基于根系形態(tài)及空間分布的甘蔗磷高效吸收特征分析

易 科，楊 曙，孔吳俊，陳迪文，謝 璐，唐新蓮，黎曉峰，趙尊康

（1.廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/廣西甘蔗生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；2.韶關(guān)學(xué)院 英東生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512000；3.衢州市柯城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 衢州 324000；4.廣東省科學(xué)院 南繁種業(yè)研究所，廣東 廣州 510316；5.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與面源污染防控產(chǎn)教融合重點(diǎn)創(chuàng)新中心，江西 南昌 330045）

【研究意義】磷（phosphorus，P）是影響植物生長發(fā)育和生理代謝的關(guān)鍵大量營養(yǎng)元素之一[1]。但在酸性土壤中，磷易被鐵鋁氧化物固定，導(dǎo)致磷的有效性降低，使得有效磷缺乏成為作物生產(chǎn)的重要限制因子[2]。施用磷肥可以有效改善土壤肥力，增加土壤有效磷含量，但磷礦資源不可再生，同時(shí)增施磷肥也會(huì)增加生產(chǎn)成本[3-4]。因此，從作物種性角度考慮，培育磷高效品種成為解決作物需磷和土壤供磷矛盾的重要途徑之一，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植物已經(jīng)進(jìn)化出一系列適應(yīng)性策略來應(yīng)對(duì)低磷脅迫，如增加磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)，根系分泌有機(jī)酸和酸性磷酸酶，以及改變根系形態(tài)和構(gòu)型特征等[5-6]。根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要部位，因此根系形態(tài)和構(gòu)型的改變對(duì)植物適應(yīng)低磷環(huán)境和獲取磷素至關(guān)重要[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)：低磷脅迫促進(jìn)了小麥的細(xì)根發(fā)育，根毛密度和長度都顯著高于高磷條件[9]。低磷處理下，雀稗牧草的根干重、根冠比、總根長和根尖數(shù)較正常磷處理顯著增加[10]。低磷能促進(jìn)擬南芥的側(cè)根發(fā)育，促使側(cè)根數(shù)量顯著增加，從而顯著提高擬南芥的磷含量和生物量[11]。大豆磷吸收總量和產(chǎn)量與根長、不定根數(shù)量及側(cè)根數(shù)量有關(guān)[12]。大多作物磷高效基因型具有更長的根長、更大的根表面積和根體積，例如棉花[13]、玉米[14]和紫花苜蓿[15]等。另一方面，根系構(gòu)型和分布對(duì)適應(yīng)低磷脅迫也具有重要意義。常規(guī)的磷肥施用方式集中在耕作層（表層），并且磷在土壤中的移動(dòng)性較差，導(dǎo)致表層土壤的磷有效性遠(yuǎn)高于中深層土壤，因此更淺的根系分布能增加根系對(duì)淺層土壤磷的接觸和吸收[16]。低磷脅迫下，大豆和菜豆的根系向地性減弱和根系水平夾角的變小，使得根系分布變淺，從而增加了大豆和菜豆的磷吸收總量和生物總量[17]。在水稻中，低磷條件下冠根夾角的增加導(dǎo)致根系變淺，促進(jìn)了根系對(duì)磷的吸收，提高了水稻的植株磷含量和生物量[18]。【本研究切入點(diǎn)】甘蔗是我國最主要的糖料作物，主產(chǎn)區(qū)分布在我國華南地區(qū)。南方地區(qū)氣候濕熱多雨，適合甘蔗生長，但也是土壤酸化較嚴(yán)重的地區(qū)之一[19]，耕地土壤酸化引起的土壤缺磷，已經(jīng)成為限制甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素[20]。與水稻和小麥等小型作物一樣，甘蔗根系也屬于須根系，但甘蔗和高粱等大型作物的根系結(jié)構(gòu)和數(shù)量更加龐雜[21]。根系特征與磷吸收的密切關(guān)系已在小麥[9]、玉米[14]、水稻[18]和高粱[22]等作物中廣泛報(bào)道，而關(guān)于甘蔗根系的研究手段和研究層面都有所欠缺，目前有關(guān)甘蔗根系形態(tài)和構(gòu)型的研究鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究提出以下科學(xué)假設(shè)：根系形態(tài)和空間分布在甘蔗磷吸收中發(fā)揮重要作用。本試驗(yàn)以1個(gè)磷高效和2個(gè)磷低效甘蔗基因型為材料，探究不同磷水平下根系形態(tài)和時(shí)空分布的變化規(guī)律及在磷高效吸收中的作用機(jī)制，對(duì)解析甘蔗磷高效根系形態(tài)構(gòu)型特征以及培育磷高效根系形態(tài)構(gòu)型基因型都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

