不同供磷水平下2个甘蔗品种的光合作用及生长特征

李进 段婷婷 郑超 蔺中 梁燕秋 高宇 邓凯

摘  要  為研究磷素调控不同品种甘蔗生长的光合作用机制，从而选择磷高效品种和科学施肥，本文以研究区常见甘蔗品种台糖22（ROC22）和粤糖236（YT236）为材料，设置3个供磷水平和2个品种，研究磷素对2个甘蔗品种光合作用及生长的影响。结果表明：（1）随着供磷水平提高，2个甘蔗品种的株高和生物量显著增加;移栽60 d后ROC22的株高显著大于YT236的。高磷处理下的生物量ROC22显著大于YT236，鲜重和干重分别是YT236的1.6和1.4倍。（2）随供磷量的提高，ROC22的叶绿素总量（Chl）、净光合速率（Pn）、细胞间隙CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）均显著增加。YT236的Pn、Ci、Tr和Gs在低磷和高磷处理下均显著大于无磷处理，YT236的Chl在高磷处理下显著大于低磷和无磷处理;低磷和高磷条件下的Chl，ROC22比YT236分别提高了16%和14%。在3个供磷水平下的Pn，ROC22均显著大于YT236。高磷处理下的Ci，ROC22显著大于YT236。无磷处理下的Tr和Gs，ROC22均显著大于YT236。综合分析，浓度为1 mmol/L的PO43?高磷处理对2个甘蔗品种的光合作用及生长较为适宜。ROC22甘蔗在3个供磷量下光合作用和生长均优于YT236，建议在研究区或低磷地区种植ROC22。

关键词  甘蔗;生物量;磷素;光合作用

中图分类号  S566.1      文献标识码  A

Abstract  The aim was to select phosphorus （P） efficient sugarcane variety and to apply P fertilizer scientifically after investigating the photosynthesis mechanism regulated by phosphorus. Using sugarcane varieties ROC22 and YT236， three levels of P supply were set in the study. The plant height and biomass of ROC22 and YT236 significantly increased with increasing P supply. The plant height of ROC22 was significantly higher than that of YT236 after the plants were cultivated in the nutrient solution for 60 days. The biomass of ROC22 with P application of 1 mmol/L was significantly higher than that of YT236， and the fresh weight and dry weight of ROC22 increased 1.6 fold and 1.4 fold compared to YT236. The total chlorophyll （Chl）， net photosynthetic rate （Pn） intercellular CO2 concentration （Ci）， transpiration rate （Tr） and stomatal conductance （Gs） of ROC22 significantly increased with increasing P supply. Pn， Ci， Tr and Gs of YT236 with P application of 0.1 and 1 mmol/L were significantly higher than that without P application. Chl of YT236 with P application of 1 mmol/L was significantly higher than that without P application and with 0.1 mmol/L P application. Chl of ROC22 with P application of 0.1 and 1 mmol/L increased by 16% and 14% compared to YT236， respectively. Pn of ROC22 with 3 levels of P supply was significantly higher than that of YT236. Ci of ROC22 with 1 mmol/L P application was significantly higher than that of YT236. Tr and Gs of ROC22 without P application were significantly higher than that of YT236. Considering the photosynthesis and growth of sugarcane， the optimum level of P supply for ROC22 and YT236 was 1 mmol/L. The photosynthesis and growth of ROC22 in the study area was obviously better than that of YT236， so ROC22 was suggested to be planted in the study area and the phosphorus deficiency soil.

