不同磷水平柱花草磷效率及根构型研究

文亦芾， 陈达飞， 单贵莲， 赵小雪， 段新慧， 韩博， 周凯

(云南农业大学动物科学技术学院，昆明 650201)

柱花草属(Stylosanthes)是热带豆科牧草中的一个重要属，其栽培品种是一年生或多年生草本植物，原产美洲及加勒比海地区，具有耐旱、耐酸瘠土、高产优质特点，适于世界热带、亚热带地区种植[1]，主要用于人工草地建设、天然草地改良、林果草生态工程建设。柱花草已在我国广东、海南、广西、云南、贵州、福建、四川等省区大面积推广[2-4]，成为我国热带、亚热带地区建立人工草地、发展节粮型畜牧业、果园覆盖的重要热带豆科牧草[1]。磷是植物生长发育的必需元素，不仅是植物体的组成成分，也是植物体内能量载体的主要组成成分和提供者，广泛参与植物体内的生化合成、能量转移和信号转导等过程[5-6]。柱花草耐贫瘠，在养分 (尤其是磷) 水平较低的热带红壤上能够正常生长，表明柱花草根系具有较高的养分吸收效率[7-8]。

中国南方红壤地区土壤较为贫瘠、酸性大、磷素缺乏严重、磷肥利用率低，但是这些地区荒山荒坡面积较多(其可利用面积是耕地的3～4倍)、气温较高、年降水量充沛，有着巨大的草业发展潜力。因此，选育优良的柱花草品种已成为农业工作者和育种家的研究热点。目前国内外有关柱花草的研究主要集中在品种选育[9-11]、遗传多样性研究[12-13]、生理生化研究[14-15]等方面。对磷胁迫下柱花草的研究主要集中在热研品种系列，涉及品种较少，且没有对柱花草根系与磷效率进行系统分析。本研究在前期不同磷水平对柱花草形态学指标的影响研究[16]基础上，进一步研究了12个不同柱花草品种对不同浓度磷的适应性，系统评价柱花草磷效率的基因型差异，并选取磷效率差异较大的2个柱花草基因型，对其苗期根系生长状况进行分析，以期探讨根构型与磷效率的关系，揭示根对低磷胁迫的适应性机制，为柱花草的优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用12个柱花草品种(系)作为供试材料，分别为西卡柱花草(Stylosanthesscabracv. Seca，S01)、澳克雷(Stylosanthesguianensiscv. Oxley，S02)、CIAT11365柱花草(StylosanthesguianensisTRPC90072，S03)、格拉姆柱花草(Stylosanthesguianensiscv. Graham，S04)、爱德华(90080-2)(Stylosanthesguianensiscv. Endeavour，S05)、热研5号柱花草(Stylosanthesguianensiscv. Reyan No.5，S06)、库克柱花草(Stylosanthesguianensiscv. COOK，S07)、Capitata(Stylosanthescapitata，S08)、有钩柱花草(Stylosantheshamatecv. Verano，S09)、GC1463(StylosanthesguianensisGC1463，S10)、GC1480(StylosanthesguianensisGC1480，S11)、GC1576(StylosanthesguianensisGC1576，S12)，其中磷低效基因型品种为西卡柱花草(S01)、库克柱花草(S07)；磷高效基因型品种为有钩柱花草(S09)、GC1463(S10)；其余为磷敏感型品种(S02、S03、S04、S05、S06、S08、S11和S12)。材料均由云南省农业科学院热区生态农业研究所提供。

1.2 试验区自然概况

试验区位于云南省农业科学院热区生态农业研究所羊开窝基地退化生态系统综合治理技术研究试验示范区(N 25°50′67.7″，E 101°49′35.3″)，海拔1 071 m。该区夏季高温多雨，冬季低温干旱，土壤为沙壤土。土壤肥力状况：有机质12.65 g·kg-1、全氮1.55 g·kg-1、速效磷12.26 mg·kg-1、速效钾70.50 mg·kg-1、pH 5.65。

1.3 试验设计

试验在云南省农业科学院热区生态农业研究所网室内进行。取当地未进行耕作管理措施的杂草地土壤为供试土壤，土壤经过自然干燥、捣碎、除杂、过筛等处理，施入0.2 g·kg-1氮肥(尿素)和0.2 g·kg-1钾肥(氯化钾)，充分搅拌混匀、备用。采用盆栽试验，设7个磷水平梯度：0(P0)、0.020(P20)、0.035(P35)、0.050(P50)、0.075(P75)、0.100(P100)、0.200 g·kg-1(P200)。分别将磷肥施入上述土壤基质中，充分混匀搅拌，装在口径30 cm、高度35 cm的花盆中，装土1.5 kg。12个柱花草品种种子25 ℃催芽1 d，将已露白的种子接种根瘤菌后，播于育苗板中，待长出1～2片真叶时，移栽至盆钵。每个处理重复3次。常规管理。生长60 d后取样。

