不同基因型棉花根系對(duì)局部供磷的響應(yīng)特征

馮 琳，顧惠敏，葉祖鵬，魏廣東，黃國(guó)平，白旭明，韓 偉，候銀瑩，陳波浪

（農(nóng)業(yè)部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052）

自然或農(nóng)田土壤中常出現(xiàn)養(yǎng)分異質(zhì)性分布，主要由于耕作、施肥、淋洗、固定、土壤生化過程等因素，植物通常在異質(zhì)性環(huán)境中獲取更多的養(yǎng)分資源[1–4]。根系作為“隱藏一半的植物”是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，將主導(dǎo)“第二次綠色革命”[5]。植物感應(yīng)土壤生物和非生物信號(hào)時(shí)能及時(shí)調(diào)整根系對(duì)其做出響應(yīng)[6–7]。根系對(duì)局部養(yǎng)分供應(yīng)或非生物脅迫的形態(tài)和生理反應(yīng) (即可塑性) 的能力被認(rèn)為是土壤養(yǎng)分吸收的一個(gè)重要特征[8–10]。磷是植物生長(zhǎng)所必需的養(yǎng)分，但在土壤中的移動(dòng)性較差，特別是在旱地石灰性土壤中，磷會(huì)通過化學(xué)沉淀或物理吸附過程，與鈣、鎂等陽離子及其氧化物結(jié)合[11–12]。為了減少土壤中磷的固定，在實(shí)踐中常用局部施磷的方法 (如條施或撒施)[13]。因此，探討局部養(yǎng)分對(duì)作物根系形態(tài)和生理的調(diào)控是解析其機(jī)理以及提高養(yǎng)分效率的關(guān)鍵。

以往的研究表明，植物根系對(duì)磷的反應(yīng)具有很大的可塑性，土壤中磷的缺乏可誘導(dǎo)植物各種根系形態(tài)的變化。當(dāng)局部供磷時(shí)，根系在局部供磷區(qū)較易生長(zhǎng)[14]。白羽扇豆的研究表明局部磷供應(yīng)能夠調(diào)節(jié)排根的構(gòu)成和分散，增加排根在富磷區(qū)的生長(zhǎng)[15]。以往對(duì)小麥、玉米和大豆的研究發(fā)現(xiàn)，植物為了從土壤富磷區(qū)吸收充足的磷來滿足生長(zhǎng)需求，通常會(huì)增加根系在富磷區(qū)域內(nèi)的生長(zhǎng)[16–19]。Yano等的研究顯示，磷的富集面積越大，地上部磷的吸收量越大，說明磷富集區(qū)的根系效率進(jìn)一步加強(qiáng)[3]。當(dāng)供磷范圍縮小時(shí)，集中供磷部分的植株轉(zhuǎn)移到無磷根區(qū)域的光合產(chǎn)物顯著小于供磷根區(qū)域[20]。為此，磷的局部供應(yīng)能明顯改變根系形態(tài)以及生理吸收能力，進(jìn)而增加植物地上生物量的積累和磷吸收。

棉花的根系具有可塑性，水分和養(yǎng)分的供應(yīng)強(qiáng)度對(duì)根系具有顯著刺激效應(yīng)。一般的溝灌方法下，在土壤中棉花根系呈平面幾何構(gòu)型，而膜下滴灌則誘導(dǎo)棉花根系呈極不對(duì)稱構(gòu)型，在滴灌帶和膜內(nèi)側(cè)方向密集[21–22]。缺磷和低磷條件下，棉花會(huì)生長(zhǎng)出更多的中、細(xì)根，以促進(jìn)植株對(duì)磷素的吸收[23–24]，供磷后棉花根密度、根長(zhǎng)度、根表面積和磷吸收量均會(huì)增加[25]，而過量供磷后棉花根系吸收效率會(huì)下降[26]。不同棉花品種間存在顯著差異，低磷脅迫磷高效基因型棉花可較大幅度增加細(xì)根比例，降低根系總體細(xì)度，促使比根長(zhǎng)增加，提高根系的構(gòu)建效率[27]。然而，關(guān)于不同品種棉花根系對(duì)土壤局部磷供應(yīng)的反應(yīng)研究還少有報(bào)道。