Keywords  Saccharum officinarum L.; biomass; phosphorus; photosynthesis

DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.06.011

磷是植物三大必需元素之一，它在光合、呼吸、核酸合成、膜脂合成、物质代谢、酶活性调节以及信号传导等生理代谢过程中起着极为重要的作用[1]。甘蔗是热带亚热带的最重要糖料作物，对磷素需求量多，磷肥用量大[2-4]。然而，甘蔗生长在热带亚热带地区，其土壤绝大部分为酸性红壤，土壤脱硅富铝、富铁化严重，磷容易被土壤中的铁铝氧化物固定[5]，从而造成土壤有效磷缺乏和磷肥利用率低，使磷素缺乏成了甘蔗生产的主要限制因子之一[6]。生产实践证明，施用磷肥对甘蔗发芽、分蘖、株高、生长速率、茎径、有效茎都有较大的影响，适量供磷可提高甘蔗的产量和糖分，增长效果显著[7]。因此研究甘蔗的磷素适宜用量具有重要意义。

光合作用是植物最基本的生理过程，可直接影响甘蔗的生长发育过程及其产量和品质。磷可作为光合底物或调节物直接参与光合作用的各个环节[8]，因此适宜的供磷量对于植物的光合作用极其重要，供磷水平过高或过低均不利于光合作用的正常进行[9]，并且植物不同基因型对土壤不同肥力水平的反应度存在差异[10]。因此，研究不同基因型植物对磷素的适应性，以及供磷水平对植物光合及生长特性的影响具有重要意义。目前，研究低磷胁迫对植物光合作用影响的报道众多，但关于供磷量对不同品种甘蔗光合及生长特性影响的研究尚不足。为此，本文通过石英砂–营养液复合培养体系，研究不同供磷水平对2个常见甘蔗品种光合作用及生长特性的影响，拟揭示磷素调节甘蔗生长的光合作用机制，以及2个常见甘蔗品种对供磷量的适应性差异，为选择磷高效甘蔗品种及科学施磷提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

供試甘蔗：选用湛江甘蔗主产区种植较为广泛的品种作为供试甘蔗，分别是广州甘蔗糖业研究所培育的粤糖236（YT236）和台湾糖业研究所培育的新台糖（ROC22）。

供试基质：将石英砂先后过1、2 mm的筛，筛分出粒径1～2 mm的石英砂，用清水淘洗多次，去除泥土等杂质，再用盐酸洗涤砂砾（保证试验过程中砂砾不会对培养液释放或吸附盐类），最后用清水洗涤砂砾至中性，再用去离子水清洗5遍，晾晒后移栽甘蔗苗。

供试营养液：根据甘蔗对营养的吸收特性并参照Hoagland营养液配方进行适当改良配制而成[11]。单独配制浓度为139.09 g/L的KH2PO4含磷母液，使用时按处理要求进行稀释;大中量元素营养液的配制，分别单独配制浓度为252.76 g/L的KNO3、590.38 g/L的Ca（NO3）2?4H2O、246.47 g/L的MgSO4?7H2O、43.57 g/L的K2SO4母液，使用时按1000倍比例进行稀释;微量元素营养液的配制，同时配制浓度为0.2198 g/L的ZnSO4?7H2O、0.1 g/L的CuSO4?5H2O、2.86 g/L的H3BO3、0.01 g/L的（NH4）6Mo7O24?4H2O、1.81 g/L的MnCl2?4H2O混合母液，使用时按1000倍比例进行稀释;铁盐母液配制，将13.9 g FeSO4?7H2O的水溶液缓慢加入到18.61 g Na2-EDTA的微沸水溶液中，并不断搅拌，最后定容至1000 mL，使用时按500倍比例稀释。

1.2  方法

1.2.1  试验设计  试验为2因素列区设计，主因素为磷肥施用量，设3个水平，浓度分别为0（P0）、0.1（P0.1）、1（P1）mmol/L的KH2PO4水溶液;副因素为2个甘蔗品种，分别是ROC22和YT236。共计6个处理，每个处理3次重复，共18桶，每桶移栽3株甘蔗组培苗。

试验于2009年7月10日在广东海洋大学生物技术研究所玻璃温室内进行，试验采用桶装砂-营养液复合体系培养，每桶装砂3 kg，砂桶底部留有小孔，将装砂桶放入装营养液的桶中，并将其浸入营养液5 cm深。选用高20 cm左右长势一致的甘蔗组培苗移栽至装砂桶中（上午10：00前完成移栽）。试验各处理均按照温室沙培方法管理，每天补充去离子水至营养液为移栽时水平，以防止由于水分减少而导致营养液养分浓度改变，调节营养液的pH至6.0，每周更换1～2次营养液，同时洗净盆里外的苔藓，防止苔藓吸收营养液，从而影响试验结果。

