2種雀稗屬牧草對低磷脅迫的生長、生理應(yīng)激響應(yīng)

陳可可 黃莉娟 王普昶 趙麗麗 劉 芳

(1貴州大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，貴州貴陽 550025；2貴州省草業(yè)研究所，貴州貴陽 550006；3 國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽 550001)

磷是植物生長發(fā)育必需的大量元素之一，是多種重要大分子的組成部分，參與了植物光合作用、能量儲存、信息傳遞、細(xì)胞分裂及增大等生理生化過程[1－3]。而我國60%以上土壤的有效磷缺乏[4]，施用磷肥雖能緩解土壤有效磷缺失，但磷在土壤中移動性較弱，容易被固定，極易與土壤顆粒和金屬離子形成Fe3(PO4)2、AlPO4、Ca3(PO4)2等磷酸鹽，不易被植物吸收，降低了土壤磷的吸收利用效率[5－7]。另外，過量施用磷肥也會造成土壤污染，水體富營養(yǎng)化等問題[8]。不同的植物對低磷的適應(yīng)機(jī)制不盡相同，煙草(Nicotiana tabacum)[9]、紫花苜蓿(Medicago sativa)[10]、甘蔗(Saccharum officinarum)[11]等植物在低磷脅迫下，植物側(cè)根、根毛、根長、根冠比增加，擴(kuò)大了根覆蓋面積，以促進(jìn)對磷的吸收利用[9－10]；甘蔗在低磷脅迫下，植物表型指標(biāo)(株高、葉寬、葉長、葉片數(shù)和生物量)降低，體內(nèi)的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)活性顯著增強(qiáng)，以降低植物體內(nèi)因低磷脅迫產(chǎn)生的大量超氧自由基，提高了植物防御能力[9，11－12]；而玉米在低磷脅迫條件下則表現(xiàn)為植株生長緩慢，植株矮小，根系不發(fā)達(dá)，根體積下降[13]。低磷脅迫導(dǎo)致的植物生長發(fā)育減緩和生產(chǎn)力降低是目前生產(chǎn)實踐面臨的主要矛盾。因此，研究植物耐低磷機(jī)制，提高植物磷素吸收利用效率，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

雀稗屬(Paspalum)牧草為禾本科黍亞科多年生或一年生經(jīng)濟(jì)植物[14]，具有耐貧瘠、分蘗能力強(qiáng)、生長迅速、根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)良特點[15－17]。其中寬葉雀稗(P.wettsteinii)和巴哈雀稗(P.notatum)常應(yīng)用于放牧、水土保持、草地改良和草坪建植[18－19]，在貴州省大力發(fā)展畜牧業(yè)的過程中得到廣泛種植和推廣[20]。貴州省95%的地區(qū)縣、市屬于典型喀斯特地，區(qū)域石漠化問題嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤有效磷含量低[21]，在生產(chǎn)中常常造成寬葉雀稗和巴哈雀稗受到低磷危害。而目前關(guān)于寬葉雀稗和巴哈雀稗的研究主要集中在種子萌發(fā)[22]、種子休眠機(jī)理及其破除方法[23]、種子萌發(fā)期抗旱性研究[24]等方面，耐低磷方面的研究較少?；诖?，本研究采用砂培法，分析比較寬葉雀稗和巴哈雀稗耐低磷能力，揭示其適應(yīng)低磷脅迫的形態(tài)及生理機(jī)制，以期為寬葉雀稗和巴哈雀稗在低磷條件下的種植生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用寬葉雀稗和巴哈雀稗種子均由貴州眾智恒生態(tài)科技有限公司提供。