棉花膜下滴灌是干旱區(qū)一種節(jié)水高效抑鹽的生產(chǎn)技術(shù)，也是影響土壤養(yǎng)分異質(zhì)性的一個(gè)重要原因，促使有效養(yǎng)分在表層聚集，但不利于棉花后期對(duì)養(yǎng)分的需求而致使棉花早衰[28]。本研究選取兩個(gè)基因型棉花品種，通過根箱試驗(yàn)?zāi)M磷局部供應(yīng)，探討棉花根系對(duì)局部供磷的響應(yīng)，分析比較不同基因型棉花對(duì)局部供磷的差異，為通過營(yíng)養(yǎng)調(diào)控增加植物根系對(duì)土壤磷的利用和緩解膜下滴灌早衰提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤準(zhǔn)備

供試土壤為瑪納斯棉田土壤，土壤的基礎(chǔ)肥力如下：有機(jī)質(zhì) 10.77 g/kg、Olsen-P 6.7 mg/kg、總鹽8.200 g/kg、土壤pH 8.07、土壤電導(dǎo) 1855 μS/cm。當(dāng)棉田土風(fēng)干后，過2 mm篩并去除植物殘?bào)w，土壤容重為 1.20 g/cm3。將養(yǎng)分按照以下兩種方式裝入縱向拆卸自制根箱 (長(zhǎng)30 cm、寬5 cm、高為60 cm，材質(zhì)為PVC，其中一面為透明有機(jī)玻璃)，每個(gè)根箱所裝土的重量為6 kg。氮肥用尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用硫酸鉀。設(shè)磷均質(zhì)供應(yīng)和磷局部供應(yīng)兩種供磷方式，根箱自上而下分為三層 (上層0—20 cm、中層20—40 cm、下層40—60 cm)，磷均質(zhì)供應(yīng)方式下根箱每一層的磷肥用量均為P2O5100 mg/kg，磷局部供應(yīng)方式下磷肥用量為P2O5300 mg/kg，全部集中施在中層 (20—40 cm)，上下兩層均不施磷，兩種供磷方式下氮鉀肥均按N 150 mg/kg和K2O 5 mg/kg均勻加入至根箱各層 (施鉀肥按75 kg/hm2計(jì)算)，其中磷鉀肥在裝土?xí)r一次性施入，氮肥基施60%，剩余按20%追施兩次，試驗(yàn)共設(shè)四個(gè)處理，每處理6個(gè)重復(fù)。中層為局部供磷區(qū)，相應(yīng)對(duì)照為均質(zhì)供磷區(qū)。其對(duì)照可參考圖1。

1.2 植物培養(yǎng)

試驗(yàn)在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)科樓于2016年6—9月進(jìn)行。供試材料為磷低效基因型棉花品種‘新陸早13號(hào)’ (XLZ13) 和磷高效基因型棉花品種‘新陸早19號(hào)’ (XLZ19)[29]。在培養(yǎng)種子之前，將種子用雙氧水浸泡數(shù)分鐘，再用蒸餾水反復(fù)沖洗，以除去附著在種子表面的雜質(zhì)。將處理過的種子放入恒溫培養(yǎng)箱中，以25℃恒溫培養(yǎng)，期間不間斷補(bǔ)充水分以滿足種子萌發(fā)所需的水分，直至種子萌發(fā)出1 cm左右細(xì)芽。挑選萌發(fā)一致的種子，在每個(gè)根箱播種兩粒，待幼苗出土后，保留一株長(zhǎng)勢(shì)良好的幼苗直至收獲，試驗(yàn)結(jié)果按照一株的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來表示。

1.3 根系形態(tài)參數(shù)的確定

圖1 磷局部供應(yīng)對(duì)棉花根形態(tài)的影響Fig. 1 Effect of phosphorus localized supply on root morphology of cotton

