芝麻耐低磷种质的筛选与综合评价

许兰杰，梁慧珍*，余永亮，谭政委，董 薇，牛永光，杨红旗，张收良，卢海灵，曹 杰，吕爱淑

(1.河南省农业科学院 芝麻研究中心，河南 郑州 450002； 2.永城市农业局，河南 永城 476600)

芝麻耐低磷种质的筛选与综合评价

许兰杰1，梁慧珍1*，余永亮1，谭政委1，董 薇1，牛永光1，杨红旗1，张收良1，卢海灵1，曹 杰2，吕爱淑2

(1.河南省农业科学院 芝麻研究中心，河南 郑州 450002； 2.永城市农业局，河南 永城 476600)

为了获得磷高效芝麻种质的形态鉴定指标，并筛选出耐低磷能力强的芝麻种质，以筛选的19个芝麻品种为材料，利用大田长期施肥形成的土壤低磷水平和正常磷水平筛选苗期和成熟期耐低磷能力鉴定指标，并对不同品种的耐低磷能力进行综合评价。结果表明：低磷胁迫对各芝麻品种苗期和成熟期的主要农艺性状均有影响，但不同品种同一性状对低磷的响应存在较大的差异。根据各指标低磷处理相对值变异系数的大小，筛选出根直径、根系总长、主根长、根尖数、根体积、地下部鲜质量和地上部鲜质量7个指标的低磷处理相对值作为芝麻种质苗期耐低磷能力评价的形态指标；而主根长、须根数、单株籽粒质量、主根干质量、荚皮干质量、单株蒴果数、地下部干质量、根冠比8个指标的低磷处理相对值可以作为成熟期芝麻种质耐低磷能力的筛选指标。分别以13个苗期指标和16个成熟期指标归一化的变异系数计算各性状的权重，并以权重为基础，利用模糊隶属函数对各芝麻品种的耐低磷能力进行综合评价，结果表明，新县黑芝麻和波阳黑在苗期和成熟期均具有较强的耐低磷能力；鄂芝1号、河北八大杈、小伏芝麻和安乐芝麻仅在苗期具有较强的耐低磷能力；裂口黄、豫芝11号、驻芝10号和日本7400仅在成熟期具有较强的耐低磷能力。

芝麻； 耐低磷能力； 筛选； 综合评价； 模糊隶属函数

磷作为植物生长发育所必需的大量元素之一，参与植物各种生理生化代谢过程，能显著提高植物的产量和质量[1-4]。芝麻是我国主要的油料作物之一，在国民经济及对外贸易中占有重要地位。据研究，磷素缺乏会造成芝麻生长代谢受阻，抗逆性下降，生长不良，蒴果和籽粒发育受到影响，产量显著降低[5]，而苗期磷素供应充足可促进幼苗特别是根系的生长发育[6]，不仅可以提高芝麻产量，还可提高芝麻含油量[7]。钟乃等[8]发现，每生产100 kg芝麻籽粒需要吸收N 6.87～14.13 kg、P2O52.45～3.42 kg、K2O 5.85～10.41 kg。杨涛[9]和姚殿立等[10]进一步研究证实，芝麻适宜施肥量为N 120～150 kg/hm2、P2O545～90 kg/hm2、K2O 25～90 kg/hm2。芝麻需要大量的磷素营养来满足其生长发育。

土壤有效磷含量偏低是土地使用面临的首要问题之一，据研究，我国有1/3～1/2的土壤缺磷[11]。农业生产过程中施用磷肥是解决土壤供磷不足的主要方式，然而磷矿是一种不可再生的自然资源，而且我国磷矿资源也十分有限[12]。作物当季磷利用率仅为10%～25%，致使大量的磷积累在土壤中导致土壤全磷含量较高而有效磷含量很低[13-14]。

