低磷脅迫下大麥磷高效基因型的篩選

普曉英，趙大偉，曾亞文*，杜娟，楊樹明，楊濤，趙春艷

1. 云南省農業科學院生物技術與種質資源研究所，云南省農業生物技術重點實驗室，云南 昆明 650205；2. 云南農業大學農學與生物技術學院，云南 昆明 650201

磷是作物生長發育中所必須的營養元素，在植物光合作用、呼吸作用和生理生化調節過程中作用重大。近年來由于種植密度和單位面積產量的提高，作物需磷與土壤供磷的矛盾日趨明顯。農業生產中通過大量施用磷肥來解決土壤缺磷問題，但大部分都被土壤的吸附固定作用、沉淀或吸收轉化為無效態磷[1]，增量施肥加橫坡種植方式下磷流失總量最大[2]，化肥配施的紅壤中 Cu、Cd全量和有效態含量及其活化率隨時間呈顯著上升趨勢[3]。研究發現磷高效品種對磷的利用效率大于施用磷肥所帶來的效率[4]，利用作物固有的生物學特性，發掘作物自身對磷的高效吸收利用潛力[5]，可以減少磷肥用量,從而減輕磷肥對環境的污染并在低投入情況下提高作物產量。利用作物自身的生理、遺傳特點，篩選磷高效品種，挖掘高效活化無效磷的作物品種，在理論研究和生產應用上都有重要意義。在其它作物中已作了大量研究，在大麥中的研究還較少，本試驗在田間采用耐低磷力、品種適應性和綜合力三項指標對供試材料進行的篩選，旨在為磷高效基因型大麥的選育及生產提供材料及理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為180個大麥品種(系)，其中123個來自美國，43個來自中國，14個來自其他國家。43個中國大麥品種來源于云南、甘肅、浙江、江蘇、湖北、上海、北京、河南、青藏高原等9個?。ɑ虻貐^）。所有材料在2007年11月10日種植于云南省農業科學院試驗場，2008年5月7日左右大麥成熟期收獲。

1.2 試驗方法

昆明云南省農科院試驗田(18 m×3.5 m水泥池，土培介質0.8 m，海拔1916 m)所用土壤為多年來尚未施過化肥的酸性紅壤，經云南省農業科學院土壤肥料研究所測定：未施磷肥的土壤有效磷和總磷含量為 1.32 mg·kg-1和 1000 mg·kg-1，施過磷肥的土壤有效磷和總磷含量為 36.6 mg·kg-1和 1029 mg·kg-1。在這兩塊試驗田中種植群體進行耐低磷鑒定，并且設計對照品種，兩種處理下土壤測定數據如表 1。同時兩塊試驗田不加其它化肥，常規管理。株行距為10 cm×15 cm，2次重復。分蘗盛期調查分蘗數，隨后調查抽穗期，測量葉長、葉寬，5月收獲測株高、穗長、穗頸、有效穗、地上干物質量(包括穗質量和桿質量)等10多個形態參數。

按照劉鴻雁的方法計算耐低磷力、品種適應性和綜合力[1,6]。

耐低磷力：某個品種不施磷處理的產量（籽粒產量、生物產量）占該品種施磷處理產量的百分數。

品種適應性：在不施磷處理下，某個品種籽粒產量（或生物產量）比當年試驗的所有品種籽粒產量（或生物產量）的平均值增減百分數。

表1 試驗田土壤測定數據Table 1 Determinatial data of soil of experimental field

綜合力：籽粒產量（生物產量）耐低磷力及其品種適應性兩項指標的平均值。

2 結果與分析

2.1 表現磷高效物性的性狀

1.32 mg·kg-1低磷脅迫與36.6 mg·kg-1正常有效磷條件下，對180份不同來源不同類型的大麥品種進行磷高效特性分析，11個形態性狀的相關系數列表于表2對角線下方：由11個相對形狀組成的55對性狀中有27對性狀間達極顯著相關，5對性狀間達顯著相關，磷高效特性的形狀順序為：莖干重>有效穗>株高>地上重>總穗重>主穗重>穗長>結實率>實粒數>秕粒數>分蘗。從表 2可見，有效穗、分蘗、莖干重、地上重是表現磷高效特性最好的形狀。

1.32 mg·kg-1低磷脅迫與 36.6 mg·kg-1正常有效磷條件下，180份不同來源不同類型的大麥品種進行磷高效特性分析，對磷高效特性表現最好的性狀(有效穗、分蘗、莖干質量、地上質量)在不同類型的大麥品種間進行差異分析列于表 3。結果表明：中國大麥有效穗顯著高于美國大麥，裸大麥有效穗極顯著高于皮大麥；裸大麥分蘗極顯著高于皮大麥，多棱大麥分蘗極顯著高于二棱大麥；中國大麥莖干重顯著高于美國大麥，裸大麥莖干重極顯著高于皮大麥，多棱大麥莖干重極顯著高于二棱大麥；中國大麥地上重顯著高于美國大麥，裸大麥地上重顯著高于皮大麥，多棱大麥地上重極顯著高于二棱大麥。

2.2 不同指標劃分的等級差異

磷高效基因型大麥能在磷肥投入不足或不投入的條件下仍獲得較高的產量。參照劉鴻雁[5]等篩耐低磷玉米采用的劃分標準，應用耐低磷力和品種適應性兩項指標的平均值（綜合力）作為綜合評定的指標，用此指標對大麥進行分級評定，按照不同指標劃分耐低磷等級，得到的結果不完全一致（表4）。

