供磷水平對苗期小麥地上和地下部性狀關聯性的影響

蒲子天，張 弛，張佳崎，張瑞芳，王 紅，王鑫鑫*

（1 河北農業大學資源與環境科學學院，河北保定 071001；2 國家北方山區農業工程技術研究中心，河北保定 071001；3 河北省山區農業技術創新中心，河北保定 071001；4 河北農業大學河北省山區研究所，河北保定 071001）

磷素作為植物生長發育過程中所需的大量元素之一，參與植物體內重要物質的組成[1]，并且參與植物光合作用、呼吸作用等重要的生化過程，影響植物地上、地下部性狀變化[2–3]。因此，供磷水平的高低可以在一定程度上影響植物的生理生化過程。土壤缺磷往往是土壤中磷酸鹽的吸附和固定造成的[4]。低磷脅迫下，植物通過不同的磷獲取策略[3,5]，提高對土壤磷的吸收，主要方式包括：1) 根冠比及根系長度的增加；2) 增加比根長，降低根組織密度[6]；3)增加磷酸酶活性和有機酸離子滲出，降低根際土pH，提高根際土壤周圍磷的有效性[5,7]。植物可通過不同的根系性狀變化組合來形成對低磷環境的適應，例如有些植物主要依賴于根系形態性狀改變，還有一些植物主要通過增強根系活化磷化合物的分泌能力[8–9]。這種根系性狀組合的差異存在于植物不同物種間及相同物種的不同品種之間[10–12]，從而使植物表現出不同的土壤資源獲取能力[13]。然而，不同植物地上部性狀在響應不同磷水平時所采取的策略大致相同[14]，這就有可能導致植物的地上和地下部性狀的關聯性隨土壤供磷水平發生改變，并以此成為適應低磷環境的一種策略。

小麥 (Triticum aestivumL.) 是世界上主要的糧食作物之一。現階段的研究表明，處于低磷環境中的小麥可通過提升根系生物量，改變根系性狀，降低地上部生物量以及改變根系分泌物含量的策略，來增強小麥對磷的吸收能力，應對磷缺乏的壓力[15]。本試驗選取1980—2010年10個河北省主要種植的小麥品種為研究對象，分析了低磷 (0 mg/kg) 和高磷 (200 mg/kg) 水平下小麥植株的地上、地下性狀及其關聯性差異，探究小麥應對不同磷環境的策略，以期為選育適應不同磷環境的優良小麥品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為砂壤質潮土，取自河北省保定市雄縣地區 (116°9′E，39°4′N) 低磷農田 0—20 cm 土層的土壤。土壤基礎性質如下：土壤pH 7.40、土壤容重1.45 g/cm3、有機質15.2 g/kg、全氮1.26 g/kg、有效磷5.50 mg/kg、速效鉀156 mg/kg、全鉀20.45 g/kg。采用環刀法測定土壤容重；1∶5土水比測定土壤pH；凱氏定氮法測定土壤全氮；NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量；通過火焰光度計法測定土壤速效鉀含量；有機質通過油浴—K2Cr2O7滴定法測定[17]。

試驗在河北農業大學東校區河北省山區研究所溫室 (115°26′E，38°49′N) 內進行，采用盆栽方法種植小麥，塑料盆規格為盆高11 cm，內徑17 cm。

本研究中，磷效率定義為低磷與高磷條件下地上部磷吸收量之比 (mg/mg)。高、低磷效率基因型組依據磷效率中值劃分 (中值±標準誤)[16]。篩選了1977—2016年河北省主要種植的30個小麥基因型，其磷效率從0.07到0.18，中位數為0.12。為了保持低磷耐受性相對一致，我們選擇了靠近磷效率中位數的10個基因型作為供試材料 (表1)。

表1 供試小麥品種審定年份及其磷效率Table 1 Release time and P efficiency of the tested wheat cultivars

