磷水平對不同香稻品種苗期形態(tài)生理的影響

陳健曉，王小娟，屠乃美，王效寧，符策強，唐清杰，劉愛玉

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128； 2.海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，海南 ?？?571100； 3.海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，海南省農(nóng)作物遺傳育種重點實驗室，海南 海口 571100)

磷是細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的主要成分之一，直接參與水稻體內(nèi)糖、蛋白質(zhì)和脂肪的代謝。供磷不足會影響到水稻植株體內(nèi)的能量代謝過程，抑制水稻的正常生長[1]。我國每年有75%化肥用于糧食生產(chǎn)，其中磷肥占20%左右，磷肥施入土壤后大部分容易被土壤固定，移動性差導(dǎo)致水稻磷肥的利用率只有15%～25%，并且農(nóng)田土壤速效磷含量一直呈上升趨勢，土壤速效磷含量在10～40 mg/kg的農(nóng)田面積增加最多[2-3]。有研究表明，當(dāng)土壤速效磷含量超過磷素環(huán)境警戒值(速效磷的含量在25～30 mg/kg)時，磷素將向水體釋放，造成水體污染[4-6]。在海南有22.22%土壤磷素超過環(huán)境警戒值，且部分農(nóng)戶還在增施磷肥，造成磷肥利用率降低，阻礙農(nóng)業(yè)高效健康發(fā)展[4]。利用作物耐低磷和高效吸收利用磷的基因資源，是提高作物磷吸收效率的有效手段[7]，也是合理利用磷素資源、減少環(huán)境污染的重要途徑。

作物耐低磷和磷高效有2種情況，一種是低磷條件下，能夠吸收較多磷，即吸磷能力強；另一種是吸收相同磷素，能夠生產(chǎn)更多的干物質(zhì)。磷高效品種比磷低效品種具有較強的干物質(zhì)積累和磷素吸收能力[8-9]。有研究認(rèn)為低磷條件下，整株磷累積量是評價水稻苗期磷效應(yīng)高低的重要指標(biāo)之一[10]。

前人有關(guān)磷對水稻的研究主要關(guān)注不同生育期、磷肥施用方式及不同磷肥施用量下，水稻適應(yīng)性及磷吸收利用的特征，并且研究對象多為普通水稻[11-19]，對于香稻耐低磷性的相關(guān)研究報道較少。為此，本研究采用營養(yǎng)液培養(yǎng)方法，研究不同供磷水平下不同香稻品種在苗期葉綠素含量、磷素累積、根系抗氧化酶活性等生理指標(biāo)影響，旨在對不同香稻品種苗期耐低磷性能進行初步的鑒定和形態(tài)生理基礎(chǔ)指標(biāo)分析評價，篩選出耐低磷性較強(磷高效)香稻品種并為香稻苗期的耐低磷性機理研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地點與供試品種

試驗于2018年11-12月在海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所農(nóng)作物遺傳育種重點實驗室(N20°0′45.79″，E110°21′39.75″)開展。供試水稻品種為綠金香、華香、美香占2號和海香占，其中美香占2號由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供，綠金香、華香和海香占由海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計