甘蔗材料為1 個(gè)磷高效基因型ROC22（RO）及2 個(gè)磷低效基因型Co285（CO）和Phil72-445（PH），分別來源于中國臺(tái)灣、印度、菲律賓。供試土壤采自廣西南寧市南陽鎮(zhèn)，為極度缺磷的河床沖積型砂質(zhì)土壤，有效磷1.51 mg/kg，使用Bray-I 法測定[23]。其他理化性質(zhì)為pH 4.6，有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為6.85，0.53，0.13，5.23 g/kg，堿解氮和有效鉀含量分別為63.58 mg/kg和42.95 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 水培試驗(yàn) 設(shè)置2個(gè)處理：低磷（LP，5 μmol/L NH4H2PO4）、正常磷（NP，200 μmol/L NH4H2PO4），3次重復(fù)。參照Yang 等[24]的方法對(duì)甘蔗種莖進(jìn)行砍種、消毒和催苗等處理。出苗后使用0.5 mmol/L CaCl2溶液培養(yǎng)5 d，然后更換改良的霍格蘭營養(yǎng)液進(jìn)行低磷和正常磷處理（pH 6.0），每2 d 更新一次營養(yǎng)液。試驗(yàn)于玻璃溫室進(jìn)行，環(huán)境溫度穩(wěn)定在25～38 ℃。37 d采樣，測定植株生物量和磷含量，并采集根系通過二維掃描分析根系形態(tài)指標(biāo)。

1.2.2 土培試驗(yàn) 設(shè)置2 個(gè)處理：低磷（LP，5 mg/kg 土，P2O5）、正常磷（NP，200 mg/kg 土，P2O5）。磷肥全部用作基肥，氮肥和鉀肥的基肥用量分別為50 mg/kg 土（N）和40 mg/kg 土（K2O），分蘗期追肥用量為100 mg/kg 土（N）和80 mg/kg 土（K2O）。氮磷鉀來源分別是尿素、KH2PO4和氯化鉀。將磷肥、氮肥和鉀肥與土壤拌勻后，每桶裝土10 kg，在移栽前澆足水分。采用1.2.1 中的方法進(jìn)行蔗莖催根后，每盆移栽6 株，待出苗后保留4株，定期澆水。處理60 d后，采樣測定植株生物量和磷含量。

1.2.3 種植槽試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)置低磷（LP，5 mg/kg 土，P2O5）和正常磷（NP，200 mg/kg 土，P2O5）2 個(gè)處理，在根系動(dòng)態(tài)觀測系統(tǒng)（root dynamic observation system，RDOS）中進(jìn)行。RDOS 為種植箱體結(jié)構(gòu)，深2 m，內(nèi)壁為觀測窗，劃分為多個(gè)獨(dú)立種植槽。在播種前將氮（50 mg/kg 土，N）、鉀（40 mg/kg 土，K2O）與磷混合后均勻施入種植槽0～25 cm 土壤中，氮、磷和鉀的來源分別是尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀。定期澆水，在分蘗期和伸長期補(bǔ)施氮肥（100 mg/kg 土，N）和鉀肥（80 mg/kg 土，K2O）。每個(gè)槽內(nèi)保留4 株幼苗，分別于播種后第24 周、32 周和38 周，使用馬克筆在觀測窗上原位勾勒出根系分布軌跡，然后用半透明紙進(jìn)行臨摹，定點(diǎn)拍攝圖紙后得到數(shù)字化圖像用于根系數(shù)據(jù)分析。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植物生長相關(guān)性狀 生物量：采集甘蔗幼苗地上部和根系，用去離子水清洗干凈，吸去表面水分后放入烘箱105 ℃殺青30 min，然后轉(zhuǎn)入65 ℃直至烘干，分別測定地上部和根部的干物質(zhì)量。植株磷含量：分別稱取地上部、根系干物質(zhì)約0.20 g消煮后，采用鉬銻抗-鉬藍(lán)比色法測定磷含量。磷積累量：將測得的地上部和根系磷含量乘以對(duì)應(yīng)干物質(zhì)量即為磷積累量。相對(duì)生物量：低磷條件下植株干物質(zhì)量相對(duì)磷正常條件下植株干物質(zhì)量的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。相對(duì)磷積累量：低磷條件下的植株磷積累量相對(duì)磷正常條件下植株磷積累量的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。

