基因型影响磷镁互作下大豆生长及根瘤和菌根性状

郑林生，刘志强，陈 康，王秀荣*

（1 华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室 / 华南农业大学根系生物学研究中心，广东广州 510642；2 驻马店市农业科学院，河南驻马店 463000）

磷(P)是三磷酸腺苷等植物体内重要能量单元的组成元素，参与植物体内的能量代谢和碳水化合物代谢[1]。镁(Mg)是叶绿素的重要组成部分，缺镁会严重影响植物的光合作用以及光合产物从地上部向根部的运输[2]。有研究表明，施磷可以提高植物体内的镁含量；但在土壤缺磷的条件下，过量施用镁肥反而会使高山茅草的镁含量降低[3]；而在适宜的供磷水平，增施镁肥能提高甘蔗的产量[4]。以上的研究结果表明，磷和镁营养之间存在互作。而最近在大豆中的研究发现，磷和镁互作的效应会受到大豆基因型的影响[5]。

在磷和镁养分胁迫条件下，植物根系可以通过在形态、生理生化以及根际生物互作等方面的一系列变化促进对磷和镁的吸收[6]。其中，与有益微生物共生是植物促进矿质营养元素吸收的重要途径之一。根瘤菌(Rhizobia)和丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizalfungi)是两类重要的土壤有益微生物，能与宿主植物共生，并协助宿主植物获取生长所需的矿质营养。根瘤菌能够通过共生固氮将大气中的氮气转化成植物可以利用的氨，同时，根瘤菌及其形成的根瘤具有溶磷能力，可以作为土壤中难溶性磷的增溶剂[7–10]。丛枝菌根真菌可以通过扩大根系吸收面积，促进植物对氮、磷、镁等矿质营养的吸收，提高土壤养分利用效率[11–12]。反过来，植物的磷、镁营养状况也会影响有益微生物的共生。土壤中有效磷含量是影响根瘤菌存活的主要因素[13–14]，缺磷会显著抑制根瘤菌活性，并且抑制根瘤的生长和固氮能力[15]；而增加镁营养的供应，可以促进大豆结瘤[16]。丛枝菌根真菌对植物根系的侵染强度很大程度上受土壤磷有效性的影响。低磷条件下接种菌根真菌能显著促进大豆生长，而高磷条件下菌根生长响应不明显[17]。在低磷接种菌根真菌条件下，适当提高镁的供应可以促进大豆光合产物向根部的运输，促进根系生长，提高菌根共生效率[18]。对柑橘的研究还发现，适当提高镁营养可以促进菌根共生，而柑橘不同品种对菌根的响应有所不同。然而，在田间条件下，不同磷和镁处理对不同大豆基因型与根际有益微生物共生的影响还鲜有报道。

大豆(Glycine maxL.)是重要的粮油作物，具有很高的营养价值，我国是大豆重要的生产国，然而日益增长的大豆需求以及种植面积的日益缩减导致大豆的产量供不应求[19]，因此，提高大豆的产量对我国农业可持续发展至关重要。本研究采用田间试验，通过设置施用不同磷肥和镁肥处理，探究不同磷、镁处理对不同基因型大豆生长及与根际有益微生物共生的影响。研究结果将为解决我国南方土壤磷、镁缺乏的问题提供新思路，为南方种植大豆的合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试植物材料

供试植物材料为2 种大豆(Glycine maxL.)基因型，磷高效基因型粤春03-3 (Yuechun 03-3 YC03-3)和磷低效基因型本地2号(Bendi 2，BD2)，为前期研究工作中筛选出来的磷效率不同的大豆基因型[20]。粤春03-3是华南农业大学育成的国审品种，为浅根型大豆基因型；本地2号为华南地区农民普遍种植农家品种，为深根型大豆基因型。

