低磷脅迫下不同基因型棉花生理和形態(tài)的響應(yīng)差異

原 夢， 趙崢艷， 李雪林， 張富厚， 劉逢舉2， 孟超敏

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 河南 洛陽 471003；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 安陽 455000)

磷是作物體內(nèi)諸多重要化合物的重要組成成分之一，幾乎所有重要化合物的合成代謝，例如核酸、核蛋白特別是磷脂等化合物的合成都離不開磷的參與[1]，同時這些化合物也是作物生長發(fā)育過程中不可缺少的營養(yǎng)成分，并且影響作物的產(chǎn)量及品質(zhì)[2]。除此之外，細(xì)胞能量、呼吸和光合等代謝活動都需要磷的參與，磷對提高作物的抗旱能力、抗鹽堿和抗寒等抗逆性方面都有著非常重要的作用[3]。在適宜供磷條件下，磷能夠促進(jìn)作物的正常生長發(fā)育、加速細(xì)胞的分裂與繁殖,有利于作物保持其遺傳特征特性[4]。然而，我國磷礦資源有限，且磷肥施入土壤中極易被固定，土壤中被固定的磷元素?zé)o法被作物直接利用，導(dǎo)致我國磷肥利用率低[5]，間接增加了種植成本，降低了種植戶的收入。新疆棉產(chǎn)區(qū)土壤對磷的長期固定能力強(qiáng)于我國一年兩季小麥玉米輪作主產(chǎn)區(qū)土壤，在正常施肥的情況下土壤磷積累量逐年上升[6]。所以，解決磷肥利用或者提高作物磷利用效率成為解決這一問題的有效途徑。

棉花作為我國最主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在國民經(jīng)濟(jì)及戰(zhàn)略儲備中都具有舉足輕重的作用[7]。研究發(fā)現(xiàn)，植物處于低磷脅迫下會通過改變根系形態(tài)特征，提高根系的適應(yīng)能力，增強(qiáng)根系的適應(yīng)性反應(yīng)來提高植株對磷吸收和利用的能力[8]。根系形態(tài)特征和根系適應(yīng)能力的變化主要體現(xiàn)在植物的主根伸長、根軸變細(xì)、側(cè)根明顯增多等，顯著提高根系的吸收能力[9-10]。研究表明，發(fā)掘作物自身磷營養(yǎng)高效吸收與利用的遺傳潛力，改良作物磷營養(yǎng)性狀已成為提高磷肥利用率的一條有效途徑[11]。玉米水稻等都有較多可供參考的方法和測定指標(biāo)，而棉花品種繁多，品種抗逆性單一，品種分布廣泛，還尚未建立系統(tǒng)的評價方法和指標(biāo)。因此，本實(shí)驗(yàn)選取了18個不同基因型品種棉花進(jìn)行耐低磷能力測定，為磷高效利用育種和棉花對低磷脅迫的響應(yīng)機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所和新疆石河子棉花研究所等單位收集到的18份不同基因型棉花品種作為試驗(yàn)材料，品種編號如表1所示。

表1 供試的18份不同基因型棉花品種

編號品種編號 品種編號 品種P1新陸早12P7中棉所42P13冀H170P2新陸早19P8苗寶21P14棉鄉(xiāng)雜3號P3新陸早26P9魯研棉28P15邯218P4新陸早32P10K215P16冀農(nóng)大94-7P5中棉所32P11GK99P17奧試棉4406P6中棉所35P12冀航8P18魯7619

1.2 試驗(yàn)方法

首先將種子絨毛褪去并沖洗干凈，采用浸泡選種的方式選擇飽滿有活力的種子；將種子用水浸泡5 h后，置于培養(yǎng)皿中加少許蒸餾水放入29 ℃培養(yǎng)箱中催芽36 h；待種子露白或種根微微伸出時，挑選發(fā)芽一致的種子種入裝有石英砂和蛭石的避光塑料盆中(培養(yǎng)盆為直徑 20 cm×高 18 cm，共108個)每盆定植3棵棉苗，設(shè)3次重復(fù)，以Hoagland營養(yǎng)液和阿農(nóng)微量元素為基液[12]，每盆加2.5 L營養(yǎng)液，每周加灌1次營養(yǎng)液；直至棉苗長出第4片真葉時做2個不同磷水平施肥處理：適磷 P(KH2PO41.00×10-3mol·L-1)處理和低磷 P 0(KH2PO40.01×10-3mol·L-1)處理。

第45天收獲后，用自來水將取樣棉苗的根系沖洗干凈，再用去離子水沖洗1遍。將地上和地下兩部分分開進(jìn)行各個指標(biāo)的測定。測定指標(biāo)包括地上地下鮮重和干重、株高、葉總面積(葉面積換算法[13])、磷含量[14]、葉綠素含量[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

