施磷对苜蓿光合产物在根茎叶的分配及抗蓟马的影响*

胡桂馨，彭 然，崔晓宁，刘艳君，李亚姝，曾文芳

(甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心 兰州 730070)

磷是植物生长发育必需的营养元素之一，磷营养的丰缺直接影响植株正常的生长和繁育[1-2]。磷不仅是构成植物有机化合物的重要成分，还参与氮磷化合物的合成代谢、糖代谢、碳水有机物的转运以及作物的光合调节、信息传导等，对作物的生长发育、抗逆性和产量品质都有重要影响[3-4]。适量施用磷肥能提高植物各器官的干物质积累，有利于产量的形成[5]，而缺磷会显著降低植株对氮、钾的吸收效率[6]。磷素还会影响植物营养产物的分配。吴楚等[7]研究表明在磷胁迫条件下，水曲柳(Fraxinus mandchurica)幼苗的生物量分配倾向于地下部分，当磷元素充足时，生物量主要分配于地上部分。

紫花苜蓿(Medicago sativa)是世界上重要的饲料作物，在我国北方广大苜蓿种植区，紫花苜蓿受牛角花齿蓟马(Odontothrips loti)的危害严重，每年的受害面积在95%以上[8-9]。贺春贵等[10]、胡桂馨等[11-12]、寇江涛等[13-14]、马琳等[15]的研究，明确了苜蓿对蓟马的主要抗性机制为耐害性，其耐害机理主要为抗蓟马苜蓿的补偿光合、补偿生长能力和同化产物的分配利用率高。因此，提高苜蓿的光合能力及光合产物分配能力是提高苜蓿耐害性的关键。张晓燕等[16]的研究初步揭示了大田施磷可以促进苜蓿生长，进而提高苜蓿对蓟马的耐害性，但这种增强的耐害机理尚不清楚。

为此，本试验以西北地区广泛推广种植但对蓟马抗性较低的苜蓿品种‘甘农3 号’和抗蓟马苜蓿品种‘甘农9 号’为试验材料，在牛角花齿蓟马持续为害7 d、14 d 和21 d 后，评价不同施磷水平下苜蓿的受害程度，测定根、茎、叶生物量和碳水化合物含量，探索施磷后受蓟马为害苜蓿的光合产物在根、茎、叶间的分配方式，揭示磷元素与苜蓿光合产物分配及苜蓿耐蓟马为害之间关系，为大田苜蓿合理施肥、控制蓟马为害以及保证苜蓿产量和质量提供可利用的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试紫花苜蓿品种为抗虫品种‘甘农9 号’和感虫品种‘甘农3 号’。供试虫源为牛角花齿蓟马成虫。

1.2 试验设计

试验为室内盆栽设计。取大田土，自然风干，速效磷含量为4.2 mg·kg–1，称土、拌肥。磷肥设4 个水平，分别27 mg(P2O5)·kg–1(土)、54 mg(P2O5)·kg–1(土)、81 mg(P2O5)·kg–1(土)和108 mg(P2O5)·kg–1(土)，依次记为P1、P2、P3 和P4。另设一个不施磷肥的对照处理(P0)。5 个处理的N(尿素)、K(K2O)为同一水平，N 为44 mg·kg–1(土) ，K 为50 mg·kg–1(土)。试验采用高×直径为17 cm×12 cm 塑料杯，底部扎孔后装土，置于搪瓷托盘中，每处理每品种4 盘重复，置于温室内。于4 叶期间苗，选取长势一致的植株，每杯保留5 株。于苜蓿生长至6 叶期，按3 头·株–1接入大田采集的牛角花齿蓟马雌成虫，任其在苜蓿上取食为害，并分别于接虫后的7 d、14 d 和21 d 评价苜蓿的受害程度并测定根、茎、叶生物量和碳水化合物含量。