1.2 供试土壤

田间试验于2021年在华南农业大学宁西试验基地 (23°29′N，113°83′E)进行，该地区位于南亚热带季风气候区，年平均气温为21.7℃左右，年平均降雨量2000 mm左右。试验地基本理化性质如下：pH为5.01 (2.5∶1的水土比测定)，有机质为13.4 g/kg(油浴加热重铬酸钾氧化—容量法测定)，全氮为0.759 g/kg (凯氏蒸馏法测定)，全磷为0.472 g/kg (氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定)，全钾为11.6 g/kg(氢氧化钠熔融—火焰光度法测定)，碱解氮为50.5 mg/kg (碱解扩散法测定)，速效钾为112 mg/kg (乙酸铵浸提—火焰光度法测定)，速效磷为0.379 mg/kg(盐酸氟化铵浸提—钼锑抗比色法测定)，交换性镁为47.1 mg/kg (乙酸铵交换—原子吸收分光光度法测定)，交换性钙为271.3 mg/kg (乙酸铵交换—原子吸收分光光度法测定)。

1.3 试验设计

田间试验采用三因素裂裂区试验设计，A因素为P2O540 kg/hm2(P40)和100 kg/hm2(P100)两个施磷水平；B因素为不施镁(Mg0)和施MgO 75 kg/hm2(Mg75)两个施镁水平；C因素为磷高效基因型粤春03-3 (YC03-3)和磷低效基因型本地2号(BD2)两个大豆基因型。播种前尿素(N70 kg/hm2)、过磷酸钙(P40，P2O540 kg/hm2；P100，P2O5100 kg/hm2)、氯化钾 (K2O 90 kg/hm2)、氧化镁 (Mg 0，MgO 0 kg/hm2；Mg 75，MgO 75 kg/hm2)混合均匀后条施，并在沟内将肥料与土混合均匀，覆土后再开播种沟种植大豆。试验在田间采用裂裂区设计，分为高磷和低磷两块主区，然后在每个主区内进行镁处理，包括8块副区施用镁肥和8块副区不施用镁肥，每个副区长29 m、宽1.2 m，两种大豆基因型在每个副区内种植长度各14 m，中间间隔1 m，随机排列。播种时行距30 cm，株距20 cm，每穴播种2～3粒种子，出苗后进行补苗或间苗处理，每穴只留1株苗。试验每个处理重复4次，共32个试验小区。在作物生长过程中，进行灌溉、培土、除草及病虫害防治等常规管理。

1.4 样品采集与测定

田间试验中，大豆于2021年3月1日种植，4月29日采样，试验周期为60天。采样前两天需下地查看田间整体情况，在不同处理的不同小区，每个重复标记两株植株，挂好牌子。待播种60天后，对做好标记的两株植株进行分开取样，以避免取样误差。在选定的植株周围约60 cm处用铁铲挖一个深约40—60 cm的剖面，小心拨开覆盖的土壤，露出豆根。将大豆植株小心挖出，避免伤到大豆根系。将植株分为地上部与根部两部分，将地上部装入信封袋中，根部扫净后装入自封袋。样品带回实验室后，将根系清洗干净，摘完根瘤后，对根瘤数进行统计。通过扫描仪 ( Epson1460XL，日本) 扫描，再用根系分析软件 Win-RHIZO (Regent Instruments Inc.，加拿大)分析根系性状，包括总根长、根表面积、根体积、根平均直径。利用单位根长的结瘤数量计算根瘤密度。扫完根后，对根系样品进行称重，然后，将根系剪成1 cm左右的根段，混合均匀后取0.2～0.3 g菌根样品放入10% KOH中透明化处理，之后，用墨水染色，在显微镜中观察，计算被菌根真菌侵染的根段占总根段的比值从而得出菌根侵染率。将地上部(不含豆荚)、豆荚、根部、根瘤放于75℃烘箱烘至恒重后测定干重，磨样后采用H2SO4–H2O2消煮，使用San++ Skalar连续流动分析仪(Skalar，Breda，荷兰)测定大豆各组分的氮和磷含量；采用高温灰化结合原子吸收分光光度计(Z-5300，Hitachi, 日本)测定各组分的镁含量。

