基因型影響磷鎂互作下大豆生長及根瘤和菌根性狀

鄭林生，劉志強，陳 康，王秀榮*

（1 華南農業(yè)大學亞熱帶農業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室 / 華南農業(yè)大學根系生物學研究中心，廣東廣州 510642；2 駐馬店市農業(yè)科學院，河南駐馬店 463000）

磷(P)是三磷酸腺苷等植物體內重要能量單元的組成元素，參與植物體內的能量代謝和碳水化合物代謝[1]。鎂(Mg)是葉綠素的重要組成部分，缺鎂會嚴重影響植物的光合作用以及光合產物從地上部向根部的運輸[2]。有研究表明，施磷可以提高植物體內的鎂含量；但在土壤缺磷的條件下，過量施用鎂肥反而會使高山茅草的鎂含量降低[3]；而在適宜的供磷水平，增施鎂肥能提高甘蔗的產量[4]。以上的研究結果表明，磷和鎂營養(yǎng)之間存在互作。而最近在大豆中的研究發(fā)現(xiàn)，磷和鎂互作的效應會受到大豆基因型的影響[5]。

在磷和鎂養(yǎng)分脅迫條件下，植物根系可以通過在形態(tài)、生理生化以及根際生物互作等方面的一系列變化促進對磷和鎂的吸收[6]。其中，與有益微生物共生是植物促進礦質營養(yǎng)元素吸收的重要途徑之一。根瘤菌(Rhizobia)和叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizalfungi)是兩類重要的土壤有益微生物，能與宿主植物共生，并協(xié)助宿主植物獲取生長所需的礦質營養(yǎng)。根瘤菌能夠通過共生固氮將大氣中的氮氣轉化成植物可以利用的氨，同時，根瘤菌及其形成的根瘤具有溶磷能力，可以作為土壤中難溶性磷的增溶劑[7–10]。叢枝菌根真菌可以通過擴大根系吸收面積，促進植物對氮、磷、鎂等礦質營養(yǎng)的吸收，提高土壤養(yǎng)分利用效率[11–12]。反過來，植物的磷、鎂營養(yǎng)狀況也會影響有益微生物的共生。土壤中有效磷含量是影響根瘤菌存活的主要因素[13–14]，缺磷會顯著抑制根瘤菌活性，并且抑制根瘤的生長和固氮能力[15]；而增加鎂營養(yǎng)的供應，可以促進大豆結瘤[16]。叢枝菌根真菌對植物根系的侵染強度很大程度上受土壤磷有效性的影響。低磷條件下接種菌根真菌能顯著促進大豆生長，而高磷條件下菌根生長響應不明顯[17]。在低磷接種菌根真菌條件下，適當提高鎂的供應可以促進大豆光合產物向根部的運輸，促進根系生長，提高菌根共生效率[18]。對柑橘的研究還發(fā)現(xiàn)，適當提高鎂營養(yǎng)可以促進菌根共生，而柑橘不同品種對菌根的響應有所不同。然而，在田間條件下，不同磷和鎂處理對不同大豆基因型與根際有益微生物共生的影響還鮮有報道。

大豆(Glycine maxL.)是重要的糧油作物，具有很高的營養(yǎng)價值，我國是大豆重要的生產國，然而日益增長的大豆需求以及種植面積的日益縮減導致大豆的產量供不應求[19]，因此，提高大豆的產量對我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關重要。本研究采用田間試驗，通過設置施用不同磷肥和鎂肥處理，探究不同磷、鎂處理對不同基因型大豆生長及與根際有益微生物共生的影響。研究結果將為解決我國南方土壤磷、鎂缺乏的問題提供新思路，為南方種植大豆的合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試植物材料

供試植物材料為2 種大豆(Glycine maxL.)基因型，磷高效基因型粵春03-3 (Yuechun 03-3 YC03-3)和磷低效基因型本地2號(Bendi 2，BD2)，為前期研究工作中篩選出來的磷效率不同的大豆基因型[20]。粵春03-3是華南農業(yè)大學育成的國審品種，為淺根型大豆基因型；本地2號為華南地區(qū)農民普遍種植農家品種，為深根型大豆基因型。

