王婧月，胡德益，孫 娟，唐曉燕，陳光登

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川成都 611130)

大麥?zhǔn)俏覈?guó)第四大糧食作物，也是啤酒與飼料工業(yè)的主要原料，在飼料、食品、啤酒、醫(yī)藥和食用保健品中都有著重要用途[1]。磷是大麥正常生長(zhǎng)所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，參與了大麥體內(nèi)眾多的生理生化過(guò)程。植物主要從土壤中汲取磷，而土壤中的有效磷含量較少[2-3]。因此，選育能高效利用土壤磷，且具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量性狀的大麥已成為當(dāng)代大麥育種工作者追求的目標(biāo)。株高是植物形態(tài)學(xué)調(diào)查工作中最基本的指標(biāo)之一，是反映植物生長(zhǎng)狀態(tài)最重要的性狀之一。有文獻(xiàn)認(rèn)為，作物株高與磷效率之間可能存在一定的關(guān)系[4]，但這僅僅是基于相關(guān)性分析的結(jié)果，還需要更多的系統(tǒng)性研究來(lái)驗(yàn)證。磷素利用效率是表征植物體內(nèi)磷分配的重要指標(biāo)，且作物的磷素利用效率又直接關(guān)系到產(chǎn)量性狀[5]。因此，改善作物磷素利用效率可起到增產(chǎn)的作用。影響磷素利用效率的因素有很多。研究表明，作物磷素的高效利用取決于其對(duì)體內(nèi)儲(chǔ)存的磷素轉(zhuǎn)運(yùn)、再利用能力的大小[6]。低磷脅迫下，油菜通過(guò)將代謝不活躍部位的磷素向活躍的代謝中心進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)提高對(duì)體內(nèi)磷素的再利用能力[7]。同時(shí)低磷脅迫也會(huì)刺激作物釋放其液泡內(nèi)的磷素來(lái)改善體內(nèi)缺磷的現(xiàn)象[8]。株高除影響水稻、小麥等作物磷素利用外[4,9]，也與作物產(chǎn)量及穗長(zhǎng)、芒長(zhǎng)等農(nóng)藝性狀具有極顯著的相關(guān)關(guān)系[10-12]。此外，磷對(duì)植物的株高也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。增施磷會(huì)提高小麥的株高[13]。因此，選育在不同磷水平下理想株高的大麥可增強(qiáng)作物的磷素利用效率及收獲指數(shù)，從而提高大麥產(chǎn)量[14]。近年來(lái)，雖然在作物磷效率機(jī)理方面的研究已取得一定進(jìn)展，但對(duì)磷效率與農(nóng)藝性狀，如磷效率與株高關(guān)系的研究還較少，尤其是作物形態(tài)學(xué)與磷效率之間關(guān)系的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究采用土培盆栽試驗(yàn)，分析不同施磷處理下大麥株高近等基因系磷素利用效率差異及農(nóng)藝性狀與磷素利用效率相關(guān)關(guān)系，以期明確株高對(duì)大麥磷素利用效率的影響，為大麥磷高效育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為第四系近代河流沖積物發(fā)育而成的灰潮土，采自四川省成都市溫江區(qū)。其pH為8.05，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為15.99 g·kg-1、0.50 g·kg-1、68.07 mg·kg-1、7.74 mg·kg-1、84.05 mg·kg-1。

供試材料為大麥株高近等基因系4對(duì)，分別為NIL01(NIL01-D、NIL01-T)、NIL02(NIL02-D、NIL02-T)、NIL03(NIL03-D、NIL03-T)、NIL04(NIL04-D、NIL04-T)(其中D表示為矮稈，T表示為高稈)；NIL01及NIL02遺傳背景來(lái)自于TX9425/Gairdner，NIL03及NIL04來(lái)自于TX9425/Franklin，均由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院提供。供試肥料為尿素(含N 46%)、磷酸二氫鉀(含P2O552%，K2O 34%)和硫酸鉀(含K2O 54%)，均為分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

試驗(yàn)于2016-2017年在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研農(nóng)場(chǎng)有防雨設(shè)施的網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行，采用土培盆栽試驗(yàn)(盆下徑直徑為28 cm，每盆裝5 kg風(fēng)干土)，設(shè)置不施磷(P0)和施磷(P2O560 mg·kg-1，P60)兩種處理，重復(fù)三次，完全隨機(jī)排列，N、K均按150 mg·kg-1土正常供應(yīng)。其中氮肥使用尿素，鉀肥使用K2SO4及KH2PO4，磷肥使用KH2PO4。每種基因型取20顆種子在10%H2O2溶液中消毒10 min，蒸餾水沖洗干凈后，于培養(yǎng)皿中催芽，待幼芽長(zhǎng)至1～2 cm后選取長(zhǎng)勢(shì)一致幼苗移栽于盆栽中。

