不同磷水平柱花草磷效率及根構(gòu)型研究

文亦芾， 陳達(dá)飛， 單貴蓮， 趙小雪， 段新慧， 韓博， 周凱

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，昆明 650201)

柱花草屬(Stylosanthes)是熱帶豆科牧草中的一個(gè)重要屬，其栽培品種是一年生或多年生草本植物，原產(chǎn)美洲及加勒比海地區(qū)，具有耐旱、耐酸瘠土、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)，適于世界熱帶、亞熱帶地區(qū)種植[1]，主要用于人工草地建設(shè)、天然草地改良、林果草生態(tài)工程建設(shè)。柱花草已在我國廣東、海南、廣西、云南、貴州、福建、四川等省區(qū)大面積推廣[2-4]，成為我國熱帶、亞熱帶地區(qū)建立人工草地、發(fā)展節(jié)糧型畜牧業(yè)、果園覆蓋的重要熱帶豆科牧草[1]。磷是植物生長發(fā)育的必需元素，不僅是植物體的組成成分，也是植物體內(nèi)能量載體的主要組成成分和提供者，廣泛參與植物體內(nèi)的生化合成、能量轉(zhuǎn)移和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程[5-6]。柱花草耐貧瘠，在養(yǎng)分 (尤其是磷) 水平較低的熱帶紅壤上能夠正常生長，表明柱花草根系具有較高的養(yǎng)分吸收效率[7-8]。

中國南方紅壤地區(qū)土壤較為貧瘠、酸性大、磷素缺乏嚴(yán)重、磷肥利用率低，但是這些地區(qū)荒山荒坡面積較多(其可利用面積是耕地的3～4倍)、氣溫較高、年降水量充沛，有著巨大的草業(yè)發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?，選育優(yōu)良的柱花草品種已成為農(nóng)業(yè)工作者和育種家的研究熱點(diǎn)。目前國內(nèi)外有關(guān)柱花草的研究主要集中在品種選育[9-11]、遺傳多樣性研究[12-13]、生理生化研究[14-15]等方面。對(duì)磷脅迫下柱花草的研究主要集中在熱研品種系列，涉及品種較少，且沒有對(duì)柱花草根系與磷效率進(jìn)行系統(tǒng)分析。本研究在前期不同磷水平對(duì)柱花草形態(tài)學(xué)指標(biāo)的影響研究[16]基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了12個(gè)不同柱花草品種對(duì)不同濃度磷的適應(yīng)性，系統(tǒng)評(píng)價(jià)柱花草磷效率的基因型差異，并選取磷效率差異較大的2個(gè)柱花草基因型，對(duì)其苗期根系生長狀況進(jìn)行分析，以期探討根構(gòu)型與磷效率的關(guān)系，揭示根對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)性機(jī)制，為柱花草的優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用12個(gè)柱花草品種(系)作為供試材料，分別為西卡柱花草(Stylosanthesscabracv. Seca，S01)、澳克雷(Stylosanthesguianensiscv. Oxley，S02)、CIAT11365柱花草(StylosanthesguianensisTRPC90072，S03)、格拉姆柱花草(Stylosanthesguianensiscv. Graham，S04)、愛德華(90080-2)(Stylosanthesguianensiscv. Endeavour，S05)、熱研5號(hào)柱花草(Stylosanthesguianensiscv. Reyan No.5，S06)、庫克柱花草(Stylosanthesguianensiscv. COOK，S07)、Capitata(Stylosanthescapitata，S08)、有鉤柱花草(Stylosantheshamatecv. Verano，S09)、GC1463(StylosanthesguianensisGC1463，S10)、GC1480(StylosanthesguianensisGC1480，S11)、GC1576(StylosanthesguianensisGC1576，S12)，其中磷低效基因型品種為西卡柱花草(S01)、庫克柱花草(S07)；磷高效基因型品種為有鉤柱花草(S09)、GC1463(S10)；其余為磷敏感型品種(S02、S03、S04、S05、S06、S08、S11和S12)。材料均由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)區(qū)位于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所羊開窩基地退化生態(tài)系統(tǒng)綜合治理技術(shù)研究試驗(yàn)示范區(qū)(N 25°50′67.7″，E 101°49′35.3″)，海拔1 071 m。該區(qū)夏季高溫多雨，冬季低溫干旱，土壤為沙壤土。土壤肥力狀況：有機(jī)質(zhì)12.65 g·kg-1、全氮1.55 g·kg-1、速效磷12.26 mg·kg-1、速效鉀70.50 mg·kg-1、pH 5.65。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。取當(dāng)?shù)匚催M(jìn)行耕作管理措施的雜草地土壤為供試土壤，土壤經(jīng)過自然干燥、搗碎、除雜、過篩等處理，施入0.2 g·kg-1氮肥(尿素)和0.2 g·kg-1鉀肥(氯化鉀)，充分?jǐn)嚢杌靹颉溆?。采用盆栽試?yàn)，設(shè)7個(gè)磷水平梯度：0(P0)、0.020(P20)、0.035(P35)、0.050(P50)、0.075(P75)、0.100(P100)、0.200 g·kg-1(P200)。分別將磷肥施入上述土壤基質(zhì)中，充分混勻攪拌，裝在口徑30 cm、高度35 cm的花盆中，裝土1.5 kg。12個(gè)柱花草品種種子25 ℃催芽1 d，將已露白的種子接種根瘤菌后，播于育苗板中，待長出1～2片真葉時(shí)，移栽至盆缽。每個(gè)處理重復(fù)3次。常規(guī)管理。生長60 d后取樣。

