水磷耦合对高淀粉玉米自交系根系形态磷素吸收分配的影响

张慧 穆春华 孙验玲 徐立华 陈宇 翟学旭 李宗新 王庆成 刘霞

摘要：以玉米自交系12SG188（高淀粉含量）和99038（低淀粉含量）为试材，采用石英砂盆栽方法，研究了磷素和水分对玉米自交系根系形态及植株体内磷素吸收分配的影响。结果表明，高淀粉玉米自交系12SGJ188生长期内植株根系数量、总叶面积、干物质积累和磷吸收效率均高于低淀粉玉米自交系99038。无论水分胁迫与否，随供磷量的增加，两个玉米自交系植株总叶面积和干物质积累量均显著增加，而水分胁迫对99038植株干物质积累的影响较12SG188更大。12SG188磷的总积累量的增加量低磷水分胁迫处理大于低磷正常水分处理，且大于99038低磷水分胁迫处理。99038磷的总积累量的增加量高磷正常水分处理大于高磷水分胁迫处理，且大于12GJ188高磷正常水分处理。可见，12SG188玉米自交系较99038具有较高的磷素吸收效率，较99038更耐低磷耐旱。12SG188高磷正常水分条件下木质部汁液磷总运输量和韧皮部磷的再循环量最高，99038低磷水分胁迫条件下木质部和韧皮部中磷的总运输量最低。

关键词：玉米自交系；水磷交互；磷素营养；木质部汁液；体内循环

中图分类号：S513.01

文献标识号：A

文章编号：1001-4942（2016）01-0074-09

淀粉占玉米籽粒干重的70%左右，主要以淀粉粒的形式存在于籽粒胚乳中，淀粉粒大小及分布是淀粉重要的品质性状之一，玉米淀粉粒形态存在显著的基因型差异，不同大小的淀粉粒对淀粉特性有显著影响。前人从淀粉合成相关酶和蔗糖代谢方面对淀粉形成机理的研究发现，ADPG是淀粉合成的直接底物，是淀粉合成的第一步，由AGPase催化葡萄糖-1-磷酸和ATP产生。玉米胚乳中AGPase受3-磷酸甘油（3-PGA）激活，被无机磷（Pi）抑制。

无机磷（Pi）是玉米体内磷的主要运输形式，正常情况下胞质Pi浓度一般维持在一个较窄的范围内（5～17mmol/L）。玉米是典型的磷敏感型作物，由于生产中的盲目施肥以及各地土壤磷含量存在较大差异，常会发生施磷过量或不足的情况，同时Pi在土壤中的运动速率较低，使玉米根系周围容易产生Pi缺乏区。因此在我国及世界范围内的农业生产中，Pi不足已成为限制玉米产量的关键因素。

磷的有效性与土壤的水分条件关系密切，在正常水分条件下，磷素在木质部和韧皮部中的转运和再分配对促进作物生长发育和提高养分利用效率等生理过程具有显著作用，在干旱胁迫下促进效果更明显。Gnansiri等（1990）报道，干旱胁迫下磷素能明显提高玉米的渗透调节能力，显著改善玉米植株的水分状况。曲东等（1996）对玉米的研究发现，发生干旱胁迫时，有磷处理能较好地适应胁迫环境而产生必要的响应，缺磷处理的调节能力较差。沈玉芳等（2002）研究了水分胁迫下磷营养对玉米苗期根系导水率的影响，得出干旱胁迫可导致玉米根系导水率急剧降低。

许多学者在作物水磷互作方面做了大量的工作，但多集中在水分管理对水稻和小麦磷素营养吸收、产量形成及水分利用效率等方面，而针对水磷互作对高淀粉玉米自交系根系形态及磷素吸收转运方面的研究较少。如何提高玉米籽粒淀粉含量和水磷利用率，降低玉米生产成本，减少农业生态面源污染，已成为当前研究的重点。为此，本试验通过研究水磷互作对不同淀粉含量玉米自交系根系形态及植株磷素吸收分配的影响，探讨其对高淀粉玉米自交系生长的藕合效应与机理，为水磷高效型高淀粉玉米培育以及水分和磷素管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2013年在山东省农业科学院饮马泉试验农场（36°43′N，117°06′E）进行。供试材料为高淀粉玉米自交系12SG188（A1）和低淀粉玉米自交系99038（A2）。

