大麦株高近等基因系的磷素利用效率特性分析

王婧月，胡德益，孙 娟，唐晓燕，陈光登

(四川农业大学资源学院，四川成都 611130)

大麦是我国第四大粮食作物，也是啤酒与饲料工业的主要原料，在饲料、食品、啤酒、医药和食用保健品中都有着重要用途[1]。磷是大麦正常生长所必需的大量营养元素之一，参与了大麦体内众多的生理生化过程。植物主要从土壤中汲取磷，而土壤中的有效磷含量较少[2-3]。因此，选育能高效利用土壤磷，且具有优良农艺性状及产量性状的大麦已成为当代大麦育种工作者追求的目标。株高是植物形态学调查工作中最基本的指标之一，是反映植物生长状态最重要的性状之一。有文献认为，作物株高与磷效率之间可能存在一定的关系[4]，但这仅仅是基于相关性分析的结果，还需要更多的系统性研究来验证。磷素利用效率是表征植物体内磷分配的重要指标，且作物的磷素利用效率又直接关系到产量性状[5]。因此，改善作物磷素利用效率可起到增产的作用。影响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决于其对体内储存的磷素转运、再利用能力的大小[6]。低磷胁迫下，油菜通过将代谢不活跃部位的磷素向活跃的代谢中心进行转运来提高对体内磷素的再利用能力[7]。同时低磷胁迫也会刺激作物释放其液泡内的磷素来改善体内缺磷的现象[8]。株高除影响水稻、小麦等作物磷素利用外[4,9]，也与作物产量及穗长、芒长等农艺性状具有极显著的相关关系[10-12]。此外，磷对植物的株高也会产生一定的影响。增施磷会提高小麦的株高[13]。因此，选育在不同磷水平下理想株高的大麦可增强作物的磷素利用效率及收获指数，从而提高大麦产量[14]。近年来，虽然在作物磷效率机理方面的研究已取得一定进展，但对磷效率与农艺性状，如磷效率与株高关系的研究还较少，尤其是作物形态学与磷效率之间关系的研究还鲜见报道。本研究采用土培盆栽试验，分析不同施磷处理下大麦株高近等基因系磷素利用效率差异及农艺性状与磷素利用效率相关关系，以期明确株高对大麦磷素利用效率的影响，为大麦磷高效育种提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为第四系近代河流冲积物发育而成的灰潮土，采自四川省成都市温江区。其pH为8.05，有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为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。

供试材料为大麦株高近等基因系4对，分别为NIL01(NIL01-D、NIL01-T)、NIL02(NIL02-D、NIL02-T)、NIL03(NIL03-D、NIL03-T)、NIL04(NIL04-D、NIL04-T)(其中D表示为矮秆，T表示为高秆)；NIL01及NIL02遗传背景来自于TX9425/Gairdner，NIL03及NIL04来自于TX9425/Franklin，均由四川农业大学资源学院提供。供试肥料为尿素(含N 46%)、磷酸二氢钾(含P2O552%，K2O 34%)和硫酸钾(含K2O 54%)，均为分析纯。

1.2 试验设计与处理

试验于2016-2017年在四川农业大学教学科研农场有防雨设施的网室内进行，采用土培盆栽试验(盆下径直径为28 cm，每盆装5 kg风干土)，设置不施磷(P0)和施磷(P2O560 mg·kg-1，P60)两种处理，重复三次，完全随机排列，N、K均按150 mg·kg-1土正常供应。其中氮肥使用尿素，钾肥使用K2SO4及KH2PO4，磷肥使用KH2PO4。每种基因型取20颗种子在10%H2O2溶液中消毒10 min，蒸馏水冲洗干净后，于培养皿中催芽，待幼芽长至1～2 cm后选取长势一致幼苗移栽于盆栽中。

1.3 样品的采集与制备

于成熟期采样，样品用自来水洗净后，再用去离子水润洗并将采集的样品分为根、秸秆、穗，在105 ℃下杀青30 min，再将温度降至75 ℃烘干至恒重，粉碎后备用。

1.4 测定项目及方法

所测定农艺性状包括株高、穗长、芒长、干重等，均直接采用直尺及天平测量。植物样品磷含量采用H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色法测定。

1.5 数据处理

磷积累量=干重×磷含量

磷素利用效率=干重÷磷积累量

收获指数(HI)=籽粒干重÷地上部干重×100%

磷收获指数(PHI)=籽粒磷含量÷地上部磷含量×100%[13]

统计分析在DPS(7.05)数据处理系统中进行，多重比较采用LSD法，图表制作采用Origin 9.0和Microsoft Excel 2016。

2 结果与分析

2.1 不同磷处理下大麦株高近等基因系农艺性状差异

施磷处理下大麦近等基因系株高、单株产量、单株秸秆干重及收获指数均较不施磷处理增高(表1)，说明施磷对大麦的生长和产量具有促进作用。同时，两种磷处理下，高秆大麦的株高、穗长、芒长、产量及收获指数均显著大于矮秆大麦，而其单株秸秆干重小于矮秆大麦，且在不施磷处理下这种差异全部达到了显著水平。与不施磷处理相比，施磷后高秆大麦株高增加幅度小于矮秆大麦。

