低磷脅迫對(duì)甘蔗幼苗生長(zhǎng)和生理特性的影響

柯野 謝璐 藍(lán)林 唐新蓮

摘要：以甘蔗品種ROC22和ROC10為材料，采用盆栽試驗(yàn)研究了不同施磷量對(duì)甘蔗幼苗的生長(zhǎng)、生理特性、磷利用效率的影響。結(jié)果表明：低磷脅迫使甘蔗的株高、葉長(zhǎng)、葉寬、葉片數(shù)和生物量降低，根冠比提高，根的二維形狀發(fā)生改變;施磷量減少顯著降低了葉綠素含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶（POD）活性和超氧化物歧化酶（SOD）活性;低磷脅迫會(huì)降低甘蔗幼苗根、莖、葉各營(yíng)養(yǎng)器官的磷累積量，而磷利用效率會(huì)隨著施磷量的減少而提高。綜上，低磷脅迫會(huì)使甘蔗形態(tài)發(fā)生改變，SOD與POD的活性發(fā)生變化，磷利用效率提高。

關(guān)鍵詞：低磷脅迫;甘蔗幼苗;生理特性;農(nóng)藝性狀;根系形態(tài);生物量;根冠比;抗氧化酶;磷積累量;磷利用效率

中圖分類號(hào)： S435.661;Q945?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）20-0114-04

磷不僅是核酸、蛋白質(zhì)、磷脂等有機(jī)化合物的重要組成成分，同時(shí)又參與植物體內(nèi)光合與呼吸、酶的活化與失活、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等多種生理過程，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)都具有顯著的影響[1-2]。磷在土壤中的移動(dòng)速率慢，且容易被鈣、鐵、鋁化合物以及黏粒吸附、固定、沉淀等[3]，使磷肥的利用率只有15%～25%[4]，土壤缺磷也成了作物生產(chǎn)的主要限制因素之一。

近年來隨著糖業(yè)基地建設(shè)發(fā)展，廣西甘蔗種植面積超過100萬hm2，占全國(guó)總種植甘蔗面積的60%左右[5]，蔗糖業(yè)已成為廣西經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱和農(nóng)民脫貧致富的重要來源。然而熱帶亞熱帶蔗區(qū)絕大部分土壤為酸性紅壤，其有機(jī)磷含量只占全磷量的10%以下[6]，且土壤脫硅富鋁、富鐵化重，土壤有效磷缺乏和磷肥利用率低[7]。貯存和轉(zhuǎn)運(yùn)能力是磷在甘蔗中最重要的作用[8]。適量的磷素能夠促進(jìn)甘蔗干物質(zhì)的積累、分蘗、生長(zhǎng)，過多或過少都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不利的影響[9]。前人研究表明，缺磷會(huì)使甘蔗的形狀發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為分蘗減少、節(jié)間變短、根細(xì)而長(zhǎng)，變?yōu)榧t棕色，莖葉和根的重量大減，從而影響甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)[10]。但有關(guān)磷對(duì)甘蔗根系構(gòu)型、生理特性的研究較少，因此，本試驗(yàn)從甘蔗形態(tài)、生理特性以及磷利用效率方面入手，研究低磷脅迫對(duì)甘蔗的形態(tài)變化、根系特性以及生理適用機(jī)制的影響，為進(jìn)一步探討甘蔗耐磷脅迫的分子機(jī)制及培育耐低磷甘蔗品種提供參考，對(duì)于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和降低甘蔗生產(chǎn)成本也具有一定的作用。

1?材料與方法

1.1?供試材料

供試甘蔗品種為新臺(tái)糖22號(hào)（ROC22）和新臺(tái)糖10號(hào)（ROC10），均由廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

1.2?供試土壤

試驗(yàn)土壤來自廣西南寧市青秀區(qū)南陽鎮(zhèn)河床沙質(zhì)土，土壤基本理化性質(zhì)：全氮含量0.58 g/kg，堿解氮含量 57.12 mg/kg，全磷含量0.13 g/kg，全鉀含量4.37 g/kg，速效磷含量0.79 mg/kg，速效鉀含量49.5 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量 7.31 g/kg，pH值4.62。