试验采用盆栽条件，塑料盆（上口内径×高×下口内径为20.5cmx18.0cmx15.0cm）底部装1.5kg石英砂（粒度0.25～0.50mm），上部用蛭石填充，摆放在防雨棚水分池中。水分池大小为2.5mx2.5m，共4个池子，每个池子摆4行，每行摆9盆，折合行距50cm、株距25cm。挑选均匀一致的两个玉米自交系的种子，种植于上述塑料盆中，每盆一株。每两天浇1次营养液，培养24d后，改为每天浇1次。营养液母液（mmol/L）有：MgSO₄（325）、Ca（NO₃）₂（1000）、K₂SO₄（375）、H₃BO₃（200）、MriSO₄（40）、ZriSO₄（10）、CuSO₄（2）、（NH₄）₆MO₇O₂₄（0.1）、Fe-EDTA（50）、KCl（100）和KH₂PO₄（120）。其它田间管理措施按玉米高产技术规程进行。

1.2 试验设计

试验设2个水分处理和3个磷素水平处理。2个水分处理分别为灌水处理（用W表示），即每隔l天灌水500mL（测量使田间持水量约为70%）和干旱处理（用R表示），即每隔1天灌水50mL（测量使田间持水量约为55%）；3个磷素水平处理分别为低磷处理（用P1表示）、中磷处理（用P2表示）和高磷处理（用P3表示）。灌水处理营养液配制：P1处理分别吸取MgS04、Ca（NO₃）₂、K₂SO₄和Fe-EDTA母液各16mL，其余母液各吸取0.4mL；P2处理在P1基础上另加KH₂PO₄母液16mL；P3处理在P1基础上另加KH₂PO₄母液32mL；均定容至4L。干旱处理营养液配制：P1、P2和P3各处理均保持吸取营养液母液量不变，定容至1L。两种营养液初始pH值均保持在6.0±0.1。田间布置情况见图1。

1.3 处理和取样方法

玉米生长到9叶龄（42d）时开始进行处理。将塑料盆中长势和发育状况基本相同的玉米植株随机分成两部分。一部分用于测定处理前后的干物质及磷钙含量，另一部分用于木质部汁液的收集。将第一部分随机分成7组，每组重复3盆。当天收获一组玉米植株作为基础样（第1次收获）；同时，对其余组进行处理，用于第2次收获。处理天数是从更换营养液后第2次处理开始计算。处理15d后，进行第2次收获。两次收获时，均将玉米植株分根、下部叶（1～6片叶）、中部叶（7～8片叶）和上部叶（9片叶以上及茎）分别取样。

另一部分同第一部分进行处理，每处理重复3盆。处理后第5d，采用依靠植物根压自然收集法收集木质部汁液。具体作法是：脱脂棉经稀盐酸、蒸馏水、去离子水清洗后烘干待用。在玉米不同叶位基部处用经丙酮浸泡消毒的刀片快速切断茎秆，用脱脂棉蘸去离子水，快速擦洗切口并吸干表面水分，开始的部分汁液用脱脂棉吸收后弃去。然后将脱脂棉附于切口处，外面套一个乳胶套后用橡皮筋扎口，如图2所示，吸取溢出的汁液12h，然后用医用注射器吸取汁液放人10mL的离心管中。分别在玉米的第5（下部叶）、7（中部叶）、9（上部叶）叶位上收集第一次木质部汁液，5d后再收集1次，共收集2次。收集到的木质部汁液保存在-20℃冰箱中待测。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 植株干重净增量 植株样品于105℃杀青30min后，85℃烘干至恒重时称重，后于微型植物粉碎机中粉碎，计算各植物器官的干重净增量，各器官干重净增量为第2次收获时的积累量减去第1次收获时的积累量。

1.4.2 植株磷含量和木质部汁液的P和Ca²⁺称取粉碎烘干的样品0.19，于控温消煮炉上采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法消煮至透明、透亮、无色，自然冷却后定容至50mL的容量瓶中，作为待测溶液。稀释后的消煮液和木质部汁液均采用钼蓝比色法测定总磷量：0.5mL待测溶液+2mL水+2.5mL定磷试剂（H₂O：3mol/L H₂SO₄∶2.5%钼酸铵：5%抗坏血酸=2∶1∶1∶1，体积比），45℃保温25min，823nm波长下比色；采用火焰光度计法测量待测溶液和木质部汁液中钙含量。