表1 不同施磷处理下大麦株高近等基因系农艺性状间的差异Table 1 Differences of the agronomic traits in plant height near-isogenic lines of barley under different phosphorus treatment

同列数值后不同小写字母表示同一施磷水平下相同背景不同株高基因型间差异显著(P<0.05)。“*”表示同一基因型的不同施磷水平间差异显著(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 大麦株高近等基因系各部位磷含量及磷积累量

施磷处理的大麦近等基因系秸秆、籽粒及根系磷含量和积累量均高于不施磷处理(图1)，其中根系、秸秆和籽粒磷含量的增幅分别为15%～148%、43%～323%和7%～36%，磷积累量的增幅分别为41%～188%、81%～297%和10%～141%。不施磷处理下，高秆大麦的秸秆磷含量及磷积累量整体小于矮秆大麦，而其籽粒磷积累量整体大于矮秆大麦，最大增幅可达89.87%。值得注意的是，施磷处理下高秆大麦的秸秆磷含量较不施磷处理提高168%～323%，而矮秆大麦则提高43%～85%，说明施磷对高秆大麦秸秆磷含量的促进效应明显高于矮秆大麦。

图柱上不同小写字母表示同一施磷水平下相同背景不同株高基因型间差异显著(P<0.05)。“*”表示同一基因型间不同施磷水平间差异显著(P<0.05)。下图同。

2.3 大麦株高近等基因系磷素利用效率特性

从图2可知，在施磷处理下，大麦根系、秸秆及籽粒的磷素利用效率总体小于不施磷处理，其中根系和秸秆磷素利用效率的降幅分别为40%～88%和25%～68%，籽粒磷素利用效率除近等基因系NIL03-D外，其余等基因系降幅为72%～97%。与不施磷处理相比，施磷后矮秆大麦的秸秆磷素利用效率下降了32%～48%，而高秆大麦则下降了69%～75%。在不施磷处理下，高秆大麦的秸秆磷素利用效率整体上大于矮秆大麦，最高高出78.29%。施磷处理下高秆大麦的磷收获指数小于不施磷处理，而矮秆大麦则表现相反。同时，不施磷处理下，高秆大麦的磷收获指数大于矮秆大麦。

图2 不同施磷处理下株高近等基因系磷素利用效率及磷收获指数间的差异

2.4 大麦株高近等基因系农艺性状与磷素利用特性的相关关系

相关性分析(表2)表明，在两种磷处理下，大麦单株产量与籽粒磷积累都呈显著正相关，而单株产量与根系磷积累呈极显著或显著负相关。有的相关关系受到施磷处理的影响。施磷处理下，株高、芒长与籽粒磷含量，单株秸秆干重与磷收获指数间均呈显著正相关，而株高、芒长与籽粒磷利用效率，芒长与秸秆磷利用效率，收获指数与根系磷积累量则均呈显著负相关。不施磷处理下，株高、芒长、穗长与籽粒磷积累量，穗长、单株产量、收获指数与磷收获指数，单株根系干重与籽粒磷利用效率，单株秸秆干重与秸秆磷含量，单株产量与根系磷利用效率均呈正相关；而株高、芒长、穗长、收获指数与秸秆磷含量，单株根系干重与籽粒磷含量，单株产量与根系磷含量均呈负相关。

3 讨 论

3.1 不同施磷处理下大麦近等基因系农艺性状差异

本研究对四对大麦近等基因系的株高、穗长、芒长、干重及收获指数进行了分析，结果表明,在不同施磷处理下大麦近等基因系间都存在着差异。株高和穗长是影响作物产量的两个重要因素，选择理想株高、穗长及芒长的品种将对作物的增产有着非常积极的意义[15-17]。本研究中，施磷能提高大麦的株高，对矮秆大麦的效应大于高秆大麦，但对穗长、芒长的影响较小。高秆大麦的株高、穗长、芒长显著大于矮秆大麦，这一研究结果与杜欢等[10]的相似。目前对于作物株高、穗长及芒长的研究已进入分子水平[18-20]。控制作物株高、穗长、芒长的基因位于同一条染色体上，这可能是造成以上结果的原因之一[21]。有研究发现，施磷能促进大麦单株产量、秸秆干重及收获指数的增加，而对根系干重的影响不明显。造成这种现象的原因可能是不施磷处理下，低磷胁迫促进大麦根系的伸长，从而获得更多的磷[22-23]。收获指数对作物产量贡献较大[24]。本研究中，矮秆大麦单株秸秆干重及收获指数大于高秆大麦，且差异在不施磷处理下都达到了显著水平，与Manske等[9]在小麦中的研究结果一致，推测造成这种现象的原因是矮秆大麦具有更多的分蘖数或者更粗的茎秆[25-26]。