1.2 試驗設計

盆栽試驗為品種和磷素水平雙因素隨機區組設計。施磷水平設置為0和200 mg/kg，磷源為KH2PO4。供試小麥品種10個，共20個處理，每個處理4次重復。土壤經過風干后過2 mm孔篩，過篩后混合均勻，每個盆放入1 kg風干土。播前土壤添加營養液作為基肥，各營養元素添加量分別為：(NH4)2SO4944 mg/kg、K2SO4335 mg/kg、CaCl2126mg/kg、MgSO4·7H2O 43 mg/kg、EDTA-FeNa 5.8 mg/kg、MnSO4·H2O 6.7 mg/kg、ZnSO4·7H2O 10 mg/kg、CuSO4·5H2O 2.0 mg/kg。土壤與養分充分混合均勻后，按播種量的5倍選取完好的種子，先用2.94 mol/L H2O2浸泡30 min滅菌，然后使用飽和CaSO4溶液進行浸種并通氣12 h。浸泡完成后在濕潤濾紙上避光催芽30 h。每盆播種6粒小麥，出苗1周后，留3株。試驗期間，通過稱重法 (稱取盆土重量) 使土壤含水量保持在田間持水量的60%±10%，溫室平均溫度為20℃，空氣相對濕度為44%～55%。播種時間為2018年12月14日，試驗結束時間為2019年1月19日，共35天。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 小麥生長的第21和35天，用測量尺分別測定苗高，第35天用葉綠素儀測定葉片SPAD值。收獲時將地上部與地下部剪開，用自來水對地上部清洗后，繼續使用去離子水洗凈，然后將地上部用吸水紙擦干并放入信封中，隨后將信封放入105℃烘箱中殺青30 min，之后將溫度轉為75℃烘干至恒重，然后稱取干重。

去除根系周圍的大塊土壤，輕輕搖動根部粘附的薄土，并用自封袋收集根際土壤，放入4℃冰箱保存，用于測定根際土壤酸性磷酸酶活性，整個過程中要盡量避免對小麥細根的破壞。在根際土收集完成后，盡可能多地將土壤中散落的根挑選出來，用自來水沖洗后，再用去離子水洗凈，也放入4℃冰箱中保存。

1.3.2 根系性狀測定 將根樣品排列放置到透明的根盒中 (30 cm×20 cm×3 cm)，使用掃描儀 (Microtek Scan Marker i800) 進行根系掃描，然后用WinRHIZO Pro version 2009b (Regent Instruments, Quebec, Canada) 軟件分析根系掃描圖像，測定根長、細根比例等根系性狀。然后將根樣放入75℃烘箱烘干至恒重，并稱取干重。

1.3.3 地上部含磷量測定 地上部樣品稱重后磨碎，采用H2SO4–H2O2消煮—鉬銻抗比色法測定全磷含量[17]。

1.3.4 根際土壤酸性磷酸酶活性 稱取1.0 g根際土壤放入100 mL白塑料瓶中，添加HAc-NaAc緩沖液 (pH 6.0) 9 mL，與緩沖液對應的p-NPP 1 mL，甲苯0.25 mL，將塑料瓶封口后振蕩搖勻，在恒溫培養箱 (30℃) 中培養60 min后，加入1 mL NaOH (14.30 mol/L) 終止反應，過濾后在405 nm波長比色[18]。

1.4 指標計算與數據處理

測定指標的計算如下：

根冠比 (g/g) = 地下部干重/地上部干重

比根長 (m/g) = 根長/地下部干重

根組織密度 (g/cm3) = 根干重/根體積

相對生長速率 [cm/(cm·d)] = (lnH1–lnH2)/(T1–T2)式中，H1和H2分別為小麥生長35和21天株高，T1和T2分別為小麥生長的35和21天。

數據采用Excel 2010進行整理，SPSS 26.0計算平均值和標準差，運用Duncan檢驗法檢驗數據在0.05水平上的顯著性，通過雙因素方差分析檢驗小麥品種、施磷水平及二者交互作用的顯著性，采用Origin 2021繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種地上部干重、相對生長速率、地上部磷吸收量和磷含量對土壤磷水平的響應