1.4.3 植株叶面积及根系 分别选取处理前后各处理下的玉米植株3盆，调查玉米根层数和数量，以及所有绿叶的长宽（叶面积=叶长×叶宽×0.75）。

1.5 数据处理和统计分析

磷循环模式图的计算方法：前提是植物只通过根系吸收养分。Ca²⁺只能单向地通过木质部运往地上部各器官，在韧皮部中几乎不移动。具体表述为：①在一定时期内由木质部运输进入植物体各器官的Ca²⁺量等于该时间段前后两次收获时该器官Ca²⁺的净增量（△Ca²⁺）。②在相对稳定的生长条件下，木质部中的P和Ca²⁺以恒定的含量比向地上部各器官运输，这一比值可通过测定木质部汁液中P和Ca²⁺的含量来获得。③一段时期内通过木质部输入各器官的磷量等于各器官Ca²⁺的净增量乘以该器官木质部汁液中的磷钙比值。④韧皮部中P的输出量等于各器官中的净增量减去木质部输出量。

采用Microsoft Excel 2007和DPS数据处理系统进行数据处理、绘制养分循环模式图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 玉米各器官干物质重

第一次收获时，12SG188各器官干重均高于99038，茎+上部叶、中部叶和根差异极显著，下部叶差异不显著（表1）。

处理15d后，两个玉米自交系各器官的干重与处理前相比均增加。正常水分条件，除99038低磷处理表现不一致外，其余处理玉米各器官干重净增量均表现为茎+上部叶>根>下部叶>中部叶。除12SG188中、下部叶和99038根系外，其余各器官干重净增量均随供磷量的增加而增大。供高磷时，12SG188和99038玉米自交系整株干重分别为77. 41、68. 13g/株；供中、低磷时，分别为71.91、53.90g/株及45.03、41.33g/株。

水分胁迫条件下，除99038中、高磷处理表现不一致外，其余处理各器官干重净增量也均表现为茎+上部叶>根>下部叶>中部叶。除根系和99038中部叶外，其余处理各器官干重净增量均随供磷量的增加而增大。供高磷时，12SG188和99038玉米自交系整株干重分别为65.91、45.96g/株；供中、低磷时，分别为57.00、44.39g/株及46.21、20.37g/株。与正常水分处理相比，水分胁迫下除12SG188低磷处理表现为增加外，其余处理玉米整株干重净增量均降低，12SG188降幅在19.78%～28.30%之间，99038降幅在19.82%～59.21%之间。

2.2 玉米叶面积及根系分布特征

由表2可知，第一次收获时12SG188根系层数、数量和总叶面积均高于99038，数量和总叶面积差异极显著，根系层数差异不显著。第二次收获后，除12SG188根系层数及P1处理的根系数量和总叶面积外，其余处理的根系层数、数量和总叶面积均出现明显增加。正常水分条件，除12SG188根系层数和99038根系数量外，各处理根系层数、数量和总叶面积均随着供磷水平的提高而增加。水分胁迫条件下，除12SG188根系层数、数量和99038根系层数外，其余均随着供磷水平的提高而增加。与正常水分处理相比，水分胁迫下除12SG188根系层数、低中磷根系数量及99038低磷根系层数、中磷根系数量表现为增加外，其余处理根系层数、数量和总叶面积均降低，降幅分别为4.76%～8.70%、1.56%～12.90%和8.27%～52.72%。

2.3 玉米各器官磷含量

由表3可以看出，第一次收获时，12SG188各器官磷含量除下部叶外均高于99038，且差异极显著。各器官磷含量12SG188和99038均表现为茎+上部叶>根>下部叶>中部叶。

第二次收获时，除99038低磷处理下部叶外，两个玉米自交系各器官磷含量与处理前相比均增加。正常水分条件下，各器官磷含量除99038低磷和高磷处理外，其余处理均表现为茎+上部叶>根>下部叶>中部叶。除12SG188下部叶和99038根外，各器官磷含量均随供磷量的增加而增大。处理15d后，12SG188和99038玉米自交系整株磷含量供高磷处理分别增加388.26、442.06mg/株，供中、低磷处理分别增加267.85、317.67mg/株及115.05、174.69mg/株。

水分胁迫条件下，除99038高磷处理表现为茎+上部叶>根>中部叶>下部叶外，其余处理均表现为茎+上部叶>根>下部叶>中部叶。随供磷量的增加，各器官的磷含量除99038下部叶和12SG188根外均增加。处理15d后，12SG188和99038整株磷含量供高磷时分别增加273.36、264.84mg/株；供中、低磷时分别增加191.43、197.84mg/株及145.03、38.99mg/株。与正常水分处理相比，水分胁迫下各处理玉米整株磷含量除12SG188低磷处理外均降低，12SG188降幅在18.55%～21.58%之间，99038降幅在30.72%～54.93%之间。

