低磷诱导下沙棘根系形态构建和光合作用变化

杨 乐，张秀娟，吴 楚，涂 逸

(长江大学 园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

1 引言

磷在土壤中容易转化为不易被植物吸收的难溶性磷，导致磷在植物生长过程中利用率很低[1]，难以满足植物的需求。我国土壤普遍存在缺磷现象，如南方的赤红壤和酸性红壤存在缺磷现象[2]，北方山西省全省土壤也严重缺磷，影响作物的品质和产量[3]。磷在参与植物不同代谢的同时，也是植物体内多种物质的重要组成部分[4]。因此，探究高效利用磷的种植资源，发现其高效吸收磷的机制，对减少植物对化肥依赖的研究具有重要意义[5]。

磷是植物生长发育的必要元素之一，在整个生态系统中起不可替代的作用[6]。在我国1.38×108hm2的农田中，低磷土壤占我国总耕地面积约50%[7]。缺磷成为影响农林业高效生产的主要制约因素之一。施肥和土壤改良是传统农林经营中满足作物对磷需求的主要措施，但施磷肥对作物产量提高效果不明显，而且易造成严重的环境污染。近年来，种植磷利用率高的植物已取代传统的提高作物磷利用率的措施。在磷利用率不高的情况下，种植生长较好的作物，可以改善种植产量，同时减少施加磷肥带来的环境污染[8]。磷胁迫下高磷利用效率植物生长的机制之一，是通过改变根形态，使根系增长加快，侧根数量增多，促进光合作用产物从顶端向根的运输[6]。

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)属胡颓子科，是西藏荒漠化的防治树种，在我国西南、西北、华北等地区大量种植，具有生长快，耐干旱，耐贫瘠等特点[9]。沙棘果实含有丰富的维生素C、黄酮等益于人体健康的成分，具有增强人体免疫力，改善心血管疾病，延缓衰老等作用[10]。研究表明，植物的根系形态和光合作用是影响植物生长的两大重要因素，当外界对植物的供磷有限时，植物通过调节根系生长以获取磷素或改变磷的存在方式来维持植物对磷素的需求[11]。此外，磷与植物光合作用密切相关，直接影响果实的品质[12]。本研究旨在通过分析沙棘幼苗在低磷胁迫下生物量、根系形态、光合特性以及叶绿素荧光等参数的变化，研究沙棘幼苗根系在磷吸收和利用方面的优势作用，为农林生产中沙棘高效利用磷的研究提供参考。

2 材料和方法

2.1 试验材料

试验采用沙培盆栽，沙棘幼苗选择播种繁殖后生长一致的实生苗。

2.2 试验方法

试验于2019～2020年在长江大学园艺园林学院光照培养室进行。选取颗粒饱满，大小一致的沙棘种子，清水浸泡3 h后，种植在洗净的河沙中育苗，待发芽后移栽至直径8.8 cm，高17.8 cm的塑料盆中，移栽72盆，每盆1株沙棘幼苗。置于温度(25±2)℃，光照强度2000 Lx(12 h/d)，光照时间为12 h/d的培养室内。实验分为2组处理，每个处理36盆。采用MS营养液，以KH2PO4为磷源，设置正常磷HP(170 mg/L的KH2PO4)和低磷LP(0.68 mg/L的KH2PO4)两个处理。每周定时浇灌营养液一次，每盆每次浇30 mL。

2.3 生物量和根系形态参数测定

沙棘幼苗培养100 d后，从两个处理中分别选取8株代表性沙棘幼苗，从植株根结部位将沙棘幼苗分为地上和地下两部分，并称取鲜重。利用根系分析仪WinRHIZO扫描根系，计算总根长、根系表面积、分支数、根系投影面积等参数，并将沙棘根和茎置于100 ℃下烘干2h，称取干重，计算地上和地下部分的生物量。