為進(jìn)一步比較兩個(gè)代表性基因型(磷低效、磷高效)的苗期根系生長狀況，采用盆栽試驗(yàn)，選擇磷低效品種：西卡柱花草(S01)、庫克柱花草(S07)，磷高效品種：有鉤柱花草(S09)、GC1463(S10)，設(shè)置3個(gè)磷處理水平：對(duì)照(0 g·kg-1，P0)、缺磷(0.010 g·kg-1，P1)、正常磷(0.025 g·kg-1，P2)。于三葉期、六葉期取樣測定各品種(系)的側(cè)根數(shù)、主根長、根體積、根直徑、根表面積和根活躍吸收面積共6項(xiàng)生物指標(biāo)。

1.4 測定指標(biāo)及方法

將植株按根、莖、葉部分分開，分別測量其鮮重，然后置于105 ℃烘箱中殺青10 min，75 ℃烘干24 h至恒重，分別稱量根干重、莖干重和葉干重。將植株地上部烘干后，采用H2SO4-H2O2消煮—釩鉬黃比色法[17]檢測含磷量。吸磷量和磷效率的計(jì)算公式如下：

吸磷量=地上部生物量×含磷量

磷利用效率=吸磷量/總生物量

用直尺量度植株主根的伸直長度，并數(shù)出側(cè)根數(shù)量；將根系洗凈用吸水紙吸干表面附著水，將根浸在盛水的量筒中測定根系體積；采用游標(biāo)卡尺測定根直徑；應(yīng)用甲烯藍(lán)染色液蘸根法[18]測定根系表面積及根系活躍吸收面積。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、作圖、方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 12個(gè)柱花草品種的磷營養(yǎng)特性

2.1.1不同磷處理對(duì)柱花草含磷量的影響 不同磷水平處理下不同品種柱花草含磷量結(jié)果(表1)顯示，隨著磷濃度的上升，不同品種柱花草含磷量逐漸升高?？傮w上，不同柱花草品種間的含磷量差異不顯著，僅有高磷水平(P200)下，磷高效基因型品種S09、S10含磷量顯著低于其他品種；P100處理的S09含磷量顯著低于其他品種?？梢?，磷高效基因型品種在不同磷水平下含磷量變化不大，有較強(qiáng)的耐低磷和高磷能力。因此，在磷脅迫和磷充足的情況下，磷高效基因型品種均更適宜生長。