2.4 玉米磷吸收转运和分配

表4得出，两个玉米自交系不同叶位木质部汁液的P含量除低磷正常水分处理和12SG188中磷水分胁迫处理外均表现为下部叶>中部叶>上部叶，Ca²⁺含量均表现为下部叶>中部叶>上部叶；而P/Ca²⁺表现不一致。

相同叶位木质部汁液中的磷含量，12SG188水分胁迫处理上、中部叶位以P2处理最高，下部叶位以P3处理最高；正常水分处理上、中叶位以P3处理最高，下部叶位以P2处理最高。99038水分胁迫处理上、中、下部叶位均以P3处理最高；正常水分处理上、下叶位以P1处理最高，中部叶位以P3处理最高。同一供磷水平下相同叶位木质部汁液的磷含量，除12SG188 P2中部叶位和99038 P3上部叶位外均表现为正常水分处理大于水分胁迫处理。

相同叶位木质部汁液中的钙含量，12SG188水分胁迫处理和正常水分处理上、中、下部叶位均以P2处理最高。99038水分胁迫处理上、中部叶位以P1处理最高，下部叶位以P2处理最高；正常水分处理上部叶位以P1处理最高，中、下部叶位以P3处理最高。同一供磷水平下，相同叶位木质部汁液的钙含量，除12SG188 P1下部叶和99038P3中部叶外均表现为水分胁迫处理大于正常水分处理。

相同叶位木质部汁液中的P/Ca²⁺，12SG188水分胁迫处理上、中部叶位均以P3处理最高，下部叶以P1最高；正常水分处理上、中、下部叶位均以P3处理最高。99038水分胁迫处理上、中、下部叶位均以P3处理最高；正常水分处理上、中、下部叶位均以P2处理最高。同一供磷水平下相同叶位木质部汁液的P/Ca²⁺，除12SG188 P1下部叶和99038 P3中部叶外均表现为正常水分处理大于水分胁迫处理。

通过不同叶位木质部汁液中的P/Ca²⁺值计算得到处理15d期间两玉米自交系植株体内的磷吸收转运情况，结果（图1）表明，两个玉米自交系除99038 P1处理下部叶消耗磷外，其余处理上、中、下部叶和根均积累磷。

正常水分条件下，12SG188除下部叶外上、中部叶和根积累磷的量均随供磷水平的提高而增加；木质部中运输磷的量和韧皮部的磷再循环量均以P3处理最高，其木质部中运输总磷量的71.93%被运到上部叶，但其中56.93%的磷量又被韧皮部输出；木质部中运输总磷量和根积累磷量有63.22%来自韧皮部的再循环，其余来自根系的吸收。99038除根系外上、中、下部叶积累磷的量均随供磷水平的提高而增加；木质部中运输磷的量和韧皮部的磷再循环量均以P2处理最高，其木质部中运输总磷量的31.12%被运到上部叶；木质部中运输总磷量和根积累磷量有52.24%来自韧皮部的再循环，其余来自根系的吸收。

水分胁迫条件下，12SG188除根外上、中、下部叶积累磷的量均随供磷水平的提高而增加；木质部中运输磷的量和韧皮部的磷再循环量均以P3处理最高，其木质部中运输总磷量的25.93%被运到上部叶。上部叶积累的磷有4.87%是来自木质部的运输，其余的大部分是通过韧皮部运输。木质部中运输总磷量占根系吸收磷量的12.24%，韧皮部的磷再循环量占根系吸收量的71.66%，其余被根系积累。99038除下部叶积累磷的量以P2处理最高外，上、中部叶和根积累磷的量以及木质部中运输磷的量均以P3处理最高，其木质部运输总磷量的35.85%被运到上部叶，48.43%被运到中部叶，其余被运到下部叶；而韧皮部的磷再循环量以P2处理最高，占根系吸收磷量的49.06%。

