低磷胁迫下不同基因型棉花生理和形态的响应差异

原 梦， 赵峥艳， 李雪林， 张富厚， 刘逢举2， 孟超敏

(1.河南科技大学农学院， 河南 洛阳 471003；2.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室, 河南 安阳 455000)

磷是作物体内诸多重要化合物的重要组成成分之一，几乎所有重要化合物的合成代谢，例如核酸、核蛋白特别是磷脂等化合物的合成都离不开磷的参与[1]，同时这些化合物也是作物生长发育过程中不可缺少的营养成分，并且影响作物的产量及品质[2]。除此之外，细胞能量、呼吸和光合等代谢活动都需要磷的参与，磷对提高作物的抗旱能力、抗盐碱和抗寒等抗逆性方面都有着非常重要的作用[3]。在适宜供磷条件下，磷能够促进作物的正常生长发育、加速细胞的分裂与繁殖,有利于作物保持其遗传特征特性[4]。然而，我国磷矿资源有限，且磷肥施入土壤中极易被固定，土壤中被固定的磷元素无法被作物直接利用，导致我国磷肥利用率低[5]，间接增加了种植成本，降低了种植户的收入。新疆棉产区土壤对磷的长期固定能力强于我国一年两季小麦玉米轮作主产区土壤，在正常施肥的情况下土壤磷积累量逐年上升[6]。所以，解决磷肥利用或者提高作物磷利用效率成为解决这一问题的有效途径。

棉花作为我国最主要的经济作物之一，在国民经济及战略储备中都具有举足轻重的作用[7]。研究发现，植物处于低磷胁迫下会通过改变根系形态特征，提高根系的适应能力，增强根系的适应性反应来提高植株对磷吸收和利用的能力[8]。根系形态特征和根系适应能力的变化主要体现在植物的主根伸长、根轴变细、侧根明显增多等，显著提高根系的吸收能力[9-10]。研究表明，发掘作物自身磷营养高效吸收与利用的遗传潜力，改良作物磷营养性状已成为提高磷肥利用率的一条有效途径[11]。玉米水稻等都有较多可供参考的方法和测定指标，而棉花品种繁多，品种抗逆性单一，品种分布广泛，还尚未建立系统的评价方法和指标。因此，本实验选取了18个不同基因型品种棉花进行耐低磷能力测定，为磷高效利用育种和棉花对低磷胁迫的响应机制提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用从中国农业科学院棉花研究所和新疆石河子棉花研究所等单位收集到的18份不同基因型棉花品种作为试验材料，品种编号如表1所示。

表1 供试的18份不同基因型棉花品种

编号品种编号 品种编号 品种P1新陆早12P7中棉所42P13冀H170P2新陆早19P8苗宝21P14棉乡杂3号P3新陆早26P9鲁研棉28P15邯218P4新陆早32P10K215P16冀农大94-7P5中棉所32P11GK99P17奥试棉4406P6中棉所35P12冀航8P18鲁7619

1.2 试验方法

首先将种子绒毛褪去并冲洗干净，采用浸泡选种的方式选择饱满有活力的种子；将种子用水浸泡5 h后，置于培养皿中加少许蒸馏水放入29 ℃培养箱中催芽36 h；待种子露白或种根微微伸出时，挑选发芽一致的种子种入装有石英砂和蛭石的避光塑料盆中(培养盆为直径 20 cm×高 18 cm，共108个)每盆定植3棵棉苗，设3次重复，以Hoagland营养液和阿农微量元素为基液[12]，每盆加2.5 L营养液，每周加灌1次营养液；直至棉苗长出第4片真叶时做2个不同磷水平施肥处理：适磷 P(KH2PO41.00×10-3mol·L-1)处理和低磷 P 0(KH2PO40.01×10-3mol·L-1)处理。

第45天收获后，用自来水将取样棉苗的根系冲洗干净，再用去离子水冲洗1遍。将地上和地下两部分分开进行各个指标的测定。测定指标包括地上地下鲜重和干重、株高、叶总面积(叶面积换算法[13])、磷含量[14]、叶绿素含量[15]。