1.2 試驗設(shè)計

挑選飽滿健康的寬葉雀稗和巴哈雀稗種子，用75%乙醇消毒5 min 后用蒸餾水沖洗3 次[25]，放在含有2 層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿100 粒種子，每天澆2～3 mL 蒸餾水至種子表面濕潤，置于培養(yǎng)箱內(nèi)(溫度25℃，濕度60%)萌發(fā)，將同期萌發(fā)生長的幼苗在第7天時轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)基質(zhì)為石英砂的塑料桶(長×寬×高＝26 cm×12 cm×15 cm)中，用1/2 營養(yǎng)液培養(yǎng)15 d，再改換全營養(yǎng)液培養(yǎng)10 d。每桶22 株，待長到三葉一心時分別用2、20 和200 μmol·L－1(常磷)3 個磷濃度處理供試材料，其中寬葉雀稗3 個磷處理分別用Pw1、Pw2和Pw3表示，巴哈雀稗3 個磷處理分別用Pb1、Pb2和Pb3表示。每個處理重復(fù)3 次，每隔3 d 澆各磷梯度營養(yǎng)液(300 mL)。營養(yǎng)液為改良的Hoagland 與阿農(nóng)微量元素混合液[26]，以KH2PO4為磷源，K＋濃度以K2SO4來平衡，用NaOH 和H2SO4調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH 值為6.2。分別在磷處理10、20、30 d 時測定2 種雀稗屬牧草的各項指標(biāo)。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 表型性狀測定 分別在磷處理10、20、30 d 時用直尺測量2 種雀稗屬牧草株高，用Epson Perfection V800 Photo(北京愛普生有限公司)掃描第二片葉，將掃描的圖片用WinFOLIA Pro 2015 軟件分析得到葉片形態(tài)(葉長、葉寬、葉周長及葉面積)。在磷處理30 d時利用Epson Perfection V800 Photo(北京愛普生有限公司)掃描根系，將掃描的圖片用WinRHIZO Pro 2015軟件分析得到根系形態(tài)(根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根毛數(shù)量)。將植株地上部與根系分離，于105℃殺青30 min 后，65℃烘干至恒重，測各部分生物量。每個指標(biāo)測量包括3 次重復(fù)，每次重復(fù)分別取6株寬葉雀稗和巴哈雀稗。

1.3.2 生理指標(biāo)測定 葉片POD 活性采用活性愈創(chuàng)木酚法測定[27]；SOD 活性采用氮藍(lán)四唑光還原法測定[27]；CAT 活性采用紫外分光光度法測定[27]。葉片和根部酸性磷酸酶(acid phosphatase，ACP)活性采用對硝基苯磷酸二鈉法(葉餅法)測定[28]；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀法測定，并計算相對電導(dǎo)率值[29]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行方差分析、多重比較，用SigmaPlot 14.0 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草株高及葉片形態(tài)的變化

圖1表明，處理10、20 d 時，2 種雀稗屬牧草的株高隨磷處理濃度降低呈先上升后下降趨勢；處理30 d時，寬葉雀稗的株高隨磷處理濃度降低呈降低趨勢，其中Pw3較Pw2顯著提高31.88%，而巴哈雀稗的株高則隨磷處理濃度降低呈顯著降低趨勢，其中Pb3分別較Pb2、Pb1顯著提高9.21%、20.29%。

圖1 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草株高及葉片形態(tài)Fig.1 Plant height and leaf morphology of two species of Paspalum forage under low phosphorus stress

不同低磷處理時間下，2 種雀稗屬牧草的葉形態(tài)受到顯著影響。處理10 d 和20 d 時，寬葉雀稗的葉面積隨磷處理濃度降低呈先降低后上升趨勢，而巴哈雀稗總體呈先上升后降低趨勢；處理30 d 時，2 種雀稗屬牧草的葉面積隨磷處理濃度降低呈逐漸降低趨勢，與Pw1、Pb1相比，Pw3、Pb3的葉面積分別顯著提高19.44%、40.94%。處理20 d 時，2 種雀稗屬牧草的葉寬各處理差異不顯著；而在處理10 d 時巴哈雀稗的葉寬隨磷處理濃度降低呈顯著降低趨勢；處理30 d 時，寬葉雀稗的葉寬隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，其中Pw1較Pw3的葉寬顯著提高32.24%，而巴哈雀稗卻相反，其中Pb3較Pb1顯著提高84.62%。處理10、20 d 時，2 種雀稗屬牧草的葉長在各磷水平處理間均差異不顯著；處理30 d 時，2 種雀稗屬牧草的葉長隨磷處理濃度降低呈下降趨勢，其中Pb3較Pb1顯著提高90.43%。處理10、20 d 時，2 種雀稗屬牧草的葉周長在各磷水平處理間均差異不顯著；處理30 d 時，寬葉雀稗的葉周長隨磷處理濃度降低呈先升后降趨勢，而巴哈雀稗隨磷處理濃度降低呈降低趨勢。

2.2 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草生物量及根冠比的變化

由圖2可知，2 種雀稗屬牧草的地上生物量隨磷處理濃度降低呈降低趨勢，與Pw1和Pb1相比，Pw3、Pb3分別顯著提高41.67%、48.53%。2 種雀稗屬牧草的單株生物量在各磷水平處理間差異均不顯著。2 種雀稗屬牧草的根干重、根冠比隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，均在2 μmol·L－1磷(Pw1和Pb1)處理時最大，顯著高于常磷(Pw3和Pb3)處理。

圖2 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草的生物量及根冠比Fig.2 Biomass and root shoot ratio of two species of Paspalum forage under low phosphorus stress

