)液，期間調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH 保持在6.0～6.3。紫花苜蓿幼苗在適磷(500 μmol·L?1KH2PO4)條件下生長10 d 后，即幼苗高度3 cm 左右時，按事先設定的6 種磷水平進行處理，每個處理重復4 次(即培養(yǎng)4 盆)，共24 盆，且完全隨機排列。連續(xù)處理50 d 后分別檢測6 種磷處理條件下各紫花苜蓿相關性狀指標，每個指標檢測3 個重復，每個重復5 個單株。

表1 Hoagland 營養(yǎng)液配方Table 1 Hoagland nutrient solution formula

1.2 測定指標與方法

(1)根系形態(tài)指標：各重復隨機取5 株剪取完整根系，用 Win RHIZO Pro V850Pro 加拿大根系掃描分析系統(tǒng)掃描，獲得分辨率為300 dpi 的黑白根系掃描圖像，進一步分析圖像獲得總根長、根表面積、根體積等參數(shù)。

(2)根系酸性磷酸酶活性(ACP)：對硝基苯磷酸鹽法測定[17]。

(3)植物磷素測定：H2SO4-H2O2消煮–鉬銻抗比色法測定[18]，將地上部與地下部分開測定。

(4)根系磷吸收效率 = 地上部含磷量/總根長[19]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用Excel 2016 整理匯總數(shù)據(jù)，用SPSS 20.0 分別對不同磷水平處理下各品種紫花苜蓿測定指標進行ANOVA 單因素方差分析，并用Duncan 法對各測定數(shù)據(jù)進行多重比較，顯著水平為0.05，用平均值 ± 標準誤表示結(jié)果；Origin 2018 進行圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花苜蓿根系形態(tài)特征對磷肥的響應

6 種供磷水平下，在同濃度磷處理時紫花苜蓿總根長在各品種間存在差異性(表2)，其中新牧一號、耐鹽之星、肇東、巨能II 4 個品種紫花苜蓿在低磷處理P1時總根長達到最大，而隴東、龍牧801 總根長分別在適磷P3、高磷P4處理下達到最大。新牧一號、龍牧801 根長最小值出現(xiàn)在P0磷處理下，肇東、巨能II 根長最小值出現(xiàn)在P4磷處理下，而耐鹽之星、隴東的根長最小值出現(xiàn)在P5磷處理下。6 種磷處理下各品種總根長最大值與最小值相比，降幅具有明顯差異，表現(xiàn)為新牧一號、耐鹽之星、隴東、龍牧801、肇東、巨能II 總根長降幅分別達到29.8%、18.0%、12.9%、17.1%、27.1%和12.6%。在設定的 6種供磷水平下，P0時肇東根表面積顯著低于(P ＜0.05)新牧一號、耐鹽之星、巨能II；P1處理時新牧一號與耐鹽之星顯著高于隴東、龍牧801，隴東、龍牧801、肇東、巨能II 之間無顯著差異(P ＞ 0.05)；P2處理時肇東顯著低于其他5 個品種；P3處理時所有品種間無顯著差異；P4處理時肇東顯著低于(P ＜ 0.05)耐鹽之星、龍牧801；P5處理時耐鹽之星顯著高于新牧一號、隴東、龍牧801、肇東。新牧一號、耐鹽之星、肇東、巨能II 4 個品種根表面積在P1低磷處理下出現(xiàn)最大值，在P4高磷處理下出現(xiàn)最小值；隴東、龍牧801 在P3適磷處理下出現(xiàn)最大值，在P5高磷

處理下出現(xiàn)最小值。設定的6 種供磷水平下，耐鹽之星根體積僅在P0、P1處理時顯著高于新牧一號、隴東、龍牧801；P2、P3、P4、P5處供磷水平下，根體積在各品種間并無顯著差異。6 種紫花苜蓿根體積峰值均在較高磷水平時出現(xiàn)，其中隴東紫花苜蓿根體積在P1、P5處理下均小于其他品種。

