低磷胁迫下不同大豆基因型磷效率的鉴定

张彦丽　邱甜　张鹤林　黄家兴　于水月　齐虹凌　张蕾　杨悦

摘要：为了筛选适应低磷土壤的磷高效大豆基因型及相关的筛选指标，通过大田试验和盆栽试验对黑龙江省40个大豆基因型的磷效率特性进行筛选与鉴定。结果表明，各大豆基因型根据作物养分效率和作物施肥的反应程度可划分为4种类型：磷低效低产、磷低效高产、磷高效高产和磷高效低产，各类型在大田试验中出现比例分别为37.5%、17.5%、35.0%和10.0%，在盆栽试验中出现比例分别为40.0%、12.5%、32.5%和15.0%。大豆基因型的耐低磷特性在不同年度间非常稳定。相关分析研究表明，单株荚数、单株粒数和地上部干质量与大豆的耐低磷特性密切相关。低磷胁迫下，可以通过大田试验与盆栽试验相结合的方法筛选出较稳定的磷高效基因型，同时可以把与耐低磷相关的农艺性状作为鉴定磷高效大豆基因型的筛选指标。

关键词：大豆；低磷胁迫；磷效率；农艺性状；筛选指标；大田试验；盆栽试验

中图分类号：S565.101文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）20-0101-06

磷是农业生产中非常重要的矿质营养元素，是不可再生的重要矿产资源。目前土壤严重缺磷已成为世界范围内的普遍问题，在全球13.19亿hm2农田土壤中，大约有2/5土壤处于严重缺磷的状态［1］，在中国1.07亿hm2的农田中约有2/3严重缺磷［2］。所谓缺磷是指土壤中全磷含量较高的情况下，土壤中的有效磷缺少。在酸性红黄壤与石灰性土壤中，全磷含量通常比有效磷高数百倍，所以绝大多数土壤均为“遗传学缺磷”而非“土壤学缺磷”［3-5］。传统农业通过施肥可以缓解缺磷现象，但由于磷在土壤中很容易被钙、镁、铁、铝等元素所固定，并转变为植物非常难利用的难溶态磷，降低了土壤中有效磷的含量，所以磷在生产当季利用率很低［6-7］。

基于生态环境与经济效益2个方面的考量，采用低投入高效率的方法来解决作物生长中的缺磷问题。许多科学研究已经证实，不同植物之间和同种植物的不同品种（系）间存在着较大的基因型差异，其中不同植物间的差异相当明显［8-10］，这就为培育和筛选磷高效植物基因型提供了大量的遗传资源。因此，充分发挥植物强大的自身潜力，通过筛选和利用磷高效的植物基因型来有效利用土壤中难溶态的磷元素资源，已成为近年来许多科学家亟待解决的问题［11］。研究表明，针对大部分农作物和蔬菜已筛选出一批优质、抵抗养分逆境胁迫较强的种质资源。到目前为止，针对大豆主产区，东北高寒地区主要栽培大豆基因型磷效率特性的筛选与鉴定研究报道较少，因此，本研究对黑龙江省推广面积较大的40份栽培大豆基因型的磷效率特性进行了筛选与鉴定，首先采用田间试验进行初筛，再通过盆栽全生育期试验进行复筛，即2步筛选法，观察不同磷效率大豆基因型的耐低磷特性在年度间的稳定性。最终筛选年度间稳定的磷高效大豆基因型，同时筛选出田间试验中与磷效率相关的农艺性状作为鉴定指标，为以后大豆育种和有关生理遗传机制的研究提供可靠材料和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究材料

选用黑龙江省推广面积较大的40个栽培大豆［Glycine max （L.） Merrill］基因型作为试验材料，代号及基因型见表1。试验材料由黑龙江省农业科学院大豆研究所和东北农业大学大豆研究所提供。

1.2 研究地点概况

田间试验地点在黑龙江省肇东市新城乡，耕作土壤为石灰性黑钙土，质地为壤土，前茬为粮食作物玉米。盆栽试验所用土取自黑龙江省肇东市新城乡耕作土壤，质地为壤土，取土深度为20 cm耕层。土壤理化性质见表2，测定方法参考《土壤农业化学分析方法》［12］，试验土壤全磷含量较高，而有效磷含量较低。