2.3 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草根系形態(tài)的變化

由圖3可知，2 種雀稗屬牧草的總根長、根系體積、根尖數(shù)、根毛數(shù)量均隨磷處理濃度降低呈先上升后下降趨勢。寬葉雀稗的總根表面積和根系直徑在各磷水平處理間差異不顯著，而巴哈雀稗的總根表面積隨磷處理濃度降低呈先上升后下降趨勢。寬葉雀稗在Pw2的總根長、根尖數(shù)顯著高于Pw3。巴哈雀稗在Pb2的總根長、總根表面積、根系體積、根尖數(shù)最大，與其他兩處理間差異顯著，但其根系直徑、根毛數(shù)量在各處理間差異不顯著。

圖3 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草的根系形態(tài)Fig.3 Root morphology of two Paspalum grasses under low phosphorus stress

2.4 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草葉片SOD、POD、CAT、ACP 活性的變化

由圖4可知，處理10、20、30 d 時，寬葉雀稗的SOD 活性隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，其中Pw3最小，且與各處理間差異顯著；而巴哈雀稗的SOD 活性隨磷處理濃度降低呈先上升后下降趨勢，Pb2顯著高于Pb3、Pb1。處理10、20、30 d 時，2 種雀稗屬牧草的POD活性隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，在處理30 d 時，與Pw3、Pb3相比，Pw1、Pb1分別顯著提高25.09%、63.94%。處理10、20、30 d 時，寬葉雀稗的CAT 活性隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，且Pw3顯著低于Pw1，而巴哈雀稗的CAT 活性隨磷處理濃度降低呈先上升后下降趨勢，Pb2顯著高于Pb3、Pb1。在葉片ACP 活性中，處理10 d 時，2 種雀稗屬牧草在各磷水平處理間差異均不顯著；處理20 d 時，2 種雀稗屬牧草的ACP 活性隨著磷處理濃度降低呈先升高后降低趨勢；處理30 d 時，寬葉雀稗的ACP 活性隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，各處理間差異顯著，而巴哈雀稗的ACP 活性隨磷處理濃度降低呈先上升后下降趨勢，其中Pb2較Pb3顯著提高9.84%。

圖4 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草葉片SOD、POD、CAT、ACP 活性Fig.4 SOD，POD，CAT and ACP activities of two Paspalum grasses under low phosphorus stress

2.5 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草相對電導(dǎo)率及根部ACP 的變化

由圖5可知，2 種雀稗屬牧草的根部相對電導(dǎo)率隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，與Pw3、Pb3相比，Pw1、Pb1分別顯著提高31.02%、22.09%。寬葉雀稗的葉片相對電導(dǎo)率隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，Pw3顯著低于其余各處理，而巴哈雀稗的葉片相對電導(dǎo)率隨磷處理濃度降低呈先上升后下降趨勢，Pb2顯著高于其余各處理。寬葉雀稗的根部ACP 活性隨磷處理濃度降低呈先上升后下降趨勢，Pw3顯著低于其余各處理，而巴哈雀稗的根部ACP 活性隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，Pb1較Pb3顯著提高31.44%。

圖5 低磷脅迫下2 種雀稗屬牧草相對電導(dǎo)率及根部ACP 活性Fig.5 Relative conductivity and root ACP activity of two Paspalum grasses under low phosphorus stress

3 討論

植物在低磷環(huán)境下，其形態(tài)響應(yīng)特征會因植物種類的不同而不同，植株地上部各形態(tài)指標(biāo)直接反映了植株的生長狀況及營養(yǎng)水平[30]。在低磷條件下會導(dǎo)致植物葉片光合產(chǎn)物優(yōu)先分配到根系，加快根系的生長，增加根系生物量，同時相對抑制地上部生長，導(dǎo)致地上生物量降低[31]。前人對大麥及玉米的研究發(fā)現(xiàn)，在低磷條件下，植物體內(nèi)碳水化合物合成及細(xì)胞分裂受阻，葉片擴(kuò)展速率下降，從而導(dǎo)致植株變得矮小、葉面積下降，同時，為適應(yīng)低磷脅迫植物根系形態(tài)會發(fā)生相應(yīng)改變以提高養(yǎng)分吸收[10，32－34]。在本研究中，磷處理30 d 時，2 種雀稗屬牧草的葉面積、葉長、地上生物量、單株生物量隨磷處理濃度降低呈降低趨勢，寬葉雀稗株高隨磷處理濃度降低呈先下降后上升趨勢，而巴哈雀稗則呈降低趨勢，均在常磷處理時最大，2 種雀稗屬牧草的根干重、根冠比隨磷處理濃度降低呈上升趨勢，而根尖數(shù)、總根長和根毛數(shù)量則呈先上升后下降趨勢，均在常磷處理時(Pw3和Pb3)最小。說明低磷水平下，寬葉雀稗和巴哈雀稗將光合產(chǎn)物量優(yōu)先分配給根系，促使地下根系生長，同時抑制了地上部的生長，這與李振松等[35]對紫花苜蓿的研究結(jié)果一致。此外，研究發(fā)現(xiàn)隨著磷水平的降低2 種雀稗屬牧草的部分形態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)不同，如株高、葉寬、葉面積、葉周長等呈不同變化趨勢，寬葉雀稗葉長、總根表面積、根系體積等指標(biāo)在各磷水平間差異不顯著，巴哈雀稗的根毛數(shù)量在各磷水平間差異不顯著。這可能是寬葉雀稗和巴哈雀稗間的種性差異造成其呈現(xiàn)出不同的低磷適應(yīng)表型，說明寬葉雀稗耐低磷能力更強(qiáng)。

