低磷胁迫下大麦磷高效基因型的筛选

普晓英，赵大伟，曾亚文*，杜娟，杨树明，杨涛，赵春艳

1. 云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所，云南省农业生物技术重点实验室，云南 昆明 650205；2. 云南农业大学农学与生物技术学院，云南 昆明 650201

磷是作物生长发育中所必须的营养元素，在植物光合作用、呼吸作用和生理生化调节过程中作用重大。近年来由于种植密度和单位面积产量的提高，作物需磷与土壤供磷的矛盾日趋明显。农业生产中通过大量施用磷肥来解决土壤缺磷问题，但大部分都被土壤的吸附固定作用、沉淀或吸收转化为无效态磷[1]，增量施肥加横坡种植方式下磷流失总量最大[2]，化肥配施的红壤中 Cu、Cd全量和有效态含量及其活化率随时间呈显著上升趋势[3]。研究发现磷高效品种对磷的利用效率大于施用磷肥所带来的效率[4]，利用作物固有的生物学特性，发掘作物自身对磷的高效吸收利用潜力[5]，可以减少磷肥用量,从而减轻磷肥对环境的污染并在低投入情况下提高作物产量。利用作物自身的生理、遗传特点，筛选磷高效品种，挖掘高效活化无效磷的作物品种，在理论研究和生产应用上都有重要意义。在其它作物中已作了大量研究，在大麦中的研究还较少，本试验在田间采用耐低磷力、品种适应性和综合力三项指标对供试材料进行的筛选，旨在为磷高效基因型大麦的选育及生产提供材料及理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为180个大麦品种(系)，其中123个来自美国，43个来自中国，14个来自其他国家。43个中国大麦品种来源于云南、甘肃、浙江、江苏、湖北、上海、北京、河南、青藏高原等9个省（或地区）。所有材料在2007年11月10日种植于云南省农业科学院试验场，2008年5月7日左右大麦成熟期收获。

1.2 试验方法

昆明云南省农科院试验田(18 m×3.5 m水泥池，土培介质0.8 m，海拔1916 m)所用土壤为多年来尚未施过化肥的酸性红壤，经云南省农业科学院土壤肥料研究所测定：未施磷肥的土壤有效磷和总磷含量为 1.32 mg·kg-1和 1000 mg·kg-1，施过磷肥的土壤有效磷和总磷含量为 36.6 mg·kg-1和 1029 mg·kg-1。在这两块试验田中种植群体进行耐低磷鉴定，并且设计对照品种，两种处理下土壤测定数据如表 1。同时两块试验田不加其它化肥，常规管理。株行距为10 cm×15 cm，2次重复。分蘖盛期调查分蘖数，随后调查抽穗期，测量叶长、叶宽，5月收获测株高、穗长、穗颈、有效穗、地上干物质量(包括穗质量和杆质量)等10多个形态参数。

按照刘鸿雁的方法计算耐低磷力、品种适应性和综合力[1,6]。

耐低磷力：某个品种不施磷处理的产量（籽粒产量、生物产量）占该品种施磷处理产量的百分数。

品种适应性：在不施磷处理下，某个品种籽粒产量（或生物产量）比当年试验的所有品种籽粒产量（或生物产量）的平均值增减百分数。

表1 试验田土壤测定数据Table 1 Determinatial data of soil of experimental field

综合力：籽粒产量（生物产量）耐低磷力及其品种适应性两项指标的平均值。

2 结果与分析

2.1 表现磷高效物性的性状

1.32 mg·kg-1低磷胁迫与36.6 mg·kg-1正常有效磷条件下，对180份不同来源不同类型的大麦品种进行磷高效特性分析，11个形态性状的相关系数列表于表2对角线下方：由11个相对形状组成的55对性状中有27对性状间达极显著相关，5对性状间达显著相关，磷高效特性的形状顺序为：茎干重>有效穗>株高>地上重>总穗重>主穗重>穗长>结实率>实粒数>秕粒数>分蘖。从表 2可见，有效穗、分蘖、茎干重、地上重是表现磷高效特性最好的形状。

1.32 mg·kg-1低磷胁迫与 36.6 mg·kg-1正常有效磷条件下，180份不同来源不同类型的大麦品种进行磷高效特性分析，对磷高效特性表现最好的性状(有效穗、分蘖、茎干质量、地上质量)在不同类型的大麦品种间进行差异分析列于表 3。结果表明：中国大麦有效穗显著高于美国大麦，裸大麦有效穗极显著高于皮大麦；裸大麦分蘖极显著高于皮大麦，多棱大麦分蘖极显著高于二棱大麦；中国大麦茎干重显著高于美国大麦，裸大麦茎干重极显著高于皮大麦，多棱大麦茎干重极显著高于二棱大麦；中国大麦地上重显著高于美国大麦，裸大麦地上重显著高于皮大麦，多棱大麦地上重极显著高于二棱大麦。

2.2 不同指标划分的等级差异

磷高效基因型大麦能在磷肥投入不足或不投入的条件下仍获得较高的产量。参照刘鸿雁[5]等筛耐低磷玉米采用的划分标准，应用耐低磷力和品种适应性两项指标的平均值（综合力）作为综合评定的指标，用此指标对大麦进行分级评定，按照不同指标划分耐低磷等级，得到的结果不完全一致（表4）。

