6個(gè)紫花苜蓿品種根系形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

潘新雅， 李軍保， 陳 陽(yáng)， 王鵬飛， 衛(wèi)先偉， 李 瑞， 劉佳茜， 鄭智龍， 徐炳成,4， 王 智,4*

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100； 3. 陜西省林業(yè)科學(xué)院， 陜西 西安 710000； 4. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是黃土高原半干旱地區(qū)人工草地建設(shè)中最主要的多年生豆科牧草[1]，然而該區(qū)苜蓿產(chǎn)量低、品質(zhì)差、品種單一，優(yōu)質(zhì)苜蓿品種極其短缺，嚴(yán)重限制了草食畜牧業(yè)的發(fā)展[2-3]。磷是植物生長(zhǎng)的三大必需元素之一，參與植物體內(nèi)物質(zhì)合成和各種生理生化過程，在植物生長(zhǎng)過程中起著重要的作用[4]。紫花苜蓿是喜磷植物，其生產(chǎn)所需有效磷濃度一般為10～15 mg·kg-1[5]，而黃土高原半干旱區(qū)土壤有效磷含量低，約為2.4 mg·kg-1[6]；加之該區(qū)干旱少雨的環(huán)境特點(diǎn)，施用的磷肥在土壤中流動(dòng)性差，極易被金屬離子固定[7]，磷虧缺是限制黃土高原半干旱地區(qū)苜蓿生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。因此，如何提高苜蓿磷效率和耐低磷能力，是選育優(yōu)質(zhì)鄉(xiāng)土苜蓿品種和解決飼草資源短缺現(xiàn)狀亟待解決的科學(xué)問題。

根系是植物吸收養(yǎng)分的器官，也是最早感受到土壤低磷脅迫的重要部位[8]，其早期的發(fā)育狀況直接影響植物根系系統(tǒng)建成和整個(gè)生育期對(duì)養(yǎng)分的吸收與利用[9]。在低磷環(huán)境下，植物通過調(diào)控根系形態(tài)和構(gòu)型，如促進(jìn)側(cè)根的生長(zhǎng)、增加根毛的數(shù)量和長(zhǎng)度等來(lái)促進(jìn)對(duì)磷素的吸收[10]。不同植物根系對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)不同，玉米(ZeamaysL.)通過增加表層土壤中側(cè)根的數(shù)量來(lái)提高根系對(duì)土壤磷素的吸收能力[11]，番茄(SolanumlycopersicumL.)通過增加總根長(zhǎng)、根表面積和根體積來(lái)應(yīng)對(duì)低磷脅迫[12]。同時(shí)，根系對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力還受到其解剖結(jié)構(gòu)的調(diào)控，根系解剖結(jié)構(gòu)是根系發(fā)育水平的直接體現(xiàn)[13]，皮層細(xì)胞層數(shù)、導(dǎo)管數(shù)量和中柱直徑占根直徑的比例等，都會(huì)影響根系對(duì)養(yǎng)分的吸收與運(yùn)輸[14]。通過SimRoot植物功能-結(jié)構(gòu)模型分析表明，在低磷土壤中，根系通氣組織的形成使玉米和菜豆的磷吸收量分別提高70%和14%[15]，由此可見，根系解剖結(jié)構(gòu)在磷吸收過程中也發(fā)揮著重要的作用。紫花苜蓿生長(zhǎng)早期根系形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)的發(fā)育有著緊密的聯(lián)系[13]。然而，在以往苜蓿根系對(duì)低磷脅迫響應(yīng)的研究中，大多集中于根系形態(tài)特征[16]，缺乏對(duì)根系形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)的綜合考慮，根系形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)系及其對(duì)磷吸收和利用效率的影響尚不清晰。

本研究以6個(gè)紫花苜蓿品種為研究對(duì)象，采用營(yíng)養(yǎng)液砂培法，研究低磷脅迫對(duì)苜蓿苗期根系形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)和磷效率的影響，闡明根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)變化對(duì)磷效率的影響，從根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)的角度揭示苜蓿對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)策略，以期為耐低磷苜蓿品種的選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用在正常磷水平下(0.5 mmol·L-1)[17-18]3個(gè)磷吸收效率高(‘冰馳’、‘甘農(nóng)4號(hào)’和‘隴東苜蓿’)和3個(gè)磷吸收效率低(‘賽迪’、‘甘農(nóng)1號(hào)’和‘新疆大葉’)的紫花苜蓿品種為供試材料，信息見表1。