1.2 供試土壤

田間試驗于2021年在華南農業(yè)大學寧西試驗基地 (23°29′N，113°83′E)進行，該地區(qū)位于南亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫為21.7℃左右，年平均降雨量2000 mm左右。試驗地基本理化性質如下：pH為5.01 (2.5∶1的水土比測定)，有機質為13.4 g/kg(油浴加熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定)，全氮為0.759 g/kg (凱氏蒸餾法測定)，全磷為0.472 g/kg (氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定)，全鉀為11.6 g/kg(氫氧化鈉熔融—火焰光度法測定)，堿解氮為50.5 mg/kg (堿解擴散法測定)，速效鉀為112 mg/kg (乙酸銨浸提—火焰光度法測定)，速效磷為0.379 mg/kg(鹽酸氟化銨浸提—鉬銻抗比色法測定)，交換性鎂為47.1 mg/kg (乙酸銨交換—原子吸收分光光度法測定)，交換性鈣為271.3 mg/kg (乙酸銨交換—原子吸收分光光度法測定)。

1.3 試驗設計

田間試驗采用三因素裂裂區(qū)試驗設計，A因素為P2O540 kg/hm2(P40)和100 kg/hm2(P100)兩個施磷水平；B因素為不施鎂(Mg0)和施MgO 75 kg/hm2(Mg75)兩個施鎂水平；C因素為磷高效基因型粵春03-3 (YC03-3)和磷低效基因型本地2號(BD2)兩個大豆基因型。播種前尿素(N70 kg/hm2)、過磷酸鈣(P40，P2O540 kg/hm2；P100，P2O5100 kg/hm2)、氯化鉀 (K2O 90 kg/hm2)、氧化鎂 (Mg 0，MgO 0 kg/hm2；Mg 75，MgO 75 kg/hm2)混合均勻后條施，并在溝內將肥料與土混合均勻，覆土后再開播種溝種植大豆。試驗在田間采用裂裂區(qū)設計，分為高磷和低磷兩塊主區(qū)，然后在每個主區(qū)內進行鎂處理，包括8塊副區(qū)施用鎂肥和8塊副區(qū)不施用鎂肥，每個副區(qū)長29 m、寬1.2 m，兩種大豆基因型在每個副區(qū)內種植長度各14 m，中間間隔1 m，隨機排列。播種時行距30 cm，株距20 cm，每穴播種2～3粒種子，出苗后進行補苗或間苗處理，每穴只留1株苗。試驗每個處理重復4次，共32個試驗小區(qū)。在作物生長過程中，進行灌溉、培土、除草及病蟲害防治等常規(guī)管理。

1.4 樣品采集與測定

田間試驗中，大豆于2021年3月1日種植，4月29日采樣，試驗周期為60天。采樣前兩天需下地查看田間整體情況，在不同處理的不同小區(qū)，每個重復標記兩株植株，掛好牌子。待播種60天后，對做好標記的兩株植株進行分開取樣，以避免取樣誤差。在選定的植株周圍約60 cm處用鐵鏟挖一個深約40—60 cm的剖面，小心撥開覆蓋的土壤，露出豆根。將大豆植株小心挖出，避免傷到大豆根系。將植株分為地上部與根部兩部分，將地上部裝入信封袋中，根部掃凈后裝入自封袋。樣品帶回實驗室后，將根系清洗干凈，摘完根瘤后，對根瘤數(shù)進行統(tǒng)計。通過掃描儀 ( Epson1460XL，日本) 掃描，再用根系分析軟件 Win-RHIZO (Regent Instruments Inc.，加拿大)分析根系性狀，包括總根長、根表面積、根體積、根平均直徑。利用單位根長的結瘤數(shù)量計算根瘤密度。掃完根后，對根系樣品進行稱重，然后，將根系剪成1 cm左右的根段，混合均勻后取0.2～0.3 g菌根樣品放入10% KOH中透明化處理，之后，用墨水染色，在顯微鏡中觀察，計算被菌根真菌侵染的根段占總根段的比值從而得出菌根侵染率。將地上部(不含豆莢)、豆莢、根部、根瘤放于75℃烘箱烘至恒重后測定干重，磨樣后采用H2SO4–H2O2消煮，使用San++ Skalar連續(xù)流動分析儀(Skalar，Breda，荷蘭)測定大豆各組分的氮和磷含量；采用高溫灰化結合原子吸收分光光度計(Z-5300，Hitachi, 日本)測定各組分的鎂含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2019 (Microsoft Company，美國)進行平均值和標準誤的計算。所有試驗數(shù)據(jù)用IBM SPSS Statistics 26統(tǒng)計軟件進行三因素裂區(qū)的方差分析(analysis of variance，ANOVA)，鄧肯法進行多重比較(Duncan’s multiple range test)。利用皮爾遜相關分析進行根系性狀與根瘤性狀的相關性分析 (Pierre’s relevant analysis)。

