氮磷养分胁迫下小麦幼苗期生物学响应研究

王 峻，宋 科，潘剑君，薛 永*，孙丽娟，蔡银美

（1．上海市农业科学院生态环境保护研究所/农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站/上海农业环境保护监测站/上海低碳农业工程技术研究中心/上海市设施园艺技术重点实验室，上海 201403；2．南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095；3．安顺学院农学院，贵州 安顺 561000）

氮、磷是小麦生长发育所必需的大量元素，在作物生产中具有极其重要的作用［1-2］。受传统施肥观念“施肥越多，产量越高”［3］的影响。过量施肥不仅造成资源浪费，增加农业生产成本，也带来环境污染，小麦品质下降等一系列问题［4-5］。另外，我国肥料的当季利用率较低，氮肥仅为30%～40%，磷肥为10%～25%［2，6-8］。所以，近年来“减肥增效”技术在我国得到推广。有研究指出，施肥过低也不利于作物的高产高效［9］。是否在减肥过程中会出现养分供应不足而影响作物的生长发育，是值得研究的课题。小麦是世界上主要粮食作物之一，研究其在低氮、低磷条件下的耐胁迫能力及养分利用情况，不仅可以为种子资源的筛选和指导施肥提供理论基础，而且在国家的粮食生产、资源节约及环境保护上都至关重要。

有研究表明，在逆境环境下植物能感应外界胁迫，根系是植物的养分吸收器官和合成器官，也是最先感受土壤逆境胁迫因子信号的器官［2］。在低养分胁迫下，小麦根系首先感受并传导胁迫信号，随后植株通过调整自身的生理机制来改变根系形态，进而影响内部的代谢过程，以完成在特定环境下的生命过程［2，10-11］。小麦苗期是根系生长发育较为重要的时期，根系的生长情况和活力水平直接影响地上部的生长和营养状况及产量。有关小麦根系对氮、磷胁迫的反应已有不少报道［12-13］，但在氮、磷养分胁迫下，将根系形态及生理指标与养分吸收转运率之间的相关性的研究鲜有报道，氮、磷胁迫下相关特征的比较分析也不多见。

本试验通过水培试验，设立了正常、低氮和低磷3个不同的营养液处理，研究了矮抗58苗期对低氮、低磷胁迫下的适应性表现，分析小麦根系形态特征及生理活性特征与养分吸收之间的相关性。以期能为科学指导施肥，耐低氮、低磷小麦品种的选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验在温室内进行，供试小麦品种为国内大面积种植的矮抗58，培养方式为营养液水培法。选取饱满、均匀的小麦种子，用75%的乙醇消毒1 min，然后用蒸馏水冲洗3次并用适量的去离子水浸泡放置人工气候箱内，25℃避光培养24 h，挑选露白一致的小麦籽粒均匀摆放在铺有滤纸的培养皿中，放于温室（25±3）℃培养架上培养，幼苗长到5 cm左右选取生长一致的健壮幼苗移栽到盛有pH=6.0的适量水培营养液容器内进行培养，光照/黑暗（12 h/12 h）周期下育苗至两叶完全展开（中间用喷壶按时喷入灭菌去离子水）。

试验设全营养（对照）、低氮和低磷3个处理。对照（CK）：N 2 mmol/L，P 0.5 mmol/L；低氮（N-）：N 0.2 mmol/L，P 0.5 mmol/L；低磷（P-）：N 2 mmol/L，P 0.05 mmol/L。基本营养液为改进的Hoagland营养液［14］，每个处理为18株，重复3次。培养箱放置温室内，每日光照12 h，每隔3 d更换1次培养液，胁迫10 d后进行各项指标的测定。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 地上部指标

株高：取单株地上部，用直尺测量苗高［15］；剪下单株上叶片，测量每片叶子的长和宽，用公式估算叶面积，求和。叶面积（cm2）=叶片长度×叶片宽度/1.2［15］。

1.2.2 根系指标

根长的测定采用水盘网格法［11］，根系表面积及活性表面积用甲烯蓝吸附法［16］，根系活力采用TTC法［16］，植物全氮、全磷含量分别采用凯式定氮法和钒钼黄比色法［17］。植株吸氮量=植株全氮含量×植株干物质重，植株氮转运率=地上部植株吸氮量/植株总吸氮量（植株+根系）×100%；磷同理。

1.3 数据处理与统计分析

采用Excel 2013软件处理和计算试验数据，用SPSS 19.0软件进行统计和分析数据，用LSD法进行平均数间的差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 氮磷胁迫对小麦株高、叶面积及干重的影响