为进一步比较两个代表性基因型(磷低效、磷高效)的苗期根系生长状况，采用盆栽试验，选择磷低效品种：西卡柱花草(S01)、库克柱花草(S07)，磷高效品种：有钩柱花草(S09)、GC1463(S10)，设置3个磷处理水平：对照(0 g·kg-1，P0)、缺磷(0.010 g·kg-1，P1)、正常磷(0.025 g·kg-1，P2)。于三叶期、六叶期取样测定各品种(系)的侧根数、主根长、根体积、根直径、根表面积和根活跃吸收面积共6项生物指标。

1.4 测定指标及方法

将植株按根、茎、叶部分分开，分别测量其鲜重，然后置于105 ℃烘箱中杀青10 min，75 ℃烘干24 h至恒重，分别称量根干重、茎干重和叶干重。将植株地上部烘干后，采用H2SO4-H2O2消煮—钒钼黄比色法[17]检测含磷量。吸磷量和磷效率的计算公式如下：

吸磷量=地上部生物量×含磷量

磷利用效率=吸磷量/总生物量

用直尺量度植株主根的伸直长度，并数出侧根数量；将根系洗净用吸水纸吸干表面附着水，将根浸在盛水的量筒中测定根系体积；采用游标卡尺测定根直径；应用甲烯蓝染色液蘸根法[18]测定根系表面积及根系活跃吸收面积。

1.5 数据统计分析

利用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0对数据进行统计分析、作图、方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 12个柱花草品种的磷营养特性

2.1.1不同磷处理对柱花草含磷量的影响 不同磷水平处理下不同品种柱花草含磷量结果(表1)显示，随着磷浓度的上升，不同品种柱花草含磷量逐渐升高。总体上，不同柱花草品种间的含磷量差异不显著，仅有高磷水平(P200)下，磷高效基因型品种S09、S10含磷量显著低于其他品种；P100处理的S09含磷量显著低于其他品种。可见，磷高效基因型品种在不同磷水平下含磷量变化不大，有较强的耐低磷和高磷能力。因此，在磷胁迫和磷充足的情况下，磷高效基因型品种均更适宜生长。

2.1.2不同磷处理对柱花草吸磷量的影响 从表2可以看出，在土培条件下，植株吸磷量随着磷浓度的升高呈现增加趋势，不同基因型品种间吸磷量存在显著差异。P0处理下，磷高效基因型品种S09、S10的吸磷量分别为1.66和1.58 mg·株-1，显著高于其他基因型品种，分别是磷敏感型品种S12的3.46和3.29倍。P200处理下，S09、S10吸磷量则较低，与磷低效基因型品种S01、S07差异不显著，但显著低于磷敏感基因型品种，分别是S12的0.74和0.70倍。在P0和P200水平下，磷高效基因型品种S09、S10的吸磷量分别升高80%和78%，而磷低效基因型品种S01、S07随着磷浓度的增加吸磷量上升幅度分别为500%和219%，说明不同柱花草品种在不同磷浓度下吸磷量存在较大差异[19]，进一步证明磷高效基因型植株在不同磷浓度下整体保持较为稳定的吸磷能力。

2.1.3不同磷处理对柱花草磷利用效率的影响 不同基因型柱花草在不同磷水平下的磷利用效率结果(表3)可见，随着施磷水平的升高，不同基因型品种柱花草磷利用效率下降，这是因为在环境条件缺磷的情况下，作物只能通过提高利用效率来满足其生长需要[19]。不同柱花草基因型品种间磷利用效率差异显著，在不同磷处理下，磷高效基因型品种S09和S10较高，而磷低效基因型品种S01、S07较低，敏感型品种居于中间水平。在P0和P200水平下，磷高效基因型品种S09和S10的磷利用效率下降幅度分别为27.24%和30.33%，磷低效品种S01、S07的下降幅度分别为47.72%、45.40%，均小于磷敏感基因型品种(47.87%～59.21%)。由此可见，磷高效和磷低效基因型品种在不同磷肥处理下磷利用效率变化幅度较小，可能是其对低磷胁迫的一种响应。

表2 不同磷水平下柱花草的吸磷量变化Table 2 P uptake of different Stylosanthes varieties under different P levels (mg·plant-1)

表3 不同磷水平下柱花草的磷利用效率Table 3 P utilization efficiency of different Stylosanthes varieties under different P levels

