2种雀稗属牧草对低磷胁迫的生长、生理应激响应

陈可可 黄莉娟 王普昶 赵丽丽 刘 芳

(1贵州大学动物科学学院草业科学系，贵州贵阳 550025；2贵州省草业研究所，贵州贵阳 550006；3 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550001)

磷是植物生长发育必需的大量元素之一，是多种重要大分子的组成部分，参与了植物光合作用、能量储存、信息传递、细胞分裂及增大等生理生化过程[1－3]。而我国60%以上土壤的有效磷缺乏[4]，施用磷肥虽能缓解土壤有效磷缺失，但磷在土壤中移动性较弱，容易被固定，极易与土壤颗粒和金属离子形成Fe3(PO4)2、AlPO4、Ca3(PO4)2等磷酸盐，不易被植物吸收，降低了土壤磷的吸收利用效率[5－7]。另外，过量施用磷肥也会造成土壤污染，水体富营养化等问题[8]。不同的植物对低磷的适应机制不尽相同，烟草(Nicotiana tabacum)[9]、紫花苜蓿(Medicago sativa)[10]、甘蔗(Saccharum officinarum)[11]等植物在低磷胁迫下，植物侧根、根毛、根长、根冠比增加，扩大了根覆盖面积，以促进对磷的吸收利用[9－10]；甘蔗在低磷胁迫下，植物表型指标(株高、叶宽、叶长、叶片数和生物量)降低，体内的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)活性显著增强，以降低植物体内因低磷胁迫产生的大量超氧自由基，提高了植物防御能力[9，11－12]；而玉米在低磷胁迫条件下则表现为植株生长缓慢，植株矮小，根系不发达，根体积下降[13]。低磷胁迫导致的植物生长发育减缓和生产力降低是目前生产实践面临的主要矛盾。因此，研究植物耐低磷机制，提高植物磷素吸收利用效率，对促进农业发展具有重要意义。

雀稗属(Paspalum)牧草为禾本科黍亚科多年生或一年生经济植物[14]，具有耐贫瘠、分蘖能力强、生长迅速、根系发达、适应性广、抗逆性强等优良特点[15－17]。其中宽叶雀稗(P.wettsteinii)和巴哈雀稗(P.notatum)常应用于放牧、水土保持、草地改良和草坪建植[18－19]，在贵州省大力发展畜牧业的过程中得到广泛种植和推广[20]。贵州省95%的地区县、市属于典型喀斯特地，区域石漠化问题严重，导致土壤有效磷含量低[21]，在生产中常常造成宽叶雀稗和巴哈雀稗受到低磷危害。而目前关于宽叶雀稗和巴哈雀稗的研究主要集中在种子萌发[22]、种子休眠机理及其破除方法[23]、种子萌发期抗旱性研究[24]等方面，耐低磷方面的研究较少。基于此，本研究采用砂培法，分析比较宽叶雀稗和巴哈雀稗耐低磷能力，揭示其适应低磷胁迫的形态及生理机制，以期为宽叶雀稗和巴哈雀稗在低磷条件下的种植生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用宽叶雀稗和巴哈雀稗种子均由贵州众智恒生态科技有限公司提供。

1.2 试验设计

挑选饱满健康的宽叶雀稗和巴哈雀稗种子，用75%乙醇消毒5 min 后用蒸馏水冲洗3 次[25]，放在含有2 层滤纸的培养皿中，每皿100 粒种子，每天浇2～3 mL 蒸馏水至种子表面湿润，置于培养箱内(温度25℃，湿度60%)萌发，将同期萌发生长的幼苗在第7天时转移到培养基质为石英砂的塑料桶(长×宽×高＝26 cm×12 cm×15 cm)中，用1/2 营养液培养15 d，再改换全营养液培养10 d。每桶22 株，待长到三叶一心时分别用2、20 和200 μmol·L－1(常磷)3 个磷浓度处理供试材料，其中宽叶雀稗3 个磷处理分别用Pw1、Pw2和Pw3表示，巴哈雀稗3 个磷处理分别用Pb1、Pb2和Pb3表示。每个处理重复3 次，每隔3 d 浇各磷梯度营养液(300 mL)。营养液为改良的Hoagland 与阿农微量元素混合液[26]，以KH2PO4为磷源，K＋浓度以K2SO4来平衡，用NaOH 和H2SO4调节营养液pH 值为6.2。分别在磷处理10、20、30 d 时测定2 种雀稗属牧草的各项指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 表型性状测定 分别在磷处理10、20、30 d 时用直尺测量2 种雀稗属牧草株高，用Epson Perfection V800 Photo(北京爱普生有限公司)扫描第二片叶，将扫描的图片用WinFOLIA Pro 2015 软件分析得到叶片形态(叶长、叶宽、叶周长及叶面积)。在磷处理30 d时利用Epson Perfection V800 Photo(北京爱普生有限公司)扫描根系，将扫描的图片用WinRHIZO Pro 2015软件分析得到根系形态(根长、根表面积、根体积、根尖数、根毛数量)。将植株地上部与根系分离，于105℃杀青30 min 后，65℃烘干至恒重，测各部分生物量。每个指标测量包括3 次重复，每次重复分别取6株宽叶雀稗和巴哈雀稗。