1.5 数据分析

试验数据均采用Microsoft Excel 2019 (Microsoft Company，美国)进行平均值和标准误的计算。所有试验数据用IBM SPSS Statistics 26统计软件进行三因素裂区的方差分析(analysis of variance，ANOVA)，邓肯法进行多重比较(Duncan’s multiple range test)。利用皮尔逊相关分析进行根系性状与根瘤性状的相关性分析 (Pierre’s relevant analysis)。

2 结果与分析

2.1 不同磷、镁处理对不同基因型大豆地上部、根部干重及单株结荚数的影响

从图1和表1三因素方差分析结果可见，不同磷处理极显著影响地上部干重、根部干重(P＜0.001)，显著影响单株结荚数(P＜0.01)；不同镁处理极显著影响根部干重(P＜0.001)，显著影响地上部干重以及单株结荚数(P＜0.01)，不同基因型极显著影响地上部和根部干重(P＜0.001)，显著影响单株结荚数(P＜0.05)。不同的磷、镁处理对植株地上部干重(P＜0.05)和根部干重(P＜0.01)存在显著的交互作用。不同磷处理和基因型对植株根部干重存在极显著的交互作用(P＜0.001)，对植株地上部干重存在显著的交互作用(P＜0.05)。不同镁处理和基因型对植株地上部干重和根部干重存在极显著的交互作用(P＜0.001)，对单株结荚数存在显著的交互作用(P＜0.05)。不同磷、镁处理和基因型对植株地上部干重以及根部干重的影响存在显著的交互作用(P＜0.01)。

图1 不同磷、镁处理对不同大豆基因型地上部、根部干重及单株结荚数的影响Fig.1 Effects of different phosphorus and magnesium rates on shoot and root dry weight, and pod number per plant of soybean genotypes

从磷处理来看，增加磷肥的施用量显著增加两种大豆基因型在不同镁处理下的地上部干重、根部干重以及单株结荚数。尤其在增施镁肥的条件下，与P40相比，P100处理的YC03-3和BD2地上部干重分别增加了280%和361%，根部干重分别增加了249%和192%，单株结荚数分别增加了127%和288%。从镁处理来看，在P40条件下，增施镁肥显著的增加了YC03-3地上部干重、根干重、单株结荚数，分别增加了63.0%、46.8%和70.8%；在P100条件下，增施镁肥也显著增加了YC03-3的地上部干重、根部干重以及单株结荚数，分别增加了74.4%、91.5%和51.2%。此外，两个大豆基因型的生物量和产量对磷、镁处理的反应有所不同，增施磷肥对磷高效型大豆基因型YC03-3生长的促进作用大于磷低效大豆基因型BD2；同时，磷高效大豆基因型对增施镁肥的反应也更加明显。

2.2 不同磷、镁处理对大豆氮、磷、镁含量和积累量的影响

从图2和表1三因素方差分析结果可见，不同磷处理极显著影响植株氮积累量(P＜0.001)，显著影响豆荚氮含量(P＜0.01)，不同镁处理极显著影响豆荚氮含量和植株氮积累量(P＜0.001)，显著影响根部氮含量(P＜0.05)；不同基因型极显著影响豆荚氮含量和植株氮积累量(P＜0.001)，显著影响植株地上部氮含量(P＜0.01)。不同磷、镁处理对豆荚氮含量存在极显著的交互作用(P＜0.001)，对地上部氮含量和植株氮积累量存在显著的交互作用(P＜0.05)；不同磷处理和基因型对植株氮积累量存在极显著的交互作用(P＜0.001)，对根部氮含量存在显著的交互作用(P＜0.05)；不同镁处理和基因型对植株氮积累量存在极显著的交互作用(P＜0.001)，对根部氮含量存在显著的交互作用(P＜0.01)；不同磷、镁处理和基因型对植株氮积累量存在极显著的交互作用(P＜0.001)。

图2 磷、镁处理对不同大豆基因型氮含量和积累量的影响Fig.2 Effects of phosphorus and magnesium treatments on the N content and accumulation of soybean genotypes

