不同水稻品種磷利用效率與耐鋁性的關系研究①

胡安永，趙學強，沈仁芳，馬建鋒,3

不同水稻品種磷利用效率與耐鋁性的關系研究①

胡安永1,2，趙學強1，沈仁芳1，馬建鋒1,3*

(1土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學院大學，北京 100049；3岡山大學植物科學與資源研究所，日本岡山 710-0046)

鋁毒和磷缺乏是酸性土壤上作物生產的主要限制因子。本研究中我們探究了5個粳稻和5個秈稻品種的磷利用效率和耐鋁性之間的相互關系。結果表明，粳稻品種的耐鋁性顯著高于秈稻品種。對于耐鋁性強的水稻品種，施加磷肥后地上部生物量顯著增加，而鋁敏感的品種對磷肥響應較小，這可能是由于其耐鋁性差而酸性土壤中的鋁毒導致根系結構和功能受損，從而影響養分的吸收和利用。不同水稻品種的耐鋁性和磷吸收效率呈正比而與磷利用效率呈反比，且粳稻的地上部磷濃度及磷吸收效率高于秈稻，但磷利用效率則低于秈稻。這些結果對于酸性土壤中篩選耐鋁和磷高效利用的水稻品種具有重要意義。

粳稻；秈稻；耐鋁性；磷吸收效率；磷利用效率；水稻

鋁毒和磷缺乏通常共存于酸性土壤中并嚴重抑制作物的生長和發育。鋁毒是酸性土壤中限制作物生產的主要限制因子。土壤pH < 5時，土壤溶液中的Al3+會明顯抑制植物根系發育及其功能，從而阻礙了根系水分和養分的吸收，導致作物減產[1-3]。據估計，世界上多達50% 的潛在耕地是酸性土壤[4-5]。

磷缺乏是農業生產中另一個主要限制因子，此外，由于酸性土壤中的金屬陽離子(Al3+，Fe3+)對磷的固定作用，以及磷有機復合體的形成[6]，再加上磷離子以擴散而非集流的方式在土壤中流通，使得世界上30% ~ 40% 耕地的有效磷含量不能滿足植物正常生長發育的需要[7]。更為嚴峻的是，磷肥的主要來源磷礦石，是一種非可再生資源且在世界范圍內瀕臨枯竭[8]。因此，從可持續發展角度考慮，針對酸性土壤磷的有效性低這一問題，我們應該考慮如何篩選磷高效的作物品種。作物磷高效包括更高的磷吸收效率，即植物通過調整根系構型或者增加根系有機酸的分泌增加外部磷的吸收，另一方面，在磷吸收較低情況下增加內部磷的利用效率以保證作物產量[9]。然而，在長期的進化過程中植物是否已經同時具有耐鋁和磷高效的遺傳特性目前研究較少。先前關于磷和鋁的報道大多數只是對同一物種的兩個品種進行比較研究，以說明耐鋁的品種磷高效或者磷高效的品種更耐鋁。例如，施磷條件下磷高效的大豆品種更耐鋁[10-11]，他們認為磷高效大豆品種在施磷條件下耐鋁性強不僅僅是因為鋁磷直接的螯合作用，而主要原因則與其具有更高的磷效率以及鋁耐性和酸耐性有重要關系。鋁毒存在下，耐鋁的小麥和柑橘能夠吸收更多的磷，且根系和莖稈中磷濃度更高[12-13]。

然而，作物磷高效既包括吸收效率，還有利用效率。因此，對于耐鋁性強的品種是具有更高的磷吸收效率還是利用效率仍不是十分清楚。水稻()是非常重要的糧食作物，世界上超過1/2的人口都以水稻為主要食物來源[14-15]。此外，我國酸性土壤面積較大，且這些地區主要以種植水稻為主，因此研究酸性土壤中水稻磷和鋁之間的相互關系對農業生產具有重要的指導意義。本研究中，我們隨機選擇了10個不同基因型的水稻品種，通過土培和水培試驗研究了不同水稻品種耐鋁性和磷效率之間的關系。

1 材料與方法

1.1 植物材料和生長條件

隨機選擇10個不同基因型的水稻品種，其中包括5個粳稻(Wuyunjing7、Nipponbare、Nanjing46、Oochikara、Koshihikari)，還有5個秈稻(Yangdao6、Zhonghan35、Yangfuxian2、Kasalath、IR26)。水稻種子用10% H2O2消毒10 min，用去離子水沖洗3次后黑暗條件下浸泡24 h，然后在去離子水濕潤的濾紙上催芽24 h。隨后，水稻幼苗轉移至盛有0.5 mmol/L CaCl2(pH 4.5)的浮板上培養3 d。