1.3.2 生理指标测定 叶片POD 活性采用活性愈创木酚法测定[27]；SOD 活性采用氮蓝四唑光还原法测定[27]；CAT 活性采用紫外分光光度法测定[27]。叶片和根部酸性磷酸酶(acid phosphatase，ACP)活性采用对硝基苯磷酸二钠法(叶饼法)测定[28]；电导率采用电导仪法测定，并计算相对电导率值[29]。

1.4 数据处理

通过Excel 2010 进行数据统计，采用SPSS 20.0 软件进行方差分析、多重比较，用SigmaPlot 14.0 制图。

2 结果与分析

2.1 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草株高及叶片形态的变化

图1表明，处理10、20 d 时，2 种雀稗属牧草的株高随磷处理浓度降低呈先上升后下降趋势；处理30 d时，宽叶雀稗的株高随磷处理浓度降低呈降低趋势，其中Pw3较Pw2显著提高31.88%，而巴哈雀稗的株高则随磷处理浓度降低呈显著降低趋势，其中Pb3分别较Pb2、Pb1显著提高9.21%、20.29%。

图1 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草株高及叶片形态Fig.1 Plant height and leaf morphology of two species of Paspalum forage under low phosphorus stress

不同低磷处理时间下，2 种雀稗属牧草的叶形态受到显著影响。处理10 d 和20 d 时，宽叶雀稗的叶面积随磷处理浓度降低呈先降低后上升趋势，而巴哈雀稗总体呈先上升后降低趋势；处理30 d 时，2 种雀稗属牧草的叶面积随磷处理浓度降低呈逐渐降低趋势，与Pw1、Pb1相比，Pw3、Pb3的叶面积分别显著提高19.44%、40.94%。处理20 d 时，2 种雀稗属牧草的叶宽各处理差异不显著；而在处理10 d 时巴哈雀稗的叶宽随磷处理浓度降低呈显著降低趋势；处理30 d 时，宽叶雀稗的叶宽随磷处理浓度降低呈上升趋势，其中Pw1较Pw3的叶宽显著提高32.24%，而巴哈雀稗却相反，其中Pb3较Pb1显著提高84.62%。处理10、20 d 时，2 种雀稗属牧草的叶长在各磷水平处理间均差异不显著；处理30 d 时，2 种雀稗属牧草的叶长随磷处理浓度降低呈下降趋势，其中Pb3较Pb1显著提高90.43%。处理10、20 d 时，2 种雀稗属牧草的叶周长在各磷水平处理间均差异不显著；处理30 d 时，宽叶雀稗的叶周长随磷处理浓度降低呈先升后降趋势，而巴哈雀稗随磷处理浓度降低呈降低趋势。

2.2 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草生物量及根冠比的变化

由图2可知，2 种雀稗属牧草的地上生物量随磷处理浓度降低呈降低趋势，与Pw1和Pb1相比，Pw3、Pb3分别显著提高41.67%、48.53%。2 种雀稗属牧草的单株生物量在各磷水平处理间差异均不显著。2 种雀稗属牧草的根干重、根冠比随磷处理浓度降低呈上升趋势，均在2 μmol·L－1磷(Pw1和Pb1)处理时最大，显著高于常磷(Pw3和Pb3)处理。

图2 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草的生物量及根冠比Fig.2 Biomass and root shoot ratio of two species of Paspalum forage under low phosphorus stress

