低磷誘導(dǎo)下沙棘根系形態(tài)構(gòu)建和光合作用變化

楊 樂，張秀娟，吳 楚，涂 逸

(長江大學(xué) 園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

1 引言

磷在土壤中容易轉(zhuǎn)化為不易被植物吸收的難溶性磷，導(dǎo)致磷在植物生長過程中利用率很低[1]，難以滿足植物的需求。我國土壤普遍存在缺磷現(xiàn)象，如南方的赤紅壤和酸性紅壤存在缺磷現(xiàn)象[2]，北方山西省全省土壤也嚴(yán)重缺磷，影響作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[3]。磷在參與植物不同代謝的同時(shí)，也是植物體內(nèi)多種物質(zhì)的重要組成部分[4]。因此，探究高效利用磷的種植資源，發(fā)現(xiàn)其高效吸收磷的機(jī)制，對減少植物對化肥依賴的研究具有重要意義[5]。

磷是植物生長發(fā)育的必要元素之一，在整個生態(tài)系統(tǒng)中起不可替代的作用[6]。在我國1.38×108hm2的農(nóng)田中，低磷土壤占我國總耕地面積約50%[7]。缺磷成為影響農(nóng)林業(yè)高效生產(chǎn)的主要制約因素之一。施肥和土壤改良是傳統(tǒng)農(nóng)林經(jīng)營中滿足作物對磷需求的主要措施，但施磷肥對作物產(chǎn)量提高效果不明顯，而且易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。近年來，種植磷利用率高的植物已取代傳統(tǒng)的提高作物磷利用率的措施。在磷利用率不高的情況下，種植生長較好的作物，可以改善種植產(chǎn)量，同時(shí)減少施加磷肥帶來的環(huán)境污染[8]。磷脅迫下高磷利用效率植物生長的機(jī)制之一，是通過改變根形態(tài)，使根系增長加快，側(cè)根數(shù)量增多，促進(jìn)光合作用產(chǎn)物從頂端向根的運(yùn)輸[6]。

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)屬胡頹子科，是西藏荒漠化的防治樹種，在我國西南、西北、華北等地區(qū)大量種植，具有生長快，耐干旱，耐貧瘠等特點(diǎn)[9]。沙棘果實(shí)含有豐富的維生素C、黃酮等益于人體健康的成分，具有增強(qiáng)人體免疫力，改善心血管疾病，延緩衰老等作用[10]。研究表明，植物的根系形態(tài)和光合作用是影響植物生長的兩大重要因素，當(dāng)外界對植物的供磷有限時(shí)，植物通過調(diào)節(jié)根系生長以獲取磷素或改變磷的存在方式來維持植物對磷素的需求[11]。此外，磷與植物光合作用密切相關(guān)，直接影響果實(shí)的品質(zhì)[12]。本研究旨在通過分析沙棘幼苗在低磷脅迫下生物量、根系形態(tài)、光合特性以及葉綠素?zé)晒獾葏?shù)的變化，研究沙棘幼苗根系在磷吸收和利用方面的優(yōu)勢作用，為農(nóng)林生產(chǎn)中沙棘高效利用磷的研究提供參考。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用沙培盆栽，沙棘幼苗選擇播種繁殖后生長一致的實(shí)生苗。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019～2020年在長江大學(xué)園藝園林學(xué)院光照培養(yǎng)室進(jìn)行。選取顆粒飽滿，大小一致的沙棘種子，清水浸泡3 h后，種植在洗凈的河沙中育苗，待發(fā)芽后移栽至直徑8.8 cm，高17.8 cm的塑料盆中，移栽72盆，每盆1株沙棘幼苗。置于溫度(25±2)℃，光照強(qiáng)度2000 Lx(12 h/d)，光照時(shí)間為12 h/d的培養(yǎng)室內(nèi)。實(shí)驗(yàn)分為2組處理，每個處理36盆。采用MS營養(yǎng)液，以KH2PO4為磷源，設(shè)置正常磷HP(170 mg/L的KH2PO4)和低磷LP(0.68 mg/L的KH2PO4)兩個處理。每周定時(shí)澆灌營養(yǎng)液一次，每盆每次澆30 mL。

2.3 生物量和根系形態(tài)參數(shù)測定

沙棘幼苗培養(yǎng)100 d后，從兩個處理中分別選取8株代表性沙棘幼苗，從植株根結(jié)部位將沙棘幼苗分為地上和地下兩部分，并稱取鮮重。利用根系分析儀WinRHIZO掃描根系，計(jì)算總根長、根系表面積、分支數(shù)、根系投影面積等參數(shù)，并將沙棘根和莖置于100 ℃下烘干2h，稱取干重，計(jì)算地上和地下部分的生物量。

