低磷脅迫下五種蘋果砧木的磷吸收與利用特性

季萌萌， 許海港， 彭 玲， 任飴華， 葛順峰， 姜遠茂

(山東農業大學園藝科學與工程學院， 作物生物學國家重點實驗室， 山東泰安 271018 )

蘋果樹由砧木和接穗兩部分構成，砧木為果樹提供根系，與所處的土壤環境不斷地進行物質交換和能量交換，對樹體的養分吸收、 生長發育、 開花結實均有重要影響。不同砧木品種其根系吸收營養物質的速率和程度有很大的差異[8]。P32放射性同位素標記結果表明，嫁接在M16砧上的一年生旭蘋果樹的地上部含磷量比M.9砧多3倍以上[9]。另外，在低營養水平下栽培的桃樹，極喬化的桃砧‘Shalil’比生長勢較弱的桃砧‘Lovell’吸收更多的營養和水分以供給接穗生長[8]。我國蘋果的種植主要分布于環渤海灣山丘地和西北黃土高原，蘋果園土壤的有機質含量普遍較低，加之果農在生產中過量施入無機化學肥料，導致土壤養分不均衡，土壤質量降低。在生產中為了提高蘋果樹對養分的利用效率，需要選擇對養分具有高效吸收能力的蘋果砧木[10]。 我國耕地面積廣闊，目前全國范圍內有50%左右的土壤處于缺磷狀態[5]。植株缺磷一方面指土壤中有效磷含量低造成的養分虧缺[1]，另一方面是植株對土壤中有效磷的吸收利用能力較低，從而使植株出現缺磷現象[11]。因此，研究和發掘磷高效的蘋果砧木對于解決低磷脅迫和提高磷利用效率具有重要意義。國內對磷高效基因型的研究主要集中在玉米、 小麥、 大豆、 油菜等作物，在果樹上較少涉及。為此，本試驗以五種蘋果野生砧木為試材，研究其磷吸收效率、 磷利用效率的差異，旨在選出磷吸收效率、 磷利用效率較高的砧木品種，為生產上合理選用砧木及養分高效基因型蘋果育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年在山東農業大學園藝試驗站完成。供試土壤為棕壤，質地為粘壤土，有機質含量10.13 g/kg，堿解氮76.63 mg/kg，速效磷14.60 mg/kg，速效鉀184.99 mg/kg，pH 6.7 。以正常管理的一年生八棱海棠(M.micromalusMakino)、 平邑甜茶(MalushupehensisRehd.)、 東北山荊子(M.baccataBorkh.)、 富平楸子[M.prunifolia(Willd)Borkh.]、 新疆野蘋果[M.sievesii(Ledeb.)Roemer]5種蘋果砧木為試材，每盆栽長勢基本一致的植株3株。

1.2 盆栽試驗

試驗分為低磷(LP)和正常施磷(CK)兩組處理，低磷(LP)處理不施磷肥，正常施磷處理(CK)為每盆施入過磷酸鈣1.96 g(試驗盆直徑20 cm，裝土至距離盆沿2 cm處，按100 kg/hm2的標準施入)，兩組處理均同時施入尿素0.67 g，硫酸鉀0.60 g，于2012年5月10日施肥。每個處理6次重復(6盆)，每盆3株，各處理生長條件及栽培管理均保持一致。于2012年8月10日取樣測定。每處理選取6株，經清水沖洗后用WinRHIZO 根系分析軟件進行根總表面積、 根系總長度分析，根系分級參照楊洪強[12]的方法進行； 另取6株，將植株分成地上部和地下部，于 105 ℃殺青30 min ，80 ℃烘干至恒重，用不銹鋼電磨粉碎，過0.25 mm 篩后備測。地上部和地下部干物質量用千分之一電子天平稱量； 含磷量用H2SO4-H2O2消煮—釩鉬黃比色法測定； 根系活力用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測定，以單位鮮樣質量根系還原的TTC 量表示。

1.3 離子吸收動力學參數的測定

5種蘋果砧木的幼苗培養在人工氣候室進行，Hoagland 完全營養液初始pH為6.5，每周換一次營養液，每天定時通氣，14h光照，光量子通量密度為150 μE/(m2·s)，白天/夜間溫度為28℃/21℃。試驗前一天，將幼苗根系沖洗干凈，移入盛有去離子水的黑色培養瓶饑餓處理24 h。而后將幼苗轉入連續通氣的處理營養液進行離子吸收動力學試驗。處理營養液其它營養元素濃度與正常營養液相同，磷溶液系列濃度為KH2PO40、 0.05、 0.10、 0.20、 0.30、 0.40、 0.50、 0.60、 0.80、 1.00 mmol/L10個梯度，每個梯度6個重復，3株為1個重復。幼苗吸收24 h后采集營養液10 mL，鉬銻抗比色法測定含磷量。