1.3.2 根系形態(tài) 采用根系掃描系統(tǒng)進(jìn)行根系二維圖像掃描。將根系從蔗莖基部剪下，分多次分散平鋪于裝水的根盤中進(jìn)行掃描，并稱取根系鮮重，烘干后稱取干重。得到的根系圖像采用WinRHZIO 軟件（加拿大Regent Instruments 公司）分析根系形態(tài)參數(shù)，包括根長、根表面積、根體積和側(cè)根性狀（根尖數(shù)、根分支數(shù)和根交叉數(shù)）。由根系干重和根系形態(tài)參數(shù)計(jì)算得到比根長、比根表面積、比根體積、比根尖數(shù)、比根分支數(shù)和比根交叉數(shù)，如比根長=單株總根長/根系干重。

1.3.3 根長密度 按照土層深度對(duì)根系圖像進(jìn)行由上向下的層次劃分，將170 cm深度等分為20個(gè)分層，每層8.5 cm，計(jì)算每層面積，再通過WinRHIZO軟件分析總根長，計(jì)算不同土層的根系長度密度（簡稱根長密度），分析甘蔗根系在不同土層的空間分布情況。根長密度=每層總根長/每層面積。根長密度占比=每層總根長密度/總根長密度。根據(jù)耕作層和播種位置，將上述分層中的第1～3層（0～25.5 cm）劃分為淺層，將第3～20層（25.5～170.0 cm）劃分為深層，用于分析2個(gè)土層中甘蔗根系分布隨時(shí)間變化的特征。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用單因素方差分析，使用鄧肯式新復(fù)極差法或?qū)W生氏T 檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)性檢驗(yàn)使用線性回歸方程和皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷水平對(duì)植株干物質(zhì)質(zhì)量和磷積累量的影響

無論是水培還是土培條件下，低磷脅迫均影響了3 個(gè)基因型甘蔗植株的生長和磷吸收，但對(duì)磷高效甘蔗基因型RO的影響要小得多，其在水培和土培條件下的相對(duì)生物量分別為82%和41%，而CO分別下降到53%和21%，PH 則分別下降到31%和12%。同時(shí)低磷條件下RO 的相對(duì)生物量分別比CO 和PH 高54%和166%（水培）（圖1A），以及97%和232%（土培）（圖1C），說明土壤培養(yǎng)條件下，不同磷效率基因甘蔗植株對(duì)低磷脅迫更為敏感，而RO在低磷條件具有更高的生物量。

圖1 水培（A、B）和土培（C、D）條件下，磷高效（RO）與低效（CO，PH）基因型甘蔗植株干物質(zhì)量及磷積累量的低磷（LP）與正常磷（NP）處理的比值Fig.1 The ratio of low P to normal P treatment in dry matter weight and P accumulation of sugarcane with P-efficiency genotype（RO）and P-inefficient genotypes（CO，PH）under hydroponics（A，B）and soil culture（C，D）conditions

類似地，RO 在水培和土培時(shí)的相對(duì)磷積累量分別為21%和5.6%，而CO 分別下降到9.3%和3.7%，PH 則分別下降到5.1%和2.9%。同時(shí)低磷條件下RO 的相對(duì)磷積累量分別比CO 和PH 高131%和320%（水培）（圖1B），以及50%和96%（土培）（圖1D）。和相對(duì)生物量結(jié)果一致，土培條件下甘蔗根系磷吸收受低磷的抑制作用更大?？梢?，土壤培養(yǎng)試驗(yàn)更有利于篩選出磷高效基因型作物品種，同時(shí)RO 在低磷條件下具有更高的磷吸收能力。

