甘蔗磷高效種質資源的篩選

郭家文，刀靜梅，樊 仙，張躍彬，劉少春

(云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所，云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南開遠 661600)

磷是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素之一，以多種方式參與植物體內各種化學過程，對促進植物的生長發(fā)育和新陳代謝起著非常重要的作用［1］。甘蔗是亞熱帶重要的糖料作物，對磷素的需求量較大，磷肥用量也大。熱帶亞熱帶蔗區(qū)絕大部分土壤為酸性紅壤，土壤脫硅富鋁、富鐵化嚴重，磷很容易被土壤中的鐵鋁氧化物固定從而造成土壤有效磷缺乏和磷肥利用率低，因此磷素缺乏成為蔗區(qū)甘蔗生產的主要限制因子之一。大量研究證明，不同植物乃至同種植物的不同品種對磷肥的利用率存在顯著差異［2－3］。關于作物磷高效基因型篩選方面的研究在水稻、小麥、玉米、花生、大豆、甜菜等作物上有較多的報道［1，4－9］。不同甘蔗對低磷脅迫和磷肥效應有顯著的影響［10－13］。在前人研究的基礎上，為進一步發(fā)掘耐低磷的甘蔗基因型，利用盆栽試驗對國家甘蔗種質資源圃保育的35 份珍貴的甘蔗栽培原種進行耐低磷的鑒定，以篩選耐低磷種質。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所實驗溫室中進行，供試的甘蔗種質材料為保存在國家甘蔗種質資源圃保育的原種，包括印度種(6 個)、熱帶種(21 個)、中國種(7 個)和果蔗(1 個)，共計35 份，詳見表1。供試土壤為紅壤，基本理化性狀為:pH 7.59、有機質24.65 g·kg－1、全氮0.31 g·kg－1、全磷0.62 g·kg－1、全鉀20.61 g·kg－1、堿解氮27.05 mg·kg－1、速效磷3.11 mg·kg－1、速效鉀95.21 mg·kg－1。

表1 供試甘蔗栽培原種Tab.1 Original cultivated sugarcane varieties

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，盆缽為黑色塑料桶(桶高25 cm，上沿直徑為25 cm，底面直徑為23.9 cm)，每個桶內盛風干混勻的土壤10 kg，每桶種植3 棵單芽苗，出苗15 d 后間苗，留取生長一致的2 株。試驗設高P和低P 兩個處理，每個處理重復4 次，施N 肥為尿素，純N 量為0.78 g·kg－1，鉀肥為硫酸鉀，施肥量為純K2O 0.488 g·kg－1，P 肥為過磷酸鈣，高P 處理為純P2O50.75 g·kg－1，低P 處理純P2O50 g·kg－1，施肥均在種植15 d 間苗后一次性施肥。

1.3 測定項目和方法

試驗于2010 年2 月22 日種植，于甘蔗分蘗末期收獲(2010 年6 月29 日)，甘蔗收獲時分地上部分(莖葉)和地下部分(根系)收取，根系用水沖洗干凈，地上部分和地下部分在105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質量，粉碎混勻后用于測定磷的含量。植株全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，方法詳見《土壤農業(yè)化學分析方法》［14］。試驗所得數(shù)據采用SPSS 7.0 軟件進行統(tǒng)計分析。參照柏棟陰［15］和劉鴻雁［16］的方法對甘蔗進行耐低磷的評價，即耐低磷能力(Low P endurance，簡稱LPE):某個品種不施磷處理的產量(生物量)占該品種施磷處理生物量的百分數(shù);品種適應性(Variety adaptability，VA):在不施磷處理下，某個品種產量比當年試驗所有品種產量的平均值增減的百分數(shù);綜合力(Integrative index，II):生產量耐低磷力及其品種適應性兩項指標的平均值;磷利用效率(P use efficency) =總生物量/植株磷吸收量。

