李小莉，胡安永，王嘉林，肖 珣，沈仁芳，趙學(xué)強(qiáng)*

（1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南通 226019）

我國(guó)南方紅壤地區(qū)的水熱條件比較適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并且作物生產(chǎn)的潛力巨大，但是由于紅壤的酸性，作物的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，不能充分發(fā)揮其巨大的氣候生產(chǎn)潛力［1］。在各種養(yǎng)分脅迫因子中，低磷脅迫是酸性土壤上限制作物生產(chǎn)潛力發(fā)揮的主要因子［2］。施用磷肥是緩解酸性土壤上植物缺磷的主要途徑。農(nóng)民為了追求作物高產(chǎn)，過(guò)度投入肥料，導(dǎo)致過(guò)量的磷進(jìn)入周?chē)暮恿鳌⒑吹人w中，造成了水體富營(yíng)養(yǎng)化，破壞了生態(tài)環(huán)境［3-4］。因此，增強(qiáng)作物對(duì)酸性土壤中積累態(tài)磷的利用、降低磷肥施用量，具有保護(hù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)約資源的雙重意義。

水稻是對(duì)低磷脅迫較為敏感的作物類(lèi)型［5］。我國(guó)農(nóng)業(yè)磷肥用量中14%用于水稻［6］。酸性土壤缺磷并不是因?yàn)橥寥乐锌偭咨伲且驗(yàn)榱妆还坛衷谕寥乐?，形成了鐵磷和鋁磷，其有效性低。不同作物種類(lèi)的耐低磷能力不同，例如，豬屎豆、肥田蘿卜和象草常常種植在南方地區(qū)，這3種作物對(duì)難溶性磷的利用率以象草最大，肥田蘿卜次之，豬屎豆最?。?］。不同水稻品種的耐低磷能力也存在顯著差異［8-11］，但關(guān)于酸性土壤上不同水稻品種耐低磷能力差異機(jī)制的研究較少，因此，開(kāi)展酸性土壤上不同水稻品種耐低磷差異的研究很有必要。

本研究在前期田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以6 個(gè)水稻品種為材料，通過(guò)土培和水培試驗(yàn)，研究了不同水稻品種對(duì)低磷的響應(yīng)、根際磷活化、磷吸收效率和根系生長(zhǎng)的差異，以期獲得耐低磷水稻品種，并解析酸性土壤上水稻耐低磷機(jī)制，以期為提高酸性土壤上水稻耐低磷能力和降低磷肥施用量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在南方酸性土壤種植的244個(gè)水稻品種的基礎(chǔ)上［12］，選擇了6個(gè)水稻品種為試驗(yàn)材料，分別為敖柱、連粳7號(hào)、A類(lèi)黃、一支臘選系、南充一支臘、馬扎，研究了不同水稻品種耐低磷能力的差異。水稻品種由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)萬(wàn)建民教授提供。

1.2 供試土壤

供試土壤發(fā)育于第四紀(jì)紅黏土，采自江西省鷹潭市中國(guó)科學(xué)院紅壤生態(tài)試驗(yàn)站稻田0～20 cm土層的新鮮土壤樣品，剔除雜物及殘留根系后，風(fēng)干、磨細(xì)，分別過(guò)2 mm和0.149 mm孔徑篩備用。于試驗(yàn)開(kāi)始前，采用常規(guī)方法對(duì)供試土壤的基本理化性質(zhì)進(jìn)行了分析，土壤基本理化性狀：pH值4.71、有機(jī)質(zhì)2.23 g/kg、全氮0.14%、全磷0.674 g/kg、堿解氮40.52 mg/kg、速效鉀49.47 mg/kg、速效磷1.63 mg/kg［13］。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土培試驗(yàn)：盆栽試驗(yàn)于2019年9～10月在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所自然光照的玻璃溫室中進(jìn)行。采用不透明塑料桶（內(nèi)徑17 cm，高17 cm），裝土2 kg。磷設(shè)計(jì)2個(gè)水平：+P：0.1 g/kg土；-P：不施磷。所有處理均施N 0.2 g/kg土、施K 0.2 g/kg土。土培試驗(yàn)的氮、磷、鉀肥分別為尿素、磷酸二氫鉀和硫酸鉀。每個(gè)處理均設(shè)置4次重復(fù)。挑選飽滿水稻種子，用0.1%次氯酸鈉溶液浸泡30 min，清水沖洗干凈，催芽，待種子露白后，將發(fā)芽整齊一致的種子播入盆中。待出苗后，每盆留苗3株。水稻在酸性土壤中生長(zhǎng)40 d。地上部和根部樣品分別于烘箱105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，所有烘干后的樣品經(jīng)粉碎研磨后，用鉬藍(lán)比色法測(cè)定其磷含量［13］。土樣風(fēng)干磨細(xì)過(guò)篩，測(cè)定根際和非根際土壤的有效磷含量［13］。