選擇生長一致的水稻幼苗(5 d)轉移至修改后的木村B營養液中。該營養液包含NH4NO3(0.5 mmol/L)，NaH2PO4·2H2O (0.2 mmol/L)，KCl (0.55 mmol/L)，CaCl2·2H2O (0.36 mmol/L)，MgSO4·7H2O (0.55 mmol/L)，FeSO4·7H2O-EDTA (20μmol/L)，H3BO3(50 μmol/L)，MnCl2·4H2O (9 μmol/L)，CuSO4·5H2O (0.3 μmol/L)，ZnSO4·7H2O (0.7 μmol/L)，Na2MoO4·2H2O (0.5 μmol/L)，pH為5.0。8 d后，生長13 d的水稻幼苗分別用來進行土培和水培試驗。

1.2 水培和土培試驗

水培試驗選擇生長13 d的水稻幼苗進行如下處理，+P：0.2 mmol/L NaH2PO4·2H2O；–P：0.01 mmol/L NaH2PO4·2H2O，營養液中其他成分同上，且均加入AlCl3·6H2O 使溶液中Al3+濃度為50 μmol/L，pH為5.0。水稻幼苗生長在人工生長室，此生長室為光照14 h，黑暗10 h，溫度為 (25±2) ℃，相對濕度為65% ± 5%，光強為300 μmol/(m2·s)。水稻在生長室中培養處理25 d，期間每兩天更換一次營養液，每個處理重復3次。

土培試驗在有自然光的玻璃溫室中進行(26 ℃，光照14 h)。所用酸性土壤為第四紀紅黏土，其基本理化性質如下，pH：4.64，堿解氮：37.14 mg/kg，有效磷：0.19 mg/kg，有效鉀：51.83 mg/kg，可交換性鋁：470.75 mg/kg。試驗處理如下，+P：P 50 mg/kg土；–P：P 0 mg/kg土，所有處理均施 N 330 mg/kg 土，施K 210 mg/kg 土，土培試驗氮磷鉀施用量分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀經換算所得純氮磷鉀量。水稻在酸性土壤中生長40 d且每個處理均設置3個重復。

1.3 相對根伸長測定

選擇生長5 d的長勢一致的水稻幼苗，分別在0.5 mmol/L CaCl2(pH 4.5) 且有無30 μmol/L Al (AlCl3·6H2O)的溶液中處理24 h。用尺子量取10個水稻品種處理前后的根伸長，每個品種選擇20條根測定。相對根伸長計算如下：(+Al根伸長/-Al根伸長)×100。由于不同水稻品種根伸長差異很大，因此，相對根伸長這一指標能很好地用來比較不同水稻品種之間的耐鋁性差異。

1.4 樣品收集

經過不同處理后，水培試驗分別收集根系和地上部。土培試驗由于根系難以取樣則只收集了不同品種的地上部。所有植物樣品用去離子水沖洗干凈后，105 ℃ 殺青30 min，然后75 ℃ 烘干至恒重。

1.5 植物樣品磷濃度測定

所有烘干后的樣品經粉碎研磨后，用于測定其磷濃度。稱取約0.3 g植物樣品進入50 ml玻璃管，然后加入4 ml H2SO4過夜，樣品經180 ℃消煮溶解后加H2O2至樣品完全消解至澄清。消解液經適當稀釋后用鉬藍比色法進行P的測定。

1.6 磷吸收效率和利用效率的計算

磷吸收效率=/RDW，：水稻植株總磷含量(mg)；RWD：根系干重(g)

磷利用效率= SDW/P，SDW：地上部干重(g)，P：地上部磷含量(mg)。

1.7 數據分析

土培和水培試驗過程中，不同處理盆栽隨機放置且每天調換位置。數據計算與分析采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0。數據之間的差異性以及相關性分別用Duncan檢驗和Pearson相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種間耐鋁性差異比較

鋁毒對植物最直接的影響就是抑制根系的伸長，微摩爾的鋁處理幾分鐘或者幾小時便能觀察明顯的抑制現象。因此，相對根伸長是反映植物耐鋁性最重要的參考指標[16]。本研究中，我們用相對根伸長這一指標比較了粳稻和秈稻的耐鋁性差異(圖1)。結果表明，粳稻的相對根伸長顯著大于秈稻，表明粳稻的耐鋁性要顯著高于秈稻。其中，Yangfuxian2、Kasalath和IR26在所有品種中的耐鋁性最差。

(每個圖柱表示10次重復的平均值，小寫字母不同表示各處理間存在顯著性差異(P<0.05)，Duncan 檢驗)。

2.2 不同水稻品種在水培和土培試驗中的生長狀況

對于土培試驗，在不施加磷肥條件下，不同水稻品種的地上部生物量都很低(圖2A)。當施加磷肥后，不同水稻品種的地上部生物量都顯著增加，但Yangfuxian2、Kasalath和IR26改善效果較小。水培試驗結果表明，秈稻品種在高磷條件下地上部生物量較低磷條件均明顯增加，然而粳稻品種，特別是Wuyunjing7、Nanjing46和Oochikara在高磷和低磷條件下的生物量差異不顯著(圖2B)。水培條件下不同水稻品種根系生物量基本不受磷的影響(圖2C)。