1.4 數據統計分析

相對磷效率(%)=低磷脅迫下干物質積累量/正常施磷條件下干物質積累量×100[13]

植株磷吸收效率(mg/plant)=磷濃度(mg/g)×植株干物質重(g/plant)[14]

植株磷利用效率(g/mg)=植株干物質重(g)/吸磷量(mg)[14]

動力學參數Vmax、 Km的計算采用Lineweaver-Burk雙倒數作圖法。使1/v 對1/[S]作圖，可以獲得一條直線。直線與x軸的截距即為1/Km的絕對值，直線與y軸的截距為1/Vmax。

用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05軟件進行數據分析，多重比較采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 不同蘋果砧木生物量的差異及相對磷效率

低磷脅迫及正常施磷處理下5種蘋果砧木整株干重從高到低均為富平楸子>平邑甜茶>新疆野蘋果>東北山荊子>八棱海棠，但低磷脅迫明顯抑制了砧木干物質的積累。與正常施磷處理相比，低磷脅迫下各蘋果砧木的根冠比顯著增加，其增加量由高到低為富平楸子(16.22%)>平邑甜茶(11.29%)>東北山荊子(8.75%)>新疆野蘋果(7.41%)>八棱海棠(5.77%)(表1)。

相對磷效率用植株干物質積累量在低磷與正常供磷水平下的比值表示，相對磷效率越高其對低磷脅迫的適應能力越強[15]。5種蘋果砧木相對磷效率(低磷/正常施磷)差異顯著，依次為富平楸子(93.66%)>平邑甜茶(87.69%)>東北山荊子(83.44%)>八棱海棠(74.54%)>新疆野蘋果(74.01%)，可見在低磷脅迫時富平楸子能夠最大限度地維持生長勢。

2.2 不同蘋果砧木磷吸收效率及利用效率的差異

磷吸收效率(PAE)是植物在一定介質有效磷濃度下吸收的總磷量，它反映了植株對介質中磷的吸收能力[14]。由表2可以看出，正常磷和缺磷水平下5種砧木的PAE從高到低均為富平楸子>平邑甜茶>東北山荊子>新疆野蘋果>八棱海棠。與正常施磷處理相比，低磷脅迫下砧木的PAE降低，不同砧木降幅差異顯著。降幅最小的是富平楸子，降低了22.34%，八棱海棠降幅最大，為39.17%，東北山荊子為28.16%、 平邑甜茶為28.48%、 新疆野蘋果為32.57%。

磷利用效率(PUE)是指植株體內單位磷所生產的生物量[14]。低磷脅迫下各砧木的PUE從高到低依次為平邑甜茶>富平楸子>八棱海棠>新疆野蘋果>東北山荊子； 正常施磷處理依次為平邑甜茶>富平楸子>八棱海棠≈新疆野蘋果>東北山荊子。低磷脅迫使各砧木PUE顯著增加，其中增幅最大的為平邑甜茶，其PUE增加了22.02%，增幅最小的為新疆野蘋果，PUE增加12.94%，其他砧木的PUE增幅由高到低依次為富平楸子(19.79%)、 八棱海棠(19.54%)、 東北山荊子(17.14%)。

表1 不同砧木低磷和正常施磷處理的生物量及相對磷效率

表2 不同砧木低磷和正常施磷處理的磷吸收效率及利用效率

2.3 不同蘋果砧木根系形態指標、 根系活力及離子吸收動力學參數的差異

在低磷及正常施磷處理下，5種蘋果砧木吸收根總表面積和吸收根總根長從高到低依次為富平楸子>平邑甜茶>東北山荊子>新疆野蘋果>八棱海棠(表3)。低磷脅迫下砧木吸收根總表面積高于正常施磷處理，其增加量由高到低為平邑甜茶(19.72%)>富平楸子(13.38%)>東北山荊子(10.08%)>新疆野蘋果(9.15%)>八棱海棠(2.78%)； 除平邑甜茶外，低磷脅迫并未使吸收根根長顯著增加，在八棱海棠、 東北山荊子和新疆野蘋果中甚至有所減少。