表1 供試苜蓿品種及其來(lái)源Table 1 Name and source of alfalfa cultivars in the experiment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年6—7月在陜西楊凌黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。采用營(yíng)養(yǎng)液砂培法，選用高40 cm，寬20 cm的培養(yǎng)缽，每缽裝入7.5 kg經(jīng)超純水淋洗過的石英砂。選取飽滿、大小一致的種子，沖洗消毒后[19](0.1%的HgCI2溶液消毒30 min后，用無(wú)菌水沖洗3次，每次10 min)，在鋪有濕潤(rùn)無(wú)菌濾紙的培養(yǎng)皿上發(fā)芽(25℃)。待胚根長(zhǎng)約2 cm左右，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的健康幼苗移栽于培養(yǎng)缽中，置于人工氣候室培養(yǎng)，晝/夜溫度為25℃/20℃，濕度65%，光照時(shí)間7∶00—19∶00，光照強(qiáng)度800 μmol·m-2·s-1。設(shè)置0.5 mmol·L-1(對(duì)照，CK)和0.05 mmol·L-1[16-18](低磷，LP)2個(gè)磷水平，磷以NH4H2PO4形式均勻混合到營(yíng)養(yǎng)液中，低磷處理中的氮用NH4NO3來(lái)補(bǔ)足。幼苗移栽后，每缽澆入1 L的1/4Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(pH值為5.8，表2)，每隔3 d補(bǔ)澆200 mL新配置的1/4Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，每隔7 d用超純水淋洗一次培養(yǎng)缽。每培養(yǎng)缽1株植株，每處理6個(gè)生物學(xué)重復(fù)，共72個(gè)培養(yǎng)缽，完全隨機(jī)排列。培養(yǎng)30 d(苗期)后取樣測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

表2 1/4Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配方Table 2 Formula of 1/4 Hogland nutrient solution

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

根系形態(tài)指標(biāo)：植株收獲后，將地上部與根系剪斷分開，用去離子水清洗干凈后，使根分開不重疊，并擺放置于專用根盤。采用EPSON雙面掃描儀(Perfection V800 Photo)進(jìn)行掃描，并用根系分析軟件(Win RHIZO Pro 2009b)對(duì)掃描圖片進(jìn)行分析，從而獲取相應(yīng)的根系形態(tài)數(shù)據(jù)：根系直徑、根系長(zhǎng)度、根系表面積和根系體積。

根系解剖結(jié)構(gòu)：采用常規(guī)石蠟切片技術(shù)制作根系石蠟切片[20]。截取根莖連接點(diǎn)向下5 cm處的1 cm長(zhǎng)的主根根段，用FAA固定液固定后，經(jīng)酒精系列脫水，二甲苯透明，石蠟包埋后，LEICA全自動(dòng)切片機(jī)切片。切片厚度為5 μm，充分烤片后，用甲苯胺藍(lán)進(jìn)行染色。在MoticBA410型光學(xué)顯微鏡下觀察，用Motic Images Advanced 3.2軟件拍照保存。并用ROOTSCAN 2.4軟件分析圖片，從而獲取相應(yīng)的根系解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：皮層細(xì)胞層數(shù)、皮層細(xì)胞大小、橫截面積、中柱面積、中柱直徑、次生木質(zhì)部面積占中柱面積比例、導(dǎo)管面積、導(dǎo)管數(shù)量和導(dǎo)管直徑。

生物量的測(cè)定：掃描完的根系和地上部分放入烘箱105℃下殺青30 min后，75℃烘干至恒重并分別稱重。

下列指標(biāo)計(jì)算公式[21]：

根冠比=根干重/地上部分干重；比根長(zhǎng)=根系長(zhǎng)度/根干重；比根表面積=根系表面積/根干重

磷濃度測(cè)定：把烘干的植物根和莖葉粉碎混勻，稱取0.3～0.5 g，用H2SO4-H2O2消煮后采用鉬銻抗比色法[22](UV-2600紫外可見分光光度計(jì)，日本)測(cè)定磷濃度。