選擇飽滿一致水稻種子，用多菌靈消毒液浸泡24 h，用自來水清洗后轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，放入智能人工氣候箱(型號：RPX-3500C，寧波海曙賽實驗儀器廠)進行黑暗30 ℃催芽，種子露白后，光照16 h/黑暗8 h，溫度28 ℃，濕度85%，培養(yǎng)期間保證培養(yǎng)皿中一定量的水分，確保水稻正常生長。待秧苗長至三葉期后，挑選生長一致的幼苗移入有營養(yǎng)液的培養(yǎng)瓶(高12 cm，下底直徑7 cm，中部直徑10 cm，口徑8 cm，瓶口里處掛有深3 cm篩子)中，每瓶12株，每個品種138瓶，瓶子用黑色塑料紙包裹，避免根系見光以及培養(yǎng)液中滋生綠藻，然后將培養(yǎng)瓶放置在實驗室外陽臺上，蓋上有透明塑料薄膜的小拱棚(寬90 cm，高80 cm，長200 cm)，當(dāng)溫度低于15 ℃或者下雨時，將小拱棚兩邊薄膜蓋上，起保溫和防雨作用。在自然條件下培養(yǎng)5 d，秧苗適應(yīng)水培條件后去除種子殘留物，并用清水淋洗根部，轉(zhuǎn)移到不同磷濃度培養(yǎng)液中培養(yǎng)中，不同磷濃度培養(yǎng)液是以水稻完全營養(yǎng)液為基礎(chǔ)[18]，將磷的濃度設(shè)計為6個水平分別為31.00(P31)，8.00(P8)，2.00(P2)，0.50(P0.5)，0.25(P0.25)，0(P0)mg/L，水稻品種4水平分別為綠金香、華香、美香占2號和海香占，二因素試驗，共24個處理，每個處理23瓶。培養(yǎng)期間每2 d 每瓶加入1 mL 3% H2O2，預(yù)防綠藻滋生，每4 d更換1次營養(yǎng)液，pH值控制在5.5～5.8，從轉(zhuǎn)入不同磷濃度開始計天數(shù)，共培養(yǎng)35 d。

1.3 測定項目與方法

葉綠素含量動態(tài)的測定：從秧苗放入不同磷水平培養(yǎng)液開始，每7 d每個處理取3瓶，用葉綠素測定儀(型號：SPAD-502plus，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)在秧苗頂1全展葉片葉中部測定，連續(xù)測定10株后取平均值。

磷積累動態(tài)的測定：測定時間同上，每個處理取3瓶，每瓶秧苗用剪刀切斷秧苗地上部和地下部(根系)，分開裝袋，80 ℃烘至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量(干物質(zhì)質(zhì)量)，粉碎過篩，用鉬銻鈧比色法測定植株含磷量，磷含量×干質(zhì)量為磷積累量[18]。

根冠比的測定：在秧苗培養(yǎng)35 d時，用烘干后秧苗地下部(根系)/地上部為根冠比。

根系不同酶活性和根系活力的測定：秧苗培養(yǎng)到28，35 d，每個處理取4瓶，選取秧苗根系，采用氯化硝基四氮藍唑(NBT)光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[18]、過氧化氫法測定過氧化氫酶(CAT)活性[18]、ATP酶試劑盒(南京建成科技有限公司)測定鈉鉀離子ATP酶(Na+K+-ATPase)的活性、氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定根系活力[18]。

根系形態(tài)指標(biāo)的測定：秧苗培養(yǎng)到35 d，每個處理取3瓶，每瓶秧苗用剪刀切斷水稻秧苗地上部和地下部(根系)，將完整根系沖洗干凈，在根系掃描儀(Epson V700，China)上進行掃描，采用 WinRHIZO PRO 2012(Regent Instruments，Quebec，Canada)軟件進行分析，獲得總根長、總根系表面積、總根系體積、根系平均直徑、總根尖數(shù)和直徑0～0.5 mm 總根長。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)整理及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷脅迫對香稻苗期SPAD值的影響

由表1可知，各處理的SPAD值隨著生育進程的推進而升高，至35 d時處理間差異均不顯著，但在其他時間(7，14，21，28 d)，不同品種在各P濃度下SPAD值變化也有所不同。其中，綠金香在21 d時，P0的SPAD值顯著低于P2、P8和P31，其中與P31 SPAD值差值最大(2.87)，28 d時P8 SPAD值最高，顯著高于除P31外的其他P濃度處理；華香在21 d時，P0和P0.25 SPAD值顯著高于P31，與其他處理差異不顯著；美香占2號在7 d時，P0.5 SPAD值顯著高于P2、P8和P31，14 d時，P0.25 SPAD值顯著高于P2和P8，28 d時，P0與P0.25 SPAD值顯著低于P0.5、P2、P8和P31；海香占在7 d時，P31 SPAD值顯著高于P0.25、P2和P8，14 d時，P0、P0.25、P0.5和P31 SPAD值顯著高于P2和P8，21 d時，P0.5 SPAD值與P0和P0.25 差異不顯著，但顯著高于P2、P8 和P31。

表1 低磷脅迫對香稻苗期SPAD值的影響Tab.1 Effects of low phosphorus stress on SPAD value of scented rice in seedlings

注：同列同品種不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。表2-5同。

Note： Different lowercase letters in the same column and variety indicate significant difference among different treatments at 0.05 level. The same as Tab.2-5.