1.3 调查指标和调查方法

1.3.1 苜蓿受害指数

除去苜蓿上的蓟马，调查统计每株苜蓿所有叶片的受害级别。室内苜蓿受蓟马危害的叶片分级标准参照王茜[17]的方法，按下式计算受害指数：

1.3.2 苜蓿根、茎、叶干重和茎叶比

齐土剪断苜蓿的地上部分，进行茎、叶分离，筛出土中所有根系，用水漂洗干净并吸干根部表面水分，将苜蓿的根、茎、叶置于105℃烘箱中杀青15 min，然后在65℃烘箱中烘至恒重，分别称量干重。

1.3.3 苜蓿可溶性糖和淀粉含量

齐土剪断苜蓿的地上部分，进行茎、叶分离，筛出土中所有根系，用水漂洗干净并吸干根部表面水分，将根、茎、叶分别包于锡箔纸袋中，保存于-80℃冰箱中待测，可溶性糖和淀粉含量测定采用蒽酮比色法[18]。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0 软件对所测数据进行方差分析及相关性分析，单因素方差分析采用新复极差法，用平均值±标准误表示测定结果。采用Excel 2016 进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同磷水平下苜蓿的受害指数变化

由图1可知，受蓟马危害7 d 时，施磷处理苜蓿的受害指数均低于P0 水平，‘甘农3 号’的受害指数随施磷水平的增加呈先降后升的趋势，‘甘农9 号’的受害指数随施磷水平的增加而下降，但各施磷水平间的苜蓿受害指数无显著性差异，‘甘农3 号’最大降幅为15.32%，‘甘农9 号’最大降幅为20.21%。受害14 d 时，除P1 水平，两个苜蓿品种的受害指数随施磷水平的升高显著下降，趋势为先降后升，且均在P3 水平下受害指数最低，‘甘农 3 号’显著降低18.25%，‘甘农9 号’显著降低19.86%(P＜0.05)。受害21 d 时，所有磷水平处理中，两个品种苜蓿的受害指数均超过85%，‘甘农3 号’在P3 水平受害指数最低，较P0 水平显著降低9.58%，‘甘农9 号’在P2 水平受害指数最低，较 P0 水平显著下降 12.33% (P＜0.05)。随着受害时间的持续，‘甘农3 号’和‘甘农9 号’苜蓿的受害指数均明显升高。

图1 不同磷水平下牛角花齿蓟马为害7 d、14 d 和21 d 后苜蓿的受害指数Fig.1 Damage indexes of alfalfa infested by Odontothrips loti for 7 days，14 days and 21 days under different phosphorus levels

2.2 不同磷水平下受蓟马危害苜蓿单株根、茎和叶生物量的变化

由表1可知，苜蓿受蓟马危害7 d 时，‘甘农3 号’叶和茎生物量均在P2 水平最大，分别较P0 水平显著增加37.73%和55.26%；根的生物量在P3 水平最大，较P0 水平显著增加104.76%(P＜0.05)。‘甘农9 号’叶和茎在P3 水平下生物量最高，分别较P0 水平显著增加了67.64%和76.47%；根在P4 水平下生物量最高，较P0 水平显著增加85.71%(P＜0.05)。两个苜蓿品种的地上生物量均随施磷水平的升高显著增加，‘甘农3 号’和‘甘农9 号’分别在P2 和P3 水平达最大，分别较P0 水平显著增加40.42%和70.58%(P＜0.05)。施磷后，‘甘农3 号’茎叶比呈先升后降的趋势，在P3水平达最大；‘甘农9 号’茎叶比在P3 和P4 水平下高于P0 水平；同一磷水平下，‘甘农9 号’的茎叶比均小于‘甘农3 号’。

表1 不同磷水平下牛角花齿蓟马为害7 d、14 d 和21 d 后苜蓿单株根、茎和叶的生物量Table1 Biomass of alfalfa leaves，stems and roots infested by Odontothrips lotifor 7 days，14 days and 21 days under different phosphorus levels