1.3 试验设计

田间试验于2020年在黑龙江省肇东市新城乡进行。试验共设高磷和低磷2个处理（表3），每个处理4次重复，行长1.5 m，宽70 cm，设保护行，每个重复内各材料种植10株，随机排列，试验期间进行常规管理，注意病虫害的防治，收获并进行考种，考察株高、节数、分枝数、单株荚数、每荚粒数、单株粒数、百粒质量、冠部干质量、根干质量和经济产量（籽粒产量）等指标。用经济产量作为判断磷效率的指标。

盆栽试验于2021年在牡丹江师范学院植物园进行。试验共设2个磷处理（表4），每个处理重复4次。将磷肥及其他肥料与过3 mm筛的风干土充分混匀，装入20 L的塑料桶中，每桶中播10粒饱满的种子。出苗10 d后间苗，每桶留下3株大小均匀一致的幼苗。收获、考种，考察性状与大田试验相同。

1.4 数据处理

本试验数据均用Excel 2021、DPS V19.05数据分析软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 高低磷处理下供试大豆产量的基因型差异

在田间试验和盆栽试验条件下，将40个大豆基因型在高低磷处理下的产量进行比较（图1和图2）。从表5可以看出，不同大豆基因型之间差异达到极显著水平（F田间=5.371**，F盆栽=9.134**）。低磷条件下产量的变异系数均较大（田间26.9%，盆栽20.9%），表明在这样的低磷条件下大豆磷效率的基因型差异可以表现出来，适合进行大豆磷效率的筛选。

2.2 大豆磷营养效率鉴定

植物的磷效率通常以低磷条件下的生物量、产量或磷素累积量为指标［13-15］。用经济产量（籽粒产量）作为判断磷效率的指标［15］，供试大豆的磷效率具有极显著的基因型差异（表5）。施磷肥能够增加大豆的籽粒产量，但不同基因型对供磷水平存在显著的基因型差异。Lynch根据植物养分效率和植物对磷肥水平反应程度分类标准，用经济产量作为磷效率指标，将供试大豆的磷效率和植物对施肥的反应分为4种不同类型［16］：Ⅰ 磷低效低产型（产量均分别低于其在高低磷处理下的平均值）；Ⅱ 磷低效高产型（产量在低磷处理下低于其平均值，但在高磷处理下高于平均值）；Ⅲ 磷高效高产型（高低磷处理下，产量均分别高于其平均值）；Ⅳ 磷高效低产型（在低磷处理下高于其平均值，但在高磷处理下低于平均值）［15，17］。其中，在大田试验中，Ⅰ类选出15个，占总数的37.5%，Ⅱ类选出7个，占总数的17.5%，Ⅲ类选出14个，占总数的35.0%，Ⅳ类选出4个，占总数的10.0%（图3-a）；在盆栽试验中，Ⅰ类选出16个，占总数的40.0%，Ⅱ类选出5个，占总数的12.5%，Ⅲ类选出13个，占总数的32.5%，Ⅳ类选出6个，占总数的15.0%（图3-b）。将大田試验鉴定结果与盆栽试验鉴定结果进行比较，可以选出在2年内磷效率类似的大豆基因型。

2.2.1 磷低效低产型 包括5个基因型，在低磷条件下产量水平较低，增加磷素的供应也不能大幅度提高产量，在实际生产中直接利用的意义不大，但是这一类型与磷高效高产类型形成鲜明的对照，可进行磷效率生理生化机制及遗传控制等对比试验。通过这方面的基础研究，可为作物的植物营养性状的遗传改良、获得综合性状优良的磷高效基因型提供理论依据。

2.2.2 磷低效高产型 包括2个基因型，在低磷条件下产量较低，但增加磷素的供应后产量提高幅度较大，在生产中仅适用于磷肥施用量高的地区。

2.2.3 磷高效高产型 包括9个基因型，既表现出对低磷土壤较强的适应性，在磷供应充足时又有较大的增产潜能，这是理想的植物类型，也是进行植物营养性状改良的理想目标，其中综合性状优良的既可以在缺磷地区直接用于生产，也可适用于磷肥施用量高的地区。