2.1.2不同磷處理對(duì)柱花草吸磷量的影響 從表2可以看出，在土培條件下，植株吸磷量隨著磷濃度的升高呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，不同基因型品種間吸磷量存在顯著差異。P0處理下，磷高效基因型品種S09、S10的吸磷量分別為1.66和1.58 mg·株-1，顯著高于其他基因型品種，分別是磷敏感型品種S12的3.46和3.29倍。P200處理下，S09、S10吸磷量則較低，與磷低效基因型品種S01、S07差異不顯著，但顯著低于磷敏感基因型品種，分別是S12的0.74和0.70倍。在P0和P200水平下，磷高效基因型品種S09、S10的吸磷量分別升高80%和78%，而磷低效基因型品種S01、S07隨著磷濃度的增加吸磷量上升幅度分別為500%和219%，說明不同柱花草品種在不同磷濃度下吸磷量存在較大差異[19]，進(jìn)一步證明磷高效基因型植株在不同磷濃度下整體保持較為穩(wěn)定的吸磷能力。

2.1.3不同磷處理對(duì)柱花草磷利用效率的影響 不同基因型柱花草在不同磷水平下的磷利用效率結(jié)果(表3)可見，隨著施磷水平的升高，不同基因型品種柱花草磷利用效率下降，這是因?yàn)樵诃h(huán)境條件缺磷的情況下，作物只能通過提高利用效率來滿足其生長需要[19]。不同柱花草基因型品種間磷利用效率差異顯著，在不同磷處理下，磷高效基因型品種S09和S10較高，而磷低效基因型品種S01、S07較低，敏感型品種居于中間水平。在P0和P200水平下，磷高效基因型品種S09和S10的磷利用效率下降幅度分別為27.24%和30.33%，磷低效品種S01、S07的下降幅度分別為47.72%、45.40%，均小于磷敏感基因型品種(47.87%～59.21%)。由此可見，磷高效和磷低效基因型品種在不同磷肥處理下磷利用效率變化幅度較小，可能是其對(duì)低磷脅迫的一種響應(yīng)。

表2 不同磷水平下柱花草的吸磷量變化Table 2 P uptake of different Stylosanthes varieties under different P levels (mg·plant-1)

表3 不同磷水平下柱花草的磷利用效率Table 3 P utilization efficiency of different Stylosanthes varieties under different P levels

2.2 不同磷素水平下柱花草苗期根系生長情況

2.2.1不同磷素水平下柱花草苗期側(cè)根生長發(fā)育變化 磷高效和磷低效基因型柱花草的苗期側(cè)根數(shù)結(jié)果(圖1)顯示，3個(gè)磷處理間柱花草三葉期各基因型一級(jí)側(cè)根數(shù)量變化不大，說明此時(shí)的根系生長主要受遺傳因素和種子含磷量控制，與磷素水平無關(guān)[20]。3個(gè)磷處理間柱花草六葉期各基因型的一級(jí)側(cè)根數(shù)量存在顯著差異，除品種S01，P1處理的一級(jí)側(cè)根數(shù)均顯著高于P2處理；P0處理的一級(jí)側(cè)根數(shù)均顯著高于P1處理；然而在相同磷處理下，六葉期的各基因型品種的側(cè)根數(shù)間無明顯差異。說明缺磷脅迫顯著促進(jìn)一級(jí)側(cè)根的發(fā)生，不同品種間差異不大。

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖1 不同磷素水平下柱花草三葉期和六葉期的側(cè)根數(shù)Fig.1 Lateral root amount of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.2.2不同磷素水平下柱花草苗期主根長的變化 根長是描述根系吸收水分和養(yǎng)分能力的重要參數(shù)之一[21]。圖2為不同磷效率不同基因型柱花草品種在不同磷水平下的苗期主根長?？梢?，在三葉期和六葉期，柱花草主根根長在各品種間差異顯著，磷高效基因型品種S09、S10在不同磷處理下的主根長均大于磷低效基因型品種，說明前者有較高的磷吸收面積。同一基因型在不同磷處理下根長趨勢(shì)基本表現(xiàn)為：P0>P1>P2，說明磷脅迫能增加主根長度。植物根長增長可增加與土壤的接觸面積，磷高效基因型在相同的脅迫情況下具有更大的吸收面積，因而能夠提高植株磷效率，對(duì)于在磷缺乏的土壤中獲得高產(chǎn)具有重要意義[20]。柱花草根系屬直根系，根長也即主根長度。磷高效基因型品種的主根更長，表現(xiàn)出其根系具有更好的適應(yīng)性。