表1 磷(P)、镁(Mg)处理和不同大豆基因型(G)对植株生长及根瘤和菌根性状影响的方差分析Table 1 ANOVA of the effects of phosphorus (P), magnesium (Mg) and soybean genotypes (G) on plant growth and nodule and mycorrhizal traits

从磷处理来看，增加磷肥的施用量显著增加两种大豆基因型在不同镁处理下的植株氮积累量。不施镁肥条件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株氮积累量分别增加了488%和312%；增施镁肥条件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株氮积累量分别增加了287%和337%。同时，不施镁肥条件下增加磷肥的施用量也增加了BD2豆荚氮含量。从镁处理来看，P40条件下，增施镁肥可以显著增加BD2的豆荚氮含量、根部氮含量、植株氮积累量以及YC03-3的植株氮积累量，分别增加了40.3%、28.1%、57.9%、79.3%；P100条件下，增施镁肥增加了BD2的根部氮含量以及YC03-3的植株氮积累量，分别增加了29.9%和90.4%。此外，两个大豆基因型植株氮营养状况对磷、镁处理的反应有所不同，在P40不施镁条件下，YC03-3的豆荚氮含量和植株氮积累量显著高于BD2；在P40增施镁肥条件下，YC03-3的植株氮积累量显著高于BD2；在P100增施镁肥条件下，YC03-3的地上部氮含量和植株氮积累量均显著高于BD2。

从图3和表1三因素方差分析结果可见，不同磷肥处理极显著影响豆荚磷含量(P＜0.001)，显著影响植株磷积累量(P＜0.01)和地上部磷含量(P＜0.05)；不同镁肥处理显著影响植株磷积累量(P＜0.01)；不同基因型极显著影响植株磷积累量(P＜0.001)；不同磷处理和不同大豆基因型对豆荚磷含量(P＜0.05)和植株磷积累量(P＜0.01)的影响存在显著的交互作用。不同磷、镁处理和不同大豆基因型对植株地上部磷含量的影响存在显著的交互作用(P＜0.05)。

图3 不同磷、镁处理对不同大豆基因型磷含量和积累量的影响Fig.3 Effects of different phosphorus and magnesium treatments on the content and accumulation of phosphorus in different soybean genotypes

从磷处理来看，增加磷肥的施用量显著增加两种大豆基因型在不同镁处理下的植株磷积累量。不施镁肥条件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株磷积累量分别增加了560%和246%；增施镁肥条件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株磷积累量分别增加了296%和284%。同时，在不施用镁肥条件下，增施磷肥增加了YC03-3和BD2的豆荚磷含量；在增施镁肥条件下，增施磷肥增加了BD2的豆荚磷含量。从镁处理来看，增施镁肥增加了P40条件下BD2的豆荚磷含量以及P100条件下YC03-3植株磷积累量，分别增加了165%和96.4%。此外，两个大豆基因型磷营养状况对磷、镁处理的反应存在差异，在P40不施镁条件下，YC03-3的豆荚磷含量显著高于BD2；在P100施镁条件下，YC03-3的植株磷积累量显著高于BD2。

从图4和表1三因素方差分析结果可见，不同磷肥处理极显著影响植株镁积累量(P＜0.001)以及显著影响大豆植株地上部镁含量、豆荚镁含量、根部镁含量(P＜0.05)；不同镁肥处理显著影响植株根部镁含量(P＜0.05)和豆荚镁含量(P＜0.01)；极显著影响植株地上部镁含量、植株镁积累量(P＜0.001)，不同基因型显著影响植株地上部镁含量(P＜0.01)，极显著影响根部镁含量、豆荚镁含量和植株镁积累量(P＜0.001)。不同磷、镁处理对植株镁积累量存在极显著的交互作用(P＜0.001)，对植株地上部镁含量存在显著的交互作用(P＜0.05)；不同磷处理和大豆基因型对植株镁积累量存在显著的交互作用(P＜0.05)，对豆荚镁含量存在极显著的交互作用(P＜0.001)；不同镁处理和大豆基因型对植株镁积累量存在极显著的交互作用(P＜0.001)。不同磷、镁处理和不同基因型对植株根部镁含量和植株镁积累量存在显著的交互作用(P＜0.01)