由圖1可知，低磷條件下，河農287、中麥175、農大212的地上部干重顯著高于冀麥20和冀麥30兩個品種 (P＜0.05)，其中農大212的地上部干重最重；高磷條件下，中麥175的地上部干重最大，分別是冀麥30和衡4399的136.8%和135.5%。相較于高磷條件，低磷條件下各品種小麥的地上部干重顯著降低，其降低幅度為57.9%～72.2%。低磷水平下河農287和農大399的相對生長速率顯著高于冀麥24、冀麥30以及衡4399 (P＜0.05)。高磷水平顯著降低了河農287、中麥175和農大399的相對生長速率 (P＜0.05)。相較于低磷水平，高磷條件下河農287、中麥175和農大399的相對生長速率分別降低了56.8%、70.6%和59.8%。

圖1 低、高磷水平下供試小麥品種的地上部性狀Fig.1 Shoot traits of wheat cultivars at low and high P levels

低磷條件下，各品種小麥的地上部磷吸收量均處于較低的水平，且并無顯著性差異，但與高磷條件相比，低磷條件下各品種小麥的地上部磷吸收量均顯著降低，降低幅度為85.7%～89.8%。高磷條件下，農大212小麥的地上部磷吸收量顯著高于其他品種小麥的地上部磷吸收量，其中冀麥30的地上部磷吸收量最低。低磷條件下，各品種小麥的地上部磷含量并無顯著性差異，與高磷條件相比，低磷條件下各品種小麥的地上部磷含量顯著降低 (P＜0.05)，降低幅度為61.3%～71.7%。

2.2 小麥地下部性狀對土壤磷水平的響應

由圖2可知，低磷條件下，農大399根長均大于其他品種 (P＜0.05)，與高磷條件相比，各品種小麥的根長均顯著增加，增加幅度為50.9%～249.5%；同時高磷條件下，冀麥30以及農大212根長的弱化效果最為顯著，與低磷水平相比，根長分別減少了71.4%和61.0%。低磷條件下各品種小麥的根干重無明顯差異，但高磷水平不同程度地提升了各品種小麥的根干重，其中河農287的根干重及變化程度最大，相比低磷水平下提升了90.1%。各品種小麥的根冠比在高、低磷水平下均未表現出顯著差異，但與高磷條件相比，低磷水平顯著提升了小麥的根冠比，提升幅度為27.4%～198.9%，其中冀麥20的根冠比提升效果最為顯著。

圖2 低、高磷水平下供試品種小麥的根系性狀Fig.2 Root traits of the tested wheat cultivars at low and high P levels

低磷條件下，冀麥20的根直徑顯著大于其他品種 (P＜0.05)，與低磷水平相比，高磷水平下河農341、衡4399和河農287的根直徑提升最為顯著，分別提升了138.8%、412.8%和262.9%。與高磷條件相比，低磷水平顯著提升了各品種小麥的細根比例，提升幅度為32.5%～442.5%；同時低磷水平還顯著提升了某些小麥的根組織密度，其整體變化幅度為–34.5%～400%。

相較于高磷水平，低磷水平下各品種小麥的比根長均顯著提升，提升幅度為74.4%～395.3%。低磷條件下，河農287的酸性磷酸酶活性最強；相較于高磷水平，小麥的酸性磷酸酶活性變化幅度為–8.1%～120.9%。低磷水平下，各品種小麥的根際土壤pH無顯著差異；與低磷水平相比，高磷水平能顯著提高小麥根際土壤pH，其中河農341根際土壤pH的提高最為明顯。

