不同基因型棉花根系对局部供磷的响应特征

冯 琳，顾惠敏，叶祖鹏，魏广东，黄国平，白旭明，韩 伟，候银莹，陈波浪

（农业部西北绿洲农业环境重点实验室/新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052）

自然或农田土壤中常出现养分异质性分布，主要由于耕作、施肥、淋洗、固定、土壤生化过程等因素，植物通常在异质性环境中获取更多的养分资源[1–4]。根系作为“隐藏一半的植物”是植物吸收水分和养分的主要器官，将主导“第二次绿色革命”[5]。植物感应土壤生物和非生物信号时能及时调整根系对其做出响应[6–7]。根系对局部养分供应或非生物胁迫的形态和生理反应 (即可塑性) 的能力被认为是土壤养分吸收的一个重要特征[8–10]。磷是植物生长所必需的养分，但在土壤中的移动性较差，特别是在旱地石灰性土壤中，磷会通过化学沉淀或物理吸附过程，与钙、镁等阳离子及其氧化物结合[11–12]。为了减少土壤中磷的固定，在实践中常用局部施磷的方法 (如条施或撒施)[13]。因此，探讨局部养分对作物根系形态和生理的调控是解析其机理以及提高养分效率的关键。

以往的研究表明，植物根系对磷的反应具有很大的可塑性，土壤中磷的缺乏可诱导植物各种根系形态的变化。当局部供磷时，根系在局部供磷区较易生长[14]。白羽扇豆的研究表明局部磷供应能够调节排根的构成和分散，增加排根在富磷区的生长[15]。以往对小麦、玉米和大豆的研究发现，植物为了从土壤富磷区吸收充足的磷来满足生长需求，通常会增加根系在富磷区域内的生长[16–19]。Yano等的研究显示，磷的富集面积越大，地上部磷的吸收量越大，说明磷富集区的根系效率进一步加强[3]。当供磷范围缩小时，集中供磷部分的植株转移到无磷根区域的光合产物显著小于供磷根区域[20]。为此，磷的局部供应能明显改变根系形态以及生理吸收能力，进而增加植物地上生物量的积累和磷吸收。

棉花的根系具有可塑性，水分和养分的供应强度对根系具有显著刺激效应。一般的沟灌方法下，在土壤中棉花根系呈平面几何构型，而膜下滴灌则诱导棉花根系呈极不对称构型，在滴灌带和膜内侧方向密集[21–22]。缺磷和低磷条件下，棉花会生长出更多的中、细根，以促进植株对磷素的吸收[23–24]，供磷后棉花根密度、根长度、根表面积和磷吸收量均会增加[25]，而过量供磷后棉花根系吸收效率会下降[26]。不同棉花品种间存在显著差异，低磷胁迫磷高效基因型棉花可较大幅度增加细根比例，降低根系总体细度，促使比根长增加，提高根系的构建效率[27]。然而，关于不同品种棉花根系对土壤局部磷供应的反应研究还少有报道。

棉花膜下滴灌是干旱区一种节水高效抑盐的生产技术，也是影响土壤养分异质性的一个重要原因，促使有效养分在表层聚集，但不利于棉花后期对养分的需求而致使棉花早衰[28]。本研究选取两个基因型棉花品种，通过根箱试验模拟磷局部供应，探讨棉花根系对局部供磷的响应，分析比较不同基因型棉花对局部供磷的差异，为通过营养调控增加植物根系对土壤磷的利用和缓解膜下滴灌早衰提供依据。

1 材料与方法

1.1 土壤准备

供试土壤为玛纳斯棉田土壤，土壤的基础肥力如下：有机质 10.77 g/kg、Olsen-P 6.7 mg/kg、总盐8.200 g/kg、土壤pH 8.07、土壤电导 1855 μS/cm。当棉田土风干后，过2 mm筛并去除植物残体，土壤容重为 1.20 g/cm3。将养分按照以下两种方式装入纵向拆卸自制根箱 (长30 cm、宽5 cm、高为60 cm，材质为PVC，其中一面为透明有机玻璃)，每个根箱所装土的重量为6 kg。氮肥用尿素，磷肥用过磷酸钙，钾肥用硫酸钾。设磷均质供应和磷局部供应两种供磷方式，根箱自上而下分为三层 (上层0—20 cm、中层20—40 cm、下层40—60 cm)，磷均质供应方式下根箱每一层的磷肥用量均为P2O5100 mg/kg，磷局部供应方式下磷肥用量为P2O5300 mg/kg，全部集中施在中层 (20—40 cm)，上下两层均不施磷，两种供磷方式下氮钾肥均按N 150 mg/kg和K2O 5 mg/kg均匀加入至根箱各层 (施钾肥按75 kg/hm2计算)，其中磷钾肥在装土时一次性施入，氮肥基施60%，剩余按20%追施两次，试验共设四个处理，每处理6个重复。中层为局部供磷区，相应对照为均质供磷区。其对照可参考图1。