2 結果與分析

2.1 不同磷、鎂處理對不同基因型大豆地上部、根部干重及單株結莢數(shù)的影響

從圖1和表1三因素方差分析結果可見，不同磷處理極顯著影響地上部干重、根部干重(P＜0.001)，顯著影響單株結莢數(shù)(P＜0.01)；不同鎂處理極顯著影響根部干重(P＜0.001)，顯著影響地上部干重以及單株結莢數(shù)(P＜0.01)，不同基因型極顯著影響地上部和根部干重(P＜0.001)，顯著影響單株結莢數(shù)(P＜0.05)。不同的磷、鎂處理對植株地上部干重(P＜0.05)和根部干重(P＜0.01)存在顯著的交互作用。不同磷處理和基因型對植株根部干重存在極顯著的交互作用(P＜0.001)，對植株地上部干重存在顯著的交互作用(P＜0.05)。不同鎂處理和基因型對植株地上部干重和根部干重存在極顯著的交互作用(P＜0.001)，對單株結莢數(shù)存在顯著的交互作用(P＜0.05)。不同磷、鎂處理和基因型對植株地上部干重以及根部干重的影響存在顯著的交互作用(P＜0.01)。

圖1 不同磷、鎂處理對不同大豆基因型地上部、根部干重及單株結莢數(shù)的影響Fig.1 Effects of different phosphorus and magnesium rates on shoot and root dry weight, and pod number per plant of soybean genotypes

從磷處理來看，增加磷肥的施用量顯著增加兩種大豆基因型在不同鎂處理下的地上部干重、根部干重以及單株結莢數(shù)。尤其在增施鎂肥的條件下，與P40相比，P100處理的YC03-3和BD2地上部干重分別增加了280%和361%，根部干重分別增加了249%和192%，單株結莢數(shù)分別增加了127%和288%。從鎂處理來看，在P40條件下，增施鎂肥顯著的增加了YC03-3地上部干重、根干重、單株結莢數(shù)，分別增加了63.0%、46.8%和70.8%；在P100條件下，增施鎂肥也顯著增加了YC03-3的地上部干重、根部干重以及單株結莢數(shù)，分別增加了74.4%、91.5%和51.2%。此外，兩個大豆基因型的生物量和產量對磷、鎂處理的反應有所不同，增施磷肥對磷高效型大豆基因型YC03-3生長的促進作用大于磷低效大豆基因型BD2；同時，磷高效大豆基因型對增施鎂肥的反應也更加明顯。

2.2 不同磷、鎂處理對大豆氮、磷、鎂含量和積累量的影響

從圖2和表1三因素方差分析結果可見，不同磷處理極顯著影響植株氮積累量(P＜0.001)，顯著影響豆莢氮含量(P＜0.01)，不同鎂處理極顯著影響豆莢氮含量和植株氮積累量(P＜0.001)，顯著影響根部氮含量(P＜0.05)；不同基因型極顯著影響豆莢氮含量和植株氮積累量(P＜0.001)，顯著影響植株地上部氮含量(P＜0.01)。不同磷、鎂處理對豆莢氮含量存在極顯著的交互作用(P＜0.001)，對地上部氮含量和植株氮積累量存在顯著的交互作用(P＜0.05)；不同磷處理和基因型對植株氮積累量存在極顯著的交互作用(P＜0.001)，對根部氮含量存在顯著的交互作用(P＜0.05)；不同鎂處理和基因型對植株氮積累量存在極顯著的交互作用(P＜0.001)，對根部氮含量存在顯著的交互作用(P＜0.01)；不同磷、鎂處理和基因型對植株氮積累量存在極顯著的交互作用(P＜0.001)。

圖2 磷、鎂處理對不同大豆基因型氮含量和積累量的影響Fig.2 Effects of phosphorus and magnesium treatments on the N content and accumulation of soybean genotypes