1.2.2  测定项目及方法  （1）甘蔗株高的测定：在甘蔗生长期间，每隔15 d对甘蔗的株高进行测定，直至试验结束。

（2）甘蔗光合特性的测定  在移栽65～70 d时，测定甘蔗的光合作用指标及叶绿素含量。

叶绿素含量的测定：参照张宪政[12]的方法，略加改进，即用V丙酮∶V无水乙醇=1∶1的混合液，在暗处浸提叶片24 h，721紫外分光光度计分别测定提取液在波长646、663 nm吸光度后，以Wellburn等[13]的公式计算单位质量叶片的叶绿素a（Chl a）和叶绿素b（Chl b）含量，以及叶绿素总含量（Chl）。

光合作用指标的测定：采用美国LI-COR公司生产的便携式LI-6400型光合测定系统，于光线充足时测定甘蔗叶的净光合速率[CO2 μmol/ （m2·s），Pn]、细胞间隙CO2浓度[μmol/（m2·s），Ci]、蒸腾速率[H2O mol/（m2·s），Tr]、气孔导度[mol/（m2·s），Gs]。

1.2.3  甘蔗生物量的测定  在移栽75 d后，收获全部甘蔗，用去离子水洗净抹干后，称取鲜重。最后放入105 ℃的烘箱中杀青30 min，再于75 ℃烘干箱中烘干至恒重后称取干重。

1.3  数据分析

采用Excel 2007软件和SPSS13软件对试验数据进行处理与分析。

2  结果与分析

2.1  磷素对不同品种甘蔗生长的影响

2.1.1  不同供磷量下2个甘蔗品种的株高  从图1可以看出，不同磷肥施用量对甘蔗株高影响明

显，随着种植时间和施磷量的增加，ROC22和YT236的株高呈增长趋势，施磷量越高，株高增长越快。在移栽0～30 d时，不同施磷量处理间的株高差异不显著，但随着时间的推移，供磷越多，甘蔗的株高增长越明显，到了75 d，增幅达到最大，此时P1处理的株高显著大于P0.1，P0.1显著大于P0;此外不同甘蔗品种间株高差异显著。在移栽10～45 d时ROC22和YT236的株高差异不显著，而到了移栽60 d后的株高，ROC22明显大于YT236。从整体来看，ROC22的株高明显大于YT236的，因此磷素对不同品种甘蔗株高的影响也有差异性。

2.1.2  不同供磷量下2个甘蔗品种的生物量  由表1可见，不同供磷水平对甘蔗的生物量影响显著，随着施磷量的增加，2个甘蔗品种的鲜重和干重均呈显著增加趋势。且P1处理的ROC22鲜重分别是P0、P0.1的23.5、1.9倍，干重分别是P0、P0.1的21.3、1.8倍。P1处理的YT236鲜重分别是P0、P0.1的16.1、1.7倍，干重分别是P0、P0.1的13.4、1.6倍;不同品种甘蔗的生物量在不同供磷水平下存在差异，在P0和P0.1条件下，ROC22和YT236的生物量无显著差异，而在P1处理下的生物量，ROC22显著大于YT236，ROC22的鲜重、干重分别是YT236的1.6、1.4倍。

2.2  磷素对不同品种甘蔗光合作用的影响

2.2.1  不同供磷量下2个甘蔗品种的叶绿素含量  从表2可看出，不同供磷水平对甘蔗的葉绿素含量影响显著。随着施磷量的增加，ROC22甘蔗的叶绿素a和b，以及总量均显著增加。而YT236的叶绿素a随着供磷量增加没有显著变化，但P1处理的叶绿素b及叶绿素总量显著大于P0和P0.1处理的;不同品种甘蔗的叶绿素含量在不同供磷水平下存在差异。在P0条件下，ROC22和YT236的叶绿素含量无显著差异，在P0.1和P1处理下的叶绿素a和总量，ROC22显著大于YT236，叶绿素b无显著差异。在P0.1和P1处理下，ROC22的叶绿素总量分别比YT236多了16%和14%。