2.3 小麥地上和地下部性狀對品種及土壤磷水平的響應

方差分析結果 (表2) 表明，在14個地上、地下部性狀中，除根冠比的品種效應及葉片SPAD值的土壤磷效應不顯著外，其余各性狀對品種和土壤磷水平的響應均達到0.05顯著水平；品種與土壤磷水平的互作效應也在地上部干重、相對生長速率以及多數地下部性狀上表現顯著，因此總體來看，小麥植株地上和地下部性狀受品種和土壤磷水平影響較大。

表2 小麥地上、地下部性狀對土壤磷水平和品種響應效果的雙因素分析(F值)Table 2 Two-factor ANOVA of effect of soil P level and wheat cultivar on shoot and root traits (F value)

2.4 不同磷水平下小麥地上和地下部性狀相關性分析

如圖3所示，低磷水平下，小麥地上部磷吸收量與地上部干重、地上部磷含量、葉綠素含量、酸性磷酸酶活性均呈顯著正相關，與根冠比、根直徑、細根比例均呈顯著負相關。酸性磷酸酶活性與根干重、地上部干重、葉綠素含量、相對生長速率均呈顯著正相關。小麥葉綠素含量與地上部干重、根長均呈顯著正相關，與細根比例呈顯著負相關。地上部磷含量與細根比例呈顯著負相關。地上部干重與根冠比、根直徑均呈顯著負相關。根干重與根冠比、根長與根直徑、根直徑與細根比例均呈顯著正相關。根干重與細根比例、根長與根際土壤pH均呈顯著負相關。

在高磷水平條件下，小麥地上部磷吸收量與地上部干重、地上部磷含量、根干重均呈極顯著正相關，小麥根干重與根冠比呈極顯著正相關。其余地上、地下部性狀之間并未展現出極顯著相關性 (圖3)。

圖3 低、高磷水平下小麥地上和地下性狀的相關圖Fig.3 Correlation between above- and below-ground traits of wheat cultivars at at low and high P levels

低磷條件下，小麥有32組地上和地下部性狀顯著相關，但在高磷條件下只有20組性狀顯著相關。低磷處理顯著提高了小麥地上和地下部協同相關性，相比高磷處理提升了60%。

3 討論

植物對土壤磷素含量變化較為敏感，在不同的磷水平下，植物通過改變其生長性狀適應不同水平的磷環境[19–21]。因此，植物生長性狀的改變往往是植物自身適應不同磷環境的體現。不同磷水平下，植物生長性狀變化往往引起生物量在不同器官分配的改變以及相關性的變化[22]。所以，探究植物在不同磷環境下其生物量在不同器官分配的變化以及地上和地下部性狀相關性的變化，對了解小麥應對不同磷環境的策略以及篩選優良的耐逆境脅迫小麥品種有著非常重要的意義。

本研究發現，10個小麥品種的4個地上部性狀以及9個根部性狀在不同磷水平環境中有著非常明顯的差異。生物量分配的改變是植物對養分最重要的反應。低磷水平下，小麥通過增加根長、細根比例、根組織密度、根冠比以及比根長等 (圖2)，來應對低磷環境所造成的影響。這種現象與Deng等[23]的發現類似，他們的研究結果表明，水稻在低磷環境下地上部發育受限，通過增加根系的生長來適應低磷環境。同時，根系形態結構的改善，可以增大根系與土壤的接觸面積，通過增強對磷素的活化，來提高根系對磷素的吸收[24–26]。然而，處于高磷環境中的小麥，其地上部干重、地上部磷吸收量、地上部磷含量等地上部性狀以及根直徑、根干重等地下部性狀增強，但對各品種小麥其他根系性狀以及部分小麥的相對生長速率有明顯的減弱 (圖1、圖2)。出現這種現象，可能是小麥處于高磷環境中，并不需要通過根系性狀的增強來獲取磷素資源，因此小麥不需要將過多營養投入根系發育。