2.4 光合特性和葉綠素?zé)晒獾臏y定

采用Li-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定植株光合參數(shù)，選取長勢一致，生長良好的3個葉片，每個處理重復(fù)8次，測定沙棘幼苗的凈光合速率Pn和蒸騰速率Tr。將葉片進(jìn)行30 min暗處理后，利用FS-3000便攜脈沖調(diào)制式熒光儀測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每個葉片測定3次，測得暗反應(yīng)下葉綠素最小熒光Fo、最大熒光Fm以及PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm。然后開啟活化光580 μmol/(m2·s)進(jìn)行誘導(dǎo)熒光測試，每隔20 s開啟1次飽和脈沖，測定光照條件下，實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)、光合電子傳遞速率ETR、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ。稱取0.2 g新鮮植株葉片，每個處理8次重復(fù)，用95%丙酮研磨過濾，定容至25 mL，采用分光光度法測定葉綠素含量，計(jì)算每克葉片葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)[13]。

2.5 數(shù)據(jù)處理分析

使用Microsoft Excel對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；采用Origin繪制柱狀圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 低磷對沙棘幼苗生物量的影響

LP處理下，沙棘幼苗的生物量顯著(P<0.05)低于HP處理下的幼苗(表1)。LP處理下，幼苗根系鮮重是HP的2倍；根冠比比HP處理下增加了45%。HP處理下，地上部分鮮重是LP處理下的2.56倍。由表1可見，低磷脅迫抑制沙棘幼苗地上部分的生長，促進(jìn)地下部分的生長，具體表現(xiàn)在：根系鮮重提高了4.3倍，植株根冠比增加了45%。

表1 低磷對沙棘幼苗生物量的影響

3.2 低磷對沙棘幼苗根系形態(tài)的影響

植物的根系是應(yīng)對外界脅迫最先做出反應(yīng)的器官，磷素含量與沙棘幼苗根系具有密切聯(lián)系(表2)沙棘根系長度隨著供磷濃度的減少而增加，根冠比變化趨勢一致，同化物分配方向的改變使沙棘幼苗根系能夠適應(yīng)低磷環(huán)境。因此，由表2可知，在LP處理下，沙棘幼苗的根系總長度是HP處理下根系總長度的1.18倍；LP處理下，沙棘幼苗的根系體積比HP處理下增加了13.9%。根系表面積和根尖數(shù)隨著磷的缺乏分別增加了20%和17%。試驗(yàn)表明，低磷能促使沙棘幼苗根系伸長獲取養(yǎng)分來緩解低磷脅迫對植株造成的影響。

表2 低磷對沙棘幼苗根系形態(tài)的影響

3.3 低磷對沙棘幼苗葉片光合參數(shù)的影響

低磷脅迫使沙棘幼苗葉片的光合性能降低(圖1)，低磷脅迫使沙棘幼苗葉片Pn，Tr均呈現(xiàn)下降趨勢；在LP處理下，光合速率比HP處理降低36%，蒸騰速率降低46%。圖1顯示表明，磷素的缺乏影響沙棘幼苗的光合作用，進(jìn)而減緩了植株的生長速率。

3.4 低磷對沙棘幼苗葉綠素含量的影響

在LP處理下，沙棘幼苗葉綠素含量均低于HP處理下的沙棘幼苗(表3)；葉綠素a比HP處理降低了22%，葉綠素b降低了15%，葉綠素a+b降低了20%。表3表明，低鱗脅迫使沙棘幼苗葉綠素含量降低，減弱植株的光合作用，影響植株的生長發(fā)育。

圖1 低磷對沙棘幼苗葉片光合參數(shù)的影響

表3 低磷對沙棘幼苗葉綠素含量的影響 mmol/L

3.5 低磷對沙棘幼苗葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h3>

葉綠素?zé)晒馐欠从橙~片光合生理狀態(tài)的靈敏指標(biāo)之一。由于低磷脅迫會降低沙棘幼苗葉肉細(xì)胞內(nèi)的磷濃度，影響光合磷酸化水平，降低植物的光合速率，阻礙NADP+的再生循環(huán)，NADP+的供應(yīng)不足會引起PSII功能減弱，表現(xiàn)為電子傳遞速率降低，非光化學(xué)淬滅系數(shù)增加。從表4可以看出：LP處理下，F(xiàn)v/Fm比HP條件減少10%，由于Fv/Fm能夠反映通過PSII的電子傳遞情況，因此，低磷脅迫下Fv/Fm下降表明PSII的潛在活性和原初光能轉(zhuǎn)換效率減弱，光合電子傳遞速率ETR降低。實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ) LP處理比HP處理降低7%；LP條件下，非光化學(xué)猝滅量子產(chǎn)量Y(NO)比HP處理下增加7%。此外，光化學(xué)猝滅系數(shù)qL大于HP處理下的植株；非光化學(xué)猝滅系數(shù)qN在LP處理下比HP處理下增加13%。