1.3 樣品的采集與制備

于成熟期采樣，樣品用自來(lái)水洗凈后，再用去離子水潤(rùn)洗并將采集的樣品分為根、秸稈、穗，在105 ℃下殺青30 min，再將溫度降至75 ℃烘干至恒重，粉碎后備用。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

所測(cè)定農(nóng)藝性狀包括株高、穗長(zhǎng)、芒長(zhǎng)、干重等，均直接采用直尺及天平測(cè)量。植物樣品磷含量采用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

磷積累量=干重×磷含量

磷素利用效率=干重÷磷積累量

收獲指數(shù)(HI)=籽粒干重÷地上部干重×100%

磷收獲指數(shù)(PHI)=籽粒磷含量÷地上部磷含量×100%[13]

統(tǒng)計(jì)分析在DPS(7.05)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行，多重比較采用LSD法，圖表制作采用Origin 9.0和Microsoft Excel 2016。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷處理下大麥株高近等基因系農(nóng)藝性狀差異

施磷處理下大麥近等基因系株高、單株產(chǎn)量、單株秸稈干重及收獲指數(shù)均較不施磷處理增高(表1)，說(shuō)明施磷對(duì)大麥的生長(zhǎng)和產(chǎn)量具有促進(jìn)作用。同時(shí)，兩種磷處理下，高稈大麥的株高、穗長(zhǎng)、芒長(zhǎng)、產(chǎn)量及收獲指數(shù)均顯著大于矮稈大麥，而其單株秸稈干重小于矮稈大麥，且在不施磷處理下這種差異全部達(dá)到了顯著水平。與不施磷處理相比，施磷后高稈大麥株高增加幅度小于矮稈大麥。

表1 不同施磷處理下大麥株高近等基因系農(nóng)藝性狀間的差異Table 1 Differences of the agronomic traits in plant height near-isogenic lines of barley under different phosphorus treatment

同列數(shù)值后不同小寫(xiě)字母表示同一施磷水平下相同背景不同株高基因型間差異顯著(P<0.05)。“*”表示同一基因型的不同施磷水平間差異顯著(P<0.05)。下表同。

Different letters following the values within the same column indicate significant differences between two genotypes with a same genetic background and same P level at 0.05 level.* indicates significant differences between two phosphorus levels within a same genotype at 0.05 level.The same in table 2.

2.2 大麥株高近等基因系各部位磷含量及磷積累量

施磷處理的大麥近等基因系秸稈、籽粒及根系磷含量和積累量均高于不施磷處理(圖1)，其中根系、秸稈和籽粒磷含量的增幅分別為15%～148%、43%～323%和7%～36%，磷積累量的增幅分別為41%～188%、81%～297%和10%～141%。不施磷處理下，高稈大麥的秸稈磷含量及磷積累量整體小于矮稈大麥，而其籽粒磷積累量整體大于矮稈大麥，最大增幅可達(dá)89.87%。值得注意的是，施磷處理下高稈大麥的秸稈磷含量較不施磷處理提高168%～323%，而矮稈大麥則提高43%～85%，說(shuō)明施磷對(duì)高稈大麥秸稈磷含量的促進(jìn)效應(yīng)明顯高于矮稈大麥。

圖柱上不同小寫(xiě)字母表示同一施磷水平下相同背景不同株高基因型間差異顯著(P<0.05)?！?”表示同一基因型間不同施磷水平間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

2.3 大麥株高近等基因系磷素利用效率特性

從圖2可知，在施磷處理下，大麥根系、秸稈及籽粒的磷素利用效率總體小于不施磷處理，其中根系和秸稈磷素利用效率的降幅分別為40%～88%和25%～68%，籽粒磷素利用效率除近等基因系NIL03-D外，其余等基因系降幅為72%～97%。與不施磷處理相比，施磷后矮稈大麥的秸稈磷素利用效率下降了32%～48%，而高稈大麥則下降了69%～75%。在不施磷處理下，高稈大麥的秸稈磷素利用效率整體上大于矮稈大麥，最高高出78.29%。施磷處理下高稈大麥的磷收獲指數(shù)小于不施磷處理，而矮稈大麥則表現(xiàn)相反。同時(shí)，不施磷處理下，高稈大麥的磷收獲指數(shù)大于矮稈大麥。