播種100 d后，將根箱縱向拆開，按刻度尺將土壤切分為上、中、下三層，分別過2 mm、0.25 mm篩。篩分并收集各土層根系，沖洗干凈裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。在根系形態(tài)計(jì)算機(jī)掃描獲得根系生長(zhǎng)系統(tǒng)圖像，掃描得到的圖像直接通過圖像分析系統(tǒng)(LA-S全能型植物圖像分析儀系統(tǒng)) 定量測(cè)定根系形態(tài)構(gòu)型參數(shù)。獲得總根長(zhǎng)、根系表面積、根系總體積、根直徑等參數(shù) (根徑分級(jí) ≤ 0.4 mm為細(xì)根)[23]。比根長(zhǎng)等于總根長(zhǎng)除以根干重。

1.4 生物量及植株磷含量的測(cè)定

植物收獲后，莖和葉在105℃殺青0.5 h，再在70℃烘干48 h至恒重后稱重。地下部分則在根系掃描結(jié)束后，烘干至恒重后稱重。將烘干的地上和地下部分研磨成粉末后，用98%的濃硫酸–雙氧水消煮，采用鉬銻抗比色法測(cè)定植株磷含量[30]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

植株磷吸收量 (mg/株) = 根干質(zhì)量 × 根含磷量 +莖干質(zhì)量 × 莖含磷量 + 葉干質(zhì)量 × 葉含磷量[31]

用Microsoft Excel對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后，用IBM SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單變量和多變量統(tǒng)計(jì)分析，用Tukey法進(jìn)行差異顯著性分析 (P = 0.05)；主成分分析用于研究供磷方式和品種差異對(duì)根系形態(tài)變異的影響；用SigmaPlot 10.0對(duì)磷吸收和根系參數(shù)進(jìn)行一元線性回歸擬合；磷吸收和根形態(tài)指標(biāo)之間的關(guān)系采用Simca-P 11.5軟件進(jìn)行偏最小二乘法回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供磷方式對(duì)不同基因型棉花生物量的影響

圖2表明，局部施磷能增加棉花各器官生物量，局部與均質(zhì)相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、莖、葉生物量分別顯著增加了25.7%、38.8%、47.1%和18.2%、28.3%、15.9%。相同磷處理下 (局部和均質(zhì))，磷高效基因型XLZ19棉花各器官生物量均高于磷低效基因型XLZ13，分別是磷低效基因型XLZ13的1.13、1.24、1.17倍和1.21、1.34、1.28。棉花各器官的生物量均在不同供磷方式和不同品種間存在顯著差異，但沒有顯著的供磷方式與品種間的交互作用。

2.2 不同供磷方式對(duì)不同基因型棉花磷含量和磷吸收量的影響

局部施磷能增加棉花根、莖、葉的磷含量 (圖3)，與均質(zhì)相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、莖、葉的磷含量分別增加了34.7%、19.8%、6.6% 和49.0%、15.6%、8.4%。相同磷處理下 (局部和均質(zhì))，磷高效基因型XLZ19棉花各器官的磷含量均明顯高于磷低效基因型XLZ13，分別是磷低效基因型XLZ13的1.54、1.25、1.28倍和1.39、1.30、1.25倍，且兩種基因型棉花根和莖的磷含量差異顯著。棉花根和莖的磷含量在不同供磷方式和不同品種間均存在顯著差異。

局部施磷能增加棉花根、莖、葉磷吸收量，局部與均質(zhì)相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、莖、葉磷吸收量分別增加了69.2%、67.7%、34.7%和76.3%、48.4%、25.5%。相同磷處理下 (局部和均質(zhì))，磷高效基因型XLZ19棉花根、莖、葉磷吸收量均明顯高于磷低效基因型XLZ13，分別是磷低效基因型XLZ13的1.75、1.54、1.50倍和1.68、1.75、1.61倍，且兩種基因型棉花各器官的磷吸收量差異顯著。棉花各器官磷吸收量在不同供磷方式和不同品種間均存在顯著差異，根的磷吸收量存在顯著的供磷方式和品種交互作用。