2.4 光合特性和叶绿素荧光的测定

采用Li-6400便携式光合作用测量系统测定植株光合参数，选取长势一致，生长良好的3个叶片，每个处理重复8次，测定沙棘幼苗的净光合速率Pn和蒸腾速率Tr。将叶片进行30 min暗处理后，利用FS-3000便携脉冲调制式荧光仪测定叶绿素荧光参数，每个叶片测定3次，测得暗反应下叶绿素最小荧光Fo、最大荧光Fm以及PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm。然后开启活化光580 μmol/(m2·s)进行诱导荧光测试，每隔20 s开启1次饱和脉冲，测定光照条件下，实际光化学效率Y(Ⅱ)、光合电子传递速率ETR、光化学淬灭系数qP和非光化学淬灭系数NPQ。称取0.2 g新鲜植株叶片，每个处理8次重复，用95%丙酮研磨过滤，定容至25 mL，采用分光光度法测定叶绿素含量，计算每克叶片叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)[13]。

2.5 数据处理分析

使用Microsoft Excel对实验数据进行整理；采用Origin绘制柱状图。

3 结果与分析

3.1 低磷对沙棘幼苗生物量的影响

LP处理下，沙棘幼苗的生物量显著(P<0.05)低于HP处理下的幼苗(表1)。LP处理下，幼苗根系鲜重是HP的2倍；根冠比比HP处理下增加了45%。HP处理下，地上部分鲜重是LP处理下的2.56倍。由表1可见，低磷胁迫抑制沙棘幼苗地上部分的生长，促进地下部分的生长，具体表现在：根系鲜重提高了4.3倍，植株根冠比增加了45%。

表1 低磷对沙棘幼苗生物量的影响

3.2 低磷对沙棘幼苗根系形态的影响

植物的根系是应对外界胁迫最先做出反应的器官，磷素含量与沙棘幼苗根系具有密切联系(表2)沙棘根系长度随着供磷浓度的减少而增加，根冠比变化趋势一致，同化物分配方向的改变使沙棘幼苗根系能够适应低磷环境。因此，由表2可知，在LP处理下，沙棘幼苗的根系总长度是HP处理下根系总长度的1.18倍；LP处理下，沙棘幼苗的根系体积比HP处理下增加了13.9%。根系表面积和根尖数随着磷的缺乏分别增加了20%和17%。试验表明，低磷能促使沙棘幼苗根系伸长获取养分来缓解低磷胁迫对植株造成的影响。

表2 低磷对沙棘幼苗根系形态的影响

3.3 低磷对沙棘幼苗叶片光合参数的影响

低磷胁迫使沙棘幼苗叶片的光合性能降低(图1)，低磷胁迫使沙棘幼苗叶片Pn，Tr均呈现下降趋势；在LP处理下，光合速率比HP处理降低36%，蒸腾速率降低46%。图1显示表明，磷素的缺乏影响沙棘幼苗的光合作用，进而减缓了植株的生长速率。

3.4 低磷对沙棘幼苗叶绿素含量的影响

在LP处理下，沙棘幼苗叶绿素含量均低于HP处理下的沙棘幼苗(表3)；叶绿素a比HP处理降低了22%，叶绿素b降低了15%，叶绿素a+b降低了20%。表3表明，低鳞胁迫使沙棘幼苗叶绿素含量降低，减弱植株的光合作用，影响植株的生长发育。

图1 低磷对沙棘幼苗叶片光合参数的影响

表3 低磷对沙棘幼苗叶绿素含量的影响 mmol/L

3.5 低磷对沙棘幼苗叶绿素荧光的影响

叶绿素荧光是反映叶片光合生理状态的灵敏指标之一。由于低磷胁迫会降低沙棘幼苗叶肉细胞内的磷浓度，影响光合磷酸化水平，降低植物的光合速率，阻碍NADP+的再生循环，NADP+的供应不足会引起PSII功能减弱，表现为电子传递速率降低，非光化学淬灭系数增加。从表4可以看出：LP处理下，Fv/Fm比HP条件减少10%，由于Fv/Fm能够反映通过PSII的电子传递情况，因此，低磷胁迫下Fv/Fm下降表明PSII的潜在活性和原初光能转换效率减弱，光合电子传递速率ETR降低。实际光化学效率Y(Ⅱ) LP处理比HP处理降低7%；LP条件下，非光化学猝灭量子产量Y(NO)比HP处理下增加7%。此外，光化学猝灭系数qL大于HP处理下的植株；非光化学猝灭系数qN在LP处理下比HP处理下增加13%。