表2 不同施磷处理下株高大麦近等基因系农艺性状与磷效率间的相关关系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 不同施磷处理下大麦近等基因系磷素利用特征

植物体内磷含量与干重息息相关[27]，为获得更高的产量，提高植物体内磷含量是重要的措施之一。本研究结果显示，大麦近等基因系根系、秸秆、籽粒磷含量及磷积累量整体表现为施磷处理高于不施磷处理；同时不施磷处理下，秸秆磷含量及磷积累量表现为矮秆大麦大于高秆大麦，而籽粒磷积累量则表现相反。此外，施磷下高秆和矮秆大麦秸秆磷含量分别增加了2.68～4.23和1.43～1.85倍。上述结果说明，施磷能提高大麦体内的磷含量及磷积累量，而高秆大麦秸秆磷含量的敏感度高于矮秆大麦，表明高秆大麦在低磷条件下拥有更佳的秸秆磷素利用效率，有能向籽粒分配更多磷素的潜力，从而更好地适应低磷环境。

作物磷素的高效利用取决于其对体内储存的磷素转运、再利用能力的大小[28]，作物磷利用效率又是其产量的重要影响因素之一[29]。研究表明，作物磷利用效率受环境中的磷含量影响，低磷胁迫下，作物通过优化磷素在各组织的分配比例或释放液泡中储存的磷使其生长状况更佳[8,30]。本研究也得出了相似的结果，不施磷处理下大麦各部位磷素利用效率普遍更高，证明植物受到低磷胁迫时，有更好的磷分配能力，从而使植物获得更好的生长及更高的产量[25,31]。同时不施磷处理下，高秆大麦磷收获指数总体大于矮秆大麦，而施磷处理下表现相反，说明施磷肥能促进矮秆大麦体内的磷向籽粒中转运，这与范霞等[32]对玉米氮收获指数的研究结果相似。这一结果也间接说明高秆大麦在低磷条件下具有更优的磷分配能力，拥有更优的磷素利用能力，从而获得低磷下更优的产量。而矮秆大麦的磷分配受低磷胁迫影响较高秆大麦更大。

3.3 大麦近等基因系农艺性状与磷素利用特征的相关性分析

冬小麦与春小麦的磷营养效率与株高都有较为密切的关系[9,33]，同时株高也是玉米、大豆等磷效率的关键性因素[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，在不同磷处理下，株高近等基因系中的矮秆小麦的单位根长磷素吸收效率具有显著的差异[35]，说明了株高对作物磷素吸收效率的影响。但是关于株高对磷素利用效率是否存在影响，还值得我们做进一步的探讨。

本研究结果表明，不施磷处理下，高秆大麦(NIL01-T、NIL02-T、NIL03-T)的磷收获指数显著大于矮秆大麦。造成这种现象的原因是不施磷处理下高秆大麦籽粒磷积累量整体高于矮秆大麦，而其秸秆磷积累量显著低于矮秆大麦。这种现象表明在低磷胁迫下高秆大麦较矮秆大麦能分配更多的磷素到籽粒中，而矮秆大麦体内的磷素则更多的分配到秸秆中。同时通过相关关系分析也可以得到相似的结论，不施磷处理下，株高与磷收获指数呈显著正相关，说明高秆大麦在低磷胁迫下拥有更高的磷收获指数，所以当大麦株高近等基因系体内磷积累量相似时，高秆大麦能往籽粒中分配更多的磷，而籽粒磷积累又与产量呈现显著正相关，表明高秆大麦较矮秆大麦能在低磷胁迫下获得更高的产量。同时在不施磷条件下，近等基因系秸秆磷素利用效率亦表现出高秆大麦大于矮秆大麦的趋势。因此，在低磷下近等基因系中高秆大麦具有更好的磷分配比例和更高的磷利用效率，能更好地适应低磷环境，矮秆大麦则在磷充足的环境中能获得更多的分蘖优势[36]。

大麦磷素利用效率同时受到了株高及施磷处理的影响，其中施磷处理的影响较大，施磷促使大麦获取更高的产量。相较于矮秆大麦，高秆大麦在低磷环境时具有更高的收获指数及磷收获指数，且高秆大麦收获指数及磷收获指数受低磷胁迫的影响程度较矮秆大麦更弱，说明高秆大麦具有更高的耐低磷特性。低磷条件下，高秆大麦能向籽粒中分配更多的磷素，减少产量损失。因此，高秆大麦具有更强的耐低磷特性，在缺磷土壤中选择株高较高的大麦品种能获得更好的经济效益，而在磷充足的环境中，矮秆大麦则更具优势。