图4 不同磷、镁处理对不同大豆基因型镁含量和积累量的影响Fig.4 Effects of different phosphorus and magnesium treatments on the content and accumulation of magnesium in soybean genotypes

从磷处理来看，增加磷肥的施用量可以显著增加两种大豆基因型在不同镁处理下的植株镁积累量。不施镁肥条件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株镁积累量分别增加了328%和199%；增施镁肥条件下，增加磷肥的施用量BD2和YC03-3植株镁积累量都增加了276%。同时，不施加镁肥的条件下，增加磷肥增加了BD2的根部镁含量，降低了YC03-3的地上部和豆荚镁含量；增施镁肥的条件下，增施磷肥增加了YC03-3的地上部和根部镁含量，降低了YC03-3的豆荚镁含量。从镁处理来看，在P40条件下，增施镁肥BD2地上部镁含量、根部镁含量、植株镁积累量分别增加了51.1%、47.0%、87.2%，YC03-3地上部镁含量、豆荚镁含量、植株镁积累量分别增加了28.7%、20.6%、106%；在P100条件下，增施镁肥BD2地上部镁含量、豆荚镁含量、植株镁积累量分别增加了50.8%、21.9%、64.7%；YC03-3地上部镁含量、豆荚镁含量、根部镁含量和植株镁积累量分别增加了87.5%、23.9%、77.8%、161%。此外，两个大豆基因型的镁营养状况对磷、镁处理的反应有所不同，在P40不施镁条件下，YC03-3的豆荚镁含量、根部镁含量显著高于BD2；在P40增施镁肥条件下，YC03-3的地上部镁含量显著低于BD2，但豆荚镁含量和植株镁积累量显著高于BD2；在P100不施镁条件下，YC03-3的地上部镁含量显著低于BD2；在P100增施镁肥条件下，YC03-3的根部镁含量和植株镁积累量均显著高于BD2。

2.3 不同磷、镁处理对不同基因型大豆根系性状的影响

从图5和表1三因素方差分析结果可见，不同磷肥处理极显著影响植株的根体积和根平均直径(P＜0.001)，显著影响总根长和根表面积(P＜0.01)，不同镁肥处理显著影响植株根体积和根平均直径(P＜0.01)；不同基因型显著影响植株总根长(P＜0.05)、根表面积和根平均直径(P＜0.01)，极显著影响植株根体积(P＜0.001)。不同磷和镁处理对植株根体积和根平均直径存在显著的交互作用(P＜0.01)；不同磷和大豆基因型对植株根平均直径(P＜0.01)和根表面积存在显著的交互作用(P＜0.05)，对植株的根体积存在极显著的交互作用(P＜0.001)；不同镁处理和大豆基因型对植株的根表面积(P＜0.05)、根平均直径(P＜0.01)存在显著的交互作用，对根体积存在极显著的交互作用(P＜0.001)；不同磷、镁处理和不同大豆基因型对植株根表面积、根平均直径(P＜0.05)存在显著的交互作用，对根体积存在极显著的交互作用(P＜0.001)。

图5 不同磷、镁处理下大豆基因型的根系性状Fig.5 Root traits of soybean genotypes under P and Mg treatments

从磷处理来看，增加磷肥的施用量显著增加了两个大豆基因型的总根长、根表面积、根体积以及根平均直径(增施镁条件下的BD2根平均直径除外)。从镁处理来看，增施镁肥增加了两个大豆基因型的不同根系性状。在P40条件下，增施镁肥BD2的总根长增加了30.0%，P100条件下，YC03-3的根表面积、根体积、根平均直径分别增加了49.3%、82.8%、60.4%。此外，两个大豆基因型的不同根系性状对磷、镁处理的反应存在差异，在P40不施镁条件下，YC03-3的总根长显著高于BD2；在P100不施镁条件下，YC03-3的根体积显著高于BD2；在P100增施镁条件下，YC03-3的根表面积、根体积以及根平均直径均显著高于BD2。