表3 磷高效特性指标性状在大麦品种间的差异Table 3 Differences of genetypes for barley based on the index traits with high-phosphorous efficiency

以籽粒产量为耐低磷指标，2级有3个、3级2个，4级3个，5级有164个；以生物产量为指标，2级有5个、3级6个，4级11个，5级有148个，说明一个品种很难同时具有几类与磷高效有关的性状。

2.3 高耐低磷力基因型大麦筛选

以籽粒产量为耐低磷指标，1级有8个，以生物产量为指标，1级有10个，2个指标都是1级的大麦品种有 JB92-2、YS500、G213M042M、Z050P004Q和云啤1号，说明这5个品种在不施磷处理和施磷处理条件下的的籽粒产量和生物产量几乎没有差别，表明耐低磷力特别强。在不施磷处理条件下籽粒产量YS500、Z043R003S、云啤1号和Z029P020P，居1、2、4和5位。

此外 Z043R003S以籽粒产量为指标耐低磷等级1级，而以生物产量为指标为3级，G044N072N-1和01094都是籽粒为指标耐低磷等级为1级，而以生物产量为指标则是5级。进一步说明有的品种很难同时具有几类与磷高效有关的性状。

2.4 磷高效基因型大麦的筛选

以籽粒产量和生物产量为标准高耐低磷的所有品种，适应性、综合力都为1级，它们都可以在缺磷地区大面积推广种植具有较大的优势。

YS500、Z043R003S、澳选1号、云啤1号和Z050P004Q以籽粒产量为标准品种适应性和综合力都居前 5位。而青稞、Z010J045J、澳选 3号、Z050P004Q和 YS500生物产量为标准品种适应性和综合力都居前5位。

2.5 磷敏感基因型大麦的筛选

6B01-2513 在施磷的条件下，籽粒产量达7.728 g，不施磷条件下，籽粒产量仅为 0.0255 g，两者相差303倍；BARI293在施磷的条件下，籽粒产量达13.41 g，不施磷条件下，籽粒产量仅为0.0675 g，两者相差198倍；鄂32380在施磷的条件下，籽粒产量达19.64 g，不施磷条件下，籽粒产量仅为0.94 g，两者相差20倍，即缺磷时产量低，施磷后产量有很大提高，表明它们对施磷比较敏感。这类品种在种植时必须保证磷肥的供应才能获得高产。

表4 耐低磷评级标准及代表品种Table 4 The criterion of tolerance to low-P and standard cultivars

2.6 不同基因型大麦对磷的吸收率和利用率的差异

本试验中，大多数品种的生物产量耐低磷力和籽粒产量耐低磷力成正相关，但也出现少数例外情况。有的品种生物产量耐低磷力较高，而籽粒产量耐低磷力却较低。如2B01-1976、SCARLET-2和澳选3号生物产量耐低磷力为1级，但是籽粒产量耐低磷力为5级，说明这3个品种对磷的吸收率高而利用效率低。籽粒产量耐磷力较高的品种G044N072N-1和01094，其籽粒耐低磷力为1级，但是生物产量耐低磷力仅为5级，说明其对磷的利用效率高。

3 结论

缺磷是限制目前农林业产量的一个重要因子,近年来人们开始发掘磷高效利用植物来替代传统方法提高磷的利用效率[7]，国外对作物磷营养效率基因型差异研究起步较早，早在20世纪初就由De Turk[8]和Smith[9]率先在玉米上进行，国内主要集中在对小麦、水稻、大豆、萝卜和甘蓝型油菜的研究上[10-16]，植物耐低磷胁迫研究的前提是具备理想的耐低磷材料，云南严重缺磷酸性土壤造就了农作物较强的耐低磷特性，经过长期的种植驯化形成了大量磷高效材料，本试验中在云南选育的云啤1号、澳选3号和YS500都是磷高效材料。

采用不同的选择指标会得到不同的分类结果，以籽粒产量为指标时01094和云啤1号为磷高效最高的两个品种，以生物产量为指标时澳选 3号和Z023Q088R为磷高效最高的两个品种。因此，在筛选和鉴定材料时，应根据研究目的不同选择合适的指标。

不同来源不同类型的大麦品种进行磷高效特性分析，对磷高效特性表现最好的性状(有效穗、分蘖、茎干重、地上重)在不同类型的大麦品种间进行有差异。

植物养分效率包括吸收效率和利用效率。本试验中大多数品种的籽粒产量耐低磷力和生物产量耐低磷力呈正相关，但也有少数品种籽粒产量耐低磷力较高而生物产量耐低磷力较低，或者籽粒产量耐低磷力较低而生物产量耐低磷力较高目前只知道其与磷的吸收和利用效率有关，其具体的遗传机理尚待进一步研究。

对大麦磷吸收利用效率的研究表明，在高磷土壤条件下，品种间的产量差异不显著，但在中、低磷土壤条件下，品种间籽粒产量差异显著。将初步筛选出的“磷高效”与“磷低效”品种晋升小区试验。在施磷与不施磷处理条件下，进行产量比较以及有关磷营养特性的深入研究。

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