苜蓿受蓟马危害14 d 时(表1)，‘甘农3 号’叶、茎和根的生物量均在P3 水平达最大，分别较P0 水平显著增加104.62%、153.19%和77.14%；地上生物量在 P3 水平达最大值，较 P0 水平显著增加125.00%(P＜0.05)。‘甘农9 号’叶、茎和根的生物量分别在P3、P3 和P4 水平达最大，分别比P0 水平显著增加119.76%、144.68%和190.00%；地上生物量在 P3 水平达最大值，较 P0 水平显著增加126.86%(P＜0.05)。施磷后，‘甘农3 号’(P1 水平除外)和‘甘农9 号’的茎叶比均显著高于P0 水平(P＜0.05)。

受蓟马危害21 d 时(表1)，随施磷水平的增加，‘甘农3 号’和‘甘农9 号’的茎和叶生物量呈先升高后降低的趋势，均在P3 水平下达最大值；施磷后根系的生物量均高于P0 水平，但无明显的变化趋势。与P0 水平相比，‘甘农3 号’叶、茎、根的最大生物量分别显著增加234.29%、162.79%和57.69%(P＜0.05)；地上生物量呈先升后降的趋势，在P3 水平达最大值，较P0 水平显著增加196.15%(P＜0.05)。‘甘农9号’叶、茎、根的最大生物量较P0 水平分别显著增加122.50%、31.81%和25.71%(P＜0.05)，地上生物量最高值较P0 水平显著增加73.81%。受害21 d 时，随施磷水平的增加，‘甘农3 号’和‘甘农9 号’的茎叶比均呈先降后升的趋势，分别在P2 和P3 水平最低。

2.3 不同磷水平下受蓟马危害苜蓿根、茎和叶生物量分配比例的变化

由图2可知，受蓟马危害7 d 时，‘甘农3 号’和‘甘农9 号’两个品种苜蓿根、茎和叶的生物量分配比例为叶＞茎＞根。随着磷水平增加，‘甘农3 号’叶片生物量占比由47.32%显著降至39.88%，根的占比由18.75%显著升至P3 水平的26.38%，茎占比为32.33%～35.11%，在P3 水平下最大，但与P0 水平差异不显著(P＞0.05)；‘甘农9 号’叶占比由52.31%降至47.29%，根占比由21.54%升至25.01%，茎占比为24.51%～27.04%，均在P4 水平下变化显著(P＜0.05)。受蓟马危害14 d 时，施磷后两个品种苜蓿生物量分配比例仍为叶片占比最大，相对于茎，根的生物量占比升高。随着施磷量的增加，‘甘农3 号’叶的生物量占比呈先降再升的趋势，均在P3 水平下最小，且与P0 水平差异显著(P＜0.05)；茎的生物量占比呈升高趋势，在P4 水平下最大；根占比则呈先升后降的趋势，在P2 水平下最大(P＜0.05)。‘甘农9号’叶占比呈下降趋势，在 P4 水平下最小，与 P0水平差异显著(P＜0.05)；茎的占比在 P1 水平下最大，显著高于 P0 水平；根的占比呈升高趋势，在P4 水平下最大，显著高于其他水平(P＜0.05)。受蓟马危害21 d 时，两个品种苜蓿根、茎和叶之间的生物量比例变为根的占比最大；随施磷量的增加，两个品种苜蓿的叶片生物量占比呈先升高后降低的趋势，在 P3 水平最大，且显著高于 P0 水平(P＜0.05)；根的生物量占比与叶呈相反的变化趋势，在P3 水平最低，显著低于P0 水平(P＜0.05)；茎的生物量占比呈先升后降的趋势，‘甘农3 号’在P3 水平最大，甘农9 号’在P2 水平最大但与P0 水平差异不显著。

