不同花生品种磷吸收速率和根系形态对低磷胁迫的响应

　　摘要：为研究不同花生品种对低磷胁迫的适应能力，本试验选用10个花生品种，其幼苗分别在足磷(0.6mmol/LKH2PO4)和低磷(0.01mmol/LKH2PO4)营养液生长16～18d，将生长16d的幼苗移入磷浓度为0.2mmol/LKH2PO4的营养液中处理，测定单株磷吸收速率，取生长18d的幼苗用以分析不同磷吸收能力花生品种的根系形态差异及特点。结果显示，低磷处理提高大多数花生品种的磷吸收能力，显著促进根系增大，根干重、总根长、根表面积、根体积、根尖数高于足磷处理。以低磷处理的单株磷吸收速率为依据，将10个花生品种分为磷吸收高效、磷吸收中效和磷吸收低效三类。在低磷处理下，磷吸收高效品种在根干重、总根长、根表面积、根体积、根尖数方面均显著大于磷吸收低效品种，其中鲁花3号主要通过增大根表面积和根体积来提高磷吸收能力，山花14号主要通过降低比根长来提高磷吸收能力。

　　关键词：花生;磷吸收速率;根系形态;低磷胁迫

　　花生是磷需求量较多的作物[1]，缺磷会抑制其营养生长和荚果发育，严重缺磷时花生减产显著[2]。适当增施磷肥有利于促进花生根系生长，进而带动整株生长发育，最终实现高产[3]。研究表明，当植物感受到低磷胁迫时，可通过改变自身根系形态特征及地上部生长等来维持正常生长，如根冠比增加、主根生长的促进或者抑制、侧根长度与数量的增减等[4]。栗振义[5]研究苜蓿在低磷环境下的表型变化发现，低磷胁迫下其地上部、地下部干重均受到抑制，但根冠比显著提高。丁艳等[6]使用低磷营养液培养水稻苗，发现磷胁迫下的水稻地上部干重减少、根长增加、根冠比增大。杨春婷等[7]采用沙培法培养苦荞，结果表明苦荞株高、茎粗、地上干重、根体积减小，主根长与根冠比增大。

　　作物的磷吸收效率十分重要，研究表明低磷胁迫下作物的磷效率主要由磷吸收效率决定[8-10]。王应祥等[10]研究大豆在低磷胁迫下的应对机制发现，磷效率主要是通过磷吸收效率而不是磷利用效率来实现的。根系的发达程度是决定作物磷吸收效率的主要因素之一。磷素主要通过质流和扩散作用在土壤中移动至根系表面，但其移动性较差且易与物质反应而被固定，且作物吸收速率与磷扩散效率的不一致，最终导致根际发生显著的磷耗竭[11]。因此根系对磷的吸收很大程度上取决于根系的形态变化[12，13]。

　　在遭遇低磷胁迫时，不同磷效率品种的根系形态会发生不同变化。赵攀衡[14]研究发现，低磷胁迫下磷高效燕麦相较于磷低效燕麦具有更高的根长、不定根数量、根表面积和根体积。罗佳等[15]研究发现，磷高效棉花比磷低效棉花有更大的比根长和更小的平均直径，磷高效棉花较大幅度地增加细根比例，降低根系总体细度，提高根系构建效率。王文华等[16]研究发现，磷高效甘蓝型油菜比磷低效的具有更大的根干重、根长、根表面积和侧根数量。这类研究已在多种作物上进行，但在花生上的研究较少，因此研究不同磷吸收效率花生在低磷胁迫下的根系差异具有重要意义。

　　本试验以低磷处理下的磷吸收能力为依据，将10份花生种质分为磷吸收高效、中效和低效三类，鉴定评价不同磷吸收能力花生品种在低磷胁迫下的根系形态差异及特点。

　　1材料与方法

　　1.1试验材料

　　试验于2019年在山东农业大学作物生物学国家重点实验室进行。供试材料为10个花生品种，分别为东平大爬蔓、费县三粒中、莱芜爬蔓、鲁花11、鲁花3号、日照大果子、山花14号、泰花4号、群选5号和E5。

　　1.2试验设计及方法

　　试验采用营养液水培法。设两个磷浓度处理，即低磷处理(0.01mmol/LKH2PO4)和足磷对照(0.6mmol/LKH2PO4)，重复3次。每重复1盆，每盆6株。