1.3?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年4—6月在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系溫室大棚中進(jìn)行，采用盆栽試驗(yàn)方法。在高30 cm、直徑34.5 cm盆中裝20 kg風(fēng)干土。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)施磷處理：0.4 g/kg（P0.4）、0.2 g/kg（P0.2）、0.08 g/kg（P0.08）、0 g/kg（P0），其中P0.4為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照。氮肥和鉀肥用量均為 0.4 g/kg。供試氮肥為尿素，磷肥為磷酸二氫鈉（分析純），鉀肥為硫酸鉀（分析純）。將肥料與土壤拌均勻后裝入盆中，全部肥料均為一次性加入。材料均選取甘蔗中上部，砍5 cm左右的單芽莖，將砍下的甘蔗種莖放置在飽和石灰水中浸泡、催芽、滅菌，12 h后取出，用自來水沖洗干凈后，將種莖放在有機(jī)質(zhì)中育苗2 d左右，至甘蔗芽萌動(dòng)后，移栽盆中。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每盆定植3株。參照大田管理，及時(shí)澆水除草、必要時(shí)進(jìn)行病蟲害防治。

1.4?測(cè)定項(xiàng)目與方法

收獲前一天采取正一葉測(cè)定葉綠素含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶活性以及超氧化物歧化酶活性。其中，葉綠素含量的測(cè)定參考高俊鳳的方法[11]，可溶性蛋白含量的測(cè)定參考考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[11]，過氧化物酶（POD）以及超氧化物歧化酶（SOD）活性的測(cè)定分別參考愈創(chuàng)木酚法和NBT光還原法[12]。收獲時(shí)測(cè)定葉長(zhǎng)、葉寬、株高、葉片數(shù)等表型性狀。地下部清洗干凈后分離出1株根系進(jìn)行掃描，采用根系掃描-WinRHIZO圖像分析系統(tǒng)，獲取根系的總根長(zhǎng)、總表面積、總體積、平均直徑等二維根構(gòu)型參數(shù)。其余地上部和地下部剪碎烘干后測(cè)定生物量及磷含量。

1.5?數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007處理數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS 17.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和多重比較（新復(fù)極差法）。

2?結(jié)果與分析

2.1?低磷脅迫對(duì)甘蔗農(nóng)藝性狀的影響

從表1可知，品種ROC22施磷處理（P0.4、P0.2、P0.08）的株高、葉長(zhǎng)、葉寬以及葉片數(shù)均顯著高于不施磷肥（P0）處理（P<0.05），不同施磷量（P0.4、P0.2、P0.08）處理對(duì)株高和葉長(zhǎng)無顯著影響，但低磷脅迫（P0.2、P0.08）處理的葉寬和葉片數(shù)與正常施肥（P0.4）處理間存在顯著性差異（P<0.05），P0.4處理的葉寬分別是P0.2和P0.08處理的 1.2、1.3倍，葉片數(shù)分別是P0.2和P0.08處理的1.13、1.20倍。品種ROC10在低磷脅迫（P0.2和P0.08處理）下，株高和葉長(zhǎng)無顯著差異，葉寬和葉片數(shù)已經(jīng)達(dá)到正常施磷（P0.4處理）水平。

2.2?低磷脅迫對(duì)甘蔗生物量及根冠比的影響

表2表明，2個(gè)甘蔗品種植株生物量均隨著施磷量的減少而明顯減少。其中施磷量對(duì)地上部的影響較大，對(duì)于ROC22品種，與P0.4處理相比，不施磷肥處理（P0）和低磷處理（P0.08和P0.2）地上部干質(zhì)量均顯著減少（P<0.05）;對(duì)于ROC10品種，不施磷肥處理（P0）和低磷處理（P0.08和P0.2）的地上部干質(zhì)量均低于P0.4處理，其中P0和P0.08處理差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。甘蔗根干質(zhì)量受磷肥影響較小，與正常施磷（P0.4處理）相比，不施磷肥處理（P0）的ROC22品種變化顯著，低磷處理（P0.08和P0.2）下的甘蔗根干質(zhì)量無顯著變化。隨著施磷量的減少，根冠比呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，在不施磷肥（P0）和低磷脅迫（P0.08和 P0.2 處理）下ROC22品種的根冠比分別比正常施磷（P0.4處理）提高114%、36%和14%，ROC10品種的根冠比分別比正常施磷（P0.4處理）提高70%、30%和10%。