1.2 植物培养

试验在新疆农业大学农科楼于2016年6—9月进行。供试材料为磷低效基因型棉花品种‘新陆早13号’ (XLZ13) 和磷高效基因型棉花品种‘新陆早19号’ (XLZ19)[29]。在培养种子之前，将种子用双氧水浸泡数分钟，再用蒸馏水反复冲洗，以除去附着在种子表面的杂质。将处理过的种子放入恒温培养箱中，以25℃恒温培养，期间不间断补充水分以满足种子萌发所需的水分，直至种子萌发出1 cm左右细芽。挑选萌发一致的种子，在每个根箱播种两粒，待幼苗出土后，保留一株长势良好的幼苗直至收获，试验结果按照一株的统计数据来表示。

1.3 根系形态参数的确定

图1 磷局部供应对棉花根形态的影响Fig. 1 Effect of phosphorus localized supply on root morphology of cotton

播种100 d后，将根箱纵向拆开，按刻度尺将土壤切分为上、中、下三层，分别过2 mm、0.25 mm筛。筛分并收集各土层根系，冲洗干净装入自封袋带回实验室。在根系形态计算机扫描获得根系生长系统图像，扫描得到的图像直接通过图像分析系统(LA-S全能型植物图像分析仪系统) 定量测定根系形态构型参数。获得总根长、根系表面积、根系总体积、根直径等参数 (根径分级 ≤ 0.4 mm为细根)[23]。比根长等于总根长除以根干重。

1.4 生物量及植株磷含量的测定

植物收获后，茎和叶在105℃杀青0.5 h，再在70℃烘干48 h至恒重后称重。地下部分则在根系扫描结束后，烘干至恒重后称重。将烘干的地上和地下部分研磨成粉末后，用98%的浓硫酸–双氧水消煮，采用钼锑抗比色法测定植株磷含量[30]。

1.5 数据分析

植株磷吸收量 (mg/株) = 根干质量 × 根含磷量 +茎干质量 × 茎含磷量 + 叶干质量 × 叶含磷量[31]

用Microsoft Excel对试验数据进行初步处理后，用IBM SPSS 20.0对数据进行单变量和多变量统计分析，用Tukey法进行差异显著性分析 (P = 0.05)；主成分分析用于研究供磷方式和品种差异对根系形态变异的影响；用SigmaPlot 10.0对磷吸收和根系参数进行一元线性回归拟合；磷吸收和根形态指标之间的关系采用Simca-P 11.5软件进行偏最小二乘法回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同供磷方式对不同基因型棉花生物量的影响

图2表明，局部施磷能增加棉花各器官生物量，局部与均质相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、茎、叶生物量分别显著增加了25.7%、38.8%、47.1%和18.2%、28.3%、15.9%。相同磷处理下 (局部和均质)，磷高效基因型XLZ19棉花各器官生物量均高于磷低效基因型XLZ13，分别是磷低效基因型XLZ13的1.13、1.24、1.17倍和1.21、1.34、1.28。棉花各器官的生物量均在不同供磷方式和不同品种间存在显著差异，但没有显著的供磷方式与品种间的交互作用。

2.2 不同供磷方式对不同基因型棉花磷含量和磷吸收量的影响

局部施磷能增加棉花根、茎、叶的磷含量 (图3)，与均质相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、茎、叶的磷含量分别增加了34.7%、19.8%、6.6% 和49.0%、15.6%、8.4%。相同磷处理下 (局部和均质)，磷高效基因型XLZ19棉花各器官的磷含量均明显高于磷低效基因型XLZ13，分别是磷低效基因型XLZ13的1.54、1.25、1.28倍和1.39、1.30、1.25倍，且两种基因型棉花根和茎的磷含量差异显著。棉花根和茎的磷含量在不同供磷方式和不同品种间均存在显著差异。