在逆境環(huán)境中，為了適應(yīng)低磷環(huán)境，植物自身會形成一套適應(yīng)機(jī)制[1]。在逆境條件下，植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量超氧自由基，從而使植物代謝氧失衡，造成植物氧化傷害，植物體內(nèi)的保護(hù)酶(SOD、POD 和CAT 活性)系統(tǒng)在維持植物正常生理活動中起關(guān)鍵作用[36]。一般來說抗氧化酶活性越高，植物的應(yīng)激能力越強(qiáng)，從而耐低磷能力越強(qiáng)[37]。本研究結(jié)果顯示，隨著磷處理時間的延長，2 種雀稗屬牧草的SOD、POD 和CAT 活性均有增加趨勢，這與喬光等[38]對馬尾松的研究結(jié)果一致，也證明抗保護(hù)酶系統(tǒng)在寬葉雀稗和巴哈雀稗耐低磷中起關(guān)鍵作用。在2 μmol·L－1磷處理30 d 時，寬葉雀稗的CAT、SOD 活性較20 μmol·L－1磷處理有增加趨勢，而巴哈雀稗卻有降低趨勢，寬葉雀稗的SOD、POD、CAT 活性均高于巴哈雀稗，表明寬葉雀稗耐低磷能力更強(qiáng)。

ACP 是植物生長過程中普遍存在的一種水解酶，可加快水解土壤有機(jī)磷，促進(jìn)植物對磷的吸收利用[39－40]。在低磷環(huán)境下植物根系分泌的ACP 增加，促進(jìn)了植物體內(nèi)磷循環(huán)，以適應(yīng)低磷脅迫[41]。本研究中，隨著磷水平降低，處理30 d 時寬葉雀稗葉片的ACP 活性呈逐漸上升趨勢，而巴哈雀稗呈先升高后降低趨勢，寬葉雀稗根部的ACP 活性呈先升高后降低趨勢，而巴哈雀稗呈逐漸上升趨勢。雖然2 種雀稗屬牧草存在這種變化差異，但整體上2 種雀稗屬牧草的根部和葉片ACP 活性隨著磷水平降低均表現(xiàn)出增加的趨勢，這與李鋒等[42]對水稻的研究結(jié)果一致。

電導(dǎo)率可以衡量植物的受害程度，在低磷脅迫條件下，植物細(xì)胞內(nèi)環(huán)境被破壞，電解質(zhì)外滲，導(dǎo)致相對電導(dǎo)率增加[43]。本研究中，在磷脅迫條件下，2 種雀稗屬牧草的根部和葉片的相對電導(dǎo)率較常磷處理均顯著增加；各部位相對電導(dǎo)率總體表現(xiàn)為隨著磷水平的降低呈增加趨勢，但巴哈雀稗在2 μmol·L－1磷水平葉片的相對電導(dǎo)率顯著低于20 μmol·L－1磷處理，這可能是2 μmol·L－1磷條件下，巴哈雀稗較高的POD 活性有利于清除體內(nèi)活性氧，減輕植物體受損傷程度，導(dǎo)致電解質(zhì)外滲速率降低。說明隨著磷水平的降低寬葉雀稗耐受害程度更高。

4 結(jié)論

在20 μmol·L－1低磷脅迫30 d 時，2 種雀稗屬牧草通過降低地上生物量、株高、葉面積、葉長，增加根干重、根冠比、總根長、根尖數(shù)、根毛數(shù)量，同時也提高了保護(hù)酶(SOD、POD、CAT)活性，增強(qiáng)ACP 活性來適應(yīng)低磷脅迫；當(dāng)磷水平進(jìn)一步降低至2 μmol·L－1時，寬葉雀稗的株高和POD、CAT、SOD 活性較20 μmol·L－1處理有增加趨勢，而巴哈雀稗除POD 指標(biāo)外，其他指標(biāo)的變化均與寬葉雀稗相反，2 種雀稗屬牧草在應(yīng)對低磷脅迫時表現(xiàn)不同，寬葉雀稗的低磷適應(yīng)能力高于巴哈雀稗。