2.3?低磷脅迫對(duì)甘蔗根系形態(tài)的影響

從表3可以看出，低磷脅迫對(duì)甘蔗根系形態(tài)的影響在不同品種間表現(xiàn)不同。對(duì)于ROC22品種，各處理間甘蔗根系的平均直徑無顯著差異，而各處理下甘蔗根系的總長(zhǎng)度、總表面積、總體積則表現(xiàn)為P0.08處理>P0.4處理>P0.2處理>P0處理，與P0.4處理相比，P0顯著減少，P0.2和P0.08處理無顯著變化（P<0.05），P0處理顯著減少（P<0.05），P0.2處理無顯著變化。對(duì)于ROC10品種，各處理間甘蔗根系的總表面積和總體積無顯著差異;與正常施磷（P0.4）處理相比，除不施磷肥（P0）處理的根系總長(zhǎng)度、平均直徑顯著減少外，低磷處理（P0.08和P0.2）均無顯著差異。

2.4?低磷脅迫對(duì)甘蔗葉片葉綠素含量的影響

表4顯示，ROC22的葉綠素a含量和葉綠素總量的變化趨勢(shì)為P0.2處理>P0.08處理>P0.4處理>P0處理?ROC10的葉綠素a含量、葉綠素b含量及葉綠素總量的變化趨勢(shì)相同，均表現(xiàn)為P0.2處理>P0.4處理>P0.08處理>P0處理。與正常施磷（P0.4）處理相比，2個(gè)甘蔗品種不施磷（P0）處理的各項(xiàng)指標(biāo)均顯著減少（P<0.05），P0.2略有增加。與P0.4處理相比，P0、P0.08和P0.2處理的葉綠素a/b均有所增加，其中P0.08和P0處理達(dá)顯著水平（P<0.05）。

2.5?低磷脅迫對(duì)甘蔗葉片可溶性蛋白含量的影響

蛋白含量表現(xiàn)為P0.4處理>P0.2處理>P0.08處理>P0處理，與P0.4處理相比，P0.08和P0處理分別顯著降低了26%和46%（P<0.05），P0.2處理無顯著變化。ROC10品種的4個(gè)處理葉片可溶性蛋白含量則表現(xiàn)為P0.2處理>P0.4處 理> P0.08處理>P0處理，與P0.4處理相比，P0.08和P0處理顯著減少（P<0.05），P0.2處理無顯著變化。

2.6?低磷脅迫對(duì)甘蔗葉片抗氧化酶活性的影響

表5顯示，隨著磷肥用量的減少，SOD和POD活性均提高了。對(duì)于ROC22品種，P0、P0.08、P0.2處理的POD活性分別是P0.4處理的4.8、2.3、1.5倍，其中P0和P0.08達(dá)到差異顯著水平（P<0.05）;P0.4處理SOD為3.52 U/mg，P0、P0.08和P0.2處理均比P0.4處理顯著增加（P<0.05）。對(duì)于ROC10品種，與P0.4處理相比，P0、P0.08和P0.2處理的SOD和POD活性均有所增加，其中P0、P0.08達(dá)到顯著水平（P<0.05）。

2.7?低磷脅迫對(duì)甘蔗磷積累量的影響

如表6所示，隨著施磷量的減少，ROC22的根、莖、葉中的磷積累量逐漸減少，植株中總的磷積累量也逐漸減少，與正常施磷（P0.4）處理相比，不施磷肥（P0）處理和低磷處理（P0.08和P0.2）均達(dá)到顯著差異水平（P<0.05）。在品種ROC10上，各處理根系中磷積累量無顯著差異;與P0.4處理相比，P0、P0.08和P0.2處理的莖、葉磷積累量以及總磷積累量均顯著下降（P<0.05）。