2.4 不同磷、镁处理对不同基因型大豆根瘤性状及菌根侵染率的影响

从图6和表1三因素方差分析结果可见，不同磷处理显著影响根瘤干重(P＜0.01)；不同镁处理显著影响根瘤干重(P＜0.01)、根瘤数(P＜0.05)；不同基因型处理极显著影响根瘤数(P＜0.001)，显著影响根瘤密度(P＜0.05)。不同磷、镁处理对植株根瘤数、根瘤密度的影响存在显著的交互作用(P＜0.01)，对根瘤干重存在极显著的交互作用(P＜0.001)。从磷处理来看，增施镁肥条件下，增施磷肥可以显著增加两个大豆基因型的根瘤数和根瘤干重，与P40相比，P100处理的BD2和YC03-3的根瘤数分别增加了177%和117%；根瘤干重分别增加了1015%和392%；同时，增施磷肥，施加镁肥条件下YC03-3的根瘤密度增加了66.4%，不施加镁肥条件下降低了98.9%。从镁处理来看，在P100条件下增施镁肥可以显著促进两个大豆基因型结瘤，BD2和YC03-3的根瘤数分别增加了135%和178%；根瘤干重分别增加了308%和197%；YC03-3的根瘤密度增加了161%。此外，两个大豆基因型的根瘤数对磷、镁处理的反应有所不同，在不同磷、镁处理，YC03-3的根瘤数均高于BD2，并且，在增施磷肥的条件下，施加镁肥YC03-3的根瘤密度相比BD2增加了67.9%。

图6 不同磷、镁处理对不同基因型大豆根瘤性状和菌根侵染率的影响Fig.6 Effects of phosphorus and magnesium treatments on nodules traits and mycorrhizal colonization rate of soybean genotypes

从图6和表1三因素方差分析结果可见，不同磷处理显著影响菌根侵染率(P＜0.01)；不同镁处理极显著影响菌根侵染率(P＜0.001)；不同基因型显著影响菌根侵染率(P＜0.05)。不同磷、镁处理和基因型对植株菌根侵染率的影响存在显著的交互作用(P＜0.01)。从磷处理来看，与P100相比，减少磷肥的施用量在不施镁肥的条件下YC03-3菌根侵染率增加了31.6%，在增施镁肥条件下BD2的菌根侵染率提高了15.0%。从镁处理来看，增施镁肥在P40条件下BD2的菌根侵染率提高了16.3%，P100条件下YC03-3的菌根侵染率提高了32.1%。此外，两个大豆基因型的菌根侵染率对磷、镁处理的反应有所不同，在P40不施镁条件下，YC03-3的菌根侵染率显著高于BD2；在P100增施镁肥条件下，YC03-3的菌根侵染率也显著高于BD2。

进一步将不同磷和镁处理下的根系性状与根瘤性状进行相关性分析发现，在P40不施镁条件下，根瘤数和根瘤干重与总根长呈显著正相关，而在P100施镁条件下，根瘤数与根体积以及根平均直径呈显著正相关(表2)。表明大豆根瘤性状会受到根系性状以及磷和镁处理的影响。

表2 不同磷和镁处理下根系性状与根瘤性状相关性分析Table 2 Correlation analysis of root and nodule traits under different phosphorus and magnesium treatments