本研究表明，不同的養分吸收策略在改善植物生長的同時，還可以提高小麥在低磷環境中的磷吸收能力以及提高小麥在高磷環境中的生長潛力。由圖2可以看出，低磷環境中小麥的根冠比、比根長以及根長均大于高磷環境中的小麥，表明低磷環境脅迫小麥做出更多的根形態變化。與高磷條件相比，低磷環境中的小麥，其根長增加，酸性磷酸酶活性增強，根際土壤pH降低，這與玉米和鷹嘴豆的研究結果[9,27]相似。原因可能是，極低的磷環境能夠促使小麥根系分泌物活性增強，盡可能多的提高土壤中有效磷的含量，提升植物對磷素的吸收。但有研究表明，在低磷環境中，維持根系生物量和根長是小麥應對極端缺磷的主要策略，而根系分泌物不是主要的影響因素[15]。

低磷水平使各品種小麥的酸性磷酸酶活性更高，這表明酸性磷酸酶有利于小麥幼苗期適應低磷環境[28]，低磷條件下小麥能夠通過提升根際土壤酸性磷酸酶活性來獲取更多的磷。但在高磷環境中各品種小麥的酸性磷酸酶活性減弱。出現這種現象的原因可能是小麥在應對不同磷環境時探索策略不同。如圖3所示，低磷環境下，小麥的地上部磷吸收量與根冠比、根直徑以及細根比例等根系性狀顯著負相關，但酸性磷酸酶活性卻與小麥的地上部磷吸收量顯著正相關。由此可以看出，在低磷環境中，小麥主要通過提高酸性磷酸酶活性來提高小麥的地上部磷吸收量。可能是由于低磷條件下植物根系通過增強酸性磷酸酶活性，從而提升土壤中有機磷化合物礦化成無機磷的能力。但高磷環境中磷素豐富，因此降低了小麥根系的酸性磷酸酶活性。

不同磷環境除了對小麥生物量以及根系分泌物產生影響外，我們還發現低磷環境中小麥的地上和地下部性狀存在較強的相關性，而高磷環境會降低小麥地上和地下部性狀的相關性。同時，低磷條件下，大多數地上和地下部性狀相關性增強，并且根的形態性狀和根系結構基本呈正相關。這種現象說明低磷環境中小麥地上和地下部性狀的變化是協同發生的，這與Ao等[29]發現大豆的根系形態結構與土壤磷含量呈極顯著正相關的結論相同。原因可能為低磷環境下，由于磷素過低的限制，小麥會通過提高地上和地下部性狀的協同生長，提高小麥對土壤中有限磷資源的獲取效率。由于高磷環境中磷素充足，植物能夠正常生長，但小麥不同的地上和地下部性狀對磷素的需求不同，充足的磷素資源，使得各性狀對磷的響應程度以及生長情況因各自所需情況而改變，因此高磷環境中，小麥地上和地下部性狀的相關性較小。但酸性磷酸酶活性可能主要受土壤環境的影響，因此高磷條件下，酸性磷酸酶活性與其他地上和地下部性狀沒有密切關系[30]。

通過上述研究結果，發現低磷環境中小麥通過增強根系性狀來獲取土壤中的少量磷素；增強根系酸性磷酸酶活性，提升小麥根系對磷素的探尋能力。因此，低磷環境中，小麥往往通過增強根部性狀去吸收磷，如增加根系分泌物，小麥維持較高的地上和地下部關聯性，依賴更好的整體協同生長方式去適應低磷環境。相反，高磷條件下，由于地上部干重、地上部磷吸收量、地上部磷含量的增加，小麥降低了對根系的養分投入，地上和地下部性狀關聯性也隨之降低。

4 結論

低供磷條件導致小麥地上部干重、地上部磷吸收量以及地上部磷含量等地上部性狀發育受限，小麥根長、細根比例、根組織密度、根冠比以及比根長等地下部性狀表現出增強態勢，酸性磷酸酶活性增強，以適應低磷環境，低磷條件下小麥地上部和地下部性狀相關性更強。而高供磷條件下，小麥品種地上部和地下部的性狀相關性降低，因此，高磷條件弱化了小麥地上和地下部性狀的關聯性。