磷效率計(jì)算[23]：

磷吸收效率(mg·plant-1)= 磷濃度(mg·g-1)×植株干重(g·plant-1) 磷利用效率(g·mg-1)= 植株干重(g·plant-1)/吸磷量(mg)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用隸屬函數(shù)法[24]，分別計(jì)算測(cè)定指標(biāo)的耐低磷系數(shù)：

耐低磷系數(shù)= 低磷處理下性狀測(cè)得值/對(duì)照處理下性狀測(cè)得值

(1)

Xj=a1jR1j+ a2jR2j+…+ aijRiji，j=1，2，3，…，n

(2)

式中，Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)值，aij表示各單一指標(biāo)的特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，Rij為各單一指標(biāo)的耐低磷系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值。

不同苜蓿品種綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值計(jì)算：

(3)

式中，μ(Xj)表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)值；Xmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大值，Xmin表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值。

各綜合指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算：

(4)

式中，Wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度及權(quán)重；Pj為各品種第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

耐低磷綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算：

(5)

式中，D表示在低磷脅迫條件下各品種耐低磷能力的綜合評(píng)價(jià)值。

采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析(One-way ANOVA)和新復(fù)極差法(Duncan)檢驗(yàn)不同品種間根系形態(tài)、根系解剖結(jié)構(gòu)、磷效率和生物量的差異(P<0.05)，用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析同一品種不同磷處理間根系形態(tài)、根系解剖結(jié)構(gòu)、磷效率和生物量的差異。利用Origin 2018軟件作圖，其中根系形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)、磷效率及地上生物量間的皮爾森相關(guān)性用R 4.0.0進(jìn)行分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿根系形態(tài)對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

由圖1所示，低磷脅迫下，‘賽迪’的根系直徑和根系體積與對(duì)照相比分別增加了14.4%和5.3%，而‘冰馳’、‘甘農(nóng)1號(hào)’、‘甘農(nóng)4號(hào)’、‘隴東苜蓿’和‘新疆大葉’的根系直徑分別降低了56.8%，4.0%，45.2%，40.6%和7.6%，根系體積分別降低了88.7%，64.2%，82.0%，65.1%和56.9%；‘賽迪’與‘冰馳’的根系直徑無(wú)顯著差異，但顯著高于其余4個(gè)苜蓿品種(P<0.05)，‘新疆大葉’的根系直徑最小；‘賽迪’的根系體積顯著高于其余5個(gè)苜蓿品種(P<0.05)，‘甘農(nóng)1號(hào)’的根系體積最小。

低磷脅迫降低了6個(gè)苜蓿品種的根系長(zhǎng)度和表面積，與對(duì)照相比，‘賽迪’、‘冰馳’、‘甘農(nóng)1號(hào)’、‘甘農(nóng)4號(hào)’、‘隴東苜蓿’和‘新疆大葉’的根系長(zhǎng)度分別降低了14.5%，87.1%，60.6%，81.2%，57.0%和49.7%，根系表面積分別降低了5.0%，89.1%，61.9%，81.7%，60.5%和53.3%；6個(gè)苜蓿品種中，根系長(zhǎng)度和表面積最大的是‘賽迪’，最小的是‘新疆大葉’，‘賽迪’與‘甘農(nóng)4號(hào)’和‘隴東苜蓿’的根系表面積無(wú)顯著差異，但顯著高于其余3個(gè)苜蓿品種(P<0.05)，各品種間的根系長(zhǎng)度無(wú)顯著差異。

與對(duì)照相比，‘隴東苜蓿’和‘新疆大葉’的比根長(zhǎng)在低磷脅迫下分別增加了43.5%和4.1%，而其余4個(gè)苜蓿品種的比根長(zhǎng)則有不同程度的降低；與對(duì)照相比，‘隴東苜蓿’的比根表面積增加了32.9%，其余5個(gè)苜蓿品種的比根表面積均降低；6個(gè)苜蓿品種中，比根長(zhǎng)和比根表面積最大的是‘隴東苜蓿’，最小的是‘賽迪’。上述結(jié)果表明，各苜蓿品種的根系長(zhǎng)度、表面積和體積對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)最為敏感；低磷脅迫對(duì)‘賽迪’根系形態(tài)的抑制程度低于其余5個(gè)苜蓿品種。