2.2 低磷脅迫對香稻苗期根系不同酶的活性和根系活力的影響

如表2所示，低磷脅迫總體上能夠顯著降低水稻苗期的根系活力，但提高了鈉鉀離子ATP酶活性，同一香稻品種和磷濃度下，各處理隨生育進程的推進，根系活力和鈉鉀離子ATP酶活性均有所提高，其中在35 d時，P0下綠金香的根系活力最高(529.84 μg/(g·h))，美香占2號鈉鉀離子ATP酶活性最高(68.97 μmol/(mg·h))。

不同時間內(nèi)(28，35 d)，綠金香各P濃度處理間根系活力和鈉鉀離子ATP酶活性的差異表現(xiàn)基本一致，根系活力在P0.25與P0.5處理差異不顯著，但其他處理間差異均顯著，鈉鉀離子ATP酶活性在P0、P0.25和P0.5處理顯著高于P2、P8和P31。華香在28 d時，根系活力在P0、P0.25和P0.5差異不顯著，但與其他P濃度處理間差異均顯著，鈉鉀離子ATP酶活性在P0顯著高于P0.5和P2，三者及P0.25均顯著高于P8和P31；美香占2號在28 d時，根系活力在P0與P0.25差異不顯著，但均與其他P濃度處理差異顯著，鈉鉀離子ATP酶活性在P0顯著高于其他P濃度處理；海香占在28 d時，根系活力在P0.25與P0.5及P2與P8差異不顯著，均與其他P濃度處理間差異顯著，鈉鉀離子ATP酶活性在P0顯著高于其他P濃度處理，且P0.25亦顯著高于P2、P8和P31。在35 d時，綠金香、華香、美香占2號及海香占的根系活力隨著P濃度的降低均呈下降趨勢，且整體上各P濃度處理間差異均顯著；華香鈉鉀離子ATP酶活性隨著P濃度降低表現(xiàn)為先升高后降低再升高的趨勢，呈“N”型，P31顯著低于P0.5和P2，三者均顯著低于其他3個P濃度處理，美香占2號鈉鉀離子ATP酶活性處理間差異與28 d一致，海香占鈉鉀離子ATP酶活性在P0與P0.25、P0.5與P2及P8與P31處理間差異不顯著。

表2 低磷脅迫對香稻苗期根系活力和鈉鉀離ATP酶活性影響Tab.2 Effects of low phosphorus stress on root activity and Na+K+-ATPase activity of scented rice in seedlings

從表3可以看出，隨磷濃度的降低，不同香稻品種根系SOD活性表現(xiàn)為先降低后升高再降低的趨勢，呈倒“N”型，CAT活性在華香品種表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，呈倒“V”型，其他香稻品種均表現(xiàn)為降低的趨勢；在相同磷濃度下，SOD和CAT活性隨水稻生育進程的推進而升高。

在相同時間(28 d或35 d)內(nèi)，綠金香、華香和海香占SOD活性均在P8濃度時最低，而美香占2號在P0時最低，但與P8差異不顯著。在相同時間內(nèi)CAT活性除了華香在P2時最高外，其他香稻品種均在P31濃度下最高，但4個香稻品種的CAT活性最低均在P0，說明低磷脅迫會降低根系CAT活性。在35 d，P0時，華香根系SOD活性最高(240.39 U/g)，美香占2號根系SOD活性最低(172.45 U/g)，同時華香根系CAT活性最高(28.03 U/(g·min))，綠金香根系CAT活性最低(14.71 U/(g·min))。

