磷水平对不同香稻品种苗期形态生理的影响

陈健晓，王小娟，屠乃美，王效宁，符策强，唐清杰，刘爱玉

(1.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128； 2.海南省农业科学院 蔬菜研究所，海南 海口 571100； 3.海南省农业科学院 粮食作物研究所，海南省农作物遗传育种重点实验室，海南 海口 571100)

磷是细胞质和细胞核的主要成分之一，直接参与水稻体内糖、蛋白质和脂肪的代谢。供磷不足会影响到水稻植株体内的能量代谢过程，抑制水稻的正常生长[1]。我国每年有75%化肥用于粮食生产，其中磷肥占20%左右，磷肥施入土壤后大部分容易被土壤固定，移动性差导致水稻磷肥的利用率只有15%～25%，并且农田土壤速效磷含量一直呈上升趋势，土壤速效磷含量在10～40 mg/kg的农田面积增加最多[2-3]。有研究表明，当土壤速效磷含量超过磷素环境警戒值(速效磷的含量在25～30 mg/kg)时，磷素将向水体释放，造成水体污染[4-6]。在海南有22.22%土壤磷素超过环境警戒值，且部分农户还在增施磷肥，造成磷肥利用率降低，阻碍农业高效健康发展[4]。利用作物耐低磷和高效吸收利用磷的基因资源，是提高作物磷吸收效率的有效手段[7]，也是合理利用磷素资源、减少环境污染的重要途径。

作物耐低磷和磷高效有2种情况，一种是低磷条件下，能够吸收较多磷，即吸磷能力强；另一种是吸收相同磷素，能够生产更多的干物质。磷高效品种比磷低效品种具有较强的干物质积累和磷素吸收能力[8-9]。有研究认为低磷条件下，整株磷累积量是评价水稻苗期磷效应高低的重要指标之一[10]。

前人有关磷对水稻的研究主要关注不同生育期、磷肥施用方式及不同磷肥施用量下，水稻适应性及磷吸收利用的特征，并且研究对象多为普通水稻[11-19]，对于香稻耐低磷性的相关研究报道较少。为此，本研究采用营养液培养方法，研究不同供磷水平下不同香稻品种在苗期叶绿素含量、磷素累积、根系抗氧化酶活性等生理指标影响，旨在对不同香稻品种苗期耐低磷性能进行初步的鉴定和形态生理基础指标分析评价，筛选出耐低磷性较强(磷高效)香稻品种并为香稻苗期的耐低磷性机理研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点与供试品种

试验于2018年11-12月在海南省农业科学院粮食作物研究所农作物遗传育种重点实验室(N20°0′45.79″，E110°21′39.75″)开展。供试水稻品种为绿金香、华香、美香占2号和海香占，其中美香占2号由广东省农业科学院水稻研究所提供，绿金香、华香和海香占由海南省农业科学院粮食作物研究所提供。

1.2 试验设计

选择饱满一致水稻种子，用多菌灵消毒液浸泡24 h，用自来水清洗后转移到培养皿中，放入智能人工气候箱(型号：RPX-3500C，宁波海曙赛实验仪器厂)进行黑暗30 ℃催芽，种子露白后，光照16 h/黑暗8 h，温度28 ℃，湿度85%，培养期间保证培养皿中一定量的水分，确保水稻正常生长。待秧苗长至三叶期后，挑选生长一致的幼苗移入有营养液的培养瓶(高12 cm，下底直径7 cm，中部直径10 cm，口径8 cm，瓶口里处挂有深3 cm筛子)中，每瓶12株，每个品种138瓶，瓶子用黑色塑料纸包裹，避免根系见光以及培养液中滋生绿藻，然后将培养瓶放置在实验室外阳台上，盖上有透明塑料薄膜的小拱棚(宽90 cm，高80 cm，长200 cm)，当温度低于15 ℃或者下雨时，将小拱棚两边薄膜盖上，起保温和防雨作用。在自然条件下培养5 d，秧苗适应水培条件后去除种子残留物，并用清水淋洗根部，转移到不同磷浓度培养液中培养中，不同磷浓度培养液是以水稻完全营养液为基础[18]，将磷的浓度设计为6个水平分别为31.00(P31)，8.00(P8)，2.00(P2)，0.50(P0.5)，0.25(P0.25)，0(P0)mg/L，水稻品种4水平分别为绿金香、华香、美香占2号和海香占，二因素试验，共24个处理，每个处理23瓶。培养期间每2 d 每瓶加入1 mL 3% H2O2，预防绿藻滋生，每4 d更换1次营养液，pH值控制在5.5～5.8，从转入不同磷浓度开始计天数，共培养35 d。