圖1 低磷脅迫對(duì)苜蓿根系形態(tài)的影響Fig.1 Effects of phosphorus deficiency on alfalfa root morphology注：不同大寫字母表示同一磷素處理下不同品種間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；*,**和***表示同一品種不同磷素處理間差異達(dá)到5%,1%和0.1%顯著水平。下同Note:different capital letters indicate significant difference among different genotypes under the same phosphorus level at 0.05 level;*,** and *** indicate significant difference among different phosphorus levels in the same cultivar at 5%,1% and 0.1% probability levels,respectively. The same as below

2.2 苜蓿根系解剖結(jié)構(gòu)對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

各苜蓿品種根系解剖結(jié)構(gòu)對(duì)低磷脅迫呈現(xiàn)出了多樣化的響應(yīng)特征，其中各苜蓿品種的導(dǎo)管直徑、中柱直徑及其占根直徑的比例對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)最為敏感(圖2和圖3)。與對(duì)照相比，‘甘農(nóng)4號(hào)’的皮層細(xì)胞層數(shù)在低磷脅迫下顯著降低了43.4%(P<0.01)，而其余5個(gè)苜蓿品種變化不顯著；其中，皮層細(xì)胞層數(shù)最多和最少的分別是‘冰馳’和‘甘農(nóng)4號(hào)’。同時(shí)，除‘冰馳’和‘新疆大葉’的皮層細(xì)胞顯著變小外(P<0.05)，其余4個(gè)苜蓿品種皮層細(xì)胞大小與對(duì)照相比變化不顯著；在6個(gè)苜蓿品種中，皮層細(xì)胞最大和最小的分別是‘甘農(nóng)4號(hào)’和‘甘農(nóng)1號(hào)’。

低磷脅迫下，6個(gè)苜蓿品種的中柱直徑及其占根直徑比例與對(duì)照相比均降低，其中‘冰馳’兩指標(biāo)的下降程度最大，分別降低了62.7%和34.9%；在6個(gè)苜蓿品種中，‘賽迪’的中柱直徑及其占根直徑比例最大，‘甘農(nóng)1號(hào)’的中柱直徑其占根直徑比例最小。‘賽迪’的次生木質(zhì)部面積占中柱面積比例與對(duì)照相比顯著降低了70.6%(P<0.05)，其余5個(gè)苜蓿品種均增加。除‘賽迪’和‘隴東苜蓿’的導(dǎo)管面積占橫截面積比例與對(duì)照相比顯著降低外(P<0.05)，其余4個(gè)品種均無(wú)顯著變化，其中‘賽迪’的導(dǎo)管面積占橫截面積比例下降幅度最大。與對(duì)照相比，‘甘農(nóng)1號(hào)’和‘隴東苜蓿’的導(dǎo)管數(shù)量在低磷脅迫下增加了5.2%和7.0%，而其余4個(gè)品種的導(dǎo)管數(shù)量均降低。此外，各苜蓿品種的導(dǎo)管直徑在低磷脅迫均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其中‘冰馳’的下降程度最大，為63.3%；導(dǎo)管直徑最大和最小的分別是‘甘農(nóng)4號(hào)’和‘甘農(nóng)1號(hào)’，但各品種間的導(dǎo)管數(shù)量和導(dǎo)管直徑無(wú)顯著差異。綜上所述，在解剖結(jié)構(gòu)層面，導(dǎo)管直徑、中柱直徑及其占根直徑的比例是各苜蓿品種響應(yīng)低磷脅迫的主要途徑。

圖2 低磷脅迫對(duì)苜蓿根系解剖結(jié)構(gòu)的影響Fig.2 Effects of phosphorus deficiency on alfalfa root anatomical structure

圖3 兩種磷水平下6個(gè)苜蓿品種的根系解剖結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Root anatomical structure of six alfalfa cultivars under two phosphorus levels