　　选取均匀一致的花生种子120粒，在0.15%的H2O2中浸泡6h后移入铺有浸润脱脂棉的发芽盒中，保鲜膜封闭萌发5d，待子叶展开并萌发出主根时，每盆移入10株大小均匀一致的幼苗，在清水中培养3d，之后每盆留苗6株并进行低磷和足磷处理。每盆加1.4L营养液，每4d换1次营养液，18d后收获。

　　营养液为改良Hoagland营养液，含KNO31mmol/L、Ca(NO3)2·4H2O1mmol/L、MgSO4·7H2O0.4mmol/L、EDTA·Fe0.01mmol/L、H3BO30.1×10-3μmol/L、MnSO40.15×10-3μmol/L、ZnSO4·7H2O0.03×10-3μmol/L、Na2MoO4·2H2O1×10-6μmol/L、CuSO4·5H2O0.16×10-6μmol/L、CoCl2·6H2O0.21×10-6μmol/L。低磷处理用KCl补充K+，使K+浓度与足磷处理一致。生长室环境：温度24℃，光照强度为11.4klx，光照时间为16h/d。

　　1.3测定项目及方法

　　1.3.1磷吸收速率 花生幼苗低磷或足磷培养16d后，移入去离子水中饥饿24h，然后移入磷浓度为0.2mmol/L、体积为1.4L的营养液中，低磷处理吸收8h，足磷处理吸收24h，营养液取样3mL测定磷濃度。采用钼锑抗比色法测定吸收前后营养液中的H2PO-4浓度，得到该阶段的磷吸收量。单株磷吸收速率[Puptakerateperplant，PUR，μmol/(h·株)]为单株花生单位时间内吸收的磷，反映植株的磷吸收能力。计算公式：

　　1.3.2根系形态性状 植株培养18d后收获，每处理每重复取2株，将地上部与根系分离，用根系扫描仪(MICROTEKScanMakeri800plus)扫描根系，用万深LA-S植物根系分析系统处理扫描获得根系形态图片，得到总根长(totalrootlengthperplant，TRL)、根表面积(rootsurfaceareaperplant，RSA)、根体积(rootvolumeperplant，RV)、平均根直径(averagerootdiameterperplant，ARD)、根尖数(Roottipsperplant，RT)。

　　1.3.3根干重 根系扫描完成后置于烘箱，80℃烘干至恒重，称量获得根干重(rootdryweightperplant，RDW)，以总根长除以根干重得到比根长(specificrootlengthperplant，SRL)。

　　1.4数据处理与分析

　　试验数据采用MicrosoftOffice2019和SPSS26.0软件进行统计分析。

　　2结果与分析

　　2.1不同花生品种的磷吸收速率

　　由表1看出，10个花生品种在低磷处理下的磷吸收速率均明显高于足磷对照。依据低磷处理下的磷吸收速率进行聚类分析(图1)，将10个品种分为三类。其中磷吸收高效品种3个，包括鲁花3号、山花14号和日照大果子;磷吸收中效品种4个，包括鲁花11、泰花4号、东平大爬蔓和莱芜爬蔓;磷吸收低效品种3个，包括群选5号、E5和费县三粒中。

　　2.2不同浓度磷处理下不同PUR花生品种的根系形态差异

　　2.2.1总根长 由表2可知，低磷处理下所有磷吸收高效品种和磷吸收低效品种群选5号、费县三粒中的总根长显著大于足磷对照，磷吸收中效品种(除鲁花11外)的总根长受低磷处理影响较小。从三类品种均值来看，在低磷与足磷处理下均为磷吸收高效品种>磷吸收中效品种>磷吸收低效品种。磷高效品种鲁花3号足磷处理的总根长较小，但在低磷处理下总根长最大，这可能是其磷吸收能力较高的原因。

　　2.2.2根干重 由表2可知，低磷处理下多数品种的根干重显著大于足磷对照，仅E5、东平大爬蔓、日照大果子3个品种表现相反。从三类品种均值来看，低磷处理下磷吸收高效品种>磷吸收中效品种>磷吸收低效品种，足磷对照的磷吸收高效与吸收中效品种间无显著差异，而显著大于磷吸收低效品种。磷吸收高效品种的根干重相对值大于吸收中效品种和吸收低效品种。高效品种中，鲁花3号在低磷处理下根干重增幅最大，山花14号略低。

　　2.2.3比根长 由表2可以看出，除磷吸收中效品种泰花4号外，其他品种的比根长在低磷处理与足磷处理下均无明显变化。从均值来看，低磷处理与足磷对照三类品种的比根长均呈现磷吸收高效品种>磷吸收中效品种>磷吸收低效品种的规律。高效品种中，山花14号低磷胁迫下降低比根长，相对值为0.767，日照大果子提高比根长，相对值为1.254。