1.3 测定项目与方法

叶绿素含量动态的测定：从秧苗放入不同磷水平培养液开始，每7 d每个处理取3瓶，用叶绿素测定仪(型号：SPAD-502plus，浙江托普云农科技股份有限公司)在秧苗顶1全展叶片叶中部测定，连续测定10株后取平均值。

磷积累动态的测定：测定时间同上，每个处理取3瓶，每瓶秧苗用剪刀切断秧苗地上部和地下部(根系)，分开装袋，80 ℃烘至恒质量后称质量(干物质质量)，粉碎过筛，用钼锑钪比色法测定植株含磷量，磷含量×干质量为磷积累量[18]。

根冠比的测定：在秧苗培养35 d时，用烘干后秧苗地下部(根系)/地上部为根冠比。

根系不同酶活性和根系活力的测定：秧苗培养到28，35 d，每个处理取4瓶，选取秧苗根系，采用氯化硝基四氮蓝唑(NBT)光化还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性[18]、过氧化氢法测定过氧化氢酶(CAT)活性[18]、ATP酶试剂盒(南京建成科技有限公司)测定钠钾离子ATP酶(Na+K+-ATPase)的活性、氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定根系活力[18]。

根系形态指标的测定：秧苗培养到35 d，每个处理取3瓶，每瓶秧苗用剪刀切断水稻秧苗地上部和地下部(根系)，将完整根系冲洗干净，在根系扫描仪(Epson V700，China)上进行扫描，采用 WinRHIZO PRO 2012(Regent Instruments，Quebec，Canada)软件进行分析，获得总根长、总根系表面积、总根系体积、根系平均直径、总根尖数和直径0～0.5 mm 总根长。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0进行数据整理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 低磷胁迫对香稻苗期SPAD值的影响

由表1可知，各处理的SPAD值随着生育进程的推进而升高，至35 d时处理间差异均不显著，但在其他时间(7，14，21，28 d)，不同品种在各P浓度下SPAD值变化也有所不同。其中，绿金香在21 d时，P0的SPAD值显著低于P2、P8和P31，其中与P31 SPAD值差值最大(2.87)，28 d时P8 SPAD值最高，显著高于除P31外的其他P浓度处理；华香在21 d时，P0和P0.25 SPAD值显著高于P31，与其他处理差异不显著；美香占2号在7 d时，P0.5 SPAD值显著高于P2、P8和P31，14 d时，P0.25 SPAD值显著高于P2和P8，28 d时，P0与P0.25 SPAD值显著低于P0.5、P2、P8和P31；海香占在7 d时，P31 SPAD值显著高于P0.25、P2和P8，14 d时，P0、P0.25、P0.5和P31 SPAD值显著高于P2和P8，21 d时，P0.5 SPAD值与P0和P0.25 差异不显著，但显著高于P2、P8 和P31。

表1 低磷胁迫对香稻苗期SPAD值的影响Tab.1 Effects of low phosphorus stress on SPAD value of scented rice in seedlings

注：同列同品种不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。表2-5同。

Note： Different lowercase letters in the same column and variety indicate significant difference among different treatments at 0.05 level. The same as Tab.2-5.

2.2 低磷胁迫对香稻苗期根系不同酶的活性和根系活力的影响

如表2所示，低磷胁迫总体上能够显著降低水稻苗期的根系活力，但提高了钠钾离子ATP酶活性，同一香稻品种和磷浓度下，各处理随生育进程的推进，根系活力和钠钾离子ATP酶活性均有所提高，其中在35 d时，P0下绿金香的根系活力最高(529.84 μg/(g·h))，美香占2号钠钾离子ATP酶活性最高(68.97 μmol/(mg·h))。

不同时间内(28，35 d)，绿金香各P浓度处理间根系活力和钠钾离子ATP酶活性的差异表现基本一致，根系活力在P0.25与P0.5处理差异不显著，但其他处理间差异均显著，钠钾离子ATP酶活性在P0、P0.25和P0.5处理显著高于P2、P8和P31。华香在28 d时，根系活力在P0、P0.25和P0.5差异不显著，但与其他P浓度处理间差异均显著，钠钾离子ATP酶活性在P0显著高于P0.5和P2，三者及P0.25均显著高于P8和P31；美香占2号在28 d时，根系活力在P0与P0.25差异不显著，但均与其他P浓度处理差异显著，钠钾离子ATP酶活性在P0显著高于其他P浓度处理；海香占在28 d时，根系活力在P0.25与P0.5及P2与P8差异不显著，均与其他P浓度处理间差异显著，钠钾离子ATP酶活性在P0显著高于其他P浓度处理，且P0.25亦显著高于P2、P8和P31。在35 d时，绿金香、华香、美香占2号及海香占的根系活力随着P浓度的降低均呈下降趋势，且整体上各P浓度处理间差异均显著；华香钠钾离子ATP酶活性随着P浓度降低表现为先升高后降低再升高的趋势，呈“N”型，P31显著低于P0.5和P2，三者均显著低于其他3个P浓度处理，美香占2号钠钾离子ATP酶活性处理间差异与28 d一致，海香占钠钾离子ATP酶活性在P0与P0.25、P0.5与P2及P8与P31处理间差异不显著。