表3 低磷脅迫對水稻根系抗氧化酶活性的影響Tab.3 Effects of low phosphorus stress on root antioxidant enzyme activities of scented rice in seedlings

2.3 低磷脅迫對香稻苗期磷的積累量的影響

相同時間內(nèi)，香稻秧苗磷的積累量均隨著P濃度的降低而降低，并且隨著秧苗生育進程的推進，P0、P0.25和P0.5秧苗磷的積累量也隨之降低，但P2、P8和P31秧苗磷的積累量增加，說明P2是本試驗秧苗P積累的臨界濃度，低于P2，秧苗隨生育進程的推進P的積累量會降低，而高于或等于P2，P的積累量反而提高(表4)。

35 d時，綠金香和海香占磷的積累量在各P濃度處理間差異均顯著；華香磷積累量在P0.25與P0.5差異不顯著，其他P濃度處理差異均顯著；美香占2號磷積累量在P0與P0.25差異不顯著，均與其他P濃度處理差異顯著?？傊?，在35 d，P0及P31處理，均以海香占磷積累量最低(0.88，13.16 mg/瓶)，而綠金香磷積累量最高(1.45，19.77 mg/瓶)，說明綠金香可能是耐低磷或磷高效品種，而海香占可能是磷低效品種。

2.4 低磷脅迫對香稻根系形態(tài)指標(biāo)的影響

表5所示，香稻總根長、總根系表面積、總根體積、總根尖數(shù)和直徑0～0.5 mm 總根長均隨著P濃度的降低而降低；根冠比及根系平均直徑的變化與品種有關(guān)。

表4 低磷脅迫對香稻磷的積累量的影響Tab.4 Effects of low phosphorus stress on P accumulation of scented rice in seedlings mg/瓶

表5 低磷脅迫對香稻根系形態(tài)指標(biāo)的影響Tab.5 Effects of low phosphorus stress on root morphology of scented rice in seedlings

在總根長、總根尖數(shù)和直徑0～0.5 mm總根長中，不同香稻品種，在不同磷濃度處理間整體上差異均顯著，并且在P0濃度下，綠金香在根冠比、總根長、總根系表面積、總根體積、總根尖數(shù)和直徑0～0.5 mm 總根長均比其他香稻品種高。綠金香根冠比隨著P濃度的降低而升高，在P0、P0.25與P0.5及P0.5與P2處理間差異不顯著，其他P濃度處理間差異均顯著；總根系表面積在P0.25、P0.5和P2差異不顯著，均與其他P濃度處理間差異均顯著；總根體積除P0.25與P0.5差異不顯著外其他P濃度處理間差異均顯著；根系平均直徑隨磷濃度降低表現(xiàn)為先降低后升高再降低再升高的趨勢，呈“W”型，P31最高(0.56 mm)，顯著高于其他P濃度處理。華香根冠比隨著P濃度的降低而升高，在P0、P0.25與P0.5及P8與P31處理間差異不顯著，與其他P濃度處理差異均顯著；總根系表面積除P0.25與P0.5差異不顯著外其他P濃度處理間差異均顯著；總根體積在P0.5與P0.25和P2差異不顯著，而其他P濃度處理差異均顯著；P0根系平均直徑高(0.62 mm)，與其他處理差異顯著。美香占2號根冠比隨磷濃度的降低表現(xiàn)為先降低后升高再降低再升高的趨勢，呈“W”型，P0.5和P2顯著高于除P0外的其他P濃度處理；總根系表面積和總根系體積在P0最低，與其他P濃度處理差異顯著；根系平均直徑在P0.5最大(0.61 mm)，顯著高于除P0.25外的其他P濃度處理。海香占根冠比隨磷濃度的降低先降低后升高，呈“V”型，P0時最大(0.56)，與其他處理差異顯著；總根系表面積在不同磷濃度處理間差異均顯著；總根系體積除P0.5與P2差異不顯著外其他磷濃度處理間差異均顯著；根系平均直徑在P0.5時最大(0.56 mm)，顯著高于除P0外的其他P濃度處理。