棉花磷積累量=磷含量×棉花干物質(zhì)質(zhì)量；

棉花磷利用效率(%)=(棉株鮮重質(zhì)量/全株磷積累量)×100%；

相對吸磷量(%)=(低磷處理棉株磷吸收量/適磷處理棉株磷吸收量)×100%。

變異系數(shù)(%)=(標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)×100%；

數(shù)據(jù)處理采用 Excel 2016軟件和SPSS Statistics軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型棉花各項(xiàng)測定指標(biāo)的差異分析

不同基因型棉花品種各項(xiàng)測定指標(biāo)的方差分析表明，棉苗地上部鮮重、地上部干重、總干重、總?cè)~面積、葉綠素含量這5個指標(biāo)在不同磷處理水平和不同基因型品種間均表現(xiàn)出極顯著差異；磷利用率在品種間表現(xiàn)出極顯著差異，而在處理間無明顯差異；而株高和根冠比2個指標(biāo)在濃度和品種間無顯著差異。因此，可以將棉苗地上部鮮重、總?cè)~面積、葉綠素含量、地上部干重、總干重和磷利用率這6個指標(biāo)作為耐低磷品種篩選的有效指標(biāo)并進(jìn)行下一步分析。

2.2 棉苗低磷脅迫處理差異顯著相關(guān)性狀的基因型變異分析

變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)能準(zhǔn)時反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對值，對棉苗低磷處理差異顯著的測定指標(biāo)的相關(guān)性狀進(jìn)行基因型變異分析(如圖1)，從圖1中可以看出，棉苗的各個性狀指標(biāo)在不同磷濃度處理間均表現(xiàn)出品種間變異，而且各個性狀的變異幅度相差較大。高磷處理時，棉苗各性狀變異系數(shù)的大小順序?yàn)椋毫桌寐?總干重>地上部干物重>葉綠素含量>地上部鮮重>總?cè)~面積；低磷處理時，棉苗各性狀變異系數(shù)的大小順序?yàn)椋毫桌寐?地上部干重>總干重>總?cè)~面積>地上部鮮重>葉綠素含量。

表2 不同基因型棉花各項(xiàng)測定指標(biāo)的方差分析

差異源總?cè)~面積 葉綠素含量 地上部鮮重 地上部干重 總干重 磷利用率 株高根冠比品種間8.26E-09??2.76E-06??0.00001??1.91E-09??2.94E-09??3.840E-08??0.1240.752處理間1.29E-16??0.00120??1.54E-11??2.11E-06??0.00001??0.510230.7670.002

注：“*”表示顯著差異;“**”表示極顯著差異。

表3 棉花苗期耐低磷各篩選指標(biāo)的相關(guān)性

總?cè)~面積葉綠素含量地上部鮮重地上部干重總干重磷利用率總?cè)~面積1.000葉綠素含量-0.1551.000地上部鮮重0.602-0.2411.000地上部干重0.670-0.0620.7091.000總干重0.571-0.1180.7060.894?1.000磷利用率-0.103-0.3650.0170.1250.2351.000

注：R0.05.4=0.811；R0.01.4=0.917。

棉苗各性狀相對值變異系數(shù)比較結(jié)果如圖2。各性狀相對變異系數(shù)的大小順序?yàn)椋嚎側(cè)~面積>地上部干重>總干重>地上部鮮重>葉綠素含量>磷利用率。表明低磷脅迫條件下總?cè)~面積及地上部鮮重表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，而磷利用率及葉綠素含量的變化較小。驗(yàn)證了磷素對植物的生長特別是干物質(zhì)重量有極大的促進(jìn)作用。

2.3 棉花耐低磷適宜篩選指標(biāo)相關(guān)性分析

對耐低磷品種篩選的有效指標(biāo)的相對值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，地上部干重與總干重呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，相對葉綠素含量與其它所有指標(biāo)均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，磷利用率與總?cè)~面積存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，其余指標(biāo)間則存在正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而可以說明相對葉綠素含量越低反而品種的耐低磷能力越強(qiáng)，抗逆性越好。

圖2 棉苗各測定性狀相對值(低磷/適磷)的基因型變異

2.4 各測定指標(biāo)的相對值表現(xiàn)

相對值是指不同基因型棉花品種在不同磷濃度處理下的指標(biāo)比值(低磷/適磷比值)，18個不同基因型棉花品種在株高、葉面積、地上地下鮮干重、以及根冠比、含磷量和磷利用率等測定指標(biāo)上的相對值見圖3和圖4。結(jié)果表明，新陸早12、新陸早19、新陸早32、中棉所32和中棉所42等棉花品種的葉綠素含量和葉面積相對值小于1，其它各指標(biāo)的相對值均大于1，說明這5個棉花品種在低磷條件下有較好的生長潛力；而對于K 215和邯218兩個棉花品種，只有葉綠素含量的相對值大于1，其它各項(xiàng)指標(biāo)的相對值均小于1，說明這些品種只能在供磷充足時能夠正常生長；相比其它品種，中棉所32、新陸早32和苗寶21相對干物質(zhì)較高，變幅為0.99～1.27，表明在低磷脅迫下，這些品種依然能合成較多的干物質(zhì)，并且對低磷也有較強(qiáng)的耐受能力。同時還發(fā)現(xiàn)，其它的棉花品種的測定指標(biāo)相對值方面沒有表現(xiàn)相對的一致性，而是呈現(xiàn)較復(fù)雜的狀態(tài)，不屬于上述的2種類型。