　　2.2.4根表面积 从表3可知，相较于足磷对照，低磷处理下费县三粒中、鲁花11、鲁花3号、山花14号、泰花4号、群选5号的根表面积显著提高，E5、莱芜爬蔓、日照大果子无显著变化。低磷处理下三类花生品种根表面积表现为磷吸收高效品种>磷吸收中效品种>磷吸收低效品种，且差异显著;足磷处理的磷吸收高效与吸收中效品种间无显著差异。高效品种中，日照大果子的根表面积相对值小于1，但低磷处理与足磷对照间无显著差异;鲁花3号的根表面积相对值最大，为1.715，其应对低磷胁迫的能力较强。

　　2.2.5根体积 与足磷对照比，低磷处理下费县三粒中、泰花4号、鲁花11、鲁花3号、山花14号的根体积显著增大，东平大爬蔓的根体积显著减小，群选5号、E5、莱芜爬蔓、日照大果子无显著变化。从均值看，低磷处理下磷吸收高效品种显著大于吸收低效品种，与磷吸收中效品种间无显著差异。三类品种的根体积相对值表现为磷吸收高效品种>磷吸收中效品种>磷吸收低效品种。除东平大爬蔓外，高效品种日照大果子也显现出根体积在低磷环境下受抑制。

　　2.2.6平均根直径 从表4可知，与足磷对照相比，低磷处理的泰花4号平均根直径显著增大，日照大果子的平均根直径显著减小，其余品种无显著变化。两种磷水平处理下，磷吸收高效品种均显著小于磷吸收低效品种，磷吸收中效品种与低效品种差异不显著。磷吸收高效品种日照大果子的平均根直径在低磷处理下显著降低，可能与低磷下根表面积无变化、根体积减小、总根长增加有关。

　　2.2.7根尖数 从表4可知，相较于足磷对照，低磷处理下除E5、东平大爬蔓、莱芜爬蔓的根尖数无显著变化外，其余品种均显著提高。从均值看，低磷处理表现为磷吸收高效品种>磷吸收中效品种>磷吸收低效品种。磷吸收高效花生中，鲁花3号的根尖数增比最大，其根系对低磷胁迫的反应最大。

　　3讨论与结论

　　根系构型的改变是作物应对低磷胁迫的一种对策。作物在低磷胁迫下，会产生一些生理生化变化，如通过根系形态变化、提高根系抗氧化酶活性等来提高对胁迫的适应性[4]。本研究发现，低磷胁迫下花生幼苗根系显著增大，具体表现为根干重、总根长、根表面积、根体积、根尖数的增加。这与在水稻[6]、玉米[17]等作物的研究一致。但在棉花[15]、马铃薯[18]等作物中，发现低磷胁迫下侧根数量、根表面积和根冠比显著降低。表明不同作物在应对低磷胁迫时根系反应不同，而花生在应对低磷胁迫时，将更多地资源分配到根系，通过增大根系来增加获取磷资源的范围，从而吸收更多的有效磷。

　　不同磷效率品种应对低磷胁迫而发生的表型变化是不同的。黄晨晨等[19]发现在低磷胁迫下，磷高效小麦在根干重、根长、根表面积、根体积方面均显著大于磷低效小麦。龚丝雨等[20]在水培条件下发现磷高效烟草品种的根干重、主根长、根体积、根活力均显著大于磷低效品种。本试验利用10个花生品種，以低磷处理下的磷吸收能力，将其分为磷吸收高效、磷吸收中效、磷吸收低效三类，发现低磷胁迫下，磷吸收高效品种在根干重、总根长、根表面积、根体积、根尖数上显著大于磷吸收低效品种。

　　作物的磷吸收效率主要由两个方面决定，一是根系形态，二是磷转运蛋白活性。磷吸收高效品种在低磷胁迫下的根系形态普遍优于低效品种，但不能仅以根系形态作为判定吸收效率高低的标准。在3个磷吸收高效的花生品种中，鲁花3号在低磷环境下通过扩大根系来增加磷吸收量，尤其在总根长、根表面积、根体积方面;日照大果子在低磷环境下的根系并不突出，其较高的吸收速率可能源自其较高的磷转运蛋白活性;山花14号显著降低比根长，使根系变得更细，其单株磷吸收速率最高。

　　本试验得到不同磷吸收效率品种的根系差异及低磷胁迫下的变化，探讨了不同磷吸收高效品种的高效策略，可为一些研究提供相对可靠的试验材料，以便后续进行磷吸收相关的基因研究。

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