從表4可以看出，5種蘋果砧木在低磷及正常施磷處理下根系活力從高到低均為富平楸子>平邑甜茶>東北山荊子>新疆野蘋果>八棱海棠。與正常施磷處理相比，低磷脅迫使根系活力顯著升高，其中平邑甜茶、 東北山荊子、 富平楸子增幅較大，分別增加了35.45%、 30.59%、 27.58%。

相關性分析表明(表5)，磷吸收效率(PAE)與吸收根總根長和吸收根總表面積呈顯著正相關(R2=0.80**，R2=0.61*)，與根系活力相關性較差(R2=0.56)。說明低磷脅迫下，植物通過增加吸收根總表面積及總根長等方式，擴大根系吸收面積，從而增加根系對磷的吸收。而吸收根總根長、 吸收根總表面積和根系活力與磷利用效率無顯著相關性，說明根系的吸收能力與磷利用效率可能并無直接關系。

表3 不同砧木低磷和正常施磷處理的根系形態指標

表4 不同砧木離子吸收動力學參數及低磷和正常施磷處理的根系活力

表5 根系形態指標與磷效率的相關性分析

3 討論

進一步分析不同砧木對磷的吸收和利用效率的差異可見，砧木對磷的吸收效率與吸收根總表面積和總根長存在顯著正相關關系。前人研究表明，磷吸收效率高的植物一般通過改變根系形態構型，增加根系與土壤接觸面積，從而促進對低磷土壤中磷素的獲取[16-19]。低磷脅迫下根冠比的增加，是植物對低磷脅迫的適應機制[16]。陳磊等[18]研究表明，總根長越長、 細根越多，越有利于植株對磷的吸收。本研究中，低磷脅迫下各蘋果砧木根冠比、 根系活力和吸收根總表面積均高于正常施磷處理，是蘋果砧木對低磷脅迫的適應性反應，與前人研究結果一致[16-20]。但不同蘋果砧木的根系形態指標變化差異顯著，因而其對低磷脅迫的適應能力也有顯著差異。

低磷脅迫下根系磷吸收能力的增加以及植株磷利用效率的提高是植物適應低磷脅迫的重要基礎[20-21]。本研究表明，低磷脅迫下5種蘋果砧木磷利用效率(PUE)均高于正常施磷處理，說明低磷條件下植物通過增加磷素在體內的高效轉運和合理利用提高其磷利用效率[22]； 但低磷脅迫下各蘋果砧木的磷吸收效率(PAE)均低于正常施磷處理，可能是由于低磷脅迫下土壤介質中的有效磷總量較低，能夠被植物吸收的有效磷減少所致。

參考文獻:

[1] 廖紅, 嚴小龍. 高級植物營養學[M]. 北京: 科學出版社, 2003. 152-153.

Liao H, Yan X L. Advanced plant nutrition[M]. Beijing: Science Press, 2003. 152-153.

[2] 魏紹沖, 姜遠茂. 山東省蘋果園肥料施用現狀調查分析[J]. 山東農業科學, 2012, 44 (2): 77-79.

Wei S C, Jiang Y M. Investigation on fertilization status in apple orchards of shandong province[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2012, 44(2): 77-79.

[3] Ullrich-Eberius C I, Novacky A, E van Bel A J . Phosphate uptake in Lemna gibba G1: energetics and kinetics[J]. Planta, 1984, 161: 46-52.

[4] Furihata T, Suzuki M, Sakurai H. Kinetic characterization of two phosphate uptake systems with different affinities in suspension-cultured Catharanthus roseus protoplasts[J]. Plant and Cell Physiology, 1992, 33: 1151-1157.

[5] 魯如坤. 土壤磷素水平和水體環境保護[J]. 磷肥與復肥, 2003,18 (1): 4-8.

Lu R K. The phosphorus level of soil and environment protection of water body[J]. Phosphate & Compound Fertilizer, 2003, 18(1): 4-8.

[6] Lyons J B, G?rres J H, Amador J A. Spatial and temporal variability of phosphorus retention in a riparian forest soil[J]. Journal of Environmental Quality, 1998, 27: 895-903.

[7] 高陽俊, 張乃明. 施用磷肥對環境的影響探討[J]. 中國農學通報, 2003, 19 (6): 162-165.

Gao Y J, Zhang N M. Studying on the influence of phosphorus fertilizer on environment[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2003, 19 (6): 162-165.

[8] 李天忠, 張志宏. 現代果樹生物學[M]. 北京: 科學出版社, 2008. 130-134.

Li T Z, Zhang Z H. Modern fruit tree biology[M]. Beijing: Science Press, 2008. 130-134.