2 結果與分析

2.1 不同施磷處理對甘蔗種質生物量的影響

從表2 表明，不同磷營養(yǎng)對不同甘蔗栽培原種分蘗數(shù)、干物質積累都有明顯的影響。植株分蘗數(shù)不施磷處理在0～4 之間，施磷處理在0～10 之間，施磷的分蘗數(shù)平均是不施磷的3 倍以上，分蘗數(shù)最多的是CO0017，不施磷為4 株，施磷為7 株，可見增施磷肥能夠顯著的增加缺磷甘蔗的分蘗，且不同的甘蔗分蘗率對磷的反應不一;除少數(shù)植株外，低磷處理地上部和地下部干物質積累量均低于高磷處理的植株，地上部干質量、地下部干質量和整株干質量施磷處理是不施磷處理平均的1.4 倍、1.2 倍和1.3 倍。地上部干質量，缺磷條件下最高的是AO0005，為107.0 g，施磷最高也是AO0005，為100.3 g，缺磷條件下最低的是AO0113，為28.2 g，施磷最低的是AO0105，為30.4 g。地下部干質量，缺磷條件下最高的是AO0006，為16.9 g，施磷最高是AO0103，為20.3 g，缺磷最低的是AO0002，為3.4 g，施磷最低的是AO0002，為8.1 g。整株生物量，缺磷條件下最高的是AO0005，為116.7 g，施磷最高也是AO0005，為109.7 g，缺磷條件下最低的是AO0002，為34.8 g，施磷最低的是AO0105，為37.8 g。根冠比施磷處理平均比不施磷處理低20%，缺磷條件下最高的是AO0006 和AO0096，均為0.29，施磷最高是AO0113，為0.27，缺磷條件下最低的是AO0005，為0.09，施磷最低的也是AO0005，為0.09。由于原料甘蔗收獲的是地上部的蔗莖，如果以地上部的干質量作為考察對象，可以得出AO0005 在施磷和不施磷都具有較高的生物產量和最低的根冠比，AO0113 缺磷條件下生物產量最低，施磷條件下AO0105 生物產量最低，施磷生物量增加最多的是A00113，施磷是不施磷的2.1 倍。以的整株生物產量為依據，對甘蔗種質進行評價，耐低磷能力最高的是AO0105，其比值為144.4%，耐低磷能力最低的是AO0002，其值為52.3%;品種適應性最好的是AO0010，其值為60.6%，最差的為AO0113，其值為－44.9%，綜合力最好的是AO0010，其值為81.5%，綜合力最低的是AO0113，其值為1.2%。在施磷和不施磷處理間進行t 檢驗，分蘗數(shù)的t值為－6.46，地上部干質量t 值為－10.26，根干質量t 值為－4.43，總生物量t 值為－9.74，都達到1%的極顯著水平，說明供試的甘蔗原種分蘗數(shù)、生物產量在施磷和不施磷條件下存在極顯著的差異，試驗條件能充分表現(xiàn)不同種質的耐低磷能力。