图2 不同磷水平下牛角花齿蓟马为害7 d、14 d 和21 d 后苜蓿根、茎和叶的生物量分配比例Fig.2 Biomass proportions of roots，stems and leaves of alfalfa infested byOdontothrips lotifor 7，14 and 21 days under different phosphorus levels

在同一施磷水平下，随着受害时间的持续，叶生物量比例持续下降，而分配到根系中的生物量比例在持续增加，茎秆中分配的生物量比例也随之减少，但不明显。在蓟马为害前期(7 d)和中期(14 d)，分配到叶部的生物量比例明显高于茎和根的生物量比例，‘甘农9 号’叶部生物量分配的比例明显高于‘甘农3 号’，但茎中的分配比例相应低于‘甘农3 号’；在后期为害较重时(21 d)，分配到根系生物量明显高于叶和茎，‘甘农9 号’茎中的生物量分配比例明显低于‘甘农3 号’，但叶和根中的生物量分配比例总体上高于‘甘农3 号’。

2.4 不同磷水平下受蓟马危害苜蓿根、茎和叶中可溶性糖含量的变化

由图3可知，‘甘农3 号’和‘甘农9 号’两个苜蓿品种根、茎和叶中可溶性糖含量随磷水平升高而增加。受蓟马危害7 d 时，两个苜蓿品种根、茎和叶中可溶性糖含量均在P3 水平下最大；‘甘农3 号’根、茎和叶中的可溶性糖含量分别较P0 水平显著增加24.03%、31.20%和27.36%，‘甘农9 号’根、茎和叶中可溶性糖含量较P0 水平分别显著增加17.99%、17.80%和45.90%(P＜0.05)。受蓟马危害14 d 时，P3水平下‘甘农3 号’叶和茎中可溶性糖最高，与P0 水平相比分别显著增加43.51%和21.05%，根中可溶性糖含量在 P2 水平最高，较 P0 水平显著增加33.19%(P＜0.05)；‘甘农9 号’的根、茎和叶可溶性糖含量均在P2 水平最大，分别较P0 水平显著增加9.19%、10.42%和14.33%(P＜0.05)。受蓟马危害21 d时，‘甘农3 号’叶中可溶性糖含量在P2 水平最高，较P0 水平显著增加33.84%，茎和根中可溶性糖含量在P3 水 平分 别较 P0 显著 增加 21.23% 和76.92%(P＜0.05)；甘农9 号’叶、茎和根中可溶性糖含量均在 P3 水平最大，分别显著增加 42.95%、84.62%和11.45%(P＜0.05)。除受害21 d 时，‘甘农9号’茎中的可溶性糖在P0、P1 和P4 水平下降低外，各磷水平下，两个苜蓿品种根、茎和叶中的可溶性糖含量均随着受害时间的延长而增加。

图3 不同磷水平下牛角花齿蓟马为害7 d、14 d 和21 d 后苜蓿根、茎、叶中的可溶性糖含量Fig.3 Soluble sugar contents in roots，stems and leaves of alfalfa infested byOdontothrips lotifor 7，14 and 21 days under different phosphorus levels

2.5 不同磷水平下受蓟马危害苜蓿根、茎和叶中淀粉含量的变化

据图4可知，施磷后‘甘农3 号’和‘甘农9 号’两个苜蓿品种根、茎和叶中的淀粉含量增加。受蓟马危害7 d 时，‘甘农3 号’叶和根中淀粉含量在P2 水平达最大值，分别较 P0 水平显著增加 138.20%和47.07%；茎中的淀粉含量在P4 水平最高，较P0 水平显著增加104.88%(P＜0.05)。‘甘农9 号’叶中淀粉含量在P2 水平下最大，较P0 水平显著增加98.47%；茎中的淀粉含量在P4 水平最高，较P0 水平显著增加36.91%(P＜0.05)；根中淀粉含量在P3 水平下最高，较P0 水平显著增加45.25%(P＜0.05)。