圖2 不同施磷處理下株高近等基因系磷素利用效率及磷收獲指數(shù)間的差異

2.4 大麥株高近等基因系農(nóng)藝性狀與磷素利用特性的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)性分析(表2)表明，在兩種磷處理下，大麥單株產(chǎn)量與籽粒磷積累都呈顯著正相關(guān)，而單株產(chǎn)量與根系磷積累呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)。有的相關(guān)關(guān)系受到施磷處理的影響。施磷處理下，株高、芒長(zhǎng)與籽粒磷含量，單株秸稈干重與磷收獲指數(shù)間均呈顯著正相關(guān)，而株高、芒長(zhǎng)與籽粒磷利用效率，芒長(zhǎng)與秸稈磷利用效率，收獲指數(shù)與根系磷積累量則均呈顯著負(fù)相關(guān)。不施磷處理下，株高、芒長(zhǎng)、穗長(zhǎng)與籽粒磷積累量，穗長(zhǎng)、單株產(chǎn)量、收獲指數(shù)與磷收獲指數(shù)，單株根系干重與籽粒磷利用效率，單株秸稈干重與秸稈磷含量，單株產(chǎn)量與根系磷利用效率均呈正相關(guān)；而株高、芒長(zhǎng)、穗長(zhǎng)、收獲指數(shù)與秸稈磷含量，單株根系干重與籽粒磷含量，單株產(chǎn)量與根系磷含量均呈負(fù)相關(guān)。

3 討 論

3.1 不同施磷處理下大麥近等基因系農(nóng)藝性狀差異

本研究對(duì)四對(duì)大麥近等基因系的株高、穗長(zhǎng)、芒長(zhǎng)、干重及收獲指數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明,在不同施磷處理下大麥近等基因系間都存在著差異。株高和穗長(zhǎng)是影響作物產(chǎn)量的兩個(gè)重要因素，選擇理想株高、穗長(zhǎng)及芒長(zhǎng)的品種將對(duì)作物的增產(chǎn)有著非常積極的意義[15-17]。本研究中，施磷能提高大麥的株高，對(duì)矮稈大麥的效應(yīng)大于高稈大麥，但對(duì)穗長(zhǎng)、芒長(zhǎng)的影響較小。高稈大麥的株高、穗長(zhǎng)、芒長(zhǎng)顯著大于矮稈大麥，這一研究結(jié)果與杜歡等[10]的相似。目前對(duì)于作物株高、穗長(zhǎng)及芒長(zhǎng)的研究已進(jìn)入分子水平[18-20]?？刂谱魑镏旮摺⑺腴L(zhǎng)、芒長(zhǎng)的基因位于同一條染色體上，這可能是造成以上結(jié)果的原因之一[21]。有研究發(fā)現(xiàn)，施磷能促進(jìn)大麥單株產(chǎn)量、秸稈干重及收獲指數(shù)的增加，而對(duì)根系干重的影響不明顯。造成這種現(xiàn)象的原因可能是不施磷處理下，低磷脅迫促進(jìn)大麥根系的伸長(zhǎng)，從而獲得更多的磷[22-23]。收獲指數(shù)對(duì)作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大[24]。本研究中，矮稈大麥單株秸稈干重及收獲指數(shù)大于高稈大麥，且差異在不施磷處理下都達(dá)到了顯著水平，與Manske等[9]在小麥中的研究結(jié)果一致，推測(cè)造成這種現(xiàn)象的原因是矮稈大麥具有更多的分蘗數(shù)或者更粗的莖稈[25-26]。

表2 不同施磷處理下株高大麥近等基因系農(nóng)藝性狀與磷效率間的相關(guān)關(guān)系Table 2 Relationship between agronomic traits and phosphorus efficiency in plant height near-isogenic lines of barley under different phosphorus treatments

*：P<0.05；**:P<0.01.

3.2 不同施磷處理下大麥近等基因系磷素利用特征

植物體內(nèi)磷含量與干重息息相關(guān)[27]，為獲得更高的產(chǎn)量，提高植物體內(nèi)磷含量是重要的措施之一。本研究結(jié)果顯示，大麥近等基因系根系、秸稈、籽粒磷含量及磷積累量整體表現(xiàn)為施磷處理高于不施磷處理；同時(shí)不施磷處理下，秸稈磷含量及磷積累量表現(xiàn)為矮稈大麥大于高稈大麥，而籽粒磷積累量則表現(xiàn)相反。此外，施磷下高稈和矮稈大麥秸稈磷含量分別增加了2.68～4.23和1.43～1.85倍。上述結(jié)果說(shuō)明，施磷能提高大麥體內(nèi)的磷含量及磷積累量，而高稈大麥秸稈磷含量的敏感度高于矮稈大麥，表明高稈大麥在低磷條件下?lián)碛懈训慕斩捔姿乩眯剩心芟蜃蚜７峙涓嗔姿氐臐摿?，從而更好地適應(yīng)低磷環(huán)境。