随着植物营养遗传学的发展，利用植物自身遗传资源，鉴定和筛选养分高效利用型农作物，提高磷肥利用率、充分挖掘土壤养分库中的磷素释放潜力正成为一种可行且经济、高效的途径与方法[15-19]。近年来，国内外研究者针对不同的农作物进行了大量的养分高效利用研究，并在作物养分高效利用基因型的筛选和养分高效利用生理机制研究等方面取得了很大进展，现已证实，小麦、玉米、水稻、大豆、棉花、马铃薯等不同品种(品系)磷利用效率存在显著差异，且这种差异受遗传控制[20-25]。然而，关于芝麻种质磷吸收利用能力的鉴定和评价研究极少。鉴于此，探讨了不同磷营养水平下不同芝麻品种苗期和成熟期主要农艺性状的差异，以期为鉴定和选育磷高效利用芝麻品种提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2016年在国家潮土肥力和肥料效益长期监测站(河南原阳，34°47′55″N、113°40′42″E)实施，该监测站土壤为轻壤质潮土，于1990年开始进行长期施肥试验，设置了多个代表黄淮海地区不同施肥模式及耕作方式的处理，经过23 a(1990—2012年)的连续试验，形成了有机质、全氮、全磷、缓效钾等主要养分指标高、中、低含量不同的小区，非常适宜芝麻品种对土壤养分吸收效果和肥料利用效益差异的比较和筛选。

1.2 供试材料

首先，进行预试验筛选土壤低磷与正常磷含量水平：采用盆栽试验，取低磷土壤(磷含量为2.62 mg/kg)，人工设置添加磷素最终使土壤磷含量分别为2.62、4.62、6.62、8.62、16.62、18.62、20.62 mg/kg，同时氮含量为0.71 g/kg和钾含量为68 mg/kg，鉴定土壤磷含量对芝麻生长的影响。结果表明，土壤磷含量在4.62～18.62 mg/kg时，芝麻各农艺性状随土壤磷含量的增加而逐渐改善，而当土壤磷含量为20.62 mg/kg时，芝麻生长发育受到抑制，因此，选择2.62 mg/kg作为土壤低磷含量、17.80 mg/kg作为土壤正常磷含量进行以下试验。

2015年在国家潮土肥力和肥料效益长期监测站以低磷含量(2.62 mg/kg)和正常磷含量(17.80 mg/kg) 2种肥力土壤对360份芝麻种质进行鉴定筛选，依据小区相对籽粒产量从360份芝麻种质中筛选出生育期基本一致具有不同耐低磷能力的19个品种作为本研究的供试材料，分别为望谟白芝麻、裂口黄、新县黑芝麻、乐平红芝麻、小伏芝麻、安乐芝麻、豫芝11号、庄屯八棱白、波阳黑、漯12、五子登科、项城毅胜-4、朱集油葫芦、小籽黑、鄂芝1号、河北大八杈、驻芝10号、豫芝5号和日本7400。

1.3 试验设计

根据预试验筛选出的芝麻土壤低磷与正常磷含量标准，本试验于2016年在国家潮土肥力和肥料效益长期监测站选择低磷含量(2.62 mg/kg)和正常磷含量(17.80 mg/kg)2种肥力土壤进行芝麻耐低磷种质鉴定筛选及其综合评价。采用随机区组设计，3次重复，每个品种3行，株距0.15 m，行距0.40 m，行长2 m。

1.4 调查测定项目与方法

当幼苗生长至第42天时，每份芝麻种质各处理同时取5株幼苗，清水洗净后进行苗期性状调查。苗期调查项目分别为：根系总长(主根和侧根的总长度)、主根长、根尖数、根直径、根体积、地上部鲜质量、地下部鲜质量、株高、叶片数、叶长、叶宽、叶面积，并计算根冠比，根冠比=根系鲜质量/地上部鲜质量。

成熟期芝麻测定项目主要包括：主根长、须根数、主根干质量、荚皮干质量、茎秆干质量、始蒴高度、株高、单株结蒴数、蒴果厚度、蒴果长度、蒴果宽度、茎粗、单株籽粒质量、地上部干质量、地下部干质量、根冠比。