2.2.2  不同供磷量下2个甘蔗品种的净光合速率  由图2可见，不同施磷量对甘蔗的净光合速率影响显著。随着供磷量的提高，ROC22的光合速率显著增加。P0.1和P1处理的YT236光合速率显著大于P0处理的，P0.1与P1处理间无显著差异;不同品种甘蔗的净光合速率差异显著，3个供磷水平下的光合速率，ROC22均显著大于YT236。在P0、P0.1、P1处理下，ROC22的净光合速率分别比YT236多了68%、35%、39%。

2.2.3  不同供磷量下2个甘蔗品种的细胞间隙CO2浓度  图3可见，不同施磷量对甘蔗的细胞间隙CO2浓度影响显著。随着供磷水平的提高，ROC22的胞间CO2浓度显著增加。YT236的甘蔗胞间CO2浓度，供磷处理（P0.1和P1）显著大于无磷处理P0，而P0.1与P1处理间无显著差异;不同品种甘蔗的胞间CO2浓度在不同施磷量下存在差异。在高磷P1处理下的胞间CO2浓度，ROC22显著大于YT236，比YT236增加了36%，而P0和P0.1处理下的2个甘蔗品种胞间CO2浓度无显著差异。

2.2.4  不同供磷量下2个甘蔗品种的气孔导度  由图4可见，不同供磷水平对甘蔗的气孔导度影响显著，施磷处理P0.1和P1的甘蔗气孔导度显著大于无磷处理P0的，而P0.1与P1处理间无显著差异;不同品种甘蔗的气孔导度在不同施磷量下有明显差异。在不供磷P0条件下的气孔导度，ROC22显著大于YT236，是YT236的1.75倍，而P0.1和P1处理下的甘蔗气孔导度品种间无显著差异。

2.2.5  不同供磷量下2个甘蔗品种的蒸腾速率  从图5可看出，不同施磷量对甘蔗的蒸腾速率影响显著，供磷处理P0.1和P1的甘蔗蒸腾速率显著大于无磷处理P0的，而P0.1与P1处理间无显著差异;不同品种甘蔗的蒸腾速率在不同供磷水平下有明显差异。在不施磷P0条件下的蒸腾速率，ROC22显著大于YT236，是YT236的1.86倍，而P0.1和P1处理下的甘蔗蒸腾速率，2种间无显著差异。

3  讨论

3.1  磷素对不同品种甘蔗生长的影响

磷是植物生长发育过程中的必须营养元素，主要参与植物的光合、呼吸、核酸合成和膜脂合成等生理代谢过程[1]，因此施用磷肥对甘蔗生长有显著促进作用[7]。本研究也表明施磷量对甘蔗株高和生物量影响显著。在本试验的施磷范围内，随着供磷水平提高，2个甘蔗品种的株高和生物量显著增加。

不同植物以及同种植物的不同品种，对磷营养的利用存在广泛的基因型差异[14]。本研究表明不同品种甘蔗之间的株高和生物量存在差异。在移栽甘蔗后前45 d内ROC22和YT236的株高差异不显著，在移栽60 d后ROC22的株高显著大于YT236的。这是因为2个甘蔗品种对磷营养的利用存在差异，并随着生长期的增加，这种差异在2个甘蔗品种的株高上表现越显著;在无磷和低磷条件下，ROC22和YT236的生物量无显著差异，而在高磷处理下，ROC22的生物量显著大于YT236的，鲜重和干重分别是YT236的1.6、1.4倍。说明在低磷水平下，磷素对2个甘蔗品种生长的促进作用不明显，而当施磷量提高，2个甘蔗品种生长速度加快时，因为ROC22对磷素的利用率更高，所以其生物量显著大于YT236的。磷营养供给会引起植物形态和生理上的变化，植物对磷素的吸收、运转、利用、分配及再利用有关的形态和代谢过程都可以作为植物对磷素反应的评价指标[15]，但生物量的改变是最根本和可靠的指标[16]。因此，从不同品种甘蔗对磷素反应的生物量指标来看，本试验在研究区以浓度为1 mmol/L的PO43高水平供磷量种植ROC22较YT236适宜。