表2 低磷胁迫对香稻苗期根系活力和钠钾离ATP酶活性影响Tab.2 Effects of low phosphorus stress on root activity and Na+K+-ATPase activity of scented rice in seedlings

从表3可以看出，随磷浓度的降低，不同香稻品种根系SOD活性表现为先降低后升高再降低的趋势，呈倒“N”型，CAT活性在华香品种表现为先升高后降低的趋势，呈倒“V”型，其他香稻品种均表现为降低的趋势；在相同磷浓度下，SOD和CAT活性随水稻生育进程的推进而升高。

在相同时间(28 d或35 d)内，绿金香、华香和海香占SOD活性均在P8浓度时最低，而美香占2号在P0时最低，但与P8差异不显著。在相同时间内CAT活性除了华香在P2时最高外，其他香稻品种均在P31浓度下最高，但4个香稻品种的CAT活性最低均在P0，说明低磷胁迫会降低根系CAT活性。在35 d，P0时，华香根系SOD活性最高(240.39 U/g)，美香占2号根系SOD活性最低(172.45 U/g)，同时华香根系CAT活性最高(28.03 U/(g·min))，绿金香根系CAT活性最低(14.71 U/(g·min))。

表3 低磷胁迫对水稻根系抗氧化酶活性的影响Tab.3 Effects of low phosphorus stress on root antioxidant enzyme activities of scented rice in seedlings

2.3 低磷胁迫对香稻苗期磷的积累量的影响

相同时间内，香稻秧苗磷的积累量均随着P浓度的降低而降低，并且随着秧苗生育进程的推进，P0、P0.25和P0.5秧苗磷的积累量也随之降低，但P2、P8和P31秧苗磷的积累量增加，说明P2是本试验秧苗P积累的临界浓度，低于P2，秧苗随生育进程的推进P的积累量会降低，而高于或等于P2，P的积累量反而提高(表4)。

35 d时，绿金香和海香占磷的积累量在各P浓度处理间差异均显著；华香磷积累量在P0.25与P0.5差异不显著，其他P浓度处理差异均显著；美香占2号磷积累量在P0与P0.25差异不显著，均与其他P浓度处理差异显著。总之，在35 d，P0及P31处理，均以海香占磷积累量最低(0.88，13.16 mg/瓶)，而绿金香磷积累量最高(1.45，19.77 mg/瓶)，说明绿金香可能是耐低磷或磷高效品种，而海香占可能是磷低效品种。

2.4 低磷胁迫对香稻根系形态指标的影响

表5所示，香稻总根长、总根系表面积、总根体积、总根尖数和直径0～0.5 mm 总根长均随着P浓度的降低而降低；根冠比及根系平均直径的变化与品种有关。

表4 低磷胁迫对香稻磷的积累量的影响Tab.4 Effects of low phosphorus stress on P accumulation of scented rice in seedlings mg/瓶

表5 低磷胁迫对香稻根系形态指标的影响Tab.5 Effects of low phosphorus stress on root morphology of scented rice in seedlings

在总根长、总根尖数和直径0～0.5 mm总根长中，不同香稻品种，在不同磷浓度处理间整体上差异均显著，并且在P0浓度下，绿金香在根冠比、总根长、总根系表面积、总根体积、总根尖数和直径0～0.5 mm 总根长均比其他香稻品种高。绿金香根冠比随着P浓度的降低而升高，在P0、P0.25与P0.5及P0.5与P2处理间差异不显著，其他P浓度处理间差异均显著；总根系表面积在P0.25、P0.5和P2差异不显著，均与其他P浓度处理间差异均显著；总根体积除P0.25与P0.5差异不显著外其他P浓度处理间差异均显著；根系平均直径随磷浓度降低表现为先降低后升高再降低再升高的趋势，呈“W”型，P31最高(0.56 mm)，显著高于其他P浓度处理。华香根冠比随着P浓度的降低而升高，在P0、P0.25与P0.5及P8与P31处理间差异不显著，与其他P浓度处理差异均显著；总根系表面积除P0.25与P0.5差异不显著外其他P浓度处理间差异均显著；总根体积在P0.5与P0.25和P2差异不显著，而其他P浓度处理差异均显著；P0根系平均直径高(0.62 mm)，与其他处理差异显著。美香占2号根冠比随磷浓度的降低表现为先降低后升高再降低再升高的趋势，呈“W”型，P0.5和P2显著高于除P0外的其他P浓度处理；总根系表面积和总根系体积在P0最低，与其他P浓度处理差异显著；根系平均直径在P0.5最大(0.61 mm)，显著高于除P0.25外的其他P浓度处理。海香占根冠比随磷浓度的降低先降低后升高，呈“V”型，P0时最大(0.56)，与其他处理差异显著；总根系表面积在不同磷浓度处理间差异均显著；总根系体积除P0.5与P2差异不显著外其他磷浓度处理间差异均显著；根系平均直径在P0.5时最大(0.56 mm)，显著高于除P0外的其他P浓度处理。