1.5 统计方法

参考李强等[26]的计算方法，以模糊隶属函数法评价芝麻种质的耐低磷能力。

以低磷处理相对值(Xij)反映低磷对第i品种第j指标的影响大小，Xij=低磷处理下指标值/正常磷处理下指标值；以隶属函数值(Pij)反映第i品种第j指标的耐低磷指数，Pij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin) (0≤Pij≤1) ，Xjmax为第j指标的最大值，Xjmin为第j指标的最小值；以第j指标归一化的变异系数Wj为权重，Wj=CVj/∑CVj，CVj为第j指标的变异系数；以综合耐低磷指标Pi评价第i品种的综合耐低磷能力，Pi=∑Pij×Wj。

2 结果与分析

2.1 芝麻种质耐低磷指标的筛选

2.1.1 苗期 低磷胁迫对19个芝麻品种苗期农艺性状的影响程度不同(表1)，与正常磷处理相比，低磷使芝麻幼苗生长受阻，表现为地下部和地上部鲜质量减少、株高降低、叶长变短、叶宽变窄、叶片数减少、叶面积变小、根体积变小、根尖数减少，但是根冠比、主根长、根系总长、根直径增加。低磷胁迫42 d后，芝麻幼苗地下部鲜质量、地上部鲜质量、株高、叶片数、叶面积、叶长、叶宽、根体积、根尖数分别较正常磷处理降低45.17%、58.58%、34.83%、5.80%、47.29%、25.92%、32.31%、12.24%、21.22%，根冠比、主根长、根系总长和根直径分别增加30.36%、3.09%、6.72%和2.47%。李强等[26]发现，相对值变异系数大的指标可以作为幼苗期玉米杂交种耐低氮能力的筛选、评价指标。从表1可见，根直径、根系总长、主根长、根尖数、根体积、地下部鲜质量和地上部鲜质量7个指标的低磷处理相对值变异系数较大，可以作为幼苗期芝麻种质耐低磷能力的筛选指标。

表1 2种土壤磷含量下芝麻种质幼苗期的主要农艺性状

2.1.2 成熟期 低磷胁迫对19个芝麻品种成熟期16个农艺性状均有不同程度的影响(表2)。与正常磷处理相比，低磷处理地上部、地下部的干质量均减少，具体表现为始萌高度变短、株高降低、茎秆变细、茎秆干质量和主根干质量下降、荚皮干质量下降、单株结蒴数降低、蒴果(厚度、长度、宽度)变小、单株籽粒质量降低、根冠比变小，但是主根长和须根数均比正常磷处理增加。低磷处理的地下部干质量、主根干质量、株高、茎粗、荚皮干质量、茎秆干质量、始蒴高度、单株结蒴数、蒴果厚度、蒴果宽度、蒴果长度、地上部分干质量、单株籽粒质量、根冠比等较正常磷处理分别下降29.69%、42.26%、11.34%、12.26%、19.49%、25.19%、19.11%、18.43%、4.16%、5.47%、3.80%、16.52%、22.24%、13.33%；而主根长和须根数分别比正常磷水平增加了1.33%和16.37%。主根长、须根数、单株籽粒质量、主根干质量、荚皮干质量、单株结蒴数、地下部干质量、根冠比8个指标的低磷处理相对值的变异系数均大于15%。因此，这8个指标的低磷处理相对值可以作为成熟期芝麻种质耐低磷能力的筛选指标。