表1 磷(P)、鎂(Mg)處理和不同大豆基因型(G)對植株生長及根瘤和菌根性狀影響的方差分析Table 1 ANOVA of the effects of phosphorus (P), magnesium (Mg) and soybean genotypes (G) on plant growth and nodule and mycorrhizal traits

從磷處理來看，增加磷肥的施用量顯著增加兩種大豆基因型在不同鎂處理下的植株氮積累量。不施鎂肥條件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株氮積累量分別增加了488%和312%；增施鎂肥條件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株氮積累量分別增加了287%和337%。同時，不施鎂肥條件下增加磷肥的施用量也增加了BD2豆莢氮含量。從鎂處理來看，P40條件下，增施鎂肥可以顯著增加BD2的豆莢氮含量、根部氮含量、植株氮積累量以及YC03-3的植株氮積累量，分別增加了40.3%、28.1%、57.9%、79.3%；P100條件下，增施鎂肥增加了BD2的根部氮含量以及YC03-3的植株氮積累量，分別增加了29.9%和90.4%。此外，兩個大豆基因型植株氮營養(yǎng)狀況對磷、鎂處理的反應有所不同，在P40不施鎂條件下，YC03-3的豆莢氮含量和植株氮積累量顯著高于BD2；在P40增施鎂肥條件下，YC03-3的植株氮積累量顯著高于BD2；在P100增施鎂肥條件下，YC03-3的地上部氮含量和植株氮積累量均顯著高于BD2。

從圖3和表1三因素方差分析結果可見，不同磷肥處理極顯著影響豆莢磷含量(P＜0.001)，顯著影響植株磷積累量(P＜0.01)和地上部磷含量(P＜0.05)；不同鎂肥處理顯著影響植株磷積累量(P＜0.01)；不同基因型極顯著影響植株磷積累量(P＜0.001)；不同磷處理和不同大豆基因型對豆莢磷含量(P＜0.05)和植株磷積累量(P＜0.01)的影響存在顯著的交互作用。不同磷、鎂處理和不同大豆基因型對植株地上部磷含量的影響存在顯著的交互作用(P＜0.05)。

圖3 不同磷、鎂處理對不同大豆基因型磷含量和積累量的影響Fig.3 Effects of different phosphorus and magnesium treatments on the content and accumulation of phosphorus in different soybean genotypes

從磷處理來看，增加磷肥的施用量顯著增加兩種大豆基因型在不同鎂處理下的植株磷積累量。不施鎂肥條件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株磷積累量分別增加了560%和246%；增施鎂肥條件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株磷積累量分別增加了296%和284%。同時，在不施用鎂肥條件下，增施磷肥增加了YC03-3和BD2的豆莢磷含量；在增施鎂肥條件下，增施磷肥增加了BD2的豆莢磷含量。從鎂處理來看，增施鎂肥增加了P40條件下BD2的豆莢磷含量以及P100條件下YC03-3植株磷積累量，分別增加了165%和96.4%。此外，兩個大豆基因型磷營養(yǎng)狀況對磷、鎂處理的反應存在差異，在P40不施鎂條件下，YC03-3的豆莢磷含量顯著高于BD2；在P100施鎂條件下，YC03-3的植株磷積累量顯著高于BD2。

從圖4和表1三因素方差分析結果可見，不同磷肥處理極顯著影響植株鎂積累量(P＜0.001)以及顯著影響大豆植株地上部鎂含量、豆莢鎂含量、根部鎂含量(P＜0.05)；不同鎂肥處理顯著影響植株根部鎂含量(P＜0.05)和豆莢鎂含量(P＜0.01)；極顯著影響植株地上部鎂含量、植株鎂積累量(P＜0.001)，不同基因型顯著影響植株地上部鎂含量(P＜0.01)，極顯著影響根部鎂含量、豆莢鎂含量和植株鎂積累量(P＜0.001)。不同磷、鎂處理對植株鎂積累量存在極顯著的交互作用(P＜0.001)，對植株地上部鎂含量存在顯著的交互作用(P＜0.05)；不同磷處理和大豆基因型對植株鎂積累量存在顯著的交互作用(P＜0.05)，對豆莢鎂含量存在極顯著的交互作用(P＜0.001)；不同鎂處理和大豆基因型對植株鎂積累量存在極顯著的交互作用(P＜0.001)。不同磷、鎂處理和不同基因型對植株根部鎂含量和植株鎂積累量存在顯著的交互作用(P＜0.01)