2.3 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草根系形态的变化

由图3可知，2 种雀稗属牧草的总根长、根系体积、根尖数、根毛数量均随磷处理浓度降低呈先上升后下降趋势。宽叶雀稗的总根表面积和根系直径在各磷水平处理间差异不显著，而巴哈雀稗的总根表面积随磷处理浓度降低呈先上升后下降趋势。宽叶雀稗在Pw2的总根长、根尖数显著高于Pw3。巴哈雀稗在Pb2的总根长、总根表面积、根系体积、根尖数最大，与其他两处理间差异显著，但其根系直径、根毛数量在各处理间差异不显著。

图3 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草的根系形态Fig.3 Root morphology of two Paspalum grasses under low phosphorus stress

2.4 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草叶片SOD、POD、CAT、ACP 活性的变化

由图4可知，处理10、20、30 d 时，宽叶雀稗的SOD 活性随磷处理浓度降低呈上升趋势，其中Pw3最小，且与各处理间差异显著；而巴哈雀稗的SOD 活性随磷处理浓度降低呈先上升后下降趋势，Pb2显著高于Pb3、Pb1。处理10、20、30 d 时，2 种雀稗属牧草的POD活性随磷处理浓度降低呈上升趋势，在处理30 d 时，与Pw3、Pb3相比，Pw1、Pb1分别显著提高25.09%、63.94%。处理10、20、30 d 时，宽叶雀稗的CAT 活性随磷处理浓度降低呈上升趋势，且Pw3显著低于Pw1，而巴哈雀稗的CAT 活性随磷处理浓度降低呈先上升后下降趋势，Pb2显著高于Pb3、Pb1。在叶片ACP 活性中，处理10 d 时，2 种雀稗属牧草在各磷水平处理间差异均不显著；处理20 d 时，2 种雀稗属牧草的ACP 活性随着磷处理浓度降低呈先升高后降低趋势；处理30 d 时，宽叶雀稗的ACP 活性随磷处理浓度降低呈上升趋势，各处理间差异显著，而巴哈雀稗的ACP 活性随磷处理浓度降低呈先上升后下降趋势，其中Pb2较Pb3显著提高9.84%。

图4 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草叶片SOD、POD、CAT、ACP 活性Fig.4 SOD，POD，CAT and ACP activities of two Paspalum grasses under low phosphorus stress

2.5 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草相对电导率及根部ACP 的变化

由图5可知，2 种雀稗属牧草的根部相对电导率随磷处理浓度降低呈上升趋势，与Pw3、Pb3相比，Pw1、Pb1分别显著提高31.02%、22.09%。宽叶雀稗的叶片相对电导率随磷处理浓度降低呈上升趋势，Pw3显著低于其余各处理，而巴哈雀稗的叶片相对电导率随磷处理浓度降低呈先上升后下降趋势，Pb2显著高于其余各处理。宽叶雀稗的根部ACP 活性随磷处理浓度降低呈先上升后下降趋势，Pw3显著低于其余各处理，而巴哈雀稗的根部ACP 活性随磷处理浓度降低呈上升趋势，Pb1较Pb3显著提高31.44%。

图5 低磷胁迫下2 种雀稗属牧草相对电导率及根部ACP 活性Fig.5 Relative conductivity and root ACP activity of two Paspalum grasses under low phosphorus stress