表2 不同供磷水平下6 種紫花苜蓿根系性狀分析Table 2 Morphological character analysis of six types of alfalfa under different phosphorus supply levels

2.2 紫花苜蓿根系磷吸收效率對磷肥的響應

6 種供磷水平下，不同品種紫花苜蓿根系磷吸收效率在同濃度磷水平時各品種間存在差異性(圖1)。P0處理下新牧一號紫花苜蓿根系磷吸收效率高于其他5 個品種，P1處理下隴東根系磷吸收效率顯著(P ＜ 0.05)高于其他品種。P2處理下龍牧801 與肇東根系磷吸收效率顯著高于其他品種，P3、P4處理下肇東根系磷吸收效率顯著高于其他品種，P5處理下龍牧801 根系磷吸收效率顯著高于其他品種。所有品種在P0處理下出現(xiàn)最小值，P4處理下新牧一號、耐鹽之星、隴東、肇東達到峰值，龍牧801、巨能II在P5處理下達到峰值。除龍牧801 與巨能II 紫花苜蓿外，過高磷濃度P5對其他4 種紫花苜蓿根系磷吸收效率有抑制作用。

2.3 紫花苜蓿根系酸性磷酸酶活性對磷肥的響應

6 種供磷水平下，不同品種紫花苜蓿根系酸性磷酸酶活性在同濃度磷水平時各品種間存在差異(圖2)。在P0、P1、P23 個低磷處理的6 個品種紫花苜蓿根系酸性磷酸酶活性高于P3適磷及P4、P5高磷水平。P1處理下，6 個品種根系酸性磷酸酶活性均達到最大值，其最小值均出現(xiàn)在P5處理下，且峰值分別為最小值的15.0、18.0、9.0、14.2、15.7 和22.5 倍。在P0、P1處理下，耐鹽之星、巨能II 根系酸性磷酸酶活性顯著高于其他4 個品種，表明在設定的6 種磷水平處理下，耐鹽之星與巨能II 較其他品種具有較強的耐低磷性。

圖1 磷水平對不同品種紫花苜蓿根系磷吸收效率的影響Figure 1 The effect of phosphorus level on phosphorus absorption efficiency of different alfalfa varieties

3 討論與結(jié)論

圖2 磷水平對不同品種紫花苜蓿根系酸性磷酸酶活性的影響Figure 2 The effect of phosphorus levels on the acid phosphatase activity of different alfalfa roots

植物生長與新陳代謝的過程中都需要大量磷的參與，因此植物在生長過程中對外界低磷環(huán)境的刺激形成了一系列應激機制，保證在低磷環(huán)境中可以正常生長[20]。此外，低磷環(huán)境下植株可以通過轉(zhuǎn)變自身的根系生長形態(tài)和根冠之間物質(zhì)分配的變化，來促進根系吸收土壤中磷，增加植物磷的吸收效率，包括抑制主根的伸長、促進側(cè)根的分布、增加根系表面積等[21]。陳波浪[22]在水培條件下，研究了2 種具有磷效率差異的棉花(Anemone vitifolia)，發(fā)現(xiàn)磷高效品種具有較強的磷素利用效率和較好的根系形態(tài)參數(shù)。低磷時磷高效品種新海18 號總根長、根總表面積和根總體積均顯著增加，而磷低效品種新陸早13 號總根長和根總表面積則顯著下降，磷高效品種根系各參數(shù)均高于磷低效品種。本研究發(fā)現(xiàn)，在低磷處理下6 種紫花苜蓿總根長均大于正常磷處理時總根長，且在低磷水平下新牧一號、耐鹽之星、肇東、巨能Ⅱ 4 個品種總根長、根表面積高于隴東、龍牧801，這可能是因為磷脅迫條件下，植物通過增加總根長、根表面積、根體積等應激反應來獲取更多的養(yǎng)分，以維持自身正常生長，而新牧一號、耐鹽之星、肇東、巨能Ⅱ 4 個磷效率較高的品種則會在相同條件下具有更大的根長、根表面積和根體積。同時發(fā)現(xiàn)磷脅迫條件下，新牧一號、龍牧801紫花苜蓿根系磷吸收效率要大于其他品種，即在低磷水平下，這兩種紫花苜蓿較磷低效紫花苜蓿能夠更好地發(fā)揮根系對磷的吸收與轉(zhuǎn)運能力，使植株地上部磷吸收量大于其他品種紫花苜蓿，而過高磷濃度則會導致植株總根長減小，抑制植株正常生長。Marschner 等[23]研究結(jié)果顯示，低磷脅迫會促使植物光合產(chǎn)物優(yōu)先向根系分配，來加快根系生長，同時又相對抑制地上部分生長，植物根系生長量的相對增加被認為是植物應對磷缺乏的一種重要機制。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，低磷(P1、P2)水平下總根長明顯增加，根系生長速度加快，顯著高于高磷(P4、P5)水平。