圖2 局部和均質(zhì)供磷棉花不同部位的生物量干重Fig. 2 Effects of different phosphorus supply on cotton biomass of different genotypes

2.3 不同供磷方式對(duì)不同基因型棉花根系參數(shù)的影響

由表1可知，局部施磷能增加棉花總根長(zhǎng)、根系表面積、根系總體積、比根長(zhǎng)、中層細(xì)根長(zhǎng)度。局部與均質(zhì)相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19的總根長(zhǎng)、根系表面積、根系總體積、比根長(zhǎng)、中層細(xì)根長(zhǎng)度分別增加了38.0%、41.9%、97.6%、27.3%、35.9%和34.5%、21.7%、39.0%、22.5%、42.8%。相同磷處理下 (局部和均質(zhì))，磷高效基因型XLZ19棉花的各根系參數(shù)均顯著高于磷低效基因型XLZ13，分別是磷低效基因型XLZ13的1.23、1.31、1.73、1.07、1.30 和 1.27、1.53、2.45、1.11、1.24倍。棉花各根系參數(shù)在供磷方式和品種間均存在顯著差異。

在畢業(yè)典禮上，時(shí)任北大黨委書記閔維方教授專門發(fā)來賀信表示祝福。我知道閔書記早年有當(dāng)“礦工”的經(jīng)歷，我知道他理解我們求學(xué)的艱辛，我曾經(jīng)聽過他講述自己的成長(zhǎng)經(jīng)歷，鼓勵(lì)我們不要怕吃苦，要能在艱苦的環(huán)境中成就自己的人生，要勤奮學(xué)習(xí)、努力拼搏，早日將自己塑造成棟梁之才。

2.4 不同供磷方式對(duì)不同基因型棉花根系形態(tài)變異的影響

采用主成分分析方法對(duì)總根長(zhǎng)、根系總體積、根系表面積、比根長(zhǎng)、中層細(xì)根長(zhǎng)度、細(xì)根比例6個(gè)根形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了主成分提取。從圖4可以看出，前兩個(gè)提取的主成分累積貢獻(xiàn)率為91.395%，其中主成分1 (PC1) 的貢獻(xiàn)率是46.571%，主成分2(PC2) 的貢獻(xiàn)率是44.824%。

因?yàn)楦鞲敌螒B(tài)參數(shù)的權(quán)重不同，其提取主成分中的載荷量也是不同的。由表2可以看出，在第一主成分中，中層細(xì)根長(zhǎng)度、細(xì)根比例和比根長(zhǎng)有較高的載荷量 (權(quán)重在0.892～0.965之間)，根系表面積、總根長(zhǎng)、根系總體積有較低的載荷量 (權(quán)重在0.128～0.318之間)；在第二主成分中，根系表面積、總根長(zhǎng)、根系總體積有較高載荷量 (權(quán)重在0.897～0.961)，中層細(xì)根長(zhǎng)度、細(xì)根比例和比根長(zhǎng)有較低的載荷量 (權(quán)重在0.048～0.232之間)。圖4顯示主成分一可以將磷局部供應(yīng)和磷均質(zhì)供應(yīng)這兩種供磷方式分開，主成分二可以將磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19這兩種基因型棉花分開，因此可以說明棉花根系的可塑性 (細(xì)根比例、比根長(zhǎng)等根系參數(shù)) 主要受養(yǎng)分供應(yīng)方式影響，而根系的基本構(gòu)架 (總根長(zhǎng)、總體積等根系參數(shù)) 主要受基因型控制。