表2 2种土壤磷含量下芝麻种质成熟期的主要农艺性状

2.2 不同芝麻种质耐低磷能力评价

2.2.1 模糊隶属函数法评价中各农艺性状的权重 分别以苗期13个(表1)、成熟期16个(表2)农艺性状指标的相对值作为评价芝麻耐低磷能力的指标，将指标进行标准化处理，以消除量纲和数量级别的影响，使不同指标间可以进行有意义的加和计算[26]，能较好地对苗期和成熟期芝麻种质的耐低磷能力进行综合评价。分别对芝麻苗期13个和成熟期16个性状的相对值变异系数进行归一化处理后，13个苗期指标中权重较大的为株高、地下部鲜质量和地上部鲜质量，达到15.4%、14.8%和14.7%，权重最小的是主根长，仅为0.6%。16个成熟期性状中权重较大的是单株籽粒质量和主根干质量，权重较小的是蒴果宽度和蒴果厚度(表3)。

2.2.2 芝麻耐低磷能力的综合评价 采用13个苗期指标进行综合评价(表4)，结果显示，19个芝麻品种中耐低磷能力较强的前6个品种分别为鄂芝1号、新县黑芝麻、河北八大杈、小伏芝麻、安乐芝麻和波阳黑，耐低磷能力较差的6个品种分别为庄屯八棱白、望谟白芝麻、日本7400、裂口黄、豫芝11号、小籽黑。采用16个成熟期指标进行综合评价(表4)，结果显示，耐低磷能力较强的前6个品种分别为裂口黄、新县黑芝麻、豫芝11号、波阳黑、驻芝10号和日本7400，耐低磷能力较差的6个品种分别为鄂芝1号、庄屯八棱白、望谟白芝麻、漯12、五子登科、安乐芝麻。

表3 不同芝麻种质苗期和成熟期主要农艺性状指标的权重

表4 不同芝麻种质耐低磷能力综合评价

3 结论与讨论

土壤中磷营养不足是导致植物不能正常生长发育的因素之一。为了获得优良的耐低磷种质资源，国内外学者进行了不同作物耐低磷能力的鉴定和筛选。梁维等[27]以生物量相对值、根冠比相对值和磷利用效率相对值为鉴定指标，筛选出C-13EF(98-2)和g-23两个磷高效大麦品种。郭再华等[28]获得的水稻苗期耐低磷筛选指标是相对分蘖率和相对干质量。杨福孙等[29]以相对分蘖数、相对分蘖干质量、相对地上部干质量和相对总生物量为苗期鉴定指标，获得BXLD和AX128两个磷高效旱稻种质。郭家文等[30]采用盆栽试验获得AO0005和AO0010两份磷利用效率高的甘蔗种质。刘翠霞等[31]研究发现，施用磷肥可以有效提高芝麻有效蒴果数、平均籽粒产量和平均磷素积累量。然而，关于芝麻耐低磷形态指标鉴定的研究较少，本研究以低磷和正常磷2个水平对19个芝麻品种苗期和成熟期的耐低磷能力进行鉴定并筛选，结果表明，与正常磷水平相比，低磷使芝麻幼苗生长受阻，表现为地上部和地下部鲜质量减少、株高降低、叶长变短、叶宽变窄、叶片数减少、叶面积变小、根体积变小、根尖数减少，但是主根长、根系总长、根直径、根冠比却增加；成熟期表现为始蒴高度变短、株高降低、茎秆变细、茎秆干质量和主根干质量下降、荚皮干质量下降、单株结蒴数降低、蒴果(厚、长、宽度)变小、单株籽粒质量降低、根冠比变小，但是主根长和须根数均增加。依据各个性状的相对变异系数确定芝麻耐低磷能力的筛选指标，结果表明，根直径、根系总长、主根长、根尖数、根体积、地下部鲜质量和地上部鲜质量7个指标的低磷处理相对值可以作为芝麻种质苗期耐低磷能力鉴定的形态指标；主根长、须根数、单株籽粒质量、主根干质量、荚皮干质量、单株结蒴数、地下部干质量、根冠比8个指标的低磷处理相对值可以作为成熟期芝麻种质耐低磷能力的鉴定指标。