2.5 不同磷、镁处理下两种大豆基因型主成分分析

由图7可以看出，大豆基因型BD2的PC1和PC2累计贡献度达82.1%；YC03-3的PC1和PC2的累计贡献度达89.1%。在两个大豆基因型中，实验点在 PC1和PC2平面上均较好的集聚为3簇，分别代表不同磷和镁处理。PC1非常明显的将P40与P100处理分离开，PC2非常明显的将P100条件下的施镁与不施镁处理分离开，而对P40条件下不施镁与施镁处理之间没有明显的区分，表明P100条件下是否施镁有着明显的差异，而P40条件下施镁与不施镁之间的差异较小。在两个大豆基因型中，根系性状和根瘤性状与PC1均有着正相关关系。在BD2中菌根侵染率对PC1也有较大的贡献，但为负相关关系，而在YC03-3中菌根侵染率与PC2有着正相关关系。并且，在两个大豆基因型中植株干重及氮、磷、镁积累量均与根系性状和根瘤性状呈正相关关系，而在BD2中与菌根侵染率呈负相关关系，表明不同磷和镁处理条件下，大豆植株通过调整根系性状、根瘤性状以及菌根侵染率来响应磷、镁营养变化。

图7 功能变量的主成分分析Fig.7 Principal component analysis (PCA) of functional variables

3 讨论

3.1 磷和镁营养对大豆生长的影响

磷和镁是植物生长过程中两个重要的必需营养元素[21]。在长期的磷肥试验中发现，水稻谷粒中的磷含量和镁含量呈显著正相关关系[22]，表明磷和镁养分之间存在互作。在本研究中，增施磷肥显著增加了两个大豆基因型的地上部和根干重及单株结荚数，也增加了植株总根长、根表面积和根体积(图1、图5)；并且，增施磷肥两个大豆基因型的植株氮、磷、镁积累量都显著提高(图2～图4)。这表明磷在大豆生长以及体内氮、磷、镁养分积累中有重要作用。同时，通过主成分分析发现，两个大豆基因型在P40条件下施镁与不施镁的试验点集聚在一起，而在P100条件下施镁与不施镁的试验点明显分开(图7)，表明磷和镁养分存在互作，在增施磷肥的条件下大豆对施镁的响应更加明显[5]。

3.2 磷和镁营养对大豆与有益微生物共生的影响

土壤中磷有效性是促进豆科作物结瘤的一个关键因素[23]。磷通过影响宿主作物的生长, 以及根瘤的形成和发育影响豆科作物的结瘤固氮过程，结瘤豆科作物体内总磷量的近20%会被分配到根瘤中[24–27]。在P40条件下，两个大豆基因型的根瘤数和根瘤干重均较低(图6)，表明缺磷严重影响了豆科作物根瘤的形成和发育。增施镁肥可以显著促进大豆根瘤的生长[16]。本研究中，P40条件下增施镁肥对两个大豆基因型结瘤没有显著影响，而在P100条件下，增施镁肥两个大豆基因型的根瘤数和根瘤干重及YC03-3的根瘤密度均显著增加。表明磷和镁的合理施用对于促进大豆结瘤固氮至关重要。并且，我们发现不同磷和镁处理下的根系生长状况与大豆根瘤性状有关。在P40不施镁条件下根瘤性状与总根长呈显著正相关关系；而在P100施镁条件下根瘤数与根体积及根平均直径呈显著正相关关系(表2)。丛枝菌根真菌侵染植物根系是改善宿主植物矿质营养的先决条件之一，根系菌根侵染率常用来表征根系菌根化程度[28]。与P100相比，P40不施镁条件下YC03-3的菌根侵染率显著增加(图6)，而在P40增施镁肥条件下BD2的菌根侵染率显著增加，表明菌根真菌对作物的侵染与土壤有效磷含量密切相关，低磷促进菌根共生[29]。并且，菌根共生还受到介质镁含量的影响，适当增加镁的供应可以促进菌根共生[30]。在本研究中，P40条件下增施镁肥BD2菌根侵染率显著增加，并且，在P100条件下YC03-3的菌根侵染率在增施镁肥时达到了P40条件下的菌根侵染水平(图6)。菌根共生通常需要消耗植物4%～20%的光合产物[31]。以上结果表明，镁的施用可能促进了光合产物向根系的运输，从而提高了菌根共生[18]。然而，磷和镁调控菌根共生的分子机制尚不清楚，仍需要进一步的研究。

