甘蔗磷高效种质资源的筛选

郭家文，刀静梅，樊 仙，张跃彬，刘少春

(云南省农业科学院甘蔗研究所，云南省甘蔗遗传改良重点实验室，云南开远 661600)

磷是植物生长发育必需的大量营养元素之一，以多种方式参与植物体内各种化学过程，对促进植物的生长发育和新陈代谢起着非常重要的作用［1］。甘蔗是亚热带重要的糖料作物，对磷素的需求量较大，磷肥用量也大。热带亚热带蔗区绝大部分土壤为酸性红壤，土壤脱硅富铝、富铁化严重，磷很容易被土壤中的铁铝氧化物固定从而造成土壤有效磷缺乏和磷肥利用率低，因此磷素缺乏成为蔗区甘蔗生产的主要限制因子之一。大量研究证明，不同植物乃至同种植物的不同品种对磷肥的利用率存在显著差异［2－3］。关于作物磷高效基因型筛选方面的研究在水稻、小麦、玉米、花生、大豆、甜菜等作物上有较多的报道［1，4－9］。不同甘蔗对低磷胁迫和磷肥效应有显著的影响［10－13］。在前人研究的基础上，为进一步发掘耐低磷的甘蔗基因型，利用盆栽试验对国家甘蔗种质资源圃保育的35 份珍贵的甘蔗栽培原种进行耐低磷的鉴定，以筛选耐低磷种质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在云南省农业科学院甘蔗研究所实验温室中进行，供试的甘蔗种质材料为保存在国家甘蔗种质资源圃保育的原种，包括印度种(6 个)、热带种(21 个)、中国种(7 个)和果蔗(1 个)，共计35 份，详见表1。供试土壤为红壤，基本理化性状为:pH 7.59、有机质24.65 g·kg－1、全氮0.31 g·kg－1、全磷0.62 g·kg－1、全钾20.61 g·kg－1、碱解氮27.05 mg·kg－1、速效磷3.11 mg·kg－1、速效钾95.21 mg·kg－1。

表1 供试甘蔗栽培原种Tab.1 Original cultivated sugarcane varieties

1.2 试验设计

采用盆栽试验，盆钵为黑色塑料桶(桶高25 cm，上沿直径为25 cm，底面直径为23.9 cm)，每个桶内盛风干混匀的土壤10 kg，每桶种植3 棵单芽苗，出苗15 d 后间苗，留取生长一致的2 株。试验设高P和低P 两个处理，每个处理重复4 次，施N 肥为尿素，纯N 量为0.78 g·kg－1，钾肥为硫酸钾，施肥量为纯K2O 0.488 g·kg－1，P 肥为过磷酸钙，高P 处理为纯P2O50.75 g·kg－1，低P 处理纯P2O50 g·kg－1，施肥均在种植15 d 间苗后一次性施肥。

1.3 测定项目和方法

试验于2010 年2 月22 日种植，于甘蔗分蘖末期收获(2010 年6 月29 日)，甘蔗收获时分地上部分(茎叶)和地下部分(根系)收取，根系用水冲洗干净，地上部分和地下部分在105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，粉碎混匀后用于测定磷的含量。植株全磷含量采用钼锑抗比色法测定，方法详见《土壤农业化学分析方法》［14］。试验所得数据采用SPSS 7.0 软件进行统计分析。参照柏栋阴［15］和刘鸿雁［16］的方法对甘蔗进行耐低磷的评价，即耐低磷能力(Low P endurance，简称LPE):某个品种不施磷处理的产量(生物量)占该品种施磷处理生物量的百分数;品种适应性(Variety adaptability，VA):在不施磷处理下，某个品种产量比当年试验所有品种产量的平均值增减的百分数;综合力(Integrative index，II):生产量耐低磷力及其品种适应性两项指标的平均值;磷利用效率(P use efficency) =总生物量/植株磷吸收量。