圖4 不同磷、鎂處理對不同大豆基因型鎂含量和積累量的影響Fig.4 Effects of different phosphorus and magnesium treatments on the content and accumulation of magnesium in soybean genotypes

從磷處理來看，增加磷肥的施用量可以顯著增加兩種大豆基因型在不同鎂處理下的植株鎂積累量。不施鎂肥條件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株鎂積累量分別增加了328%和199%；增施鎂肥條件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株鎂積累量都增加了276%。同時，不施加鎂肥的條件下，增加磷肥增加了BD2的根部鎂含量，降低了YC03-3的地上部和豆莢鎂含量；增施鎂肥的條件下，增施磷肥增加了YC03-3的地上部和根部鎂含量，降低了YC03-3的豆莢鎂含量。從鎂處理來看，在P40條件下，增施鎂肥BD2地上部鎂含量、根部鎂含量、植株鎂積累量分別增加了51.1%、47.0%、87.2%，YC03-3地上部鎂含量、豆莢鎂含量、植株鎂積累量分別增加了28.7%、20.6%、106%；在P100條件下，增施鎂肥BD2地上部鎂含量、豆莢鎂含量、植株鎂積累量分別增加了50.8%、21.9%、64.7%；YC03-3地上部鎂含量、豆莢鎂含量、根部鎂含量和植株鎂積累量分別增加了87.5%、23.9%、77.8%、161%。此外，兩個大豆基因型的鎂營養(yǎng)狀況對磷、鎂處理的反應有所不同，在P40不施鎂條件下，YC03-3的豆莢鎂含量、根部鎂含量顯著高于BD2；在P40增施鎂肥條件下，YC03-3的地上部鎂含量顯著低于BD2，但豆莢鎂含量和植株鎂積累量顯著高于BD2；在P100不施鎂條件下，YC03-3的地上部鎂含量顯著低于BD2；在P100增施鎂肥條件下，YC03-3的根部鎂含量和植株鎂積累量均顯著高于BD2。

2.3 不同磷、鎂處理對不同基因型大豆根系性狀的影響

從圖5和表1三因素方差分析結果可見，不同磷肥處理極顯著影響植株的根體積和根平均直徑(P＜0.001)，顯著影響總根長和根表面積(P＜0.01)，不同鎂肥處理顯著影響植株根體積和根平均直徑(P＜0.01)；不同基因型顯著影響植株總根長(P＜0.05)、根表面積和根平均直徑(P＜0.01)，極顯著影響植株根體積(P＜0.001)。不同磷和鎂處理對植株根體積和根平均直徑存在顯著的交互作用(P＜0.01)；不同磷和大豆基因型對植株根平均直徑(P＜0.01)和根表面積存在顯著的交互作用(P＜0.05)，對植株的根體積存在極顯著的交互作用(P＜0.001)；不同鎂處理和大豆基因型對植株的根表面積(P＜0.05)、根平均直徑(P＜0.01)存在顯著的交互作用，對根體積存在極顯著的交互作用(P＜0.001)；不同磷、鎂處理和不同大豆基因型對植株根表面積、根平均直徑(P＜0.05)存在顯著的交互作用，對根體積存在極顯著的交互作用(P＜0.001)。

圖5 不同磷、鎂處理下大豆基因型的根系性狀Fig.5 Root traits of soybean genotypes under P and Mg treatments

從磷處理來看，增加磷肥的施用量顯著增加了兩個大豆基因型的總根長、根表面積、根體積以及根平均直徑(增施鎂條件下的BD2根平均直徑除外)。從鎂處理來看，增施鎂肥增加了兩個大豆基因型的不同根系性狀。在P40條件下，增施鎂肥BD2的總根長增加了30.0%，P100條件下，YC03-3的根表面積、根體積、根平均直徑分別增加了49.3%、82.8%、60.4%。此外，兩個大豆基因型的不同根系性狀對磷、鎂處理的反應存在差異，在P40不施鎂條件下，YC03-3的總根長顯著高于BD2；在P100不施鎂條件下，YC03-3的根體積顯著高于BD2；在P100增施鎂條件下，YC03-3的根表面積、根體積以及根平均直徑均顯著高于BD2。