2.2 不同磷素水平下柱花草苗期根系生长情况

2.2.1不同磷素水平下柱花草苗期侧根生长发育变化 磷高效和磷低效基因型柱花草的苗期侧根数结果(图1)显示，3个磷处理间柱花草三叶期各基因型一级侧根数量变化不大，说明此时的根系生长主要受遗传因素和种子含磷量控制，与磷素水平无关[20]。3个磷处理间柱花草六叶期各基因型的一级侧根数量存在显著差异，除品种S01，P1处理的一级侧根数均显著高于P2处理；P0处理的一级侧根数均显著高于P1处理；然而在相同磷处理下，六叶期的各基因型品种的侧根数间无明显差异。说明缺磷胁迫显著促进一级侧根的发生，不同品种间差异不大。

注：不同小写字母表示同一品种不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图1 不同磷素水平下柱花草三叶期和六叶期的侧根数Fig.1 Lateral root amount of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.2.2不同磷素水平下柱花草苗期主根长的变化 根长是描述根系吸收水分和养分能力的重要参数之一[21]。图2为不同磷效率不同基因型柱花草品种在不同磷水平下的苗期主根长。可见，在三叶期和六叶期，柱花草主根根长在各品种间差异显著，磷高效基因型品种S09、S10在不同磷处理下的主根长均大于磷低效基因型品种，说明前者有较高的磷吸收面积。同一基因型在不同磷处理下根长趋势基本表现为：P0>P1>P2，说明磷胁迫能增加主根长度。植物根长增长可增加与土壤的接触面积，磷高效基因型在相同的胁迫情况下具有更大的吸收面积，因而能够提高植株磷效率，对于在磷缺乏的土壤中获得高产具有重要意义[20]。柱花草根系属直根系，根长也即主根长度。磷高效基因型品种的主根更长，表现出其根系具有更好的适应性。

注：不同小写字母表示同一品种不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图2 不同磷素水平下柱花草三叶期和六叶期的的主根长Fig.2 Main root length of of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.2.3不同磷素水平下柱花草苗期根体积的变化 图3为不同磷效率基因型品种柱花草苗期根体积在不同磷水平下的结果，可见，三叶期，各基因型柱花草的根系体积存在差异，磷高效品种的根体积大于磷低效品种。两种不同磷效率基因型品种的根体积对磷的响应均表现为P2大于P1和P0，说明此阶段磷胁迫对根体积具有抑制作用。六叶期，P0条件下两种不同磷效率基因型品种柱花草的根体积显著大于P2和P1处理，说明随着磷胁迫程度加重，柱花草各品种的根体积均增加，且磷高效基因型品种的根体积较磷低效品种更大。

注：不同小写字母表示同一品种不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图3 不同磷素水平下柱花草三叶期和六叶期的根体积Fig.3 Root volume of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.2.4不同磷素水平下柱花草苗期根直径的变化 两种基因型柱花草苗期根直径结果(图4)显示，三叶期时，S01、S09、S10均随着磷浓度的下降，根平均直径逐渐减小，各基因型间无明显差异。六叶期，P0和P1处理下，各基因型柱花草根平均直径均小于P2处理，呈P2>P1>P0的趋势，表明随着供磷浓度的减少，柱花草的根直径有逐渐减小的趋势。根系在磷胁迫下变细，可能导致根表面积增加，反映出柱花草对低磷胁迫的适应能力。三叶期各基因型的根平均直径大于六叶期，即根系变细，主要原因是在三叶期以主根和一级侧根为主，六叶期后发生了大量纤细的二级侧根，致使根的平均直径下降。根的粗细对植物吸收和利用磷素有重要影响，根系在胁迫下变细，必然使表面积增加，因而具备了应变低磷胁迫的能力[20]。

注：不同小写字母表示同一品种不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图4 不同磷素水平下柱花草三叶期和六叶期的平均直径Fig.4 Average diameter of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.2.5不同磷素水平下柱花草根表面积和活跃吸收面积的变化 不同磷水平下不同基因型柱花草根表面积结果(图5)显示，三叶期时，两种基因型品种均具有在磷胁迫下根表面积增加的趋势，S09根表面积增大趋势更明显。六叶期，不同基因型品种柱花草随着磷胁迫的加重均表现出根表面积逐渐增加的趋势，磷高效基因型品种较磷低效基因型品种增加更显著。说明磷胁迫有助于柱花草根表面积的增加，从而增加磷吸收面积，提高吸磷率，磷高效基因型品种增加趋势更显著。