2 结果与分析

2.1 不同施磷处理对甘蔗种质生物量的影响

从表2 表明，不同磷营养对不同甘蔗栽培原种分蘖数、干物质积累都有明显的影响。植株分蘖数不施磷处理在0～4 之间，施磷处理在0～10 之间，施磷的分蘖数平均是不施磷的3 倍以上，分蘖数最多的是CO0017，不施磷为4 株，施磷为7 株，可见增施磷肥能够显著的增加缺磷甘蔗的分蘖，且不同的甘蔗分蘖率对磷的反应不一;除少数植株外，低磷处理地上部和地下部干物质积累量均低于高磷处理的植株，地上部干质量、地下部干质量和整株干质量施磷处理是不施磷处理平均的1.4 倍、1.2 倍和1.3 倍。地上部干质量，缺磷条件下最高的是AO0005，为107.0 g，施磷最高也是AO0005，为100.3 g，缺磷条件下最低的是AO0113，为28.2 g，施磷最低的是AO0105，为30.4 g。地下部干质量，缺磷条件下最高的是AO0006，为16.9 g，施磷最高是AO0103，为20.3 g，缺磷最低的是AO0002，为3.4 g，施磷最低的是AO0002，为8.1 g。整株生物量，缺磷条件下最高的是AO0005，为116.7 g，施磷最高也是AO0005，为109.7 g，缺磷条件下最低的是AO0002，为34.8 g，施磷最低的是AO0105，为37.8 g。根冠比施磷处理平均比不施磷处理低20%，缺磷条件下最高的是AO0006 和AO0096，均为0.29，施磷最高是AO0113，为0.27，缺磷条件下最低的是AO0005，为0.09，施磷最低的也是AO0005，为0.09。由于原料甘蔗收获的是地上部的蔗茎，如果以地上部的干质量作为考察对象，可以得出AO0005 在施磷和不施磷都具有较高的生物产量和最低的根冠比，AO0113 缺磷条件下生物产量最低，施磷条件下AO0105 生物产量最低，施磷生物量增加最多的是A00113，施磷是不施磷的2.1 倍。以的整株生物产量为依据，对甘蔗种质进行评价，耐低磷能力最高的是AO0105，其比值为144.4%，耐低磷能力最低的是AO0002，其值为52.3%;品种适应性最好的是AO0010，其值为60.6%，最差的为AO0113，其值为－44.9%，综合力最好的是AO0010，其值为81.5%，综合力最低的是AO0113，其值为1.2%。在施磷和不施磷处理间进行t 检验，分蘖数的t值为－6.46，地上部干质量t 值为－10.26，根干质量t 值为－4.43，总生物量t 值为－9.74，都达到1%的极显著水平，说明供试的甘蔗原种分蘖数、生物产量在施磷和不施磷条件下存在极显著的差异，试验条件能充分表现不同种质的耐低磷能力。

2.2 磷营养对不同基因型栽培原种磷吸收量和磷利用效率的影响

表3 表明，不施磷与施磷两处理各种质地上部磷吸收量、地下部磷吸收量、全株磷吸收量和磷利用效率间的差异达到极显著水平，说明无论是施磷还是不施磷条件下甘蔗地上部磷吸收量、地下部磷吸收量、全株磷吸收量和磷利用效率间都存在很大的差异。地上部吸磷量，缺磷吸磷量最高的是AO0005，为261.9 mg·桶－1，施磷吸磷量最高的是AO0106，为297.4 mg·桶－1，缺磷吸磷量最低的是AO0002，为89.6 mg·桶－1，施磷吸磷量最低的是AO0104，为105.6 mg·桶－1。地下部吸磷量，缺磷吸磷量最高的是AO0010，为55.0 mg·桶－1，施磷吸磷量最高的是AO0103，为64.1 mg·桶－1，缺磷吸磷量最低的是AO0002，为6.9 mg·桶－1，施磷吸磷量最低的是AO0008，为17.5 mg·桶－1。整株吸磷量，缺磷吸磷量最高的是AO0005，为290.6 mg·桶－1，施磷吸磷量最高的是AO0106，为333.7 mg·桶－1，缺磷吸磷量最低的是AO0002，为96.5 mg·桶－1，施磷吸磷量最低的是AO0104，为130.7 mg·桶－1。磷利用效率，不施磷条件下最高的是AO0115，为509.6 mg·mg－1，施磷条件下最高的是AO0107，为569.7 mg·mg－1，不施磷条件下最低的是AO0003，为306.8 mg·mg－1，施磷条件下最低的是AO0105，为257.9 mg·mg－1。在施磷和不施磷处理间进行t 检验，地上部磷吸收量、地下部磷吸收量、全株磷吸收量和磷利用效率的t 值分别为－6.31、－3.43、－6.66 和－3.34，均达到极显著水平，说明35 个甘蔗栽培原种的地上部磷吸收量、地下部磷吸收量、全株磷吸收量和磷利用效率在施磷和不施磷条件下的差异极显著。