[9] Bukovac M J, Wittwer S H, Tukey H B. Effect of stock-scion interrelationships on the transport of P32and Ca45in the apple[J]. Journal of Horticultural Science, 33: 145-152.

[10] 盧樹昌. 我國集約化果園養分投入特征及其對土壤質量的影響[D]. 北京: 中國農業大學博士論文, 2009.

Lu S C. Characteristics of nutrient input and the influence on soil quality in intensive orchards of China[D]. Beijing: PhD dissertation of China Agricultural University, 2009.

[11] 梁宏玲, 石磊, 徐芳森, 王運華. 甘藍型油菜不同磷效率基因型對土壤難溶性磷吸收利用的差異[J]. 中國油料作物學報, 2007,29 (3): 297-301.

Liang H L, Shi L, Xu F S, Wang Y H. The difference in uptake and utilization of soil insoluble phosphorus for various P efficient genotypes inBrassicanapus[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2007, 29 (3): 297-301.

[12] 楊洪強, 束懷瑞. 蘋果根系研究[M]. 北京: 科學出版社, 2007. 5-8.

Yang H Q, Shu H R. Studies on apple roots[M]. Beijing: Science Press, 2007. 5-8.

[13] 曹靖, 張福鎖. 低磷條件下不同基因型小麥幼苗對磷的吸收和利用效率及水分的影響[J]. 植物生態學報, 2000, 24(6): 731-735.

Cao J, Zhang F S. Phosphorus uptake and utilization efficiency in seedlings of different wheat genotypes as influenced by water supply at low soil phosphorus availability[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2000, 24 (6) : 731-735.

[14] 喬振江, 蔡昆爭, 駱世明. 低磷和干旱脅迫對大豆植株干物質積累及磷效率的影響[J]. 生態學報, 2011, 31 (19): 5578-5587.

Qiao Z J, Cai K Z, Luo S M. Interactive effects of low phosphorus and drought stress on dry matter accumulation and phosphorus efficiency of soybean plants[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31 (19): 5578-5587.

[15] 楊青, 張一, 周志, 等. 磷高效馬尾松種源磷效率的家系變異及苗期-大田回溯相關分析[J]. 植物營養與肥料學報, 2012, 18 (2) : 338-348.

Yang Q, Zhang Y, Zhou Z Cetal. Family variation ofPinusmassonianain phosphorus efficiency andretrospective analysis between seedling growth and field trails[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18 (2) : 338-348.

[16] Ramaekers L, Remans R, Rao I Metal. Strategies for improving phosphorus acquisition efficiency of crop plants[J]. Field Crops Research, 2010, 117: 169-176.

[17] 張可煒, 李坤朋, 劉治剛, 張舉仁. 磷水平對不同基因型玉米苗期磷吸收利用的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2007, 13 (5): 795-801.

Zhang K W, Li K P, Liu Z G, Zhang J R. Effect of phosphorus level on phosphorus absorption and utilization of different genotype maize seedlings[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13 (5): 795-801.

[18] 陳磊, 王盛鋒, 劉榮樂, 汪洪. 不同磷供應水平下小麥根系形態及根際過程變化特征[J]. 植物營養與肥料學報, 2012, 18 (2): 324-331.

Chen L, Wang S F, Liu R L, Wang H. Changes of root morphology and rhizosphere process of wheat under different phosphate supply[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18 (2): 324-331.

[19] 嚴小龍, 張福鎖. 植物營養遺傳學[M]. 北京: 中國農業出版社, 1997.

Yan X L, Zhang F S. Genetics of plant nutrition[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1997.

[20] 孫海國, 張福鎖. 小麥根系生長對缺磷脅迫的反應[J]. 植物學報, 2000, 42 (9): 913-919.

Sun H G, Zhang F S. Growth response of wheat roots to phosphorus deficiency[J]. Chinese Bulletin of Botany, 2000, 42 (9): 913-919.

[21] 孫海國, 張福鎖. 缺磷脅迫下的小麥根系形態特征研究[J]. 應用生態學報, 2002,13 (3): 295-299.

Sun H G, Zhang F S. Morphology of wheat roots under low-phosphorus stress[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2002, 13 (3): 295-299.

[22] 劉靈, 廖紅, 王秀榮, 嚴小龍. 不同根構型大豆對低磷的適應性變化及其與磷效率的關系[J]. 中國農業科學, 2008,41 (4): 1089-1099.

Liu L, Liao H, Wang X R, Yan X L. Adaptive changes of soybean genotypes with different root architectures to low phosphorus availability as related to phosphorus efficiency[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41 (4): 1089-1099.