2.2 磷營養(yǎng)對不同基因型栽培原種磷吸收量和磷利用效率的影響

表3 表明，不施磷與施磷兩處理各種質地上部磷吸收量、地下部磷吸收量、全株磷吸收量和磷利用效率間的差異達到極顯著水平，說明無論是施磷還是不施磷條件下甘蔗地上部磷吸收量、地下部磷吸收量、全株磷吸收量和磷利用效率間都存在很大的差異。地上部吸磷量，缺磷吸磷量最高的是AO0005，為261.9 mg·桶－1，施磷吸磷量最高的是AO0106，為297.4 mg·桶－1，缺磷吸磷量最低的是AO0002，為89.6 mg·桶－1，施磷吸磷量最低的是AO0104，為105.6 mg·桶－1。地下部吸磷量，缺磷吸磷量最高的是AO0010，為55.0 mg·桶－1，施磷吸磷量最高的是AO0103，為64.1 mg·桶－1，缺磷吸磷量最低的是AO0002，為6.9 mg·桶－1，施磷吸磷量最低的是AO0008，為17.5 mg·桶－1。整株吸磷量，缺磷吸磷量最高的是AO0005，為290.6 mg·桶－1，施磷吸磷量最高的是AO0106，為333.7 mg·桶－1，缺磷吸磷量最低的是AO0002，為96.5 mg·桶－1，施磷吸磷量最低的是AO0104，為130.7 mg·桶－1。磷利用效率，不施磷條件下最高的是AO0115，為509.6 mg·mg－1，施磷條件下最高的是AO0107，為569.7 mg·mg－1，不施磷條件下最低的是AO0003，為306.8 mg·mg－1，施磷條件下最低的是AO0105，為257.9 mg·mg－1。在施磷和不施磷處理間進行t 檢驗，地上部磷吸收量、地下部磷吸收量、全株磷吸收量和磷利用效率的t 值分別為－6.31、－3.43、－6.66 和－3.34，均達到極顯著水平，說明35 個甘蔗栽培原種的地上部磷吸收量、地下部磷吸收量、全株磷吸收量和磷利用效率在施磷和不施磷條件下的差異極顯著。

表3 不同磷水平甘蔗植株磷吸收量和磷利用效率Tab.3 Different phosphorus level on absorption and efficiency of P in sugarcane

2.3 耐低磷力基因型甘蔗的篩選

在土壤盆栽條件下，以全部參試甘蔗材料為基礎，參照前人在小麥［14］、玉米［15］的指標等級劃分標準，進行甘蔗耐性等級的評定，兩項指標的平均值作為該種質耐低磷的綜合評定等級，見表4。以總生物量為指標，耐低磷能力最高的甘蔗栽培原種是AO0105、AO0005 和AO0010，耐低磷能力分別是144.4%、106.4%和102.5%，3 個甘蔗種質施磷和不施磷差別不大。AO0005 和AO0010 兩個種質的適應性最廣，種質適應性分別為78.7%和60.6%。

表4 甘蔗低磷等級的劃分Tab.4 Classification standard of low P endurance in sugarcane

在低磷條件下，以植株總質量、植株總磷吸收量、植株磷利用效率為指標，標準化后按歐氏距離對35 個參試材料進行聚類分析，分析結果將供試甘蔗品種分為5 類，見圖1。表5 列出了5 種類型的P 營養(yǎng)效率指標統(tǒng)計結果。類型Ⅴ在低磷水平下，生物產量、植株總磷吸收量最高，植株磷利用效率和類型Ⅰ相當，均顯著高于其余3 個類型，表明類型Ⅴ在缺磷條件下，仍具有較強的磷吸收能力來維持甘蔗較高的生物量，可以得出AO0005 和AO0010 為磷高效甘蔗基因型，這與以生物產量為基礎得出的用耐低磷能力、品種適應性、綜合力對甘蔗種質進行耐低磷能力評價得出的結果相一致。在增施磷肥的基礎上，類型Ⅳ的植株總生物量、植株總磷吸收效率、磷利用效率增加的幅度最大，說明類型Ⅳ對施磷比較敏感，這類甘蔗種質材料種質時必須保證磷肥的供應才能獲得高產。類型Ⅰ無論是施磷還是不施磷，植株磷素的利用效率均較高，說明甘蔗吸收的磷能夠獲得較大的植株生物量，但其吸收磷的能力較弱。

圖1 甘蔗磷營養(yǎng)效率聚類分析Fig.1 Dendrograms of P nutrition efficiencies of 35 Sugarcane varieties

表5 甘蔗磷素營養(yǎng)效率指標的類間差異Tab.5 Differences among clusters in nutrition efficiencies of 35 sugarcane varieties

