磷高效水稻材料的根系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征

摘要： 【目的】選育磷高效水稻材料是利用土壤磷資源的有效方式，根系是水稻吸收磷素最重要的器官，其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征直接影響水稻的磷素吸收能力，研究水稻根系發(fā)育特征有助于揭示其磷高效吸收的機(jī)理。【方法】采用水培試驗(yàn)，以40 份水稻材料為研究對(duì)象，設(shè)置0.003 mmol/L （低磷） 和0.3 mmol/L （正常磷） 兩個(gè)供磷處理，于分蘗期調(diào)查水稻地上部生物量和磷積累量，采用聚類分析篩選磷高效水稻材料。針對(duì)篩選獲得的磷高效水稻材料R527 和磷低效水稻材料IR58025，分析其根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征，解析水稻根系發(fā)育特征與磷吸收的關(guān)系?！窘Y(jié)果】1） 低磷條件下，40 份水稻材料磷吸收能力存在顯著差異，生物量和磷積累量的范圍分別為0.11～0.93 g/plant 和0.07～0.58 mg/plant。以磷積累量為主、生物量為輔進(jìn)行聚類分析，獲得磷高效水稻材料R527 和磷低效水稻材料IR58025。2） 低磷條件下，磷高效水稻材料R527 的生物量（0.83 g/plant） 和磷積累量（0.46mg/plant） 顯著高于磷低效水稻材料IR58025，分別為IR58025 的6.38 和5.75 倍。3） 低磷條件下，磷高效水稻材料R527 的總根長、根表面積、不定根長、側(cè)根長和側(cè)根表面積比正常磷處理分別增加了61.79%、38.12%、60.44%、67.99% 和186.67%。低磷條件下，磷高效水稻材料R527 的總根長、根表面積、根體積、平均根直徑、不定根長、側(cè)根長、不定根表面積和側(cè)根表面積分別為磷低效水稻材料IR58025 的2.62、2.87、3.22、1.18、4.41、2.97、3.97 和1.45 倍。4） 低磷條件下，磷高效水稻材料R527 中柱、外皮層和皮層占比分別為磷低效水稻材料IR58025 的1.11、0.67 和1.05 倍。5） 低磷條件下，水稻的總根長、根表面積、根體積、平均根直徑、不定根長、側(cè)根長、不定根表面積、側(cè)根表面積、皮層占比和中柱占比與生物量和磷積累量顯著正相關(guān)，外皮層和內(nèi)皮層占比與生物量和磷積累量顯著負(fù)相關(guān)。【結(jié)論】磷高效水稻材料R527 的生物量和磷積累量均顯著高于磷低效水稻材料IR58025。低磷條件下，磷高效水稻材料R527 更大的總根長、根表面積、根體積、不定根長、側(cè)根長、不定根表面積、側(cè)根表面積和皮層占比，更低的外皮層和內(nèi)皮層占比是其磷高效吸收的重要原因。

關(guān)鍵詞： 水稻； 篩選； 磷高效； 根系形態(tài)； 解剖結(jié)構(gòu)

水稻是我國主要的糧食作物，其產(chǎn)量的穩(wěn)定與提升對(duì)國家糧食安全至關(guān)重要[1]。磷是保障水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要營養(yǎng)元素，可促進(jìn)水稻根系發(fā)育、增加分蘗、提高產(chǎn)量等[2]。然而，磷在土壤中難移動(dòng)，有效性低，為確保水稻的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)，大量磷肥施入農(nóng)田[3?4]。“高投入，高產(chǎn)出”驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致土壤磷盈余與流失問題突出，引發(fā)磷資源浪費(fèi)與農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)增加，也對(duì)糧食安全與人類健康構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)[5]。因此，篩選并培育磷高效水稻材料，解析其磷高效特征是解決農(nóng)田磷資源高效與環(huán)境友好的有效途徑，對(duì)高效利用土壤磷，實(shí)現(xiàn)化學(xué)磷肥零增長具有重要意義。

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，其發(fā)育與磷吸收密切相關(guān)[6]。植物的吸磷量與根長[7]、根表面積[8]、側(cè)根長和側(cè)根數(shù)量[9]呈顯著正相關(guān)。根系發(fā)育不僅受遺傳調(diào)控，也受供磷水平的影響[10]。低磷條件下，植物通過根系變細(xì)、變長；側(cè)根數(shù)量增多、長度增加等方式來增加磷吸收能力，有助于植物獲取更多的磷素[11]。根系解剖結(jié)構(gòu)對(duì)水分和養(yǎng)分離子的運(yùn)輸至關(guān)重要，水和營養(yǎng)物質(zhì)徑向穿過根的表皮、外皮層、皮層、內(nèi)皮層等所有外部細(xì)胞層到達(dá)中柱，并由導(dǎo)管向地上部運(yùn)輸以供地上部生長代謝所需[ 1 2 ]。低磷條件下，植物根系中柱更厚，皮層更薄，有利于其對(duì)磷的吸收利用[13]。根系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征均會(huì)影響水分和養(yǎng)分的吸收運(yùn)輸，良好的根系形態(tài)結(jié)構(gòu)是作物磷高效高產(chǎn)的基礎(chǔ)[14]。因此，水稻根系形態(tài)結(jié)構(gòu)與磷吸收的關(guān)系十分密切。從根系形態(tài)結(jié)構(gòu)層面，深入解析水稻磷高效的根系調(diào)控特征，對(duì)豐富水稻磷高效吸收的生理特征具有重要意義。

本研究以前期基于大樣本（676 份水稻材料） 初篩獲得的40 份磷吸收差異明顯的水稻為復(fù)篩材料，通過設(shè)置低磷和正常磷濃度水培處理，分析不同水稻磷積累特征，篩選磷高效和低效水稻材料。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析磷高效和低效水稻材料根系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，探明水稻根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)與磷吸收的關(guān)系，研究結(jié)果可豐富水稻磷高效吸收的生理機(jī)制，為選育磷高效水稻材料，高效利用土壤磷，助力農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，保障國家糧食安全提供重要支撐。