3 討論與結(jié)論

低磷脅迫能夠影響水稻光合作用，主要是降低了凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度[11]。葉綠素是光合作用主要的組成部分，SPAD值與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[19]。本研究結(jié)果顯示，35 d時P31 SPAD 值整體上高于其他P濃度的SPAD 值，但處理間差異不顯著，說明降低磷水平能夠使水稻葉片中葉綠素含量降低，這與韓勝芳[19]的研究結(jié)果相符，但影響的效果較小。4個香稻品種中，35 d時P0濃度下綠金香SPAD值最高(34.58)，海香占SPAD值最低(31.12)，且SPAD值與磷積累量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.48，P<0.05)。

SOD和CAT均屬于抗氧化酶，在逆境環(huán)境下SOD活性和CAT活性均降低，并且非耐冷水稻品種中，在一定磷素營養(yǎng)水平內(nèi)，SOD活性和CAT活性隨磷素營養(yǎng)水平的降低而降低[20]。本研究表明，SOD活性表現(xiàn)為隨磷濃度的降低先降低后升高再降低的趨勢，并且4個香稻品種均在P8時SOD活性最低，說明P8是敏感濃度，其對不同香稻品種SOD活性的作用機理有待進一步研究；CAT活性除華香外的其他品種均隨磷濃度的降低而降低，但過高的磷濃度會降低華香品種的CAT活性，故華香品種在磷濃度高于P2時，CAT活性降低，而其他水稻品種均在P31時CAT活性最大，這可能是由于品種間復(fù)雜性和差異性導(dǎo)致P對CAT活性作用機制不一致。低磷脅迫能夠顯著降低根系活力[21]，與本試驗結(jié)果基本相符。鈉鉀離子ATP酶是進行鈉離子和鉀離子之間交換專一酶，保持膜內(nèi)高鉀，膜外高鈉的不均勻離子分布[22]。本試驗中，低磷脅迫下香稻根系鈉鉀離子ATP酶活性反而提高，導(dǎo)致鈉鉀離子交換速率提高，而鉀離子的積累能夠增強水稻抗逆性，避免因根系氧化能力降低導(dǎo)致抗逆性下降。

根系是磷素吸收的唯一途徑，根系的大小和分布決定磷積累量，同時也是造成水稻磷素吸收利用效率不同的重要原因[23-25]，并且水稻生育前期的磷積累量與水稻產(chǎn)量及磷利用效率密切相關(guān)，特別是水稻分蘗期磷的積累量是提高水稻產(chǎn)量關(guān)鍵[10]，同時低磷能顯著增大水稻根冠比，改變根基的向地性，并且根表面積、根系總長與磷吸收量呈正相關(guān)[12，26-27]。本研究結(jié)果表明，低磷脅迫能影響香稻根冠比，但影響的效果與品種有關(guān)：低磷脅迫總體上能提高綠金香和華香的根冠比，提高根系總量，增大對磷元素的吸收，維持作物正常生長，與前人研究結(jié)果一致，但對美香占2號根冠比的影響，根冠比呈“W”型變化的趨勢，而對海香占根冠比的影響，根冠比呈“V”型變化的趨勢，說明低磷脅迫對香稻根冠比的影響存在品種的差異性；同時低磷脅迫能顯著降低總根長、總根表面積、總根體積、總根尖數(shù)和直徑0～0.5 mm 總根長，從而造成磷的積累量顯著降低，與前人研究結(jié)果一致。陳晨等[10]認(rèn)為低磷條件下，整株磷累積量是評價水稻苗期磷高效重要指標(biāo)之一。本試驗中發(fā)現(xiàn)，在35 d時低磷濃度下，綠金香磷的積累量均高于其他品種，華香磷積累量高于美香占2號，海香占磷積累量低于其他品種，說明綠金香是耐低磷脅迫能力較強(磷高效)品種、海香占為耐低磷脅迫能力較差(磷低效)品種。

綜上所述，綠金香的耐低磷脅迫能力較強，華香次之，接下來是美香占2號，海香占較低。