2.8?低磷脅迫對(duì)甘蔗磷利用效率的影響

由圖2可知，磷脅迫處理（P0、P0.08、P0.2）提高了磷的利用效率，相較正常磷供應(yīng)（P0.4），ROC22的P0、P0.08、P0.2處理的磷肥利用效率分別提高了2.8、1.3、0.5倍，其中P0和P0.08處理達(dá)顯著水平（P<0.05）。對(duì)于ROC10品種，P0、P0.08、P0.2處理的磷肥利用效率分別比 P0.4 處理提高2.7倍、1.7倍、0.7倍，與P0.4處理相比，P0、P0.08和P0.2均達(dá)到顯著水平（P<0.05）。

3?討論與結(jié)論

磷是作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，在缺磷條件下，為了適應(yīng)逆境條件，作物發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng)，作物[CM（25]的形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量發(fā)生變化。在根系形態(tài)變化上的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫會(huì)顯著降低作物根系總根長(zhǎng)、總根表面積等根系參數(shù)，主根長(zhǎng)度、根系平均直徑變小等現(xiàn)象[13]。本研究結(jié)果表明，低磷脅迫會(huì)降低甘蔗的株高、葉長(zhǎng)、葉片數(shù)、地上部和根的干質(zhì)量、根系總長(zhǎng)度、根系總面積和根系總體積，同時(shí)也會(huì)提高根冠比。這與前人對(duì)杉木[14]、紫花苜蓿[15]、甘薯[16]等作物的研究結(jié)果相一致。張彥麗發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫雖然增加了擬南芥的側(cè)根數(shù)及長(zhǎng)度、根系總表面積和總體積，但是對(duì)根系直徑影響不大[17]，與本研究表3的ROC22的結(jié)果一致。通過研究發(fā)現(xiàn)，ROC22與ROC10在一些指標(biāo)的表現(xiàn)上不同，如ROC10的株高、葉長(zhǎng)、根干質(zhì)量、根系總表面積、根系總體積、根系磷積累量等方面并無顯著性差異，出現(xiàn)這種結(jié)果可能是由品種間差異造成的，說明ROC10對(duì)缺磷的忍受能力更強(qiáng)。

低磷脅迫會(huì)誘導(dǎo)植物產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著施磷量的減少，可溶性蛋白和葉綠素含量也逐漸減少。與前人在馬尾松[18]、小麥[19]、大蒜[20]上的研究結(jié)果一致。與此同時(shí)，對(duì)比處理P0.2與處理P0.4可知，隨著施磷量的提高，會(huì)對(duì)可溶性蛋白含量產(chǎn)生抑制作用，這與馮磊等在大蒜[20]和郭愛花等在韭菜[21]上的研究結(jié)果相同，此現(xiàn)象可能是由于處理P0.2和處理P0.4已經(jīng)對(duì)甘蔗產(chǎn)生高磷脅迫，使其體內(nèi)的蛋白合成受阻，導(dǎo)致對(duì)甘蔗供試品種的可溶性蛋白產(chǎn)生抑制作用。

SOD是防御超氧陰離子自由基對(duì)細(xì)胞傷害的抗氧化酶，在植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。POD具有多種氧化功能，能分解植物體內(nèi)有害作用的過氧化氫，對(duì)基體起著重要的保護(hù)作用[22]。本研究結(jié)果表明，在低磷脅迫的作用下，SOD與POD的活性會(huì)明顯提高。這與馬建華等對(duì)高粱[23]、劉厚誠(chéng)等對(duì)豇豆[24]的研究結(jié)果一致。SOD、POD活性的提高，主要是由于低磷脅迫下，植株內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧自由基，刺激了保護(hù)酶系統(tǒng)（SOD、POD）活性的增強(qiáng)，加快自由基的清除，從而提高防御能力，抵抗逆境條件對(duì)植株的傷害[25]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著施磷量的減少，甘蔗植株中總磷積累量明顯降低，其中降幅在甘蔗的莖、葉中尤為明顯，這與任立飛等在黃花苜蓿上的研究結(jié)果[26]一致。同時(shí)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，雖然施磷量減少，植株總磷積累量降低，但是磷利用效率卻顯著提高。這與前人在蘋果[27]和杉木[14]中的研究結(jié)果相同。根系是土壤和作物聯(lián)系的紐帶，因此甘蔗根系的變化可能是磷利用效率提高的原因之一。

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