同一供磷水平下，12SG188 P1处理上、中、下部叶和根积累磷的量以及木质部、韧皮部中运输磷量均表现为水分胁迫处理大于正常水分处理；P2处理上、下部叶及根磷积累量和木质部运输磷量为正常水分处理大于水分胁迫处理，中部叶磷积累量和韧皮部运输量为水分胁迫处理大于正常水分处理；P3处理上部叶磷积累量以及木质部、韧皮部中运输磷量为正常水分处理大于水分胁迫处理，中、下部叶和根积累磷的量为水分胁迫处理大于正常水分处理。99038除P3处理木质部中磷运输量为水分胁迫处理大于正常水分处理外，其余均表现为正常水分处理大于水分胁迫处理。

3 讨论与结论

磷素和水分是影响玉米生长发育的重要因子。而干重是玉米生长发育受水磷胁迫影响的累积结果，同时也是产量形成的基础。研究认为水分胁迫抑制玉米植株的生长，进而降低玉米光合作用和干物质积累。施磷能增加植株整株干物质积累量。而Khamis等报道，缺磷前期对地上部生长抑制作用较弱，且能促进根系生长，而后期虽对两者均抑制，但对地上部的抑制作用明显大于根系；长期缺磷也会限制根系生长。本试验条件下，两个自交系间比较，12SG188生长期内根系层数、数量、总叶面积和整株干物质量均高于99038。供磷水平比较，无论水分胁迫与否，随供磷量的增加两个玉米自交系植株总叶面积和干物质积累量显著增加。供水条件比较，仅12SG188低磷处理水分胁迫下干物质积累量高于正常水分，其它整株干物质积累量均低于正常水分处理，且99038降低幅度较12SG188更大；两个玉米自交系整株总叶面积水分胁迫处理均低于正常水分处理。说明，12SG188玉米自交系生育前期植株根系数量、总叶面积及干物质积累量均高于99038，磷素对两个玉米自交系植株生长发育的影响表现一致，而水分胁迫对99038植株生长的影响较12SG188更大。

作物对水分和养分的吸收虽然是两个独立的过程，但水分和养分对于作物生长的作用却是相互制约的，这种水分和养分对作物生长作用相互制约和耦合的现象，称为水肥耦合效应。水分作为养分的载体对养分的吸收转运有着至关重要的作用，水分亏缺不仅影响有效养分的数量，而且影响养分通过扩散和质流向根系迁移的速率。一般情况下，水分胁迫使得营养器官的养分向籽粒中运输，但会因为营养元素、作物器官的不同而有不同的分配状况。而磷是在植物体内移动性较强的营养元素。本研究结果表明，品种间，12SG188生长期内磷素积累量高于99038。正常水分条件下，12SG188磷的总积累量的净增量小于99038，而水分胁迫条件下则相反，99038小于12SG188。磷水平处理间，两个玉米自交系磷的总积累量均随供磷水平的提高而增加，99038中、高磷处理磷的总积累量较低磷处理的增加量均高于12SG188。水分处理间，12SG188低磷处理水分胁迫增加磷的总积累量，其它处理水分胁迫均降低植株磷的总积累量，且99038的磷总积累量更低，降低比例更高；99038磷的总积累量的增加量高磷正常水分处理大于高磷水分胁迫处理，且大于12SG188高磷正常水分处理。可见，12SG188玉米自交系较99038具有较高的磷素吸收效率，也较99038更耐低磷耐旱。

研究还表明，缺磷促进光合产物和磷在植物体内的运输，促进其向生长旺盛的新生器官转移，并促进磷在韧皮部的再循环。水分胁迫降低玉米植株木质部和韧皮部中磷的运输量，增加中下部叶磷的转运。本研究认为，在本试验条件下，供磷水平间，99038正常水分处理木质部磷总运输量表现为中磷>高磷>低磷，其他处理随供磷量的增加而增加。水分胁迫条件下，两个玉米自交系韧皮部均表现为向上运输，磷的总运输量12SG188和99038分别以高磷和中磷最大；正常水分条件下，两个玉米自交系韧皮部中磷的运输转变为磷的再循环，磷再循环总量12SG188和99038分别以高磷和中磷最大。供水条件比较，仅99038高磷处理水分胁迫下木质部磷总运输量高于正常水分，其它处理水分胁迫下木质部磷总运输量均低于正常水分处理；除99038高磷处理外，正常水分处理降低韧皮部中磷的总运输量，增加磷再循环总量。可见，12SG188高磷正常水分条件下木质部汁液磷总运输量和韧皮部磷的再循环量最高，99038低磷水分胁迫条件下木质部和韧皮部中磷的总运输量最低。