水培試驗(yàn)：挑選飽滿水稻種子，用0.1%次氯酸鈉溶液浸泡30 min，清水沖洗干凈，催芽，待種子露白后，將發(fā)芽整齊一致的種子轉(zhuǎn)移至人工氣候室內(nèi)避光培養(yǎng)48 h，然后將水稻幼苗轉(zhuǎn)移至裝有1/4木村營(yíng)養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)。人工氣候室條件：光照14 h，黑暗10 h，溫度為（25±2）℃，相對(duì)濕度為（65±5）%，光強(qiáng)為300 μmol/（m2·s）。待水稻幼苗長(zhǎng)至3葉1心時(shí)，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻幼苗進(jìn)行水培試驗(yàn)處理。設(shè)計(jì)2個(gè)磷水平：180 μmol/L（+P）、10 μmol/L（-P）。每隔2 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液，每個(gè)處理4次重復(fù)，培養(yǎng)40 d后收獲。地上部和根部樣品于烘箱105℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，測(cè)定植株地上部和根的干重，植株體內(nèi)磷含量測(cè)定方法同上。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

耐低磷能力和磷吸收效率根據(jù)下列計(jì)算公式計(jì)算：

耐低磷能力=低磷條件下生物量（g）/正常磷條件下生物量（g）

磷吸收效率=水稻植株總磷含量（mg）/根系干重（g）

利用Excel 2003軟件繪制圖表。通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)不同處理間的差異進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土培條件下不同水稻品種耐低磷能力的比較

土培條件下，與施用磷肥相比，在不施磷肥條件下5個(gè)水稻品種的地上部和根系生物量都顯著減少（表1）。從耐低磷能力（-P/+P）數(shù)據(jù)來(lái)看，敖柱、連粳7號(hào)、A類(lèi)黃3個(gè)水稻品種的耐低磷能力相對(duì)較高（表1），且水稻地上部的耐低磷能力與根部的具有顯著的相關(guān)性（圖1）。

圖1 土培條件下水稻地上部和根部耐低磷能力的相關(guān)性分析

表1 土培條件下低磷脅迫對(duì)不同水稻品種生物量的影響 g/盆

2.2 土培條件下不同水稻品種體內(nèi)和土壤磷含量的比較

由表2可知，與施用磷肥相比，在低磷條件下，不同水稻品種體內(nèi)磷含量都較低。在低磷條件下，耐低磷水稻品種連粳7號(hào)和A類(lèi)黃的植株體內(nèi)的磷含量較高，而耐低磷品種敖柱的體內(nèi)磷含量較低，說(shuō)明3個(gè)耐低磷水稻品種可能具有不同的耐低磷機(jī)制。

表2 土培條件下不同水稻品種體內(nèi)磷含量 g/kg

在施磷條件下，6個(gè)水稻品種的非根際和根際有效磷含量沒(méi)有顯著差異（圖2a）；在低磷條件下，耐低磷水稻品種敖柱和連粳7號(hào)的根際磷含量顯著高于非根際磷含量，而其余4個(gè)品種沒(méi)有顯著差異（圖2b）。因此，在低磷條件下，耐低磷水稻品種敖柱和連粳7號(hào)的根際磷活化能力較強(qiáng)。

圖2 土培條件下不同水稻品種非根際和根際土壤有效磷含量

2.3 水培條件下低磷脅迫對(duì)不同水稻品種生長(zhǎng)的影響

在水培條件下，與正常供磷（+P）相比，除了水稻品種敖柱外，低磷脅迫對(duì)其他5個(gè)水稻品種地上部生物量均有抑制作用；相反，低磷脅迫對(duì)6個(gè)水稻品種的根系生物量均有促進(jìn)作用（表3）。從-P/+P比值來(lái)看，耐低磷品種敖柱的比值較高，而耐低磷品種A類(lèi)黃的比值卻較低，這表明敖柱可能通過(guò)在低磷脅迫下誘導(dǎo)根系生長(zhǎng)來(lái)適應(yīng)低磷，而A類(lèi)黃可能通過(guò)其他耐低磷機(jī)制。水培條件下，水稻根部耐低磷能力與地上部耐低磷能力具有顯著相關(guān)性（圖3），這與土培試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)一致。

圖3 水培條件下水稻地上部和根部耐低磷能力的相關(guān)性分析

表3 水培條件下低磷脅迫對(duì)不同水稻品種生物量的影響 g/盆

2.4 水培條件下不同水稻品種體內(nèi)磷含量和磷吸收效率的比較

由表4可知，水培低磷條件下，在6個(gè)水稻品種中，水稻品種連粳7號(hào)體內(nèi)的磷含量最高。當(dāng)施加磷肥后，所有水稻體內(nèi)的磷含量都有顯著增加，連粳7號(hào)體內(nèi)的磷含量仍最高，說(shuō)明水稻品種連粳7號(hào)對(duì)磷的吸收能力較強(qiáng)。耐低磷水稻品種敖柱的體內(nèi)磷含量也較高，而另外一個(gè)耐低磷品種A類(lèi)黃的體內(nèi)磷含量卻較低。