3 讨论

植物在低磷环境下，其形态响应特征会因植物种类的不同而不同，植株地上部各形态指标直接反映了植株的生长状况及营养水平[30]。在低磷条件下会导致植物叶片光合产物优先分配到根系，加快根系的生长，增加根系生物量，同时相对抑制地上部生长，导致地上生物量降低[31]。前人对大麦及玉米的研究发现，在低磷条件下，植物体内碳水化合物合成及细胞分裂受阻，叶片扩展速率下降，从而导致植株变得矮小、叶面积下降，同时，为适应低磷胁迫植物根系形态会发生相应改变以提高养分吸收[10，32－34]。在本研究中，磷处理30 d 时，2 种雀稗属牧草的叶面积、叶长、地上生物量、单株生物量随磷处理浓度降低呈降低趋势，宽叶雀稗株高随磷处理浓度降低呈先下降后上升趋势，而巴哈雀稗则呈降低趋势，均在常磷处理时最大，2 种雀稗属牧草的根干重、根冠比随磷处理浓度降低呈上升趋势，而根尖数、总根长和根毛数量则呈先上升后下降趋势，均在常磷处理时(Pw3和Pb3)最小。说明低磷水平下，宽叶雀稗和巴哈雀稗将光合产物量优先分配给根系，促使地下根系生长，同时抑制了地上部的生长，这与李振松等[35]对紫花苜蓿的研究结果一致。此外，研究发现随着磷水平的降低2 种雀稗属牧草的部分形态指标表现不同，如株高、叶宽、叶面积、叶周长等呈不同变化趋势，宽叶雀稗叶长、总根表面积、根系体积等指标在各磷水平间差异不显著，巴哈雀稗的根毛数量在各磷水平间差异不显著。这可能是宽叶雀稗和巴哈雀稗间的种性差异造成其呈现出不同的低磷适应表型，说明宽叶雀稗耐低磷能力更强。

在逆境环境中，为了适应低磷环境，植物自身会形成一套适应机制[1]。在逆境条件下，植物体内会产生大量超氧自由基，从而使植物代谢氧失衡，造成植物氧化伤害，植物体内的保护酶(SOD、POD 和CAT 活性)系统在维持植物正常生理活动中起关键作用[36]。一般来说抗氧化酶活性越高，植物的应激能力越强，从而耐低磷能力越强[37]。本研究结果显示，随着磷处理时间的延长，2 种雀稗属牧草的SOD、POD 和CAT 活性均有增加趋势，这与乔光等[38]对马尾松的研究结果一致，也证明抗保护酶系统在宽叶雀稗和巴哈雀稗耐低磷中起关键作用。在2 μmol·L－1磷处理30 d 时，宽叶雀稗的CAT、SOD 活性较20 μmol·L－1磷处理有增加趋势，而巴哈雀稗却有降低趋势，宽叶雀稗的SOD、POD、CAT 活性均高于巴哈雀稗，表明宽叶雀稗耐低磷能力更强。

ACP 是植物生长过程中普遍存在的一种水解酶，可加快水解土壤有机磷，促进植物对磷的吸收利用[39－40]。在低磷环境下植物根系分泌的ACP 增加，促进了植物体内磷循环，以适应低磷胁迫[41]。本研究中，随着磷水平降低，处理30 d 时宽叶雀稗叶片的ACP 活性呈逐渐上升趋势，而巴哈雀稗呈先升高后降低趋势，宽叶雀稗根部的ACP 活性呈先升高后降低趋势，而巴哈雀稗呈逐渐上升趋势。虽然2 种雀稗属牧草存在这种变化差异，但整体上2 种雀稗属牧草的根部和叶片ACP 活性随着磷水平降低均表现出增加的趋势，这与李锋等[42]对水稻的研究结果一致。

电导率可以衡量植物的受害程度，在低磷胁迫条件下，植物细胞内环境被破坏，电解质外渗，导致相对电导率增加[43]。本研究中，在磷胁迫条件下，2 种雀稗属牧草的根部和叶片的相对电导率较常磷处理均显著增加；各部位相对电导率总体表现为随着磷水平的降低呈增加趋势，但巴哈雀稗在2 μmol·L－1磷水平叶片的相对电导率显著低于20 μmol·L－1磷处理，这可能是2 μmol·L－1磷条件下，巴哈雀稗较高的POD 活性有利于清除体内活性氧，减轻植物体受损伤程度，导致电解质外渗速率降低。说明随着磷水平的降低宽叶雀稗耐受害程度更高。

4 结论

在20 μmol·L－1低磷胁迫30 d 时，2 种雀稗属牧草通过降低地上生物量、株高、叶面积、叶长，增加根干重、根冠比、总根长、根尖数、根毛数量，同时也提高了保护酶(SOD、POD、CAT)活性，增强ACP 活性来适应低磷胁迫；当磷水平进一步降低至2 μmol·L－1时，宽叶雀稗的株高和POD、CAT、SOD 活性较20 μmol·L－1处理有增加趋势，而巴哈雀稗除POD 指标外，其他指标的变化均与宽叶雀稗相反，2 种雀稗属牧草在应对低磷胁迫时表现不同，宽叶雀稗的低磷适应能力高于巴哈雀稗。