低磷下植物根系分泌酸性磷酸酶也是植物適應低磷脅迫的重要機理[24]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著磷濃度的升高，植物根系酸性磷酸酶的活性下降，而當磷濃度降低時，酸性磷酸酶活性隨之增強，說明在低磷脅迫下根系可以通過分泌更多的酸性磷酸酶以緩解低濃度磷的脅迫[25]。高彬等[26]指出，大豆(Glycine max)缺磷時根系磷含量降低，但根系組織酸性磷酸酶活性是全磷培養(yǎng)植株的1.3 倍。王偉偉等[27]研究表明，磷高效燕麥(Avena fatua)品種和磷低效燕麥品種在低磷脅迫下其根系和葉片分泌的酸性磷酸酶活性較正常磷水平顯著升高。本研究結(jié)果顯示，6 種紫花苜蓿根系酸性磷酸酶活性均在P1處理時達到最大，且低磷處理時所有品種根系磷酸酶活性均高于高磷P4、P5處理。6 種磷處理下耐鹽之星、巨能Ⅱ紫花苜蓿根系酸性磷酸酶活性變化程度要大于其他品種，隴東、龍牧801 根系酸性磷酸酶活性變化幅度較其他品種小，說明其對磷濃度的變化反應不敏感。這表明，低磷脅迫能激發(fā)紫花苜蓿根系分泌更多酸性磷酸酶，促進植物根系對磷素的活化吸收，進而確保植物的正常生長。當磷素供應充盈時，根系周圍磷營養(yǎng)也較為充足，根系可直接接觸和吸收的磷素足夠供應植株生長需求，根系酸性磷酸酶活性也隨之下降。

綜上所述，紫花苜蓿總根長、根表面積、根系磷吸收效率、根系酸性磷酸酶活性在同濃度磷水平時各品種間存在差異。從根系形態(tài)來看，新牧一號、耐鹽之星、肇東、巨能Ⅱ 4 個品種紫花苜蓿在低磷(P2)水平時總根長、根表面積高于隴東、龍牧801，具有較強的耐低磷能力，隴東耐低磷能力最弱。從根系磷吸收效率來看，新牧一號、肇東、龍牧801 較其他品種具有較高的磷吸收效率，即較其他品種具有較強的耐低磷能力。從根系酸性磷酸酶活性來看，在低磷(P0、P1)水平下，耐鹽之星、巨能Ⅱ 品種紫花苜蓿根系酸性磷酸酶活性顯著高于其他4 個品種，較其他品種具有較強的耐低磷能力。各耐低磷指標比較發(fā)現(xiàn)，新牧一號、耐鹽之星2 個品種紫花苜蓿的耐低磷能力要高于其他品種，是較好的磷高效紫花苜蓿品種；其次是肇東、巨能Ⅱ，而隴東、龍牧801，為磷低效品種。