局部施磷能增加棉花根、茎、叶磷吸收量，局部与均质相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、茎、叶磷吸收量分别增加了69.2%、67.7%、34.7%和76.3%、48.4%、25.5%。相同磷处理下 (局部和均质)，磷高效基因型XLZ19棉花根、茎、叶磷吸收量均明显高于磷低效基因型XLZ13，分别是磷低效基因型XLZ13的1.75、1.54、1.50倍和1.68、1.75、1.61倍，且两种基因型棉花各器官的磷吸收量差异显著。棉花各器官磷吸收量在不同供磷方式和不同品种间均存在显著差异，根的磷吸收量存在显著的供磷方式和品种交互作用。

图2 局部和均质供磷棉花不同部位的生物量干重Fig. 2 Effects of different phosphorus supply on cotton biomass of different genotypes

2.3 不同供磷方式对不同基因型棉花根系参数的影响

由表1可知，局部施磷能增加棉花总根长、根系表面积、根系总体积、比根长、中层细根长度。局部与均质相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19的总根长、根系表面积、根系总体积、比根长、中层细根长度分别增加了38.0%、41.9%、97.6%、27.3%、35.9%和34.5%、21.7%、39.0%、22.5%、42.8%。相同磷处理下 (局部和均质)，磷高效基因型XLZ19棉花的各根系参数均显著高于磷低效基因型XLZ13，分别是磷低效基因型XLZ13的1.23、1.31、1.73、1.07、1.30 和 1.27、1.53、2.45、1.11、1.24倍。棉花各根系参数在供磷方式和品种间均存在显著差异。

在毕业典礼上，时任北大党委书记闵维方教授专门发来贺信表示祝福。我知道闵书记早年有当“矿工”的经历，我知道他理解我们求学的艰辛，我曾经听过他讲述自己的成长经历，鼓励我们不要怕吃苦，要能在艰苦的环境中成就自己的人生，要勤奋学习、努力拼搏，早日将自己塑造成栋梁之才。

2.4 不同供磷方式对不同基因型棉花根系形态变异的影响

采用主成分分析方法对总根长、根系总体积、根系表面积、比根长、中层细根长度、细根比例6个根形态参数进行了主成分提取。从图4可以看出，前两个提取的主成分累积贡献率为91.395%，其中主成分1 (PC1) 的贡献率是46.571%，主成分2(PC2) 的贡献率是44.824%。

因为各根系形态参数的权重不同，其提取主成分中的载荷量也是不同的。由表2可以看出，在第一主成分中，中层细根长度、细根比例和比根长有较高的载荷量 (权重在0.892～0.965之间)，根系表面积、总根长、根系总体积有较低的载荷量 (权重在0.128～0.318之间)；在第二主成分中，根系表面积、总根长、根系总体积有较高载荷量 (权重在0.897～0.961)，中层细根长度、细根比例和比根长有较低的载荷量 (权重在0.048～0.232之间)。图4显示主成分一可以将磷局部供应和磷均质供应这两种供磷方式分开，主成分二可以将磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19这两种基因型棉花分开，因此可以说明棉花根系的可塑性 (细根比例、比根长等根系参数) 主要受养分供应方式影响，而根系的基本构架 (总根长、总体积等根系参数) 主要受基因型控制。

2.5 棉花根系形态与植株磷吸收量的关系

上述研究结果表明，棉花根系在磷富集区大量增生 (图1)。为了研究根形态参数与磷吸收的关系，对总根长、根系总体积、根系表面积、中层细根长度与磷吸收之间进行了回归分析。由图5可以看出，根长、根系总体积、根系表面积、20—40 cm细根长分别解释了78.8%、85.0%、86.3%、74.0%的地上磷吸收，与磷吸收呈现明显的正相关关系 (P ＜0.05)。根系对磷的吸收随着根系的伸长而增加，磷局部供应区根系形态的改变对棉花磷吸收有重要影响。由于根系形态参数之间存在多重共线性问题，所以遮盖了根系形态参数 (解释变量) 对因变量 (磷吸收) 的解释。

[注（Note）：P—磷处理 Phosphorus；G—基因型 Genotype；柱上不同小写字母表示两个磷基因型间差异达到 5% 显著水平Different letters above the bars show significantly different at the 5% level among two genotypes. * —0.05; ** — P ＜ 0.01; *** —P ＜ 0.001.]