2.2 不同磷水平對(duì)苗期根系形態(tài)的影響

2.2.1 對(duì)不同磷效率基因型甘蔗整體根系性狀的影響 低磷脅迫下，相比正常磷水平，CO 和PH 的比根長均顯著減少，而RO 則極顯著增加，比正常磷增加了182%（圖2A）。類似地，低磷條件下CO 和PH的比根表面積和比根體積都呈下降趨勢，其中CO 的下降程度達(dá)到極顯著水平，而RO 的比根表面積和比根體積均極顯著增加，分別比正常磷增加234%和296%（圖2B，圖2C）。以上結(jié)果表明，3 個(gè)基因型甘蔗的根系對(duì)低磷水平有不同的響應(yīng)，低磷脅迫能誘導(dǎo)磷高效基因型RO 的比根長、比根表面積和比根體積極顯著增加。

圖2 苗期CO、PH和RO的比根長（A）、比根表面積（B）和比根體積（C）Fig.2 Specific root length（A），root surface area（B），and root volume（C）of CO，PH and RO at seedling stage

2.2.2 對(duì)不同磷效率基因型甘蔗側(cè)根性狀的影響 如圖3A 所示，與正常磷處理相比，RO 的比根尖數(shù)在低磷處理下極顯著增多，比正常磷高143%，而CO 和PH 則有所減少，且CO 減少達(dá)到極顯著水平。同樣地，低磷處理下RO 的比根分支數(shù)和比根交叉數(shù)都極顯著增加，分別比正常磷高299%和382%（圖3B，3C）；而低磷處理下，CO 和PH 的比根分支數(shù)和比根交叉數(shù)都有所減少，其中CO 減少達(dá)到極顯著水平（圖3B，圖3C）。以上結(jié)果表明，低磷脅迫誘導(dǎo)磷高效基因型RO 的根系產(chǎn)生更多的側(cè)根，體現(xiàn)在比根尖數(shù)、比根分支數(shù)和比根交叉數(shù)的極顯著增加。

圖3 苗期CO、PH和RO的比根尖數(shù)（A）、比根分支數(shù)（B）和比根交叉數(shù)（C）Fig.3 Specific root tip numbers（A），root fork numbers（B）and root crossing numbers（C）of CO，PH and RO at seedling stage

2.3 不同磷水平對(duì)甘蔗根系時(shí)空分布的影響

在播種后不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，采集并分析不同供磷條件下3個(gè)基因型根系的空間分布差異。如圖4所示，在第38周時(shí)，3個(gè)基因型根系對(duì)低磷的響應(yīng)有明顯基因型差異，相比正常磷，低磷條件下CO 和PH 根系數(shù)量的空間分布變化不明顯，而RO在淺層（0～25 cm）的根系數(shù)量和密度占比均明顯增加。

圖4 正常磷和低磷處理下CO、PH和RO根系的空間分布情況Fig.4 Root spatial distribution of CO，PH and RO under NP and LP treatments

進(jìn)一步探究了甘蔗在不同生長時(shí)期（播種后第24 周、32 周和38 周）的根長密度變化情況。如圖5A所示，正常磷條件下，3個(gè)基因型的根系在不同土層中均有分布，大部分根系分布在淺層區(qū)域（0～25.5 cm），且淺層根長密度隨時(shí)間延長而逐漸增加，其中CO的淺層根長密度從2.38 增加到3.85 mm/cm2，PH從1.43增加到5.18 mm/cm2，而R22 從3.34 增加到5.58 mm/cm2，RO 的淺層根長密度最大。如圖5B 所示，和正常磷條件一致，低磷處理下3個(gè)基因型的淺層根長密度也隨時(shí)間延長而逐漸增加，但3個(gè)基因型的根系對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)情況各不相同。在第24周時(shí)，相比正常磷，低磷減少了CO的淺層根長密度（僅有0.85 mm/cm2），而增加了PH 和RO 的淺層根長密度（分別為2.64，4.82 mm/cm2），PH 和RO 根系對(duì)低磷的響應(yīng)速度快于CO，且RO 的淺層根系密度最大。在第38 周時(shí)，相比正常磷，低磷條件下3 個(gè)基因型的淺層根長密度都有增加，分別5.97，4.02，9.14 mm/cm2，CO 的淺層根長密度超過PH，而RO 的淺層根長密度仍然保持最大水平。以上結(jié)果表明，低磷脅迫誘導(dǎo)磷高效基因型RO將更多的根系分布在土壤淺層。