受蓟马危害14 d 时，在P2 水平下，‘甘农3 号’叶和茎中淀粉含量达最大值，分别较P0 水平显著增加44.06%和20.32%(P＜0.05)；根中的淀粉含量在P3水平最高，较P0 水平显著增加42.99%(P＜0.05)。在P3 水平下，‘甘农9 号’叶、茎和根中淀粉含量均最大，分别较 P0 水平显著增加 30.67%、44.07%和17.93%(P＜0.05)。

受蓟马为害21 d 时，随施磷水平的升高，两个苜蓿品种叶、茎和根中的淀粉含量均呈现先升后降的趋势。‘甘农 3 号’叶和茎中的淀粉含量在P3 水平达最大值，分别较 P0 水平显著增加68.83%和28.16%；根中的淀粉含量在P2 水平达最大值，较P0 水平显著增加50.03%(P＜0.05)。‘甘农9 号’叶、茎和根中淀粉含量均在P3 水平下最高，分别较 P0 水平显著增加 137.48%、85.11%和89.75%(P＜0.05)。

从图4中可以发现，在各磷水平下，两个苜蓿品种茎中的淀粉含量随着蓟马为害时间的持续而下降，叶和根中的淀粉含量在为害7 d 时最高，14 d 时相对最低，为害21d 时又有所升高。

图4 不同磷水平下牛角花齿蓟马为害7 d、14 d 和21 d 后苜蓿根、茎、叶中的淀粉含量Fig.4 Starch contents in roots，stems and leaves of alfalfa infested byOdontothrips lotifor 7，14 and 21days under different phosphorus levels

3 讨论

植物耐虫性是植物凭借其生长、繁殖机能健壮，在受到与感虫品种上相同数量害虫的为害时，表现出具有忍受或补偿生长的能力[19]。本试验中，无论是受蓟马危害指数还是生长性能，抗虫苜蓿品种‘甘农9 号’的表现均好于感虫品种‘甘农3 号’，即‘甘农9 号’苜蓿的耐害性强于‘甘农3 号’。在施磷后，两个苜蓿品种的叶、茎和根生物量增加，受害指数降低，这与前人的研究结果一致[20]，也说明施磷增强了苜蓿对蓟马的耐害性。在苜蓿持续受蓟马危害21 d 后，苜蓿叶、茎和根的生物量较受害7 d 和14 d 时均显著下降，茎叶比显著升高，这是由于牛角花齿蓟马主要为害苜蓿的叶片[10]，而其持续为害打破了取食与苜蓿补偿生长之间的平衡，使苜蓿叶片大量损失，光合作用减弱，进而生物量积累显著减少；茎受蓟马取食为害较少，故受蓟马危害21 d 时苜蓿的茎/叶较受害14 d 时显著升高。植物是一个整体协调的生命系统，地上光合器官被过度为害后，必然影响光合产物的积累以及向根系运输，因此在持续受蓟马危害21 d 时，苜蓿整株的生物量均显著降低，这与张璐璐等[21]的研究结果一致。

植物通过调节各器官的生物量分配来响应外部环境条件的变化，以最大化地获取光、营养和水等受限资源[22]。植物资源分配格局在一定程度上能反映植物生长发育对环境的响应和适应[23]。研究表明，随着逆境程度的增加，生物量的资源分配表现为对根的分配增加，对茎、叶的分配减少[24-25]。植物在被害虫取食后，可以通过改变形态或生理特征、调节自身的生物量及能量分配等途径减轻损伤所带来的影响，从而实现补偿再生长[26]。胡桂馨等[27]的研究表明，蓟马低虫口压力下苜蓿的生物量更多分配到地上部分，而虫口压力过大时，同化生物量更多分配到根系，以避免蓟马的伤害或增强根系的功能，进而增强苜蓿对蓟马的耐受性。本试验中，随着受害时间的增加，苜蓿根系生物量占比显著升高，叶的生物量占比显著下降，这一点与前人的研究结果一致[25-27]。施肥会引起植物对空间与资源的竞争，导致植物各器官生物量分配比例的变化[22]。适量施磷能提高植物各器官的干物质积累[7]。本试验中，施磷后苜蓿叶、茎和根中的生物量均增加，在蓟马为害前期(7 d)和中期(14 d)苜蓿受害较轻时，施磷促进了生物量向叶部中分配，在受到持续较重的为害后(21 d)，施磷后苜蓿的生物量更多向根系分配，相应分配到叶部的生物量有所下降，茎秆中的生物量分配比例变化不显著。这说明虫害压力适中时，施磷更多促进了苜蓿叶片或地上部分的补偿生长，在虫害压力过大时，施磷促进了根系的生长以维持其生存。