2.2.4 磷高效低产型 包括1个基因型，在低磷条件下可以获得较高的产量，表现出对低磷土壤较强的适应性，可作为植物营养性状改良的遗传资源加以利用，但是增加磷素的供应对其产量的提高较为有限，不适合直接用于高投入的生产系统，因此在生产上应用时，可适当降低磷肥的使用量，达到节肥的目的。

由于筛选的标准比较严格，因此这17个大豆基因型在2年内的产量潜力和磷效率是比较稳定的，并且是比较典型的基因型。其他基因型或者磷效率发生了改变，或者产量潜力发生了变化，表现不稳定。例如17号大豆基因型HH35在2年中的磷效率均较低，但是6号大豆基因型HN42在田间试验为低产基因型，在盆栽试验为高产基因型（表6）。

2.3 大豆磷效率年度间的稳定性

利用40个大豆基因型分析了其磷效率的年度间稳定性。比较同一基因型在田间试验、盆栽试验磷效率分类的变化，结果（表6）发现共有17个基因型的磷效率是稳定的，占供试基因型的42.5%，有17个基因型或者由高（低）效转变为低（高）效，或者由高（低）产转变为低（高）产，同样占供试基因型的42.5%，其余6个基因型的磷效率发生了很大变化，这6个基因型分别为DN43、HN42、HN46、HN44、HH32、JL28。对于DN43、HN42、HN46来说，在田间试验鉴定为磷低效低产基因型，盆栽试验鉴定为磷高效高产基因型。对于HN44、HH32、JL28来说，在田间试验鉴定为磷高效高产基因型，盆栽试验鉴定为磷低效低产基因型。总体来看，磷效率发生极端变化的可能性较小，占供试基因型的15.0%，可能是由试验过程中的偶然因素引起的。

表6还表明，在磷效率表现稳定的基因型（17个）中，磷高效高产型较多，有9个基因型，占总数的52.9%；磷低产低效型次之，有5个基因型，占29.4%；磷低效高产型和磷高效低产型最少，分别为2个基因型和1个基因型，分别占11.8%和5.9%。这表明磷高效高产基因型的年度稳定性最好，磷低效高产型和磷高效低产型的年度稳定性较差。

2.4 不同施磷条件下大豆植株农艺性状与磷效率（籽粒产量）的相关分析

将田间试验和盆栽试验最终筛选出的年度间较稳定的磷高效高产基因型和磷低效低产基因型（表6）进行农艺性状对比分析，以探讨大豆植株农艺性状与磷效率之间的关系。由表7可以看出，大豆的磷效率是受多个农艺性状影响的。在低磷条件下，从相关系数来看，单株荚数、单株粒数、每荚粒数和冠部干质量与籽粒产量相关极显著，根干质量与籽粒产量相关显著。在高磷条件下，节数和冠部干质量与籽粒产量相关显著，分枝数、单株荚数和单株粒数与籽粒产量相关达到极显著水平。可见，无论在高磷条件下还是在低磷条件下，单株荚数、单株粒数和冠部干质量与籽粒产量均具有显著或极显著的相关性，并且低磷条件下的相关系数均大于高磷条件，说明这3个农艺性状与大豆植株的磷营养特性密切相关，这可以作为“磷高效”大豆基因型田间试验鉴定的农艺性状指标。