圖5 正常磷（A）和低磷（B）處理下CO、PH和RO分層根長密度的時(shí)空變化Fig.5 Spatiotemporal variation of layered root length density among CO，PH and RO under NP（A）and LP（B）treatments

進(jìn)一步分析了低磷對(duì)甘蔗根系分層根長密度占比的影響。低磷脅迫下，不同基因型根系在不同土層的根長密度占比具有明顯差異。低磷處理下，隨著時(shí)間延長，CO 的淺層根長密度占比一直處于很低的比例（40%～42%）（圖6A），PH 則從57%下降到44%（圖6B），而RO 的淺層區(qū)根長密度占比一直處于較高比例（51%～57%）（圖6C）。同時(shí)，磷低效基因型CO 深層的根長密度占比值一直較高，PH 則隨時(shí)間推移而顯著增加（圖6A，圖6B）。結(jié)果表明，低磷脅迫下，磷高效基因型RO的根長密度占比在淺層較高，根系集中在淺層。

圖6 正常磷和低磷處理下CO（A）、PH（B）和RO（C）在淺層和深層的根長密度占比Fig.6 The ratio of root length density in shallow and deep layers among CO（A），PH（B）and RO（C）under NP and LP treatments

2.4 根系形態(tài)和分布與甘蔗生長及磷營養(yǎng)的相關(guān)性分析

將根系形態(tài)和空間分布的相關(guān)指標(biāo)與甘蔗相對(duì)生物量及相對(duì)磷積累量進(jìn)行相關(guān)性分析（表1），結(jié)果顯示相對(duì)生物量與低磷條件下的比根長、淺層根長密度和淺層根長占比呈顯著正相關(guān)，其中與比根長的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.81。類似地，相對(duì)磷積累量與低磷條件下的比根長、比根表面積、比根尖數(shù)和淺層根長密度呈顯著正相關(guān)，其中與淺層根長密度的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88，與比根長的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.80。值得注意的是，比根長和淺層根長密度都與相對(duì)生物量及相對(duì)磷積累量呈顯著正相關(guān)，可見，比根長和淺層根長密度是影響甘蔗生長和磷營養(yǎng)的關(guān)鍵因素。

表1 根系形態(tài)和分布指標(biāo)與甘蔗生長及磷營養(yǎng)指標(biāo)的相關(guān)性Tab.1 Correlation between the indexes of root morphology and distribution and the indexes of sugarcane growth and P nutrition

3 結(jié)論與討論

3.1 磷高效與低效甘蔗干物質(zhì)及磷營養(yǎng)的差異

植物的磷效率具有極大的變異性，在物種間和物種內(nèi)都有明顯區(qū)別，因此可以利用植物本身特有的遺傳和營養(yǎng)特性評(píng)選出磷高效基因型[1]。長期以來，磷效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)各不一樣，并且不會(huì)以單一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。黃卓嬈等[14]以株高、生物量干重和根系形態(tài)特征為評(píng)價(jià)指標(biāo)在玉米中評(píng)選出磷效率基因型。龔絲雨等[25]則以植株磷積累量、干重、株高和根系長度等指標(biāo)作為耐低磷基因型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在本研究中重點(diǎn)考慮了植物生物量和磷積累量這2 個(gè)指標(biāo)，結(jié)果表明低磷脅迫對(duì)甘蔗RO 的生長和磷吸收的影響最小，且在低磷條件下，相較于CO和PH，RO具有更高的相對(duì)生物量和相對(duì)磷積累量（圖1），表明RO為磷吸收高效基因型。