1.3 数据处理

棉花磷积累量=磷含量×棉花干物质质量；

棉花磷利用效率(%)=(棉株鲜重质量/全株磷积累量)×100%；

相对吸磷量(%)=(低磷处理棉株磷吸收量/适磷处理棉株磷吸收量)×100%。

变异系数(%)=(标准差/平均值)×100%；

数据处理采用 Excel 2016软件和SPSS Statistics软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同基因型棉花各项测定指标的差异分析

不同基因型棉花品种各项测定指标的方差分析表明，棉苗地上部鲜重、地上部干重、总干重、总叶面积、叶绿素含量这5个指标在不同磷处理水平和不同基因型品种间均表现出极显著差异；磷利用率在品种间表现出极显著差异，而在处理间无明显差异；而株高和根冠比2个指标在浓度和品种间无显著差异。因此，可以将棉苗地上部鲜重、总叶面积、叶绿素含量、地上部干重、总干重和磷利用率这6个指标作为耐低磷品种筛选的有效指标并进行下一步分析。

2.2 棉苗低磷胁迫处理差异显著相关性状的基因型变异分析

变异系数(标准差/平均值)能准时反映数据离散程度的绝对值，对棉苗低磷处理差异显著的测定指标的相关性状进行基因型变异分析(如图1)，从图1中可以看出，棉苗的各个性状指标在不同磷浓度处理间均表现出品种间变异，而且各个性状的变异幅度相差较大。高磷处理时，棉苗各性状变异系数的大小顺序为：磷利用率>总干重>地上部干物重>叶绿素含量>地上部鲜重>总叶面积；低磷处理时，棉苗各性状变异系数的大小顺序为：磷利用率>地上部干重>总干重>总叶面积>地上部鲜重>叶绿素含量。

表2 不同基因型棉花各项测定指标的方差分析

差异源总叶面积 叶绿素含量 地上部鲜重 地上部干重 总干重 磷利用率 株高根冠比品种间8.26E-09∗∗2.76E-06∗∗0.00001∗∗1.91E-09∗∗2.94E-09∗∗3.840E-08∗∗0.1240.752处理间1.29E-16∗∗0.00120∗∗1.54E-11∗∗2.11E-06∗∗0.00001∗∗0.510230.7670.002

注：“*”表示显著差异;“**”表示极显著差异。

表3 棉花苗期耐低磷各筛选指标的相关性

总叶面积叶绿素含量地上部鲜重地上部干重总干重磷利用率总叶面积1.000叶绿素含量-0.1551.000地上部鲜重0.602-0.2411.000地上部干重0.670-0.0620.7091.000总干重0.571-0.1180.7060.894∗1.000磷利用率-0.103-0.3650.0170.1250.2351.000

注：R0.05.4=0.811；R0.01.4=0.917。

棉苗各性状相对值变异系数比较结果如图2。各性状相对变异系数的大小顺序为：总叶面积>地上部干重>总干重>地上部鲜重>叶绿素含量>磷利用率。表明低磷胁迫条件下总叶面积及地上部鲜重表现出较好的适应性，而磷利用率及叶绿素含量的变化较小。验证了磷素对植物的生长特别是干物质重量有极大的促进作用。

2.3 棉花耐低磷适宜筛选指标相关性分析

对耐低磷品种筛选的有效指标的相对值进行相关性分析，结果如表3所示。

由表3可以看出，地上部干重与总干重呈现出显著正相关关系，相对叶绿素含量与其它所有指标均呈现负相关关系，磷利用率与总叶面积存在负相关关系，其余指标间则存在正相关关系，进而可以说明相对叶绿素含量越低反而品种的耐低磷能力越强，抗逆性越好。