表4 水培條件下不同水稻品種的磷含量 g/kg

從表5可以看出，在低磷條件下，與其他4個(gè)水稻品種比較，耐低磷品種敖柱和連粳7號(hào)都有較高的磷吸收效率，但在正常磷條件下，除了水稻品種A類(lèi)黃的磷吸收效率較低外，其他5個(gè)水稻品種的磷吸收效率沒(méi)有顯著差異。這進(jìn)一步表明敖柱和連粳7號(hào)在水培低磷條件下具有較強(qiáng)吸磷能力。

表5 水培條件下不同水稻品種磷吸收效率 g/kg

3 討論

本研究在前期田間試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用土培和水培試驗(yàn)，探究了酸性土壤上6個(gè)水稻品種耐低磷能力的差異，其中敖柱、連粳7號(hào)和A類(lèi)黃3個(gè)水稻品種的耐低磷能力較強(qiáng)，一支臘選系、南充一支臘和馬扎3個(gè)水稻品種的耐低磷能力較差。

在本研究中，敖柱和連粳7號(hào)的根際磷含量在低磷脅迫下顯著增加，表明這2個(gè)品種可能通過(guò)根系生理途徑活化了根際固定態(tài)磷。為響應(yīng)低磷環(huán)境，水稻根系分泌物量會(huì)明顯增加［14-15］，其中有機(jī)酸的增加量尤為明顯。水稻根系分泌物中的蘋(píng)果酸、乙酸、檸檬酸、琥珀酸等有機(jī)酸在耐低磷水稻品種中的相對(duì)分泌量增加，根系釋放的酸性磷酸酶活性明顯提高［16］。在酸性土壤中，有機(jī)酸通過(guò)酸溶、螯合和競(jìng)爭(zhēng)吸附等機(jī)制活化了土壤難溶態(tài)磷，主要是Al-P和Fe-P［17］。由此可知，敖柱和連粳7號(hào)具有較強(qiáng)的根際活化能力，將來(lái)需要進(jìn)一步分析這2個(gè)水稻品種在低磷脅迫下的根系分泌物特征，以明確其具體的根際磷活化機(jī)制。

與土培試驗(yàn)不同，水培試驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)液中的磷都是可溶態(tài)的，不涉及磷的活化，因此，水培試驗(yàn)主要反映水稻根系對(duì)磷的響應(yīng)和吸收能力。在水培低磷條件下，6個(gè)水稻品種的根部生物量都顯著提高，這是水稻對(duì)低磷環(huán)境形態(tài)的適應(yīng)機(jī)制，可能是光合產(chǎn)物在分配方向的強(qiáng)度隨著磷素水平的改變而改變。前人的砂培試驗(yàn)結(jié)果表明：在低磷脅迫下，耐低磷水稻品種的總根數(shù)、總根長(zhǎng)、總根表面積、側(cè)根長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)及側(cè)根密度均明顯增加［11］。本研究也表明，水稻地上部的耐低磷能力與根系的耐低磷能力顯著相關(guān)，耐低磷品種敖柱在水培低磷條件下的根系重量顯著提高，而其他品種提高較少，這表明低磷誘導(dǎo)的根系增大是敖柱耐低磷的一個(gè)主要機(jī)制。

除了根際活化和根系大小外，根系磷吸收效率也是耐低磷篩選的重要指標(biāo)之一。在水培低磷條件下，與其他4個(gè)品種相比，耐低磷品種敖柱和連粳7號(hào)在低磷脅迫下的磷吸收效率較高，且體內(nèi)磷含量也相對(duì)較高。因此，敖柱和連粳7號(hào)的耐低磷能力得益于較高的根系磷吸收率。

4 結(jié)論

綜上所述，在本研究的6個(gè)水稻品種中，敖柱、連粳7號(hào)和A類(lèi)黃是3個(gè)耐低磷水稻品種，其中敖柱通過(guò)根際活化、根系增大、根系磷高效吸收3個(gè)途徑來(lái)增強(qiáng)其耐低磷能力，連粳7號(hào)主要通過(guò)根際活化和根系磷高效吸收以增強(qiáng)其耐低磷能力，A類(lèi)黃可能通過(guò)體內(nèi)磷高效利用來(lái)實(shí)現(xiàn)耐低磷。這些研究結(jié)果有助于了解水稻的耐低磷機(jī)制，同時(shí)也為酸性土壤上耐低磷水稻品種的選育和水稻耐低磷分子機(jī)制的研究提供了種質(zhì)資源。