表1可知，氮、磷胁迫显著影响小麦苗期的株高、叶面积和干重。低氮胁迫下，株高、叶面积、茎叶干重及含氮量比对照分别下降26.0%、28.1%、24.3%和66.3%；低磷胁迫下，株高、叶面积、茎叶干重和含磷量分别下降24.8%、29.7%、26.7%和51.6%。氮、磷胁迫处理之间，小麦的株高、叶面积和茎叶干重未达到显著差异。在低氮条件下小麦地上部磷含量较对照处理差异不显著，而低磷条件抑制了小麦对氮素的吸收，其含氮量较正常小麦下降了57.7%。表明氮素胁迫不影响小麦的磷吸收，而磷胁迫则显著影响小麦氮吸收。

表1 氮磷胁迫对小麦株高、叶面积、茎叶干重及氮磷含量的影响

2.2 氮磷胁迫对小麦根长、根干重、总根数的影响

由表2可见，低氮、低磷处理小麦的根系干重、总根长、总根数呈显著下降。与对照相比，低氮胁迫下根系干重、总根长、总根数以及根冠比分别下降38.0%、41.4%、21.2%和11.1%；低磷胁迫下根系干重、总根长、总根数以及根冠比分别下降45.7%、45.1%、21.2%和19.4%。且低磷胁迫下的根系干重、总根长及根冠比的下降幅度大于低氮胁迫。另外，低氮和低磷胁迫下最大根长比对照分别增加了30.1%、22.8%，低氮下的增加幅度大于低磷胁迫。

表2 氮磷胁迫对小麦根长、根干重、总根数及根冠比的影响

2.3 氮磷胁迫对小麦根系吸收面积及根系活力的影响

氮、磷胁迫也显著影响了小麦根系吸收面积和根系活力。由表3可知，与对照相比，低氮胁迫下小麦根系的总吸收面积、活性吸收面积及根系活力分别下降了19.23%、25.00%和39.19%；低磷胁迫下根系的总吸收面积、活性吸收面积及根系活力分别下降了23.08%、41.67%和47.79%，且低氮胁迫下的下降幅度低于低磷胁迫。其中，低氮下的根系活力高于低磷。

表3 氮磷胁迫下小麦根系吸收面积及根系活力

2.4 氮磷胁迫对小麦植株氮磷吸收量的影响

氮、磷胁迫显著影响小麦植株对氮、磷元素的吸收。由表4可见，与对照相比，氮、磷胁迫下小麦的总吸氮量分别下降了72.9%和64.7%。低磷条件也阻碍了小麦对氮素的转运，也导致氮素转运率降低了8.3%。表5可以看出，低氮、磷条件下小麦总吸磷量分别下降了41.2%和69.3%。低氮胁迫对小麦磷转运的影响较小，低磷胁迫下磷转运率下降了8.8%。

表4 氮磷胁迫对小麦氮吸收量与转运率的影响

表5 氮磷胁迫对小麦磷吸收量与转运率的影响

2.5 低氮胁迫小麦苗期总吸氮量与根系指标之间的相关性

为了探明小麦苗期根系形态指标对小麦吸氮量的影响，对小麦苗期的总吸氮量与根系干重、总根长、总吸收面积、活性吸收面积及根系活力进行了相关分析。由图1～5可以看出，对照处理小麦总吸氮量与根系干重、根系活力呈现负相关，相关系数分别为0.323、0.449（P＞0.05）；与活性吸收面积、总根长呈正相关，相关系数为0.292、0.157（P＞0.05）；与总吸收面积呈正相关，相关系数为0.533（P＜0.05）。在低氮胁迫下，小麦总吸氮量与根系干重、总根长、总吸收面积、活性吸收面积及根系活力呈正相关，相关系数分别为0.919、0.858、0.948、0.894和0.852（P＜0.01）。低氮处理的小麦苗期氮素总吸收量与根系大小极显著相关，根系的发生发育对小麦的氮素吸收具有重要作用，对照处理的根系大小与氮素吸收并没有达到可观的相关水平，所以对照处理，小麦苗期不能以根系形态指标来作为判定氮素吸收量的依据。

2.6 低磷胁迫小麦苗期总吸磷量与根系指标之间的相关性

由图6～10可知，对照处理，小麦总磷的吸收量与总根长、活性吸收面积、根系活力之间相关性不显著（P＞0.05）；与根系干重、总吸收面积呈显著负相关，相关系数分别为0.567和0.166，其中与根系干重的相关性达到显著水平（P＜0.05）。在低磷胁迫下小麦总吸磷量与根系干重、总根长、总吸收面积、活性吸收面积、根系活力呈现正相关，相关系数分别为0.776、0.939、0.932、0.912、0.867（P＜0.01）。对照处理小麦苗期磷素总吸收量与根系形态指标之间并没有达到很好的相关性，不能以根系大小来判定磷素吸收情况。在低磷条件下，小麦根系大小与磷素吸收之间表现出显著的相关性，小麦苗期磷素吸收量在很大程度上取决于根系的发达程度。