表3 磷高效特性指標性狀在大麥品種間的差異Table 3 Differences of genetypes for barley based on the index traits with high-phosphorous efficiency

以籽粒產量為耐低磷指標，2級有3個、3級2個，4級3個，5級有164個；以生物產量為指標，2級有5個、3級6個，4級11個，5級有148個，說明一個品種很難同時具有幾類與磷高效有關的性狀。

2.3 高耐低磷力基因型大麥篩選

以籽粒產量為耐低磷指標，1級有8個，以生物產量為指標，1級有10個，2個指標都是1級的大麥品種有 JB92-2、YS500、G213M042M、Z050P004Q和云啤1號，說明這5個品種在不施磷處理和施磷處理條件下的的籽粒產量和生物產量幾乎沒有差別，表明耐低磷力特別強。在不施磷處理條件下籽粒產量YS500、Z043R003S、云啤1號和Z029P020P，居1、2、4和5位。

此外 Z043R003S以籽粒產量為指標耐低磷等級1級，而以生物產量為指標為3級，G044N072N-1和01094都是籽粒為指標耐低磷等級為1級，而以生物產量為指標則是5級。進一步說明有的品種很難同時具有幾類與磷高效有關的性狀。

2.4 磷高效基因型大麥的篩選

以籽粒產量和生物產量為標準高耐低磷的所有品種，適應性、綜合力都為1級，它們都可以在缺磷地區大面積推廣種植具有較大的優勢。

YS500、Z043R003S、澳選1號、云啤1號和Z050P004Q以籽粒產量為標準品種適應性和綜合力都居前 5位。而青稞、Z010J045J、澳選 3號、Z050P004Q和 YS500生物產量為標準品種適應性和綜合力都居前5位。

2.5 磷敏感基因型大麥的篩選

6B01-2513 在施磷的條件下，籽粒產量達7.728 g，不施磷條件下，籽粒產量僅為 0.0255 g，兩者相差303倍；BARI293在施磷的條件下，籽粒產量達13.41 g，不施磷條件下，籽粒產量僅為0.0675 g，兩者相差198倍；鄂32380在施磷的條件下，籽粒產量達19.64 g，不施磷條件下，籽粒產量僅為0.94 g，兩者相差20倍，即缺磷時產量低，施磷后產量有很大提高，表明它們對施磷比較敏感。這類品種在種植時必須保證磷肥的供應才能獲得高產。

表4 耐低磷評級標準及代表品種Table 4 The criterion of tolerance to low-P and standard cultivars

2.6 不同基因型大麥對磷的吸收率和利用率的差異

本試驗中，大多數品種的生物產量耐低磷力和籽粒產量耐低磷力成正相關，但也出現少數例外情況。有的品種生物產量耐低磷力較高，而籽粒產量耐低磷力卻較低。如2B01-1976、SCARLET-2和澳選3號生物產量耐低磷力為1級，但是籽粒產量耐低磷力為5級，說明這3個品種對磷的吸收率高而利用效率低。籽粒產量耐磷力較高的品種G044N072N-1和01094，其籽粒耐低磷力為1級，但是生物產量耐低磷力僅為5級，說明其對磷的利用效率高。

3 結論

缺磷是限制目前農林業產量的一個重要因子,近年來人們開始發掘磷高效利用植物來替代傳統方法提高磷的利用效率[7]，國外對作物磷營養效率基因型差異研究起步較早，早在20世紀初就由De Turk[8]和Smith[9]率先在玉米上進行，國內主要集中在對小麥、水稻、大豆、蘿卜和甘藍型油菜的研究上[10-16]，植物耐低磷脅迫研究的前提是具備理想的耐低磷材料，云南嚴重缺磷酸性土壤造就了農作物較強的耐低磷特性，經過長期的種植馴化形成了大量磷高效材料，本試驗中在云南選育的云啤1號、澳選3號和YS500都是磷高效材料。

采用不同的選擇指標會得到不同的分類結果，以籽粒產量為指標時01094和云啤1號為磷高效最高的兩個品種，以生物產量為指標時澳選 3號和Z023Q088R為磷高效最高的兩個品種。因此，在篩選和鑒定材料時，應根據研究目的不同選擇合適的指標。

不同來源不同類型的大麥品種進行磷高效特性分析，對磷高效特性表現最好的性狀(有效穗、分蘗、莖干重、地上重)在不同類型的大麥品種間進行有差異。

植物養分效率包括吸收效率和利用效率。本試驗中大多數品種的籽粒產量耐低磷力和生物產量耐低磷力呈正相關，但也有少數品種籽粒產量耐低磷力較高而生物產量耐低磷力較低，或者籽粒產量耐低磷力較低而生物產量耐低磷力較高目前只知道其與磷的吸收和利用效率有關，其具體的遺傳機理尚待進一步研究。

對大麥磷吸收利用效率的研究表明，在高磷土壤條件下，品種間的產量差異不顯著，但在中、低磷土壤條件下，品種間籽粒產量差異顯著。將初步篩選出的“磷高效”與“磷低效”品種晉升小區試驗。在施磷與不施磷處理條件下，進行產量比較以及有關磷營養特性的深入研究。

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