3 讨论与结论

矿质养分基因型筛选最理想、最可靠的方法之一是全生育期田间试验［18］。在低养分有效性时，作物生长或产出的能力称之为效率，低养分有效性时，作物生长或产出量较高，称之为高效率，反之则为低效率［19］。根据磷高效的定义，作物的磷效率最终以产量（生物学产量和经济产量）决定，人们通常采用绝对指标（在一定的土壤养分条件下植物养分的吸收量或产量）或相对指标（在土壤养分胁迫条件下植物的养分吸收量或产量与其在土壤养分充足时的比例）作为磷效率的具体评价指标，但是在实际生产中，单独采用绝对指标或相对指标来评价植物的养分效率都不够完善，而将二者结合起来进行综合考虑才是比较严谨的［20-23］。本试验的初级鉴定是将绝对产量指标和相对产量指标结合起来综合评价大豆磷营养效率。通过盆栽试验进行大豆磷营养效率的再次鉴定，因为盆栽试验也是用于作物耐低磷营养特性快速鉴定的较好方法。盆栽试验设计在尽可能接近大豆田间的生长环境的同时，可以使土壤肥力、灌水达到均一，这样可以使大豆根系活化、有效利用土壤的磷素营养特性得到充分的表达。本试验结果表明，可以通过大田试验与盆栽试验相结合的方法筛选出较稳定的磷高效基因型，这与邢宏燕等的观点［24-25］相同。还有人提出小麦的大田筛选体系：第1步是农艺性状鉴定筛选，第2步是微区磷效率鉴定筛选，第3步是小区试验磷效率鉴定［26］。耐低磷大豆基因型的筛选采用全生育期田间试验可以进行鉴定。因此，筛选出简便、直观又可靠的全生长期鉴定指标极其重要。作物在低磷胁迫环境中，基因型的差异最终反映在生物学性状上。目前，关于植物耐低磷能力评价还没有统一的指标［14］。Courley等指出，对植物营养基因型的定义应以生物量为标准［27］。有人提出，株高、冠部和根部的干质量、鲜质量、植株全磷含量［28］、蒸腾速率、气孔导度、叶面积、茎粗和根体积是评价大豆苗期耐低磷性的筛选指标［29］。

对于大豆耐低磷能力的评价，有学者认为植物冠部干质量与磷效率相关性较高［30］，还有人认为应以植株的百粒质量和株高为标准［31］。本研究发现，单株荚数、单株粒数和冠部干质量与籽粒产量密切相关，因为大豆的磷效率受多个农艺性状影响，用单一的农艺性状作为衡量磷效率的指標是不适宜的，因此应该选用1个综合的指标来评价磷效率才是比较可靠的。

参考文献：

［1］Long L，Ma X，Ye L，et al. Root plasticity and Pi recycling within plants contribute to low-P tolerance in Tibetan wild barley［J］. BMC Plant Biology，2019，19（341）：2-13.

［2］杨明号，何 进，刘鸿雁. 大豆低磷适应策略研究进展［J］. 山地农业生物学报，2019，38（1）：68-73.

［3］曾维英，孙祖东，蔡昭艳，等. 不同大豆新品种苗期耐低磷的鉴定与筛选［J］. 广西农学报，2015，30（1）：14-17.

［4］Zhou T，Du Y，Ahmed S，et al. Genotypic differences in phosphorus efficiency and the performance of physiological characteristics in response to low phosphorus stress of soybean in southwest of China ［J］. Frontiers in Plant Science，2016，7：1776.

［5］张彦丽，谷思玉，曾祥书，等. 接菌壮秧剂对低磷土壤水稻秧苗生理生化特性的影响［J］. 西北植物学报，2007，27（10）：2059-2064.

［6］刘昭君，林 华，王义安，等. 磷肥种类对李氏禾富集铜、铬的影响及其生理响应［J］. 生态环境学报，2021，30（2）：412-419.

［7］张彦丽，谷思玉，许景钢. 不同施磷条件下大豆植株农艺性状与磷效率的关系［J］. 中国农学通报，2008，24（3）：142-146.

［8］Ceasar S A，Ramakrishnan M，Vinod K K，et al. Phenotypic responses of foxtail millet （Setaria italica） genotypes to phosphate supply under greenhouse and natural field conditions［J］. PLoS One，2020，6：1-25.

［9］陳雯彬，欧阳泽怡，欧阳硕龙，等. 低磷胁迫对植物生长及生理特性影响的研究进展［J］. 湖南林业科技，2020，47（3）：132-136，146.

［10］马 红，黎力乙，李 宁. 不同供磷水平对苜蓿生理特征和磷素营养的影响［J］. 中国草地学报，2021，43（8）：34-41.