图1 对照（A）与低氮（B）条件下小麦总氮量与根系干重的相关性

图2 对照（A）与低氮（B）条件下小麦总氮量与总根长的相关性

图3 对照（A）与低氮（B）条件下小麦总氮量与总吸收面积的相关性

图4 对照（A）与低氮（B）条件下小麦总氮量与活性吸收面积的相关性

图5 对照（A）与低氮（B）条件下小麦总氮量与根系活力的相关性

图6 对照（A）与低磷（B）条件下小麦总磷量与根系干重的相关性

图7 对照（A）与低磷（B）条件下小麦总磷量与总根长的相关性

图8 对照（A）与低磷（B）条件下小麦总磷量与总吸收面积的相关性

图9 对照（A）与低磷（B）条件下小麦总磷量与活性吸收面积的相关性

图10 对照（A）与低磷（B）条件下小麦总磷量与根系活力的相关性

3 讨论

营养调控根系的机制研究表明，根系的发育程度受到营养调控，任何一种发育进程对外部营养的反应都是由直接的土壤溶液中营养浓度的改变和非直接的植物自身内部营养状况的变化两条途径共同调控的［18-19］。也有研究表明，小麦根系的形态学特征一方面受控于其自身内部营养调控机制，另一方面决定于外部营养环境的好坏［20］。已有研究表明，在低氮、低磷胁迫条件下小麦根系形态特征差异性达到显著水平，低氮条件下小麦的根系干重、总根长、总吸收面积及活性吸收面积均明显降低［12，20］，Boris等［21］研究发现，低磷处理下的小麦总根长和茎叶干重都表现为明显降低。本试验也得到相似的研究结果，低氮和低磷胁迫条件下小麦的根系干重、总根长、总根数、茎叶干重、根系总吸收面积、活性吸收面积及根系活力表现为明显降低，表明矮抗58对低氮、低磷胁迫有一定的敏感性。但就低氮和低磷两种逆境环境下，矮抗58在小麦根系形态学表现上，通过对比可知，其对低磷胁迫环境反应较为敏感，对低氮表现为较好的适应性。另外，两种逆境环境对小麦根系生理活性影响的具体表现上，又一次说明了小麦对低氮的适应性较强。

有研究表明，氮、磷的浓度越低，小麦的根系越发达，更有利于吸收更多的氮、磷元素，植物发达的根系对外部也具有较低的氮、磷需求，低磷处理下可以增强小麦对磷素的吸收能力［15，21-22］。有关此方面的研究，在水稻［23］、玉米［24］中也得到类似的研究结果。本试验研究表明，低氮环境下的小麦苗期氮素吸收量与根系发达程度有很大关系，氮素供应不足会诱导根系形态发生变化，这样就会有利于小麦对氮素的吸收；同样在低磷胁迫下，小麦总吸磷量与根系干重、总根长、总吸收面积、活性吸收面积、根系活力呈现极显著正相关，对照处理的小麦氮、磷素吸收量与根系形态指标之间并没有很好的相关性，不能以根系大小来判定氮、磷素吸收情况。试验又发现，低磷逆境下，小麦的含氮量明显下降，抑制了小麦对氮素的吸收和转运率，说明了磷素对氮素累积和转运的重要性。所以，在矮抗58的种植施肥上，一定要注重氮磷肥的合理配施。

植株养分吸收量与根系形态参数相关性研究表明，低氮胁迫下，根系形态参数与植株吸氮能力关系密切［25］，An等［26］曾用1套“旱选10号×鲁麦14”小麦DH群体进行苗期水培试验，发现根系干重与吸氮量之间存在极显著正相关，在低磷条件下，根长、根数与磷含量存在显著正相关，根系总吸收面积与磷含量存在极显著正相关［23］。本研究表明，对照处理根系的生长发育处于平稳状态，对于氮、磷的吸收无敏感反应，相反，在氮、磷胁迫下，小麦根系的形态、生理与对应氮、磷吸收量存在极显著正相关，说明在氮、磷胁迫下，矮抗58对氮、磷养分的吸收量在很大程度上取决于根系的发达状况，因此根系的发达程度对养分的高效吸收具有重要作用。

4 小结

在低氮和低磷胁迫下，小麦矮抗58的株高、叶面积、茎叶干重和根系干重、总根长、总根数均显著降低，而最大根长明显增加。小麦对低氮环境的适应性较好于低磷环境，而磷素对小麦幼苗期氮素吸收具有重要的作用。在氮、磷胁迫下小麦的总氮、磷吸收量与根系形态指标之间具有极显著的相关性，表明在氮、磷胁迫条件下，小麦苗期氮、磷养分的吸收量很大程度上取决于根系的发达程度。