3.2  磷素对不同品种甘蔗光合作用的影响

众多研究表明缺磷会导致叶绿素含量降低[17-18]，最终引起光合速率降低[19]。因此适宜的供磷量对于植物的叶绿素含量和光合作用极其重要[20]。本研究结果也表明，随施磷量的提高，ROC22的叶绿素总量、净光合速率和细胞间隙CO2浓度均显著增加，这说明适量供磷，可以提高甘蔗植株的叶绿素含量，进而对光能吸收增强，净光合速率随之提升[21]，光合作用的增强也是甘蔗生物量随施磷量增加而显著增加的主要原因。但随着供磷量的提高，ROC22甘蔗的蒸腾速率和气孔导度并没有显著增加，而是施磷处理显著大于无磷处理，低磷和高磷处理间无显著差异。这可能是因为随着供磷量的增加，甘蔗的光合作用和生长速率增加，其所需要的水分随之增多，因此需要降低气孔导度来降低蒸腾速率，减少水分的损失，保持水分[22];也可能是高浓度的磷素处理不利于甘蔗根系对水分的吸收利用，因此需要关闭气孔来降低蒸腾速率，并调节植株的细胞间隙CO2浓度和净光合速率，从而调控甘蔗的生长[23]。低磷和高磷处理的YT236甘蔗的净光合速率、细胞间隙CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度均显著大于无磷处理的，而低磷和高磷处理间无显著差异的研究结果可看出，植株的气孔导度与蒸腾速率、细胞间隙CO2浓度及净光合速率相关，且变化趋势相似，这也进一步说明了气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道，甘蔗是通过气孔扩散的方式同外界交换CO2和水蒸气，从而调节其蒸腾速率、细胞间隙CO2浓度和净光合速率等光合作用，以及植株的生长[24]。

由于甘蔗品种间基因型的差异决定了其对磷营养的利用状况存在差异，因此可能引起2个甘蔗品种之间光合作用的差异。本文结果表明在低磷和高磷条件下，ROC22甘蔗的叶绿素总量显著大于YT236的，分别比YT236多了16%和14%。说明在供磷条件下ROC22较YT236能合成更多的叶绿体，光吸收能力更强，进而光合作用能力更强[21]。结果也显示低磷和高磷处理的ROC22净光合速率均显著大于YT236的，分别比YT236多了35%、39%，这直接表明供磷条件下ROC22较YT236的光合作用更强，因此叶绿素含量差异可能是导致供磷条件下2个甘蔗品种品种光合作用能力和生物量差异的主要原因之一。在无磷条件下，ROC22甘蔗的蒸腾速率和气孔导度均显著大于YT236的，蒸腾速率是YT236的1.86倍，气孔导度是YT236的1.75倍。这可能是因为2个甘蔗品种基因型的差异导致ROC22较YT236更适应无磷条件进行光合作用，从无磷处理ROC22的净光合速率显著大于YT236的，分别比YT236多了68%的结果可以看出，在无磷条件下ROC22比YT236的光合作用强。ROC22需要更多的水分和CO2进行光合作用，这时就要打开气孔与外界进行水蒸气和CO2的气体交换[24]，所以ROC22的蒸腾速率和气孔导度会显著大于YT236。

综合分析，浓度为1 mmol/L的PO43高磷处理对2个甘蔗品种的光合作用及生长较为适宜，ROC22甘蔗在无磷、低磷和高磷条件下的光合作用和生物量均优于YT236，建议在研究区或低磷地区种植ROC22。

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