2.3 不同苜蓿品種磷效率對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

由圖4所示，低磷脅迫下，‘賽迪’、‘冰馳’、‘甘農(nóng)1號(hào)’、‘甘農(nóng)4號(hào)’、‘隴東苜蓿’和‘新疆大葉’的磷吸收效率與對(duì)照相比分別降低了56.9%，80.2%，43.0%，65.7%，62.2%和64.1%；‘甘農(nóng)4號(hào)’與‘隴東苜蓿’的磷吸收效率差異不顯著，但顯著高于其余4個(gè)苜蓿品種(P<0.05)，‘甘農(nóng)1號(hào)’的磷吸收效率最低。低磷脅迫下，‘賽迪’的磷利用效率與對(duì)照相比顯著增加了46.3%(P<0.001)，而其余5個(gè)苜蓿品種的磷利用效率均顯著降低(P<0.001)，其中‘甘農(nóng)4號(hào)’下降比例最大；‘賽迪’的磷利用效率顯著高于其余5個(gè)品種(P<0.05)，‘甘農(nóng)4號(hào)’的磷利用效率最小。由上述結(jié)果可知，除‘賽迪’的磷利用效率顯著增加外(P<0.001)，低磷脅迫顯著抑制了苜蓿對(duì)磷的吸收(P<0.05)與利用(P<0.001)。

2.4 低磷脅迫對(duì)不同苜蓿品種生物量的影響

由圖5所示，低磷脅迫下，除‘賽迪’無(wú)顯著變化外，其余5個(gè)品種的根干重、地上部干重和整株干重與對(duì)照相比均顯著降低(P<0.01)，且‘冰馳’降低的程度均最大；同時(shí)，‘賽迪’的根干重、地上部干重和整株干重在各品種中均在較高的水平。與對(duì)照相比，‘賽迪’、‘冰馳’、‘甘農(nóng)1號(hào)’、‘甘農(nóng)4號(hào)’、‘隴東苜蓿’和‘新疆大葉’的根冠比在低磷脅迫下分別增加了58.4%，4.3%，21.1%，10.8%，24.3%和54.6%，根冠比最大和最小的分別是‘賽迪’和‘甘農(nóng)4號(hào)’。由上述結(jié)果可知，通過增加光合產(chǎn)物在根系中的分配與根冠比可能是‘賽迪’在低磷脅迫下生長(zhǎng)受抑制程度最小的因素之一。

圖4 低磷脅迫對(duì)苜蓿植株磷效率的影響Fig.4 Effects of phosphorus deficiency on alfalfa phosphorus efficiency

圖5 低磷脅迫對(duì)苜蓿干物質(zhì)積累和根冠比的影響Fig.5 Effects of phosphorus deficiency on alfalfa dry weight accumulation and root to shoot ratio

2.5 苜蓿根系形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)、磷效率及地上生物量間的相互關(guān)系

相關(guān)性分析表明(圖6)，根系直徑、長(zhǎng)度、表面積和體積與中柱直徑及其占根直徑比例、導(dǎo)管數(shù)量和導(dǎo)管直徑呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，且皮層細(xì)胞層數(shù)與根系長(zhǎng)度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與根系表面積和體積呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。磷吸收效率與根系直徑、長(zhǎng)度、表面積、體積、中柱直徑及其占根直徑比例、皮層細(xì)胞層數(shù)和導(dǎo)管直徑呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與導(dǎo)管數(shù)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；中柱直徑占根直徑比例與磷利用效率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；與磷吸收和利用效率相關(guān)性最強(qiáng)的根系性狀分別是根系長(zhǎng)度和中柱直徑占根直徑比例。此外，地上部生物量與磷吸收效率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與磷利用效率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖6 苜蓿根系形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)、磷效率及地上生物量間的皮爾森相關(guān)性分析Fig.6 Pearson′s correlation matrix among root morphology,anatomical structure,phosphorus efficiency and shoot biomass of alfalfa注：RD,根系直徑；RL,根系長(zhǎng)度；RSA,根系表面積；RV,根系體積；SPL,比根長(zhǎng)；SRSA,比根表面積；NCF,皮層細(xì)胞層數(shù)；CCS,皮層細(xì)胞大小；TD,中柱直徑；RTD,中柱直徑占根直徑比例；RMS,次生木質(zhì)部面積占中柱面積比例；RVC,導(dǎo)管面積占橫截面積比例；NV,導(dǎo)管數(shù)量；VD,導(dǎo)管直徑；P-uptake,磷吸收效率；P-use,磷利用效率;AWD,地上部分干重，下同。*表示顯著相關(guān)(P<0.05)；**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)Note:RD,root diameter;RL,root length;RSA,root surface area;RV,root volume;SPL,specific root length;SRSA,specific root surface area;NCF,number of cortex cell files;CCS,cortical cell size;TD,stele diameter;RTD,ratio of stele diameter to root diameter;RMS,ratio of metaxylem area to stele area;RVC,ratio of vessel area to cross section area;NV,vessel number;VD,vessel diameter;P-uptake,phosphorus uptake efficiency;P-use,phosphorus uptake efficiency,AWD,aboveground dry weight,the same as below. *means significant correlation at the 0.05 level;**means significant correlation at the 0.01 level