表4 低磷对沙棘叶绿素荧光参数的影响

4 讨论

根据前人研究发现，矿质元素缺乏时，植物会将更大比例的生物量分配给根系，改变地上部和地下部的生物量[14]。试验研究表明，沙棘幼苗由于磷的缺乏，地上部生物量减少70.1%；在低磷处理下，植物叶片对无机磷的利用增强，并将分配给根系的碳水化合物比例增大，根冠比提高[15]。本试验研究与以往研究结果一致，沙棘幼苗在低磷环境中，提高对无机磷的利用，地下部分碳水化合物比例增加，增加地下部分生物量，根冠比提高了14%，促使幼苗通过调整营养物质的分配适应低磷胁迫。

根系是植物吸收土壤中的营养物质的主要器官，根系表面积直接代表植株根系在土壤中的吸收面积，反应植物对营养物质的吸收能力。延长根系是适应低磷胁迫的一种策略，低磷处理诱导根系向地性变化和碳源的分配来影响根的构型，植物通过增加根系的长度和表面积，使植物在低磷条件下提高对磷的吸附效率。主要表现在根系长度和表面积的增加，从而提高植物的磷吸收率，满足自身需要[16]。研究表明，低磷诱导根系构型的变化主要受基因变化的调空，其中乙烯是重要的调节剂[17]。本试验中，低磷处理使沙棘幼苗根系表面积增加20%，提高了对磷素的吸收利用。根系的长度和根尖数能够直接反映根系的呼吸能力和代谢速率，根系长度的增强为地上部分的生长提供养料，提高地上部分生物量。魏孔亮等[18]研究发现，磷肥对橡胶幼苗的处理，使其根系伸长。本试验研究与魏孔亮等研究结果一致，沙棘幼苗的根系总长度增加了18%，增加了根系吸收磷的范围；根尖数增加了17%，提高了根系吸收营养的速率，最终促进沙棘幼苗在磷素缺乏的环境中生长。

光合作用、叶绿素含量和叶绿素荧光可以反映植物受胁迫后的光合能力。植株受低磷胁迫影响，光合速率降低，阻碍1，1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)的再生，叶绿素含量减少，植株碳水化合物的合成受到阻碍，地上部分的生长受到抑制[19]。曹翠玲等[20]研究发现在低磷处理下，豇豆叶片光合速率降低30%，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量均低于正常磷处理下的植株。本文试验研究结果与曹翠玲等的研究一致，沙棘幼苗叶片的光合速率随供磷的缺乏下降36%，光合速率和呼吸速率减弱使植株生长缓慢；叶绿素a，叶绿素b，叶绿素总量也分别下降22%，15%，20%，反应了低磷胁迫使植株光合作用减弱。磷素的缺乏影响沙棘幼苗叶绿体的光能利用和转化，沙棘幼苗叶片PSII过度还原，PSII关闭程度增加，导致光能转换和电子传递效率下降，本试验研究结果也表明Fv/Fm下降，表明PSII的光能转换和电子传递效率降低。

本文通过对沙棘幼苗进行低磷胁迫试验，分析了沙棘的根系形态和光合特性，研究了在低磷条件下，沙棘生物量、根系构型、光合参数和叶绿素荧光等参数的变化。综合本试验对沙棘幼苗的研究，与刘海涛[21]对玉米的研究结果一致，低磷胁迫抑制植株地上部生长，促进根系生长。在未来的研究中，可以对幼苗在低磷条件下的激素含量进行测定并进行转录组测序，进一步研究低磷条件下幼苗主根伸长与内源激素含量及基因表达的关系[16]。后期可以通过对根系活力、有机酸分泌、POD、SOD、相对电导率等参数的测定，进一步研究沙棘幼苗通过自身生长调节应对低磷胁迫的作用机制。