3 讨论与结论

低磷胁迫能够影响水稻光合作用，主要是降低了净光合速率、蒸腾速率和气孔导度[11]。叶绿素是光合作用主要的组成部分，SPAD值与叶绿素含量呈显著正相关关系[19]。本研究结果显示，35 d时P31 SPAD 值整体上高于其他P浓度的SPAD 值，但处理间差异不显著，说明降低磷水平能够使水稻叶片中叶绿素含量降低，这与韩胜芳[19]的研究结果相符，但影响的效果较小。4个香稻品种中，35 d时P0浓度下绿金香SPAD值最高(34.58)，海香占SPAD值最低(31.12)，且SPAD值与磷积累量呈显著正相关关系(r=0.48，P<0.05)。

SOD和CAT均属于抗氧化酶，在逆境环境下SOD活性和CAT活性均降低，并且非耐冷水稻品种中，在一定磷素营养水平内，SOD活性和CAT活性随磷素营养水平的降低而降低[20]。本研究表明，SOD活性表现为随磷浓度的降低先降低后升高再降低的趋势，并且4个香稻品种均在P8时SOD活性最低，说明P8是敏感浓度，其对不同香稻品种SOD活性的作用机理有待进一步研究；CAT活性除华香外的其他品种均随磷浓度的降低而降低，但过高的磷浓度会降低华香品种的CAT活性，故华香品种在磷浓度高于P2时，CAT活性降低，而其他水稻品种均在P31时CAT活性最大，这可能是由于品种间复杂性和差异性导致P对CAT活性作用机制不一致。低磷胁迫能够显著降低根系活力[21]，与本试验结果基本相符。钠钾离子ATP酶是进行钠离子和钾离子之间交换专一酶，保持膜内高钾，膜外高钠的不均匀离子分布[22]。本试验中，低磷胁迫下香稻根系钠钾离子ATP酶活性反而提高，导致钠钾离子交换速率提高，而钾离子的积累能够增强水稻抗逆性，避免因根系氧化能力降低导致抗逆性下降。

根系是磷素吸收的唯一途径，根系的大小和分布决定磷积累量，同时也是造成水稻磷素吸收利用效率不同的重要原因[23-25]，并且水稻生育前期的磷积累量与水稻产量及磷利用效率密切相关，特别是水稻分蘖期磷的积累量是提高水稻产量关键[10]，同时低磷能显著增大水稻根冠比，改变根基的向地性，并且根表面积、根系总长与磷吸收量呈正相关[12，26-27]。本研究结果表明，低磷胁迫能影响香稻根冠比，但影响的效果与品种有关：低磷胁迫总体上能提高绿金香和华香的根冠比，提高根系总量，增大对磷元素的吸收，维持作物正常生长，与前人研究结果一致，但对美香占2号根冠比的影响，根冠比呈“W”型变化的趋势，而对海香占根冠比的影响，根冠比呈“V”型变化的趋势，说明低磷胁迫对香稻根冠比的影响存在品种的差异性；同时低磷胁迫能显著降低总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数和直径0～0.5 mm 总根长，从而造成磷的积累量显著降低，与前人研究结果一致。陈晨等[10]认为低磷条件下，整株磷累积量是评价水稻苗期磷高效重要指标之一。本试验中发现，在35 d时低磷浓度下，绿金香磷的积累量均高于其他品种，华香磷积累量高于美香占2号，海香占磷积累量低于其他品种，说明绿金香是耐低磷胁迫能力较强(磷高效)品种、海香占为耐低磷胁迫能力较差(磷低效)品种。

综上所述，绿金香的耐低磷胁迫能力较强，华香次之，接下来是美香占2号，海香占较低。