2.6 不同苜蓿品種耐低磷能力的綜合評(píng)價(jià)

各苜蓿品種在對(duì)照條件與低磷脅迫下各性狀都存在差異，為消除品種間固有的差異，采用耐低磷系數(shù)計(jì)算方法，將20個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)進(jìn)行主成分分析(表4)，以便準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)不同品種對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)性。第1主成分的貢獻(xiàn)率為38.868%，載荷較高的是根直徑、總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、磷利用效率、地上部干重、地下部干重和整株干重，反映了根系形態(tài)和生物量因子；第2主成分貢獻(xiàn)率為16.552%，載荷較高的是中柱直徑、中柱直徑占根直徑比例、導(dǎo)管面積和導(dǎo)管直徑，反映了根系解剖結(jié)構(gòu)因子。前6個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)89.489%，說明這6個(gè)主成分可代表原始數(shù)據(jù)所提供的絕大部分信息。這樣可以將20個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為6個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，利用公式(2),(3),(4),(5)可計(jì)算出6個(gè)苜蓿品種的D值(表5)，并根據(jù)D值大小對(duì)其耐低磷性進(jìn)行排序，結(jié)果為‘賽迪’>‘甘農(nóng)1號(hào)’>‘隴東苜蓿’>‘新疆大葉’>‘甘農(nóng)4號(hào)’>‘冰馳’。

表3 各綜合指標(biāo)特征值及貢獻(xiàn)率Table 3 The eigenvalue and contribution of each comprehensive index

表4 6個(gè)苜蓿品種的綜合評(píng)價(jià)值及排序Table 4 The comprehensive evaluation value and rank of six alfalfa cultivars

3 討論

磷虧缺是黃土高原半干旱地區(qū)苜蓿生長(zhǎng)的重要限制因素，根系是連接植物與土壤的紐帶，是植物吸收磷的主要器官[25]。本研究揭示了紫花苜蓿根系外部形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)的變化對(duì)磷效率的影響，并通過隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)6個(gè)苜蓿品種的耐低磷能力，結(jié)果為‘賽迪’>‘新疆大葉’>‘甘農(nóng)1號(hào)’>‘隴東苜蓿’>‘甘農(nóng)4號(hào)’>‘冰馳’。