2.5 棉花根系形態(tài)與植株磷吸收量的關(guān)系

上述研究結(jié)果表明，棉花根系在磷富集區(qū)大量增生 (圖1)。為了研究根形態(tài)參數(shù)與磷吸收的關(guān)系，對(duì)總根長(zhǎng)、根系總體積、根系表面積、中層細(xì)根長(zhǎng)度與磷吸收之間進(jìn)行了回歸分析。由圖5可以看出，根長(zhǎng)、根系總體積、根系表面積、20—40 cm細(xì)根長(zhǎng)分別解釋了78.8%、85.0%、86.3%、74.0%的地上磷吸收，與磷吸收呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系 (P ＜0.05)。根系對(duì)磷的吸收隨著根系的伸長(zhǎng)而增加，磷局部供應(yīng)區(qū)根系形態(tài)的改變對(duì)棉花磷吸收有重要影響。由于根系形態(tài)參數(shù)之間存在多重共線性問題，所以遮蓋了根系形態(tài)參數(shù) (解釋變量) 對(duì)因變量 (磷吸收) 的解釋。

[注（Note）：P—磷處理 Phosphorus；G—基因型 Genotype；柱上不同小寫字母表示兩個(gè)磷基因型間差異達(dá)到 5% 顯著水平Different letters above the bars show significantly different at the 5% level among two genotypes. * —0.05; ** — P ＜ 0.01; *** —P ＜ 0.001.]

因此，本研究進(jìn)一步對(duì)根系形態(tài)參數(shù)與磷吸收(y) 的關(guān)系進(jìn)行偏最小二乘 (PLS) 回歸分析，并對(duì)各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，偏最小二乘回歸自變量和因變量之間的交叉有效性為0.862 (Q2)，進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)，磷吸收回歸方程為:

表1 不同供磷方式下棉花根系生長(zhǎng)狀況Table 1 Root development of cottons under different phosphorus supply methods

表2 主成分載荷量Table 2 Principal component loading matrix

圖4 磷局部供應(yīng)對(duì)棉花根形態(tài)影響的主成分分析Fig. 4 Principal component analysis of root morphological parameters as affected by the localized phosphorus supply in cotton

偏最小二乘回歸在預(yù)測(cè)磷吸收的同時(shí)，也給出了根系形態(tài)各參數(shù)對(duì)磷吸收作用力大小的變量投影重要性 (VIP) 評(píng)價(jià)。

3 討論

圖5 總根長(zhǎng)、根系總體積、根系表面積和中層細(xì)根長(zhǎng)度與磷吸收量的一元線性回歸Fig. 5 Linear regressions between total root length, total volume, surface area and fine root length in middle layer and P uptake

圖6 棉花根系形態(tài)參數(shù)對(duì)磷吸收量影響的重要性Fig. 6 Importance (VIP) of root morphological parameters for phosphorus uptake in cotton

表3 棉花根形態(tài)參數(shù)增加10%對(duì)磷吸收的相對(duì)貢獻(xiàn)Table 3 Relative contribution of root morphological parameters to P uptake

在實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)活動(dòng)和土壤生物化學(xué)過程導(dǎo)致土壤磷素分布不均勻。為了得到土壤異質(zhì)性養(yǎng)分資源，植物根系的形態(tài)和生理響應(yīng)表現(xiàn)出高度的可塑性。根系形態(tài)可塑性提供了捕獲養(yǎng)分資源的載體，而根系生理可塑性提供了吸收養(yǎng)分資源的保障[32]。在本研究中，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19在局部施磷區(qū)的總根長(zhǎng)、根系表面積、根系總體積、比根長(zhǎng)、中層細(xì)根長(zhǎng)度與均質(zhì)施磷區(qū)相比分別增加了38.0%、41.9%、97.6%、27.3%、35.9%和34.5%、21.7%、39.0%、22.5%、42.8% (表1)，表明棉花具有根系形態(tài)可塑性。需注意的是，在本研究中磷局部供應(yīng)以及磷均質(zhì)供應(yīng)的養(yǎng)分總量相同，僅改變養(yǎng)分施入的方式。磷的供應(yīng)量在均質(zhì)施磷的區(qū)域?yàn)镻2O5100 mg/kg，而在局部施磷的區(qū)域則達(dá)到P2O5300 mg/kg。由此可以看出，在磷濃度較高的局部供應(yīng)區(qū)棉花表現(xiàn)出較高的可塑性，這是導(dǎo)致棉花根系在局部供應(yīng)區(qū)大量增生的原因。但與此同時(shí)，棉花根系在局部供應(yīng)方式下磷濃度達(dá)到多少時(shí)能夠誘導(dǎo)其增生到最大效果，這還需進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)研究來確定。