图2 棉苗各测定性状相对值(低磷/适磷)的基因型变异

2.4 各测定指标的相对值表现

相对值是指不同基因型棉花品种在不同磷浓度处理下的指标比值(低磷/适磷比值)，18个不同基因型棉花品种在株高、叶面积、地上地下鲜干重、以及根冠比、含磷量和磷利用率等测定指标上的相对值见图3和图4。结果表明，新陆早12、新陆早19、新陆早32、中棉所32和中棉所42等棉花品种的叶绿素含量和叶面积相对值小于1，其它各指标的相对值均大于1，说明这5个棉花品种在低磷条件下有较好的生长潜力；而对于K 215和邯218两个棉花品种，只有叶绿素含量的相对值大于1，其它各项指标的相对值均小于1，说明这些品种只能在供磷充足时能够正常生长；相比其它品种，中棉所32、新陆早32和苗宝21相对干物质较高，变幅为0.99～1.27，表明在低磷胁迫下，这些品种依然能合成较多的干物质，并且对低磷也有较强的耐受能力。同时还发现，其它的棉花品种的测定指标相对值方面没有表现相对的一致性，而是呈现较复杂的状态，不属于上述的2种类型。

图3 棉苗叶指标性状相对值(低磷/适磷)

图4 棉苗重量性状相对值(低磷/适磷)

2.5 各测定指标的聚类分析

依据棉苗总叶面积、叶绿素含量、鲜重、干重、磷含量及磷利用率等测定指标，对供试的18个不同基因型棉花品种进行聚类分析，结果如图5。这些品种在不同磷浓度处理下，主要分为3类：第一类主要有新陆早12号、中棉所42号、新陆早19号和鲁研棉28号等4个品种，它们在低磷处理和高磷处理的比较试验中，所测定的指标综合表现良好，能够很好的适应低磷胁迫条件，属于耐低磷品种；第二类是新陆早32号、中棉所35号、苗宝21号、棉乡杂3号、奥试棉4406、鲁7619和中棉所32号等7个品种，它们在低磷胁迫条件下，各项指标表现一般，属于耐低磷品种的中间类型；第三类是新陆早26号、K 215、GK 99、冀航8、冀H 170、邯218和(冀)农大94-7等7个品种，它们在受到低磷胁迫时表现较差，属于非耐低磷型品种。

图5 18个不同基因型棉花品种测定指标的聚类分析

3 结论与讨论

对棉花现有种质资源进行低磷处理，探究其耐低磷能力，对培育磷高效基因型品种具有辅助筛选作用。而棉花品种繁多，对其进行耐低磷处理工作量繁重。目前已有学者对部分棉花品种进行了耐低磷研究，本实验选取了典型品种新陆早19以及还未进行过耐低磷试验的十几个品种，填补了耐低磷品种试验的部分空白。新陆早19的耐低磷表现也与李卫华等[16]的研究结果一致。

目前实验中应用较多的是土培和水培，一般认为土培最接近于作物生长的真实环境，实验结果较为准确，对实际大田种植更有参考价值。但水培实验操作繁琐、工作量大，本实验采用蛭石与沙混合物为种植基质，浇灌营养液的方式，结合土培和水培的优点，降低成本简化实验方法，便于对更多的种质资源进行耐低磷能力进行评估，为棉花耐低磷营养学的研究及磷高效基因品种的选育提供理论基础，为种植区选择适应性品种和科学施肥提供实际指导意义。

根据本实验中不同磷处理水平下各个测定指标及数据处理得出以下结论:

1) 磷作为作物体内重要化合物的组成成分，一旦出现磷肥供应不足的情况，作物生长发育会受到严重制碍。本实验中低磷水平处理下的所有基因型品种的与生物量相关的重量指标(如地上部鲜重、地上部干重、总干重等和叶绿素含量、磷积累量)相较正常施肥均出现不同程度的降低，而根冠比却显著提高，并且耐低磷能力越好，根冠比差异越大。

2) 棉苗地上部鲜重、总叶面积、叶绿素含量、地上部干重、总干重5个指标在品种间及处理间均存在显著、极显著差异，且叶绿素含量与其余指标均存在负相关关系，与棉花的耐低磷能力紧密相关，可以作为棉花耐低磷品种筛选的指标，另外磷利用率用作参考指标还有待进一步验证。

3) 综合上述，棉花基因型品种不同，耐低磷能力强弱存在明显差异，耐低磷品种综合表现良好，可以初步确定新陆早12号、中棉所42号、新陆早19号和鲁研棉28号在苗期比其他品种有更好的耐低磷能力，能够作为耐低磷棉花品种育种种质资源，也能够为棉农选择适宜性品种提供参考依据。