根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征的可塑性變化與植株磷效率密切相關(guān)[14,17]，根系長(zhǎng)度、表面積和體積可反映植物根系與土壤的接觸面積[26]，是根系吸收能力的直接體現(xiàn)[27]。在本研究中，6個(gè)苜蓿品種的根系長(zhǎng)度、表面積和體積與磷吸收效率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，低磷脅迫下，三者受抑制程度越大，磷吸收效率降低的程度也越大。根冠比增加是植物耐低磷能力的重要體現(xiàn)，當(dāng)受到低磷脅迫時(shí)，植物通常會(huì)將光合產(chǎn)物優(yōu)先用于根的生長(zhǎng)，以保證植株生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求[17]。低磷脅迫使6個(gè)苜蓿品種的根冠比均呈現(xiàn)不同程度的增大，與李丹竹等[16]對(duì)紫花苜蓿的研究結(jié)果一致。‘賽迪’在低磷脅迫下的根干重?zé)o明顯變化，且在6個(gè)苜蓿品種中根冠比最高，說明‘賽迪’能夠在低磷脅迫下維持根系的生長(zhǎng)，這可能是其耐低磷的原因之一。同時(shí)，相關(guān)性分析表明，6個(gè)苜蓿品種的磷吸收效率與導(dǎo)管直徑、中柱直徑及其占根直徑的比例也呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。導(dǎo)管是根系輸送水分和無(wú)機(jī)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管直徑影響根系對(duì)土壤無(wú)機(jī)物質(zhì)的輸導(dǎo)能力，而中柱直徑?jīng)Q定了養(yǎng)分在根中的徑向運(yùn)輸距離，導(dǎo)管和中柱直徑越大，根系輸導(dǎo)能力越強(qiáng)[28-30]。本研究中，各苜蓿品種的導(dǎo)管直徑、中柱直徑及其占根直徑的比例在低磷脅迫下均呈現(xiàn)出了降低的趨勢(shì)。可見，低磷脅迫主要通過降低苜蓿根系長(zhǎng)度、表面積與體積限制其根系對(duì)土壤中磷素的吸收，同時(shí)降低導(dǎo)管直徑、中柱直徑及其占根直徑比例來(lái)限制磷素在苜蓿根系內(nèi)部的運(yùn)移與輸導(dǎo)，從而造成苜蓿磷吸收效率及其生物量的積累受到抑制[13]。苜蓿根系吸收的磷素減少，不能及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，光合作用等受到抑制，導(dǎo)致分配到根系的光合產(chǎn)物減少，不能正常供應(yīng)根系在土壤勘探過程中所需的能量，由此造成了低效吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的循環(huán)體系[26]。此外，較少的皮層細(xì)胞層數(shù)可以降低根系中養(yǎng)分的徑向運(yùn)輸阻力[14]，本研究中，只有‘甘農(nóng)4號(hào)’的皮層細(xì)胞層數(shù)在低磷脅迫下顯著減少(P<0.001)，這可能是其磷吸收效率高于其余5個(gè)苜蓿品種的原因之一。由此可知，苜蓿對(duì)于磷的吸收是其根系外部形態(tài)特征與內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。

植物的磷效率不僅受到磷吸收效率的影響，還受到磷利用效率的影響[31]。本研究表明，僅‘賽迪’的磷利用效率與對(duì)照相比顯著增加(P<0.001)，而其余5個(gè)苜蓿品種的磷利用效率均顯著降低(P<0.001)；在苜蓿根系外部形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)各指標(biāo)中，只有中柱直徑占根直徑比例與磷利用效率顯著正相關(guān)(P<0.05)，這與De Bauw等對(duì)水稻(OryzasativaL.)的研究結(jié)果一致[14]。中柱直徑占根直徑的比例越大，養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)膹较蜃枇υ叫。的芨斓膶B(yǎng)分運(yùn)輸?shù)街仓旮鱾€(gè)器官，從而促進(jìn)植株體內(nèi)養(yǎng)分的循環(huán)利用[32]。低磷脅迫下，‘賽迪’中柱直徑占根直徑比例大于其余5個(gè)苜蓿品種，且受影響程度最小，而其它苜蓿品種均有較大程度的下降，這可能是導(dǎo)致‘賽迪’磷利用效率增加和其余品種磷利用效率顯著降低(P<0.001)的原因之一。此外，磷利用效率還與植物地上部生理活動(dòng)有著密切的關(guān)系，如通過釋放液泡中的磷和轉(zhuǎn)移衰老組織中的磷等提高磷利用效率以維持體內(nèi)磷濃度的平衡[33]。因此，‘賽迪’磷利用效率在低磷脅迫下顯著增加(P<0.001)的原因還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

低磷脅迫主要通過降低根系長(zhǎng)度、表面積和體積以及導(dǎo)管直徑、中柱直徑及其占根直徑比例限制苜蓿根系對(duì)磷的吸收與利用，各根系性狀受抑制程度與磷吸收效率降低的程度呈正相關(guān)關(guān)系。其中，影響6個(gè)紫花苜蓿品種磷吸收和利用效率最關(guān)鍵的根系性狀分別是根系長(zhǎng)度和中柱直徑占根直徑的比例。6個(gè)苜蓿品種中，‘賽迪’主要通過增加根冠比來(lái)維持根系在低磷環(huán)境下的生長(zhǎng)，提高磷利用效率，從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐低磷能力。此外，本研究重點(diǎn)關(guān)注了苜蓿苗期根系形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)對(duì)磷效率的影響，關(guān)于苜蓿根系構(gòu)型隨生育期的動(dòng)態(tài)變化對(duì)磷吸收的影響仍需進(jìn)一步的研究。