3 討論與結論

在不同的供磷水平條件下，甘蔗的分蘗數(shù)、生物產量(地上部、地下部、總生物量)、根冠比、植株吸磷量和磷素的利用效率在不同的品種間存在著顯著的差異，說明不同的栽培原種對磷的反應能力也存在著顯著的差異。植物養(yǎng)分效率包括吸收效率、利用效率和運轉效率。他們都需要養(yǎng)分吸收量和產量等具體評價指標。植物磷的吸收量和磷利用效率是兩個重要的磷高效基因型篩選指標，但比較而言，植物磷的吸收量顯得更為重要［1］，研究結果也證實了這一結論。在土壤盆栽條件下，通過以總生物量、耐低磷能力、種質適應等指標的劃分法還是以植株總質量、植株總磷吸收量、植株磷利用效率及其相對指標的聚類分析的劃分法，均得出AO0005 和AO0010 2 個基因型為磷高效的甘蔗基因型。這2 個基因型具有適應性廣、干物質積累高、磷吸收效率高和磷利用效率相對較高的特點，且這2 個基因型都為熱帶種，熱帶種也稱高貴種，是甘蔗育種的重要基因資源，目前我國育成的甘蔗新品種絕大部分都是熱帶種的后代。AO0005 和AO0010 2 個基因型可為進一步研究磷高效吸收利用機理和培養(yǎng)磷高效甘蔗品種的材料。

［1］丁玉川，陳明昌，程 濱，等. 不同大豆品種磷吸收利用特性比較研究［J］. 西北植物學報，2005，25 (9):1791－1797.

［2］Kempthorne O，Nordskog A W. Rest ricted selection indicies［J］. Boimetrics，1959，15 (1):10－19.

［3］Tallis G M.171. Note:A Selection index for optimum genotype ［J］. Boimetrics，1962，18 (1):120－122.

［4］郭再華，賀立源，徐才國，等. 水稻耐低磷種質資源的篩選、鑒定指標［J］. 作物學報，2005，31 (1):65－69.

［5］王慶仁，李繼云，李振聲. 磷高效基因型小麥對缺磷脅迫的根際適應性反應［J］. 西北植物學報，2000，20 (1):1－7.

［6］柏棟陰，馮國華，張會云，等. 低磷脅迫下磷高效基因型小麥的篩選［J］. 麥類作物學報，2007，27 (3):407－410.

［7］李紹長，胡昌浩，龔 江，等. 低磷脅迫對磷不同利用效率玉米葉綠素熒光參數(shù)的影響［J］. 作物學報，2004，30 (4):365－370.

［8］劉 靈，廖 紅，王秀榮，等. 不同根構型大豆對低磷的適應性變化及其與磷效率的關系［J］. 中國農業(yè)科學，2008，41 (4):1089－1099.

［9］周建朝，林曉坤，王孝純，等. 低磷脅迫對不同基因型甜菜抗性生理特征的效應［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2010，16 (6):1379－1386.

［10］徐建云. 新臺糖22 號等8 個甘蔗品種的種性研究［J］. 廣西農業(yè)生物科學，2004 ，23 (4):285－290.

［11］萬美亮，鄺炎華. 甘蔗耐低磷基因型的篩選及其部分生理特征的研究［J］. 華南農業(yè)大學學報，1999，20 (1):45－50.

［12］敖俊華，江 永，勞方業(yè)，等. 甘蔗常用親本遺傳多樣性和磷效率研究［J］. 分子植物育種，2010，8 (5):925－932.

［13］李 紅，鄺炎華，彭新湘. 缺磷脅迫對甘蔗懸浮細胞磷素吸收特性和相關酶活性的影響［J］. 植物生理學通訊，2004，40 (4):427－430.

［14］魯如坤. 土壤農業(yè)化學分析方法［M］. 北京:中國農業(yè)科技出版社，1998.

［15］柏棟陰，馮國華，張會云，等. 低磷脅迫下磷高效基因型小麥的篩選［J］. 麥類作物學報，2007，27 (3):407－410.

［16］劉鴻雁，黃建國，魏成熙，等. 磷高效基因型玉米的篩選研究［J］. 土壤肥料，2004 (5):25－29.