不同基因型柱花草根活跃吸收面积结果(图5)显示，三叶期，低磷胁迫下各品种活性吸收面积均增加，说明磷胁迫增加根系活跃吸收面积，其中P0胁迫下根活性吸收面积以S09最大，S10其次，S01最小。六叶期，柱花草各品种均表现出活跃吸收面积上升的趋势，表明低磷促进根系活性吸收面积增加是柱花草适应低磷胁迫的普遍反应。

注：不同小写字母表示同一品种不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note：Different small letters of the same variety indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图5 不同磷素水平下柱花草三叶期和六叶期的根表面积和根活跃吸收面积Fig.5 Root surface area and active absorption area of Stylosanthes seedlings at three-leaf stage and six-leaf stage under different phosphorus levels

2.3 根系各指标间的相关性分析

对根系各指标进行相关性分析，结果(表4)表明，4个品种的发育时期与根表面积、根体积、侧根数和根长均呈极显著正相关(P<0.01)，S01和S10的发育时期与根直径呈极显著负相关，S09发育时期与根直径存在显著负相关(P<0.05)，说明不同发育时期对柱花草根构型的变化影响很大。不同基因型品种的磷处理浓度与根长均存在显著负相关，S09磷处理与根直径呈现极显著正相关，S10磷处理与根直径呈现显著正相关。每个品种的根表面积与侧根数及根长呈现极显著正相关，与根体积存在极显著负相关，S01根表面积与根直径呈现极显著正相关，S10根表面积与根直径呈显著正相关。S01根直径与根体积呈极显著负相关，与侧根数、根长呈极显著正相关。S07根直径与侧根数、根长呈显著正相关。S10根直径与侧根数呈极显著正相关，与根长呈显著正相关。每个品种的根体积与侧根数均呈极显著负相关，S01、S07、S09的根体积与根长呈显著负相关，4个品种的侧根数与根长均呈极显著正相关。

3 讨论

比较不同基因型柱花草的磷营养特性发现，不同基因型品种的磷含量、吸磷量均随着磷浓度的增加而增加，磷利用效率对磷浓度的反应趋势则相反，这与漆智平等[22]、刘攀道等[23]研究结果一致。同一磷水平下，不同柱花草品种间体内磷含量并无明显差异，表明柱花草不同品种对低磷或高磷供应的适应能力并未体现在植株体内磷含量的差异上[7]。磷高效基因型品种(钩柱花草和GC1480)在不施磷肥处理下吸磷量显著高于磷低效和磷敏感基因型品种，说明吸磷量可作为柱花草适应低磷环境的重要指标之一。在不同磷水平处理下，磷高效基因型品种的磷利用效率均较高，且随着磷浓度的增加不同品种磷利用效率的变幅大小表现为：磷高效<磷低效<磷敏感，说明磷高效品种较耐低磷，这与不同品种生物量的变化是一致的。磷高效基因型柱花草品种的磷吸收效率和利用效率均高于磷低效基因型品种，表明磷高效基因型柱花草品种的磷吸收效率和利用效率均高于维持正常的磷代谢过程[7]。

表4 不同品种柱花草不同检测指标间的相关分析Table 4 Correlation analysis of different indexes of four Stylosanthes varieties

磷作为植物生长发育的必需元素之一，在人类赖以生存的生态系统中起着不可替代的作用，但磷素不足已成为限制目前世界农林业生产的重要因素[24]。植物在适应环境的长期进化过程中，形成了一系列适应性机制来应对低磷胁迫，如通过调控根系形态构型的改变，从而扩增根系与土壤的接触面积等[25]。本研究发现，随着磷胁迫程度的加重，磷高效和磷低效基因型品种的侧根数、主根长、根体积、根表面积和根活性面积均表现出增加的趋势，而根直径则减小，这与柯野等[26]、马若囡等[27]的研究结果一致。根体积是根系长度、直径、分枝多少的综合体现，在不同磷素水平条件下，各品种柱花草根体积均受到明显影响[20]，磷高效基因型品种根体积显著高于磷低效基因型品种柱花草，且在其他根构型指标上优于磷低效基因型品种，表明在低磷胁迫下，柱花草通过改变根系形态从而增大根系与环境的接触机会，促进根系活性吸收面积的增加，是柱花草适应低磷胁迫的普遍响应。通过对不同磷处理与各个根系指标间进行相关性分析可以看出，对于不同品种而言，各指标间的相关性表现也有所差异。因此，柱花草根系形态的改变是其适应低磷胁迫的重要机制。在磷胁迫下，柱花草可通过形态及生理等方面的变化来维持正常的生理过程，植株对缺磷的适应能力，在生产上为磷肥的施用和补给赢得了时间，也可短时间利用这种适应能力提高磷肥的利用率，但是生产中不能完全依赖这种适应，这种适应能力更不能代替施肥，环境一旦缺磷，仍要及时补给[28]。