2.4 不同磷、鎂處理對不同基因型大豆根瘤性狀及菌根侵染率的影響

從圖6和表1三因素方差分析結果可見，不同磷處理顯著影響根瘤干重(P＜0.01)；不同鎂處理顯著影響根瘤干重(P＜0.01)、根瘤數(shù)(P＜0.05)；不同基因型處理極顯著影響根瘤數(shù)(P＜0.001)，顯著影響根瘤密度(P＜0.05)。不同磷、鎂處理對植株根瘤數(shù)、根瘤密度的影響存在顯著的交互作用(P＜0.01)，對根瘤干重存在極顯著的交互作用(P＜0.001)。從磷處理來看，增施鎂肥條件下，增施磷肥可以顯著增加兩個大豆基因型的根瘤數(shù)和根瘤干重，與P40相比，P100處理的BD2和YC03-3的根瘤數(shù)分別增加了177%和117%；根瘤干重分別增加了1015%和392%；同時，增施磷肥，施加鎂肥條件下YC03-3的根瘤密度增加了66.4%，不施加鎂肥條件下降低了98.9%。從鎂處理來看，在P100條件下增施鎂肥可以顯著促進兩個大豆基因型結瘤，BD2和YC03-3的根瘤數(shù)分別增加了135%和178%；根瘤干重分別增加了308%和197%；YC03-3的根瘤密度增加了161%。此外，兩個大豆基因型的根瘤數(shù)對磷、鎂處理的反應有所不同，在不同磷、鎂處理，YC03-3的根瘤數(shù)均高于BD2，并且，在增施磷肥的條件下，施加鎂肥YC03-3的根瘤密度相比BD2增加了67.9%。

圖6 不同磷、鎂處理對不同基因型大豆根瘤性狀和菌根侵染率的影響Fig.6 Effects of phosphorus and magnesium treatments on nodules traits and mycorrhizal colonization rate of soybean genotypes

從圖6和表1三因素方差分析結果可見，不同磷處理顯著影響菌根侵染率(P＜0.01)；不同鎂處理極顯著影響菌根侵染率(P＜0.001)；不同基因型顯著影響菌根侵染率(P＜0.05)。不同磷、鎂處理和基因型對植株菌根侵染率的影響存在顯著的交互作用(P＜0.01)。從磷處理來看，與P100相比，減少磷肥的施用量在不施鎂肥的條件下YC03-3菌根侵染率增加了31.6%，在增施鎂肥條件下BD2的菌根侵染率提高了15.0%。從鎂處理來看，增施鎂肥在P40條件下BD2的菌根侵染率提高了16.3%，P100條件下YC03-3的菌根侵染率提高了32.1%。此外，兩個大豆基因型的菌根侵染率對磷、鎂處理的反應有所不同，在P40不施鎂條件下，YC03-3的菌根侵染率顯著高于BD2；在P100增施鎂肥條件下，YC03-3的菌根侵染率也顯著高于BD2。

進一步將不同磷和鎂處理下的根系性狀與根瘤性狀進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，在P40不施鎂條件下，根瘤數(shù)和根瘤干重與總根長呈顯著正相關，而在P100施鎂條件下，根瘤數(shù)與根體積以及根平均直徑呈顯著正相關(表2)。表明大豆根瘤性狀會受到根系性狀以及磷和鎂處理的影響。

表2 不同磷和鎂處理下根系性狀與根瘤性狀相關性分析Table 2 Correlation analysis of root and nodule traits under different phosphorus and magnesium treatments

2.5 不同磷、鎂處理下兩種大豆基因型主成分分析

由圖7可以看出，大豆基因型BD2的PC1和PC2累計貢獻度達82.1%；YC03-3的PC1和PC2的累計貢獻度達89.1%。在兩個大豆基因型中，實驗點在 PC1和PC2平面上均較好的集聚為3簇，分別代表不同磷和鎂處理。PC1非常明顯的將P40與P100處理分離開，PC2非常明顯的將P100條件下的施鎂與不施鎂處理分離開，而對P40條件下不施鎂與施鎂處理之間沒有明顯的區(qū)分，表明P100條件下是否施鎂有著明顯的差異，而P40條件下施鎂與不施鎂之間的差異較小。在兩個大豆基因型中，根系性狀和根瘤性狀與PC1均有著正相關關系。在BD2中菌根侵染率對PC1也有較大的貢獻，但為負相關關系，而在YC03-3中菌根侵染率與PC2有著正相關關系。并且，在兩個大豆基因型中植株干重及氮、磷、鎂積累量均與根系性狀和根瘤性狀呈正相關關系，而在BD2中與菌根侵染率呈負相關關系，表明不同磷和鎂處理條件下，大豆植株通過調整根系性狀、根瘤性狀以及菌根侵染率來響應磷、鎂營養(yǎng)變化。