表3 不同磷水平甘蔗植株磷吸收量和磷利用效率Tab.3 Different phosphorus level on absorption and efficiency of P in sugarcane

2.3 耐低磷力基因型甘蔗的筛选

在土壤盆栽条件下，以全部参试甘蔗材料为基础，参照前人在小麦［14］、玉米［15］的指标等级划分标准，进行甘蔗耐性等级的评定，两项指标的平均值作为该种质耐低磷的综合评定等级，见表4。以总生物量为指标，耐低磷能力最高的甘蔗栽培原种是AO0105、AO0005 和AO0010，耐低磷能力分别是144.4%、106.4%和102.5%，3 个甘蔗种质施磷和不施磷差别不大。AO0005 和AO0010 两个种质的适应性最广，种质适应性分别为78.7%和60.6%。

表4 甘蔗低磷等级的划分Tab.4 Classification standard of low P endurance in sugarcane

在低磷条件下，以植株总质量、植株总磷吸收量、植株磷利用效率为指标，标准化后按欧氏距离对35 个参试材料进行聚类分析，分析结果将供试甘蔗品种分为5 类，见图1。表5 列出了5 种类型的P 营养效率指标统计结果。类型Ⅴ在低磷水平下，生物产量、植株总磷吸收量最高，植株磷利用效率和类型Ⅰ相当，均显著高于其余3 个类型，表明类型Ⅴ在缺磷条件下，仍具有较强的磷吸收能力来维持甘蔗较高的生物量，可以得出AO0005 和AO0010 为磷高效甘蔗基因型，这与以生物产量为基础得出的用耐低磷能力、品种适应性、综合力对甘蔗种质进行耐低磷能力评价得出的结果相一致。在增施磷肥的基础上，类型Ⅳ的植株总生物量、植株总磷吸收效率、磷利用效率增加的幅度最大，说明类型Ⅳ对施磷比较敏感，这类甘蔗种质材料种质时必须保证磷肥的供应才能获得高产。类型Ⅰ无论是施磷还是不施磷，植株磷素的利用效率均较高，说明甘蔗吸收的磷能够获得较大的植株生物量，但其吸收磷的能力较弱。

图1 甘蔗磷营养效率聚类分析Fig.1 Dendrograms of P nutrition efficiencies of 35 Sugarcane varieties

表5 甘蔗磷素营养效率指标的类间差异Tab.5 Differences among clusters in nutrition efficiencies of 35 sugarcane varieties

3 讨论与结论

在不同的供磷水平条件下，甘蔗的分蘖数、生物产量(地上部、地下部、总生物量)、根冠比、植株吸磷量和磷素的利用效率在不同的品种间存在着显著的差异，说明不同的栽培原种对磷的反应能力也存在着显著的差异。植物养分效率包括吸收效率、利用效率和运转效率。他们都需要养分吸收量和产量等具体评价指标。植物磷的吸收量和磷利用效率是两个重要的磷高效基因型筛选指标，但比较而言，植物磷的吸收量显得更为重要［1］，研究结果也证实了这一结论。在土壤盆栽条件下，通过以总生物量、耐低磷能力、种质适应等指标的划分法还是以植株总质量、植株总磷吸收量、植株磷利用效率及其相对指标的聚类分析的划分法，均得出AO0005 和AO0010 2 个基因型为磷高效的甘蔗基因型。这2 个基因型具有适应性广、干物质积累高、磷吸收效率高和磷利用效率相对较高的特点，且这2 个基因型都为热带种，热带种也称高贵种，是甘蔗育种的重要基因资源，目前我国育成的甘蔗新品种绝大部分都是热带种的后代。AO0005 和AO0010 2 个基因型可为进一步研究磷高效吸收利用机理和培养磷高效甘蔗品种的材料。

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