選用合適培養(yǎng)方法對(duì)磷效率評(píng)價(jià)有重要影響。營養(yǎng)液培養(yǎng)可精密控制環(huán)境條件，樣品采集方便，可重復(fù)性高，但生長環(huán)境和田間相差較大，適合植物苗期的磷效率評(píng)價(jià)。如龔絲雨等[25]通過水培方法對(duì)不同煙草品種進(jìn)行了磷效率類型劃分。土培相較于營養(yǎng)液培養(yǎng)，生長環(huán)境更接近田間，同時(shí)具有較好的可控性和操作性。如黃卓嬈等[14]通過土培試驗(yàn)比較了不同玉米品種耐低磷性的差異。本研究結(jié)合水培試驗(yàn)和土培試驗(yàn)，比較了低磷條件下不同磷效率甘蔗的生物量和磷積累量差異，結(jié)果表明土培環(huán)境下，甘蔗生長和磷吸收對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)更加敏感，而RO在兩種培養(yǎng)方法下都具有更高的相對(duì)生物量和磷積累量（圖1），可見RO在低磷環(huán)境下具有更高的低磷適應(yīng)性和磷吸收能力。

3.2 磷高效與低效甘蔗苗期根系形態(tài)的差異

本研究從根系形態(tài)和空間分布的角度探究了甘蔗磷吸收高效的可能生理機(jī)制。不同作物的磷高效吸收與根系形態(tài)性狀之間密切相關(guān)，因此選擇磷吸收有明顯優(yōu)勢的根系形態(tài)是進(jìn)行磷高效作物品種改良的重要方向[1,26]。本研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下不同磷效率甘蔗苗期根系形態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)出顯著差異（圖2，圖3），說明了甘蔗根系形態(tài)的差異與磷效率密切相關(guān)。

低磷脅迫下，植物一般通過增加根系形態(tài)的根長、側(cè)根數(shù)、根毛長度和密度和排根數(shù)等性狀來提高根系養(yǎng)分吸收面積，最終提高根系吸收土壤磷營養(yǎng)的能力[8,27]。本研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)正常磷，低磷脅迫下，磷高效基因型RO的單位根系具有更多側(cè)根數(shù)（根尖數(shù)、根分支數(shù)和根交叉數(shù)），更大的根長、根表面積及根體積；而磷低效基因型PH 在低磷條件下的根系形態(tài)無顯著變化；相反地，在低磷條件下，磷低效基因型CO單位根系的側(cè)根數(shù)量、根長、根表面積和根體積等顯著下降（圖2，圖3）。上述結(jié)果表明了甘蔗通過調(diào)節(jié)根系形態(tài)，增加根系與土壤的接觸面積來應(yīng)對(duì)低磷脅迫。

劉靈等[28]通過大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，總根長對(duì)提高大豆磷效率起關(guān)鍵作用，是大豆磷效率尤其是磷吸收效率的決定性因素之一。在水稻中發(fā)現(xiàn)，側(cè)根長度和數(shù)量的增加對(duì)增大根系的養(yǎng)分吸收表面積的增加起到重要作用[29]。龔絲雨等[25]發(fā)現(xiàn)磷高效煙草基因型在低磷條件下具有更大的地上部干重、根系干重和主根長度，表現(xiàn)出更高的低磷耐性。油菜苗期磷素高效吸收機(jī)制主要表現(xiàn)在根系形態(tài)參數(shù)更具優(yōu)勢，包括更大的根長、根表面積和、根體積和側(cè)根數(shù)[30]。本研究發(fā)現(xiàn)甘蔗磷高效吸收的機(jī)制主要由根系形態(tài)的諸多指標(biāo)如單位根系的根長、根表面積、根體積、側(cè)根數(shù)（根分枝數(shù)、根交叉點(diǎn)數(shù)和根尖數(shù)）共同貢獻(xiàn)（圖2，圖3），相關(guān)性分析結(jié)果則表明根系總長度的增加在甘蔗適應(yīng)低磷和高效吸收磷素過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用（表1）。上述結(jié)果表明，不同于同為禾本科的水稻，甘蔗與雙子葉的大豆、油菜和煙草等的磷素高效吸收機(jī)制更相似。