圖7 功能變量的主成分分析Fig.7 Principal component analysis (PCA) of functional variables

3 討論

3.1 磷和鎂營養(yǎng)對大豆生長的影響

磷和鎂是植物生長過程中兩個重要的必需營養(yǎng)元素[21]。在長期的磷肥試驗中發(fā)現(xiàn)，水稻谷粒中的磷含量和鎂含量呈顯著正相關關系[22]，表明磷和鎂養(yǎng)分之間存在互作。在本研究中，增施磷肥顯著增加了兩個大豆基因型的地上部和根干重及單株結莢數(shù)，也增加了植株總根長、根表面積和根體積(圖1、圖5)；并且，增施磷肥兩個大豆基因型的植株氮、磷、鎂積累量都顯著提高(圖2～圖4)。這表明磷在大豆生長以及體內氮、磷、鎂養(yǎng)分積累中有重要作用。同時，通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，兩個大豆基因型在P40條件下施鎂與不施鎂的試驗點集聚在一起，而在P100條件下施鎂與不施鎂的試驗點明顯分開(圖7)，表明磷和鎂養(yǎng)分存在互作，在增施磷肥的條件下大豆對施鎂的響應更加明顯[5]。

3.2 磷和鎂營養(yǎng)對大豆與有益微生物共生的影響

土壤中磷有效性是促進豆科作物結瘤的一個關鍵因素[23]。磷通過影響宿主作物的生長, 以及根瘤的形成和發(fā)育影響豆科作物的結瘤固氮過程，結瘤豆科作物體內總磷量的近20%會被分配到根瘤中[24–27]。在P40條件下，兩個大豆基因型的根瘤數(shù)和根瘤干重均較低(圖6)，表明缺磷嚴重影響了豆科作物根瘤的形成和發(fā)育。增施鎂肥可以顯著促進大豆根瘤的生長[16]。本研究中，P40條件下增施鎂肥對兩個大豆基因型結瘤沒有顯著影響，而在P100條件下，增施鎂肥兩個大豆基因型的根瘤數(shù)和根瘤干重及YC03-3的根瘤密度均顯著增加。表明磷和鎂的合理施用對于促進大豆結瘤固氮至關重要。并且，我們發(fā)現(xiàn)不同磷和鎂處理下的根系生長狀況與大豆根瘤性狀有關。在P40不施鎂條件下根瘤性狀與總根長呈顯著正相關關系；而在P100施鎂條件下根瘤數(shù)與根體積及根平均直徑呈顯著正相關關系(表2)。叢枝菌根真菌侵染植物根系是改善宿主植物礦質營養(yǎng)的先決條件之一，根系菌根侵染率常用來表征根系菌根化程度[28]。與P100相比，P40不施鎂條件下YC03-3的菌根侵染率顯著增加(圖6)，而在P40增施鎂肥條件下BD2的菌根侵染率顯著增加，表明菌根真菌對作物的侵染與土壤有效磷含量密切相關，低磷促進菌根共生[29]。并且，菌根共生還受到介質鎂含量的影響，適當增加鎂的供應可以促進菌根共生[30]。在本研究中，P40條件下增施鎂肥BD2菌根侵染率顯著增加，并且，在P100條件下YC03-3的菌根侵染率在增施鎂肥時達到了P40條件下的菌根侵染水平(圖6)。菌根共生通常需要消耗植物4%～20%的光合產物[31]。以上結果表明，鎂的施用可能促進了光合產物向根系的運輸，從而提高了菌根共生[18]。然而，磷和鎂調控菌根共生的分子機制尚不清楚，仍需要進一步的研究。