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖2 不同磷素水平下柱花草三葉期和六葉期的的主根長Fig.2 Main root length of of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.2.3不同磷素水平下柱花草苗期根體積的變化 圖3為不同磷效率基因型品種柱花草苗期根體積在不同磷水平下的結(jié)果，可見，三葉期，各基因型柱花草的根系體積存在差異，磷高效品種的根體積大于磷低效品種。兩種不同磷效率基因型品種的根體積對(duì)磷的響應(yīng)均表現(xiàn)為P2大于P1和P0，說明此階段磷脅迫對(duì)根體積具有抑制作用。六葉期，P0條件下兩種不同磷效率基因型品種柱花草的根體積顯著大于P2和P1處理，說明隨著磷脅迫程度加重，柱花草各品種的根體積均增加，且磷高效基因型品種的根體積較磷低效品種更大。

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖3 不同磷素水平下柱花草三葉期和六葉期的根體積Fig.3 Root volume of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.2.4不同磷素水平下柱花草苗期根直徑的變化 兩種基因型柱花草苗期根直徑結(jié)果(圖4)顯示，三葉期時(shí)，S01、S09、S10均隨著磷濃度的下降，根平均直徑逐漸減小，各基因型間無明顯差異。六葉期，P0和P1處理下，各基因型柱花草根平均直徑均小于P2處理，呈P2>P1>P0的趨勢(shì)，表明隨著供磷濃度的減少，柱花草的根直徑有逐漸減小的趨勢(shì)。根系在磷脅迫下變細(xì)，可能導(dǎo)致根表面積增加，反映出柱花草對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)能力。三葉期各基因型的根平均直徑大于六葉期，即根系變細(xì)，主要原因是在三葉期以主根和一級(jí)側(cè)根為主，六葉期后發(fā)生了大量纖細(xì)的二級(jí)側(cè)根，致使根的平均直徑下降。根的粗細(xì)對(duì)植物吸收和利用磷素有重要影響，根系在脅迫下變細(xì)，必然使表面積增加，因而具備了應(yīng)變低磷脅迫的能力[20]。

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖4 不同磷素水平下柱花草三葉期和六葉期的平均直徑Fig.4 Average diameter of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.2.5不同磷素水平下柱花草根表面積和活躍吸收面積的變化 不同磷水平下不同基因型柱花草根表面積結(jié)果(圖5)顯示，三葉期時(shí)，兩種基因型品種均具有在磷脅迫下根表面積增加的趨勢(shì)，S09根表面積增大趨勢(shì)更明顯。六葉期，不同基因型品種柱花草隨著磷脅迫的加重均表現(xiàn)出根表面積逐漸增加的趨勢(shì)，磷高效基因型品種較磷低效基因型品種增加更顯著。說明磷脅迫有助于柱花草根表面積的增加，從而增加磷吸收面積，提高吸磷率，磷高效基因型品種增加趨勢(shì)更顯著。

不同基因型柱花草根活躍吸收面積結(jié)果(圖5)顯示，三葉期，低磷脅迫下各品種活性吸收面積均增加，說明磷脅迫增加根系活躍吸收面積，其中P0脅迫下根活性吸收面積以S09最大，S10其次，S01最小。六葉期，柱花草各品種均表現(xiàn)出活躍吸收面積上升的趨勢(shì)，表明低磷促進(jìn)根系活性吸收面積增加是柱花草適應(yīng)低磷脅迫的普遍反應(yīng)。

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖5 不同磷素水平下柱花草三葉期和六葉期的根表面積和根活躍吸收面積Fig.5 Root surface area and active absorption area of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.3 根系各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

對(duì)根系各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表4)表明，4個(gè)品種的發(fā)育時(shí)期與根表面積、根體積、側(cè)根數(shù)和根長均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，S01和S10的發(fā)育時(shí)期與根直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)，S09發(fā)育時(shí)期與根直徑存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說明不同發(fā)育時(shí)期對(duì)柱花草根構(gòu)型的變化影響很大。不同基因型品種的磷處理濃度與根長均存在顯著負(fù)相關(guān)，S09磷處理與根直徑呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，S10磷處理與根直徑呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。每個(gè)品種的根表面積與側(cè)根數(shù)及根長呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與根體積存在極顯著負(fù)相關(guān)，S01根表面積與根直徑呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，S10根表面積與根直徑呈顯著正相關(guān)。S01根直徑與根體積呈極顯著負(fù)相關(guān)，與側(cè)根數(shù)、根長呈極顯著正相關(guān)。S07根直徑與側(cè)根數(shù)、根長呈顯著正相關(guān)。S10根直徑與側(cè)根數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與根長呈顯著正相關(guān)。每個(gè)品種的根體積與側(cè)根數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)，S01、S07、S09的根體積與根長呈顯著負(fù)相關(guān)，4個(gè)品種的側(cè)根數(shù)與根長均呈極顯著正相關(guān)。