光合产物在植物体内的合理分配是保证植物正常生命活动的基础。碳水化合物是植物光合作用的主要产物，其中非结构性碳水化合物是参与植物生命代谢的重要物质，主要包括可溶性糖和淀粉两大部分[28]。可溶性糖不仅是植物重要的能源物质，也是植物生长发育和受害后再生长的主要物质基础和能量来源[29]。在害虫取食为害不利条件下，植物有限的同化产物得到最大程度的分配利用是产生补偿现象的重要机制[30]。陈建明等[31]研究水稻(Oryza sativa)对白背飞虱(Sogatella furcifera)的耐虫性机理发现，耐害水稻品种受害后，光合产物向叶鞘、茎、分蘖和根等部位的转移量显著高于感虫品种。本试验中，随着受害时间和施磷量的增加，苜蓿根、茎、叶中可溶性糖含量均显著升高，施磷后苜蓿可溶性糖偏重于向叶和根中分配，这说明苜蓿受害后将较多的资源用于光合器官和贮藏器官的构建，进而提高了苜蓿对蓟马的耐害性。施磷对苜蓿叶、茎、根中淀粉的影响与可溶性糖相同，但随着受害时间的持续，根、茎和叶中的可溶性糖含量升高，而根、茎和叶中的淀粉含量总体下降，叶和根中的淀粉含量在受害中期(14 d)相对最低，说明受害后苜蓿将部分淀粉转化为可溶性糖用于自身的补偿生长，促进分枝和光合作用，进而弥补蓟马对自身的伤害。在各磷水平下，抗蓟马苜蓿‘甘农9 号’的叶片和根系中贮存的碳水化合物含量总体高于感蓟马苜蓿‘甘农3 号’。

4 结论

本研究中，施磷有效地提高了苜蓿对蓟马的抗性，尤其对感虫苜蓿品种‘甘农3 号’的抗蓟马增强效应更强；施磷后苜蓿叶、茎和根生物量显著增加，在虫害压力适中时，施磷促进了苜蓿地上部分的补偿生长，虫害压力较大时，施磷保证根系的生长以维持其生存；施磷后两个苜蓿品种根、茎和叶中的可溶性糖和淀粉含量均显著升高，但随着受害时间的持续，苜蓿存贮型碳水化合物淀粉的含量趋向减少，使根、茎和叶中的可溶性糖含量升高，施磷苜蓿在受害后将较多的资源用于光合器官和贮藏器官的构建，以产生更强的补偿生长能力和维持苜蓿的生存。在P3 水平下，即81 mg(P2O5)⋅kg-1(土)水平下，两个苜蓿品种的抗蓟马表现最佳，当磷供应过量(P4水平)时，抑制苜蓿的同化物合成，苜蓿对蓟马的抗性降低。

本论文仅探讨了施磷后苜蓿光合产物分配与苜蓿耐害性的关系，施磷后苜蓿植株对矿质元素的吸收利用方面的影响有待于进一步研究，以期更深入地揭示磷元素—苜蓿—蓟马之间的互作关系。