在本試驗(yàn)中，棉花在養(yǎng)分供應(yīng)方式改變下，通過誘導(dǎo)根系分布，拓展根系生長(zhǎng)空間和根系形態(tài)參數(shù)，以此高效率地利用養(yǎng)分資源，這與陳哲等[33]的研究結(jié)果一致。同時(shí)也表明局部供磷下的棉花根系具有較強(qiáng)的根系形態(tài)可塑性，究其原因，可以認(rèn)為是植物根系在局部供磷區(qū)的富集，增強(qiáng)了植物對(duì)養(yǎng)分離子的吸收能力，這與林雅茹等[32]的研究結(jié)果一致。植物對(duì)局部養(yǎng)分響應(yīng)的生理形態(tài)變化有種間差異[34–36]，在棉花中同樣也有差異[37]，但很少有研究報(bào)道養(yǎng)分特性不同的基因型棉花對(duì)養(yǎng)分局部供應(yīng)的響應(yīng)能力是否有所不同。本研究比較了不同磷效率棉花對(duì)局部供磷的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)相同磷處理下 (局部和均質(zhì))，磷高效品種具有更高的環(huán)境適應(yīng)能力。在磷脅迫的條件下，磷高效基因型根系形態(tài)學(xué)表現(xiàn)為根系發(fā)達(dá)、細(xì)長(zhǎng)、根毛多、根/冠比大等特點(diǎn)。

植物根系在對(duì)養(yǎng)分進(jìn)行吸收時(shí)，通常依賴擴(kuò)散及質(zhì)流，通過截獲獲得的養(yǎng)分較少。提高植物對(duì)磷的吸收是一個(gè)非常重要的問題，土壤中磷的遷移速度非常慢，主要取決于磷的擴(kuò)散，約為10～30 μm/h，其擴(kuò)散距離只有1～2 mm。在本試驗(yàn)中，棉花在局部磷素供應(yīng)量增加，根系和土壤接觸面積擴(kuò)大，從而使移動(dòng)性差的磷素與土壤有更多的結(jié)合空間，并減輕其他根系無法利用磷素而減小植物生物量等因素的影響，最終提高根系對(duì)磷的吸收。結(jié)果表明根系增殖對(duì)局部磷供應(yīng)區(qū)的磷吸收有重要影響，其中局部供磷區(qū)細(xì)根長(zhǎng)度的貢獻(xiàn)最大。這一結(jié)果與He等[13]的一致，其在水稻上進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)局部磷供應(yīng)誘導(dǎo)了細(xì)根的形成，提高了磷的吸收效率。而林雅茹等[32]的研究結(jié)果不太一樣，在野生大豆作物上，對(duì)植株磷吸收影響最大的是比根長(zhǎng)。廖晗茹等[38]在蠶豆上也做了此類研究，發(fā)現(xiàn)蠶豆通過中等根系 (0.3～0.7 mm)的增生來增強(qiáng)根系吸收養(yǎng)分的能力。這些差異可能由其研究的作物本身根系特征不同引起的，其原因還有待進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

在局部供磷區(qū)，磷高效基因型棉花具有更高的環(huán)境適應(yīng)能力。對(duì)于高效和低效基因型，都應(yīng)采取局部供磷的方式，優(yōu)化根系分布和生長(zhǎng)，提高棉花獲取異質(zhì)性磷養(yǎng)分的能力，以發(fā)揮棉花的最大生物學(xué)潛力，提高養(yǎng)分利用率，減少肥料用量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。