表4 低磷對沙棘葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

4 討論

根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，礦質(zhì)元素缺乏時(shí)，植物會將更大比例的生物量分配給根系，改變地上部和地下部的生物量[14]。試驗(yàn)研究表明，沙棘幼苗由于磷的缺乏，地上部生物量減少70.1%；在低磷處理下，植物葉片對無機(jī)磷的利用增強(qiáng)，并將分配給根系的碳水化合物比例增大，根冠比提高[15]。本試驗(yàn)研究與以往研究結(jié)果一致，沙棘幼苗在低磷環(huán)境中，提高對無機(jī)磷的利用，地下部分碳水化合物比例增加，增加地下部分生物量，根冠比提高了14%，促使幼苗通過調(diào)整營養(yǎng)物質(zhì)的分配適應(yīng)低磷脅迫。

根系是植物吸收土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，根系表面積直接代表植株根系在土壤中的吸收面積，反應(yīng)植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力。延長根系是適應(yīng)低磷脅迫的一種策略，低磷處理誘導(dǎo)根系向地性變化和碳源的分配來影響根的構(gòu)型，植物通過增加根系的長度和表面積，使植物在低磷條件下提高對磷的吸附效率。主要表現(xiàn)在根系長度和表面積的增加，從而提高植物的磷吸收率，滿足自身需要[16]。研究表明，低磷誘導(dǎo)根系構(gòu)型的變化主要受基因變化的調(diào)空，其中乙烯是重要的調(diào)節(jié)劑[17]。本試驗(yàn)中，低磷處理使沙棘幼苗根系表面積增加20%，提高了對磷素的吸收利用。根系的長度和根尖數(shù)能夠直接反映根系的呼吸能力和代謝速率，根系長度的增強(qiáng)為地上部分的生長提供養(yǎng)料，提高地上部分生物量。魏孔亮等[18]研究發(fā)現(xiàn)，磷肥對橡膠幼苗的處理，使其根系伸長。本試驗(yàn)研究與魏孔亮等研究結(jié)果一致，沙棘幼苗的根系總長度增加了18%，增加了根系吸收磷的范圍；根尖數(shù)增加了17%，提高了根系吸收營養(yǎng)的速率，最終促進(jìn)沙棘幼苗在磷素缺乏的環(huán)境中生長。

光合作用、葉綠素含量和葉綠素?zé)晒饪梢苑从持参锸苊{迫后的光合能力。植株受低磷脅迫影響，光合速率降低，阻礙1，1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)的再生，葉綠素含量減少，植株碳水化合物的合成受到阻礙，地上部分的生長受到抑制[19]。曹翠玲等[20]研究發(fā)現(xiàn)在低磷處理下，豇豆葉片光合速率降低30%，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均低于正常磷處理下的植株。本文試驗(yàn)研究結(jié)果與曹翠玲等的研究一致，沙棘幼苗葉片的光合速率隨供磷的缺乏下降36%，光合速率和呼吸速率減弱使植株生長緩慢；葉綠素a，葉綠素b，葉綠素總量也分別下降22%，15%，20%，反應(yīng)了低磷脅迫使植株光合作用減弱。磷素的缺乏影響沙棘幼苗葉綠體的光能利用和轉(zhuǎn)化，沙棘幼苗葉片PSII過度還原，PSII關(guān)閉程度增加，導(dǎo)致光能轉(zhuǎn)換和電子傳遞效率下降，本試驗(yàn)研究結(jié)果也表明Fv/Fm下降，表明PSII的光能轉(zhuǎn)換和電子傳遞效率降低。

本文通過對沙棘幼苗進(jìn)行低磷脅迫試驗(yàn)，分析了沙棘的根系形態(tài)和光合特性，研究了在低磷條件下，沙棘生物量、根系構(gòu)型、光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒獾葏?shù)的變化。綜合本試驗(yàn)對沙棘幼苗的研究，與劉海濤[21]對玉米的研究結(jié)果一致，低磷脅迫抑制植株地上部生長，促進(jìn)根系生長。在未來的研究中，可以對幼苗在低磷條件下的激素含量進(jìn)行測定并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，進(jìn)一步研究低磷條件下幼苗主根伸長與內(nèi)源激素含量及基因表達(dá)的關(guān)系[16]。后期可以通過對根系活力、有機(jī)酸分泌、POD、SOD、相對電導(dǎo)率等參數(shù)的測定，進(jìn)一步研究沙棘幼苗通過自身生長調(diào)節(jié)應(yīng)對低磷脅迫的作用機(jī)制。