［11］Lin Y，Chen G，Hu H，et al. Phenotypic and genetic variation in phosphorus-deficiency-tolerance traits in Chinese wheat landraces［J］. Plant Biology，2020，330（20）：2-9.

［12］鲁如坤. 土壤农业化学分析方法［M］. 北京：中国农业科学技术出版社，1999：13-165.

［13］Clark R B. Physiology of cereals for mineral nutrient uptake，use，and efficiency［M］//Baligar V C，Duncan R R. Crops as enhancers of nutrient use. San Diego：Academic Press，1990：131-209.

［14］严小龙，张福锁. 植物营养遗传学［M］. 北京：中国农业出版社，1996：80-118.

［15］赵 静，付家兵，廖 红，等. 大豆磷效率应用核心种质的根构型性状评价［J］. 科学通报，2004（13）：1249-1257.

［16］Lynch J. The role of nutrient-efficient crops in modern agriculture［J］. Journal of Crop Production，1998，1（2）：241-264.

［17］刘 灵. 大豆根形态构型对磷效率的影响及其与菌根的相互作用［D］. 广州：华南农业大学，2006.

［18］Gerloff G C. Intact-plant screening for tolerance of nutrient-deficiency stress［J］. Plant and Soil，1987，99：3-15.

［19］徐青萍，罗超云，廖 红，等. 大豆不同品种对磷胁迫反应的研究［J］. 大豆科学，2003（2）：108-114.

［20］武海燕，李喜焕，李文龙，等. 大豆耐低磷性状鉴定及优异种质筛选［J］. 河南农业科学，2020，49（1）：61-67.

［21］贾绪存. 玉米侧根对低磷胁迫的响应及其生理生化机制［D］. 泰安：山东农业大学，2020.

［22］王 辉. 磷高效大豆品种的筛选及苗期鉴定方法［D］. 沈阳：沈阳农业大学，2020.

［23］徐彦红，李 斌，席 溢，等. 多花黑麦草对磷胁迫的响应及耐磷指标的筛选［J］. 江苏农业科学，2019，47（10）：176-180.

［24］邢宏燕，王二明，李 滨，等. 有效利用土壤磷的小麦种质筛选方法研究［J］. 作物学报，2000，26（6）：839-844.

［25］王 莉. 带状套作光环境对大豆根系生长及磷吸收的影响［D］. 雅安：四川农业大学，2020.

［26］李振声，朱兆良，章 申，等. 挖掘生物高效利用土壤养分潜力保持土壤环境良性循环［M］. 北京：中国农业大学出版社，2004：33-58.

［27］Gourley J P，Allan D L，Russelle M P. Plant nutrient efficiency：a comparison of definitions and suggested improvement［J］. Plant and Soil，1994，158：29-37.

［28］董秋平，趙 恢，张小芳，等. 低磷胁迫下不同野生大豆的形态和生理响应差异［J］. 江苏农业科学，2017，45（9）：79-83.

［29］王晶琴，石贵阳，杨松花，等. 不同基因型大豆苗期耐低磷性鉴定及指标筛选［J］. 福建农业学报，2022，37（6）：702-711.

［30］Beroueg A，Lecompte F，Mollier A，et al. Genetic variation in root architectural traits in lactuca their roles in increasing phosphorus-use-efficiency in response to low phosphorus availability ［J］. Frontiers in Plant Science，2021，12：1-13.

［31］柯 野，谢 璐，蓝 林，等. 低磷胁迫对甘蔗幼苗生长和生理特性的影响［J］. 江苏农业科学，2019，47（20）：114-118.

收稿日期：2023-01-17

基金项目：黑龙江省牡丹江市科技攻关项目（编号：G2015K1993、Z2015n0010）；牡丹江师范学院省级预研项目（编号：SY2014010）；牡丹江师范学院博士科研启动基金（编号：MSB200912）。

作者简介：邱 甜（1997—），女，黑龙江佳木斯人，硕士研究生，主要从事植物逆境生物学与植物营养学研究。E-mail：dinalili1228@163.com。

通信作者：张彦丽，博士，副教授，主要从事植物逆境生物学与植物营养学方面的研究。E-mail：swxzyl@126.com。