作物磷素的高效利用取決于其對(duì)體內(nèi)儲(chǔ)存的磷素轉(zhuǎn)運(yùn)、再利用能力的大小[28]，作物磷利用效率又是其產(chǎn)量的重要影響因素之一[29]。研究表明，作物磷利用效率受環(huán)境中的磷含量影響，低磷脅迫下，作物通過(guò)優(yōu)化磷素在各組織的分配比例或釋放液泡中儲(chǔ)存的磷使其生長(zhǎng)狀況更佳[8,30]。本研究也得出了相似的結(jié)果，不施磷處理下大麥各部位磷素利用效率普遍更高，證明植物受到低磷脅迫時(shí)，有更好的磷分配能力，從而使植物獲得更好的生長(zhǎng)及更高的產(chǎn)量[25,31]。同時(shí)不施磷處理下，高稈大麥磷收獲指數(shù)總體大于矮稈大麥，而施磷處理下表現(xiàn)相反，說(shuō)明施磷肥能促進(jìn)矮稈大麥體內(nèi)的磷向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，這與范霞等[32]對(duì)玉米氮收獲指數(shù)的研究結(jié)果相似。這一結(jié)果也間接說(shuō)明高稈大麥在低磷條件下具有更優(yōu)的磷分配能力，擁有更優(yōu)的磷素利用能力，從而獲得低磷下更優(yōu)的產(chǎn)量。而矮稈大麥的磷分配受低磷脅迫影響較高稈大麥更大。

3.3 大麥近等基因系農(nóng)藝性狀與磷素利用特征的相關(guān)性分析

冬小麥與春小麥的磷營(yíng)養(yǎng)效率與株高都有較為密切的關(guān)系[9,33]，同時(shí)株高也是玉米、大豆等磷效率的關(guān)鍵性因素[4,9,34]。而磷效率又包括磷吸收效率及磷利用效率[16]。有研究表明，在不同磷處理下，株高近等基因系中的矮稈小麥的單位根長(zhǎng)磷素吸收效率具有顯著的差異[35]，說(shuō)明了株高對(duì)作物磷素吸收效率的影響。但是關(guān)于株高對(duì)磷素利用效率是否存在影響，還值得我們做進(jìn)一步的探討。

本研究結(jié)果表明，不施磷處理下，高稈大麥(NIL01-T、NIL02-T、NIL03-T)的磷收獲指數(shù)顯著大于矮稈大麥。造成這種現(xiàn)象的原因是不施磷處理下高稈大麥籽粒磷積累量整體高于矮稈大麥，而其秸稈磷積累量顯著低于矮稈大麥。這種現(xiàn)象表明在低磷脅迫下高稈大麥較矮稈大麥能分配更多的磷素到籽粒中，而矮稈大麥體內(nèi)的磷素則更多的分配到秸稈中。同時(shí)通過(guò)相關(guān)關(guān)系分析也可以得到相似的結(jié)論，不施磷處理下，株高與磷收獲指數(shù)呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明高稈大麥在低磷脅迫下?lián)碛懈叩牧资斋@指數(shù)，所以當(dāng)大麥株高近等基因系體內(nèi)磷積累量相似時(shí)，高稈大麥能往籽粒中分配更多的磷，而籽粒磷積累又與產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，表明高稈大麥較矮稈大麥能在低磷脅迫下獲得更高的產(chǎn)量。同時(shí)在不施磷條件下，近等基因系秸稈磷素利用效率亦表現(xiàn)出高稈大麥大于矮稈大麥的趨勢(shì)。因此，在低磷下近等基因系中高稈大麥具有更好的磷分配比例和更高的磷利用效率，能更好地適應(yīng)低磷環(huán)境，矮稈大麥則在磷充足的環(huán)境中能獲得更多的分蘗優(yōu)勢(shì)[36]。

大麥磷素利用效率同時(shí)受到了株高及施磷處理的影響，其中施磷處理的影響較大，施磷促使大麥獲取更高的產(chǎn)量。相較于矮稈大麥，高稈大麥在低磷環(huán)境時(shí)具有更高的收獲指數(shù)及磷收獲指數(shù)，且高稈大麥?zhǔn)斋@指數(shù)及磷收獲指數(shù)受低磷脅迫的影響程度較矮稈大麥更弱，說(shuō)明高稈大麥具有更高的耐低磷特性。低磷條件下，高稈大麥能向籽粒中分配更多的磷素，減少產(chǎn)量損失。因此，高稈大麥具有更強(qiáng)的耐低磷特性，在缺磷土壤中選擇株高較高的大麥品種能獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，而在磷充足的環(huán)境中，矮稈大麥則更具優(yōu)勢(shì)。