模糊隶属函数法可以对多指标进行综合评价[32-34]，19个芝麻品种对低磷胁迫反应的形态差异可分别通过13个苗期指标和16个成熟期指标相对值的变异系数呈现，品种间的差异越大，其变异系数相应也越大，进而其权重相应较大。本研究采用相对值变异系数归一化处理后，13个苗期指标权重最大的为株高、地下部鲜质量和地上部鲜质量；成熟期16个指标中权重最大的为单株籽粒质量和主根干质量。分别用13个苗期指标和16个成熟期指标的模糊隶属函数对19个芝麻品种的耐低磷能力进行综合评价，结果表明，新县黑芝麻和波阳黑在苗期和成熟期均具有较强的耐低磷能力；鄂芝1号、河北八大杈、小伏芝麻和安乐芝麻仅在苗期具有较强的耐低磷能力；裂口黄、豫芝11号、驻芝10号和日本7400仅在成熟期具有较强的耐低磷能力；庄屯八棱白和望谟白芝麻在苗期和成熟期的耐低磷能力均较差。日本7400和豫芝11号在苗期耐低磷能力较差，但在成熟期具有较强的耐低磷能力；安乐芝麻和鄂芝1号则相反。说明不同芝麻品种的耐低磷机制较为复杂，需做进一步研究。

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Screening and Comprehensive Evaluation of Low Phosphorus Tolerance of Sesame Cultivars

XU Lanjie1,LIANG Huizhen1*,YU Yongliang1,TAN Zhengwei1,DONG Wei1,NIU Yongguang1,YANG Hongqi1,ZHANG Shouliang1,LU Hailing1,CAO Jie2,LÜ Aishu2

(1.Sesame Research Center,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China;2.Agricultural Bureau of Yongcheng,Yongcheng 476600,China)

In order to identify new sesame germplasms and morphological index for tolerance to low phosphorus,this study used low and high phosphorus levels to identify and screen sesames for tolerance to low phosphorus among 19 sesame cultivars at seedling and mature stages.The results showed that 19 sesame germplasms had a significant difference in the main morphological indexes for tolerance to low phosphorus,but the degrees of effect among the cultivars were significantly different.Based on the coefficients of variation of relative values of different indexes,total of 7 indexes including root diameter,root total length,main root length,root tip number,root volume,root weight,the upper ground weight were selected as indexes for screening and evaluation of the degree of low phosphorus tolerance of sesames at seedling stage;tatal of 8 indexes including main root length,fibrous root number,seed weight per plant,main root dry weight,pod dry weight,capsule numbers per plant,the underground parts dry weight,root-shoot ratio were selected as indexes for screening and evaluation of the degree of low phosphorus tolerance of sesames at mature stage.19 sesames cultivars for tolerance to low phosphorus were evaluated by using the method of the fuzzy membership function with the normalized coefficients of variation based on weight of the selected 13 indexes at seedling stages and 16 indexes at mature stages;‘Xinxianheizhima’ and ‘Boyanghei’ were identified as low phosphorus resistant cultivars at seedling and mature stages,‘Ezhi 1’,‘Hebeibadacha’,‘Xiaofuzhima’ and ‘Anlezhima’ were identified as low phosphorus resistant cultivars at seedling stage,and ‘Liekouhuang’,‘Yuzhi 11’,‘Zhuzhi 10’ and ‘Japan 7400’were identified as low phosphorus resistant cultivars at mature stage.

sesame; low phosphorus tolerance; screening; comprehensive evaluation; fuzzy membership function

S565.3

A

1004-3268(2017)11-0042-06

2017-05-16

河南省农业科学院科研发展专项资金项目 (201513110，20157816)；河南省农业科学院自主创新基金项目 (2016ZC71)；河南省农业科技攻关计划项目(152102110140)

许兰杰(1982-)，女，河南漯河人，助理研究员，博士，主要从事作物品质分析研究。E-mail:xulanjie18@126.com

*通讯作者：梁慧珍(1968-)，女，河南永城人，研究员，博士，主要从事油料作物遗传育种研究。E-mail:lhzh66666@163.com