3.3 磷高效與低效甘蔗根系空間分布的差異

由于移動(dòng)性弱和固定性強(qiáng)，土壤中的磷主要分布在土壤淺層，所以根系分布較淺的基因型對(duì)磷的吸收更具優(yōu)勢，這也是磷高效基因型植物的重要特征[16]。廖紅等[31]的研究表明低磷脅迫下，菜豆基根生長角度變小，根系在表層生長介質(zhì)中的分布相對(duì)增加，從而導(dǎo)致整個(gè)根系變淺。低磷促進(jìn)了擬南芥和韭菜側(cè)根生長，而抑制主根的生長，側(cè)根密度顯著增加[11,32]。樓玨等[33]比較了不同水稻品種根系對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)低磷處理顯著增加了深根品種的最大根長，而淺根品種的最大根長則顯著減少，表明了水稻根系構(gòu)型和分布具有高度可塑性。本試驗(yàn)于RDOS的種植槽中育苗，運(yùn)用臨摹和掃描技術(shù)使根系圖像的原位采集更加高效和可靠（圖4）。本試驗(yàn)觀察分析了不同生長時(shí)期，各基因型根長密度變化及分布規(guī)律，結(jié)果表明磷高效基因型RO 在低磷條件下的總根長密度增大，且主要表現(xiàn)在土壤淺層的根長密度明顯增大（圖4，圖5），這與磷低效品種CO 和PH 的變化完全不同，表明RO 應(yīng)對(duì)低磷脅迫時(shí)能將更多的根系分布到土壤淺層，這種變化對(duì)磷的吸收非常有利，相關(guān)性分析結(jié)果也表明淺層根長密度和淺層根系占比是影響低磷脅迫下甘蔗吸收磷素的關(guān)鍵因素（表1），可見根系淺化是RO 應(yīng)對(duì)低磷脅迫的重要適應(yīng)性特征。

趙靜等[34]研究發(fā)現(xiàn)，淺根型大豆根系有利于從土壤中吸收磷，顯著提高大豆磷效率和產(chǎn)量。在水稻研究中發(fā)現(xiàn)，分布于淺層的水稻根系的根長占比與植株磷含量和生物量呈極顯著相關(guān)[35]。黃櫨的根系通過增加淺層短細(xì)根系的分布，使其向水平方向集中來加強(qiáng)對(duì)養(yǎng)分的吸收[36]。橡膠樹分布在淺層的根系分支和根系生物量的增加，增強(qiáng)了其對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)性[37]。本研究結(jié)果顯示磷高效基因型RO 在土壤淺層的根長密度占比一直保持較高比例（圖6C），而其他2 個(gè)基因型的淺層根長密度占比則長期處于較低比例或比例逐漸下降到較低比例（圖6A，圖B）。同時(shí)通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)低磷條件下，甘蔗淺層根系密度對(duì)甘蔗的生長和磷素吸收都有重要影響，結(jié)合磷素主要分布于土壤淺層以及淺層根型更有利于磷的吸收和獲取的研究現(xiàn)狀，本研究結(jié)果表明磷高效基因型RO 能夠通過改變根系的空間分布，即增加淺層根系密度和占比，以便于獲取更多的磷素，更好地適應(yīng)低磷脅迫。

4 結(jié)論

本研究從根系形態(tài)和空間分布的角度初步探明了苗期甘蔗磷高效的生理機(jī)制：低磷脅迫下，磷高效基因型通過調(diào)節(jié)其根系形態(tài)，增加單位根系的根長、根系總面積、總體積和側(cè)根數(shù)量來增加對(duì)磷的吸收，其中根系長度的變化最為關(guān)鍵；同時(shí)調(diào)整根系的空間分布使得淺層根系密度增加，淺層根系分布更多，增加對(duì)磷的獲取。這些有利的根系形態(tài)和空間分布的適應(yīng)性變化，促進(jìn)甘蔗從環(huán)境中吸收更多的磷來適應(yīng)和抵抗低磷脅迫環(huán)境。因此，在選育磷高效基因型和甘蔗磷效率遺傳改良過程中，值得將根系形態(tài)和構(gòu)型指標(biāo)作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。