3.3 不同基因型大豆對磷和鎂處理的反應差異

通過研究發(fā)現(xiàn)，施加鎂肥在不同磷處理條件下均顯著增加了磷高效大豆基因型YC03-3的地上部、根部干重以及單株結莢數(shù)，在P100條件下施鎂的生長促進作用更加顯著，而施鎂對磷低效大豆基因型BD2沒有明顯影響(圖1)。表明磷高效大豆基因型對施鎂的生長響應更加明顯。根系是植株吸收養(yǎng)分和水分的主要途徑，磷和鎂的缺乏會造成光合作用受到抑制，光合產物運輸受阻，進而嚴重影響根系的生長[32–34]。在對不同的磷和鎂處理調節(jié)擬南芥主根生長的研究中發(fā)現(xiàn)，增加磷和鎂營養(yǎng)可以促進擬南芥主根的伸長[35]。本研究中，增施磷肥兩個大豆基因型的總根長、根表面積和體積都顯著增加；增施鎂肥條件下，在P40條件下兩個大豆基因型的根系性狀沒有明顯變化；而在P100條件下YC03-3的根表面積、根體積、根平均直徑都顯著增加，BD2沒有明顯變化。這表明增施鎂肥在P100條件下能夠促進磷高效大豆基因型YC03-3的根系發(fā)育，從而增加其植株氮、磷、鎂積累量以及產量(圖1～圖5)；同時，這些結果表明磷和鎂的互作會受到大豆基因型的影響，磷高效大豆YC03-3受磷和鎂互作的影響更大。磷和鎂互作也會通過調節(jié)光合產物代謝和運輸進而調節(jié)大豆與有益微生物共生效率[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，磷高效型YC03-3的結瘤數(shù)顯著多于磷低效型BD2，并且，YC03-3的植株氮積累量也顯著高于BD2 (P100不施鎂處理除外)，表明磷高效大豆基因型具有更高的與微生物共生固氮潛力。同時，在不施加鎂肥條件下，增施磷肥YC03-3的根瘤密度顯著降低而BD2的根瘤密度沒有明顯變化。然而在施加鎂肥條件下，增施磷肥YC03-3的根瘤密度增加，而BD2的根瘤密度沒有明顯變化。以上結果表明，磷高效大豆基因型的結瘤密度對磷和鎂養(yǎng)分變化響應更加明顯。并且，在P40條件下，施加鎂肥，兩個大豆基因型的根瘤密度沒有明顯變化，而在增施磷肥的條件下，增施鎂肥YC03-3的根瘤密度顯著提高并遠高于BD2，而BD2沒有明顯變化，表明磷鎂互作對磷高效大豆基因型的根瘤密度影響較大。此外，不同磷和鎂處理對不同大豆基因型的菌根侵染率影響有所不同。P40條件下施加鎂肥對磷低效大豆基因型的菌根共生有顯著促進作用，而對磷高效大豆基因型的菌根共生沒有明顯影響(圖6)，這與前人的研究結果[18]一致。而在P100條件下，增施鎂肥只有YC03-3的菌根侵染率顯著增加，這與前人的報道，兩個磷效率不同的大豆基因型高磷施鎂后菌根侵染率均增加的研究結果[18]有所不同，這可能是介質中磷和鎂的施用量不同，以及試驗方法不同造成的。總體來看，在本研究中，磷低效大豆基因型BD2在P40條件下菌根侵染率對施鎂的反應敏感；而磷高效大豆基因型YC03-3在增施磷肥的條件下菌根侵染率對施鎂反應更加敏感，這可能也部分歸因于兩個大豆基因型的磷效率不同，從而導致植株體內光合碳運輸和分配有所不同[18]。

4 結論

增施磷肥顯著促進了兩個大豆基因型的生長，改善了植株氮、磷、鎂養(yǎng)分狀況。增施鎂肥可增加磷高效大豆基因型YC03-3的地上部和根部干重、單株結莢數(shù)、植株氮積累量，對磷低效型基因BD2沒有顯著作用。YC03-3的根瘤密度對施磷和施鎂響應較BD2顯著。BD2的菌根侵染率在低磷條件下對施鎂的反應敏感，而YC03-3的菌根侵染率在P100條件下對施鎂反應敏感。由此可見，磷和鎂養(yǎng)分之間的互作效應受到大豆基因型的影響。不同磷和鎂處理條件下，大豆植株通過調整根系性狀、根瘤性狀以及菌根侵染狀況來響應其變化。