3.3 不同基因型大豆对磷和镁处理的反应差异

通过研究发现，施加镁肥在不同磷处理条件下均显著增加了磷高效大豆基因型YC03-3的地上部、根部干重以及单株结荚数，在P100条件下施镁的生长促进作用更加显著，而施镁对磷低效大豆基因型BD2没有明显影响(图1)。表明磷高效大豆基因型对施镁的生长响应更加明显。根系是植株吸收养分和水分的主要途径，磷和镁的缺乏会造成光合作用受到抑制，光合产物运输受阻，进而严重影响根系的生长[32–34]。在对不同的磷和镁处理调节拟南芥主根生长的研究中发现，增加磷和镁营养可以促进拟南芥主根的伸长[35]。本研究中，增施磷肥两个大豆基因型的总根长、根表面积和体积都显著增加；增施镁肥条件下，在P40条件下两个大豆基因型的根系性状没有明显变化；而在P100条件下YC03-3的根表面积、根体积、根平均直径都显著增加，BD2没有明显变化。这表明增施镁肥在P100条件下能够促进磷高效大豆基因型YC03-3的根系发育，从而增加其植株氮、磷、镁积累量以及产量(图1～图5)；同时，这些结果表明磷和镁的互作会受到大豆基因型的影响，磷高效大豆YC03-3受磷和镁互作的影响更大。磷和镁互作也会通过调节光合产物代谢和运输进而调节大豆与有益微生物共生效率[30]。本研究发现，磷高效型YC03-3的结瘤数显著多于磷低效型BD2，并且，YC03-3的植株氮积累量也显著高于BD2 (P100不施镁处理除外)，表明磷高效大豆基因型具有更高的与微生物共生固氮潜力。同时，在不施加镁肥条件下，增施磷肥YC03-3的根瘤密度显著降低而BD2的根瘤密度没有明显变化。然而在施加镁肥条件下，增施磷肥YC03-3的根瘤密度增加，而BD2的根瘤密度没有明显变化。以上结果表明，磷高效大豆基因型的结瘤密度对磷和镁养分变化响应更加明显。并且，在P40条件下，施加镁肥，两个大豆基因型的根瘤密度没有明显变化，而在增施磷肥的条件下，增施镁肥YC03-3的根瘤密度显著提高并远高于BD2，而BD2没有明显变化，表明磷镁互作对磷高效大豆基因型的根瘤密度影响较大。此外，不同磷和镁处理对不同大豆基因型的菌根侵染率影响有所不同。P40条件下施加镁肥对磷低效大豆基因型的菌根共生有显著促进作用，而对磷高效大豆基因型的菌根共生没有明显影响(图6)，这与前人的研究结果[18]一致。而在P100条件下，增施镁肥只有YC03-3的菌根侵染率显著增加，这与前人的报道，两个磷效率不同的大豆基因型高磷施镁后菌根侵染率均增加的研究结果[18]有所不同，这可能是介质中磷和镁的施用量不同，以及试验方法不同造成的。总体来看，在本研究中，磷低效大豆基因型BD2在P40条件下菌根侵染率对施镁的反应敏感；而磷高效大豆基因型YC03-3在增施磷肥的条件下菌根侵染率对施镁反应更加敏感，这可能也部分归因于两个大豆基因型的磷效率不同，从而导致植株体内光合碳运输和分配有所不同[18]。

4 结论

增施磷肥显著促进了两个大豆基因型的生长，改善了植株氮、磷、镁养分状况。增施镁肥可增加磷高效大豆基因型YC03-3的地上部和根部干重、单株结荚数、植株氮积累量，对磷低效型基因BD2没有显著作用。YC03-3的根瘤密度对施磷和施镁响应较BD2显著。BD2的菌根侵染率在低磷条件下对施镁的反应敏感，而YC03-3的菌根侵染率在P100条件下对施镁反应敏感。由此可见，磷和镁养分之间的互作效应受到大豆基因型的影响。不同磷和镁处理条件下，大豆植株通过调整根系性状、根瘤性状以及菌根侵染状况来响应其变化。