圖3 棉苗葉指標(biāo)性狀相對值(低磷/適磷)

圖4 棉苗重量性狀相對值(低磷/適磷)

2.5 各測定指標(biāo)的聚類分析

依據(jù)棉苗總?cè)~面積、葉綠素含量、鮮重、干重、磷含量及磷利用率等測定指標(biāo)，對供試的18個不同基因型棉花品種進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖5。這些品種在不同磷濃度處理下，主要分為3類：第一類主要有新陸早12號、中棉所42號、新陸早19號和魯研棉28號等4個品種，它們在低磷處理和高磷處理的比較試驗(yàn)中，所測定的指標(biāo)綜合表現(xiàn)良好，能夠很好的適應(yīng)低磷脅迫條件，屬于耐低磷品種；第二類是新陸早32號、中棉所35號、苗寶21號、棉鄉(xiāng)雜3號、奧試棉4406、魯7619和中棉所32號等7個品種，它們在低磷脅迫條件下，各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)一般，屬于耐低磷品種的中間類型；第三類是新陸早26號、K 215、GK 99、冀航8、冀H 170、邯218和(冀)農(nóng)大94-7等7個品種，它們在受到低磷脅迫時表現(xiàn)較差，屬于非耐低磷型品種。

圖5 18個不同基因型棉花品種測定指標(biāo)的聚類分析

3 結(jié)論與討論

對棉花現(xiàn)有種質(zhì)資源進(jìn)行低磷處理，探究其耐低磷能力，對培育磷高效基因型品種具有輔助篩選作用。而棉花品種繁多，對其進(jìn)行耐低磷處理工作量繁重。目前已有學(xué)者對部分棉花品種進(jìn)行了耐低磷研究，本實(shí)驗(yàn)選取了典型品種新陸早19以及還未進(jìn)行過耐低磷試驗(yàn)的十幾個品種，填補(bǔ)了耐低磷品種試驗(yàn)的部分空白。新陸早19的耐低磷表現(xiàn)也與李衛(wèi)華等[16]的研究結(jié)果一致。

目前實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較多的是土培和水培，一般認(rèn)為土培最接近于作物生長的真實(shí)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，對實(shí)際大田種植更有參考價值。但水培實(shí)驗(yàn)操作繁瑣、工作量大，本實(shí)驗(yàn)采用蛭石與沙混合物為種植基質(zhì)，澆灌營養(yǎng)液的方式，結(jié)合土培和水培的優(yōu)點(diǎn)，降低成本簡化實(shí)驗(yàn)方法，便于對更多的種質(zhì)資源進(jìn)行耐低磷能力進(jìn)行評估，為棉花耐低磷營養(yǎng)學(xué)的研究及磷高效基因品種的選育提供理論基礎(chǔ)，為種植區(qū)選擇適應(yīng)性品種和科學(xué)施肥提供實(shí)際指導(dǎo)意義。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)中不同磷處理水平下各個測定指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理得出以下結(jié)論:

1) 磷作為作物體內(nèi)重要化合物的組成成分，一旦出現(xiàn)磷肥供應(yīng)不足的情況，作物生長發(fā)育會受到嚴(yán)重制礙。本實(shí)驗(yàn)中低磷水平處理下的所有基因型品種的與生物量相關(guān)的重量指標(biāo)(如地上部鮮重、地上部干重、總干重等和葉綠素含量、磷積累量)相較正常施肥均出現(xiàn)不同程度的降低，而根冠比卻顯著提高，并且耐低磷能力越好，根冠比差異越大。

2) 棉苗地上部鮮重、總?cè)~面積、葉綠素含量、地上部干重、總干重5個指標(biāo)在品種間及處理間均存在顯著、極顯著差異，且葉綠素含量與其余指標(biāo)均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，與棉花的耐低磷能力緊密相關(guān)，可以作為棉花耐低磷品種篩選的指標(biāo)，另外磷利用率用作參考指標(biāo)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3) 綜合上述，棉花基因型品種不同，耐低磷能力強(qiáng)弱存在明顯差異，耐低磷品種綜合表現(xiàn)良好，可以初步確定新陸早12號、中棉所42號、新陸早19號和魯研棉28號在苗期比其他品種有更好的耐低磷能力，能夠作為耐低磷棉花品種育種種質(zhì)資源，也能夠?yàn)槊揶r(nóng)選擇適宜性品種提供參考依據(jù)。