3 討論

比較不同基因型柱花草的磷營養(yǎng)特性發(fā)現(xiàn)，不同基因型品種的磷含量、吸磷量均隨著磷濃度的增加而增加，磷利用效率對(duì)磷濃度的反應(yīng)趨勢(shì)則相反，這與漆智平等[22]、劉攀道等[23]研究結(jié)果一致。同一磷水平下，不同柱花草品種間體內(nèi)磷含量并無明顯差異，表明柱花草不同品種對(duì)低磷或高磷供應(yīng)的適應(yīng)能力并未體現(xiàn)在植株體內(nèi)磷含量的差異上[7]。磷高效基因型品種(鉤柱花草和GC1480)在不施磷肥處理下吸磷量顯著高于磷低效和磷敏感基因型品種，說明吸磷量可作為柱花草適應(yīng)低磷環(huán)境的重要指標(biāo)之一。在不同磷水平處理下，磷高效基因型品種的磷利用效率均較高，且隨著磷濃度的增加不同品種磷利用效率的變幅大小表現(xiàn)為：磷高效<磷低效<磷敏感，說明磷高效品種較耐低磷，這與不同品種生物量的變化是一致的。磷高效基因型柱花草品種的磷吸收效率和利用效率均高于磷低效基因型品種，表明磷高效基因型柱花草品種的磷吸收效率和利用效率均高于維持正常的磷代謝過程[7]。

表4 不同品種柱花草不同檢測指標(biāo)間的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of different indexes of four Stylosanthes varieties

磷作為植物生長發(fā)育的必需元素之一，在人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)中起著不可替代的作用，但磷素不足已成為限制目前世界農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的重要因素[24]。植物在適應(yīng)環(huán)境的長期進(jìn)化過程中，形成了一系列適應(yīng)性機(jī)制來應(yīng)對(duì)低磷脅迫，如通過調(diào)控根系形態(tài)構(gòu)型的改變，從而擴(kuò)增根系與土壤的接觸面積等[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著磷脅迫程度的加重，磷高效和磷低效基因型品種的側(cè)根數(shù)、主根長、根體積、根表面積和根活性面積均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，而根直徑則減小，這與柯野等[26]、馬若囡等[27]的研究結(jié)果一致。根體積是根系長度、直徑、分枝多少的綜合體現(xiàn)，在不同磷素水平條件下，各品種柱花草根體積均受到明顯影響[20]，磷高效基因型品種根體積顯著高于磷低效基因型品種柱花草，且在其他根構(gòu)型指標(biāo)上優(yōu)于磷低效基因型品種，表明在低磷脅迫下，柱花草通過改變根系形態(tài)從而增大根系與環(huán)境的接觸機(jī)會(huì)，促進(jìn)根系活性吸收面積的增加，是柱花草適應(yīng)低磷脅迫的普遍響應(yīng)。通過對(duì)不同磷處理與各個(gè)根系指標(biāo)間進(jìn)行相關(guān)性分析可以看出，對(duì)于不同品種而言，各指標(biāo)間的相關(guān)性表現(xiàn)也有所差異。因此，柱花草根系形態(tài)的改變是其適應(yīng)低磷脅迫的重要機(jī)制。在磷脅迫下，柱花草可通過形態(tài)及生理等方面的變化來維持正常的生理過程，植株對(duì)缺磷的適應(yīng)能力，在生產(chǎn)上為磷肥的施用和補(bǔ)給贏得了時(shí)間，也可短時(shí)間利用這種適應(yīng)能力提高磷肥的利用率，但是生產(chǎn)中不能完全依賴這種適應(yīng)，這種適應(yīng)能力更不能代替施肥，環(huán)境一旦缺磷，仍要及時(shí)補(bǔ)給[28]。