因此，本研究进一步对根系形态参数与磷吸收(y) 的关系进行偏最小二乘 (PLS) 回归分析，并对各个指标的相对重要性进行了评价。结果表明，偏最小二乘回归自变量和因变量之间的交叉有效性为0.862 (Q2)，进行相关预测，磷吸收回归方程为:

表1 不同供磷方式下棉花根系生长状况Table 1 Root development of cottons under different phosphorus supply methods

表2 主成分载荷量Table 2 Principal component loading matrix

图4 磷局部供应对棉花根形态影响的主成分分析Fig. 4 Principal component analysis of root morphological parameters as affected by the localized phosphorus supply in cotton

偏最小二乘回归在预测磷吸收的同时，也给出了根系形态各参数对磷吸收作用力大小的变量投影重要性 (VIP) 评价。

3 讨论

图5 总根长、根系总体积、根系表面积和中层细根长度与磷吸收量的一元线性回归Fig. 5 Linear regressions between total root length, total volume, surface area and fine root length in middle layer and P uptake

图6 棉花根系形态参数对磷吸收量影响的重要性Fig. 6 Importance (VIP) of root morphological parameters for phosphorus uptake in cotton

表3 棉花根形态参数增加10%对磷吸收的相对贡献Table 3 Relative contribution of root morphological parameters to P uptake

在实际生产中，农业活动和土壤生物化学过程导致土壤磷素分布不均匀。为了得到土壤异质性养分资源，植物根系的形态和生理响应表现出高度的可塑性。根系形态可塑性提供了捕获养分资源的载体，而根系生理可塑性提供了吸收养分资源的保障[32]。在本研究中，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19在局部施磷区的总根长、根系表面积、根系总体积、比根长、中层细根长度与均质施磷区相比分别增加了38.0%、41.9%、97.6%、27.3%、35.9%和34.5%、21.7%、39.0%、22.5%、42.8% (表1)，表明棉花具有根系形态可塑性。需注意的是，在本研究中磷局部供应以及磷均质供应的养分总量相同，仅改变养分施入的方式。磷的供应量在均质施磷的区域为P2O5100 mg/kg，而在局部施磷的区域则达到P2O5300 mg/kg。由此可以看出，在磷浓度较高的局部供应区棉花表现出较高的可塑性，这是导致棉花根系在局部供应区大量增生的原因。但与此同时，棉花根系在局部供应方式下磷浓度达到多少时能够诱导其增生到最大效果，这还需进一步通过实验研究来确定。

在本试验中，棉花在养分供应方式改变下，通过诱导根系分布，拓展根系生长空间和根系形态参数，以此高效率地利用养分资源，这与陈哲等[33]的研究结果一致。同时也表明局部供磷下的棉花根系具有较强的根系形态可塑性，究其原因，可以认为是植物根系在局部供磷区的富集，增强了植物对养分离子的吸收能力，这与林雅茹等[32]的研究结果一致。植物对局部养分响应的生理形态变化有种间差异[34–36]，在棉花中同样也有差异[37]，但很少有研究报道养分特性不同的基因型棉花对养分局部供应的响应能力是否有所不同。本研究比较了不同磷效率棉花对局部供磷的反应，发现相同磷处理下 (局部和均质)，磷高效品种具有更高的环境适应能力。在磷胁迫的条件下，磷高效基因型根系形态学表现为根系发达、细长、根毛多、根/冠比大等特点。

植物根系在对养分进行吸收时，通常依赖扩散及质流，通过截获获得的养分较少。提高植物对磷的吸收是一个非常重要的问题，土壤中磷的迁移速度非常慢，主要取决于磷的扩散，约为10～30 μm/h，其扩散距离只有1～2 mm。在本试验中，棉花在局部磷素供应量增加，根系和土壤接触面积扩大，从而使移动性差的磷素与土壤有更多的结合空间，并减轻其他根系无法利用磷素而减小植物生物量等因素的影响，最终提高根系对磷的吸收。结果表明根系增殖对局部磷供应区的磷吸收有重要影响，其中局部供磷区细根长度的贡献最大。这一结果与He等[13]的一致，其在水稻上进行了研究，发现局部磷供应诱导了细根的形成，提高了磷的吸收效率。而林雅茹等[32]的研究结果不太一样，在野生大豆作物上，对植株磷吸收影响最大的是比根长。廖晗茹等[38]在蚕豆上也做了此类研究，发现蚕豆通过中等根系 (0.3～0.7 mm)的增生来增强根系吸收养分的能力。这些差异可能由其研究的作物本身根系特征不同引起的，其原因还有待进一步分析。

4 结论

在局部供磷区，磷高效基因型棉花具有更高的环境适应能力。对于高效和低效基因型，都应采取局部供磷的方式，优化根系分布和生长，提高棉花获取异质性磷养分的能力，以发挥棉花的最大生物学潜力，提高养分利用率，减少肥料用量，保护生态环境。