2.3 不同水稻品種在水培和土培試驗中的植株磷含量變化

土培試驗不施加磷肥或水培試驗低磷條件下，不同水稻品種地上部磷含量沒有顯著差異(圖3A、3B)。土培試驗施加磷肥后，水稻地上部磷含量顯著增加，但耐鋁性差的Yangfuxian2、Kasalath和IR26增加較小(圖3A)。水培試驗增加溶液磷濃度，水稻地上部磷含量也顯著升高，且粳稻品種的磷含量要高于秈稻品種(圖3B)。水培試驗中粳稻和秈稻品種在低磷和高磷條件下的根系磷含量差異均較小(圖3C)。

2.4 不同水稻品種磷吸收和利用效率

根據我們的結果，土培試驗 +P以及水培試驗(-P或+P)條件下，秈稻的磷利用效率總體上要大于粳稻(圖4B ~ 4D)。然而土培試驗-P條件下，不同水稻品種的磷利用效率沒有顯著差異(圖4A)，這可能是由于本研究中酸性土壤中有效磷含量非常低，不足以滿足水稻正常生長發育的需求，因此不同水稻品種間磷利用效率無顯著差異。

水培試驗低磷條件下不同水稻品種的磷吸收效率沒有顯著性差異，但是高磷條件下粳稻的磷吸收效率要明顯大于秈稻品種(圖4E)。

2.5 水稻耐鋁性和磷吸收及利用效率的關系

結果表明，除了土培試驗-P條件下水稻相對根伸長與磷利用效率無相關關系外(圖5A)，其他處理下的水稻相對根伸長與磷利用效率呈顯著負相關關系(圖5B ~ 5D)。然而，不同水稻的相對根伸長與水培試驗-P 和 +P 條件下的磷吸收效率呈正相關關系(圖5E、5F)。

3 討論

3.1 不同水稻品種在酸性土壤上的響應

酸性土壤占世界耕地面積的35% 和潛在耕地的50%[4,17]。大多數酸性土壤中會存在很多阻礙植物正常生長和發育的限制因子，其中鋁毒和磷缺乏通常是最重要的限制因素[2]。磷作為植物必需的大量營養元素在植物的生長和發育過程中發揮著重要作用。它不僅是植物中很多重要化合物的組成成分，如核酸、蛋白質和磷脂，而且在植物光合作用、呼吸作用以及很多酶促反應中扮演著非常重要的角色[18]。因此，植物細胞內磷的動態平衡對于其正常的生理和生化過程是非常重要的。本研究結果表明，土培試驗施加磷肥后水稻地上部生物量顯著增加(圖2A)，這是由于本試驗所用酸性土壤中有效磷非常低，施加磷肥后會增加水稻對磷的吸收利用而顯著增加生物量，這也說明酸性土壤中磷對于植物的重要作用。

(A：土培試驗；B、C：水培試驗；每個圖柱表示3次重復的平均值，小寫字母不同表示各處理間存在顯著性差異 (P<0.05，Duncan 檢驗)；下圖同)

相對于其他品種，Yangfuxian2、Kasalath和IR26在施加磷肥后生物量的增加更小(圖2A)。因此，我們猜測這是否由于這3個品種的磷效率很低所導致。然而，先前有研究報道，Kasalath和IR26被認為是磷高效的水稻品種，特別是Kasalath[19]。但是，根據我們的水培試驗結果，這3個品種在高磷下的地上部生物量比低磷顯著增加，特別是Kasalath增加了接近兩倍(圖2B)。因此，我們認為這可能是由于Yangfuxian2、Kasalath和IR26的耐鋁性最差從而導致施加磷肥后生物量增加較少。鋁毒不僅會影響這3個品種的根伸長，在酸性土壤中生長時，還有可能影響它們的根系構型(根表面積和體積)，從而影響根系對水分和養分的吸收利用，所以即使施加磷肥也對其改善效果較小。本研究結果表明，在酸性土壤中，施加磷肥能夠顯著改善耐鋁性強的水稻品種的生長，如粳稻品種。然而，對于鋁敏感性的水稻品種，可能首先需要通過采取措施降低酸性土壤中的鋁濃度以解決鋁離子對根系的毒害，之后再去考慮植物對養分的吸收和利用。

3.2 不同水稻品種耐鋁性和磷效率關系

先前研究表明，磷高效的大豆品種具有更強的耐鋁性[10, 20]。磷高效大豆品種具有更發達的根系，而且這些根系位于有效磷更高和鋁毒害更小的土壤表層，因此，它可以保證植物從土壤表層更有效地吸收磷而維持其正常生長發育的磷需求。然而，之前研究并沒有明確是磷吸收效率還是利用效率與耐鋁性存在關系。本研究結果表明，耐鋁性與磷利用效率呈顯著負相關關系，而與磷吸收效率則呈顯著正相關關系。此外，秈稻的磷利用效率要明顯高于粳稻，而粳稻的磷吸收效率則比秈稻更高。有研究報道，耐鋁性強的小麥(ET8)比鋁敏感性小麥(ES8)吸收更多的磷且地上部磷含量更高[12]。耐鋁性較強的甜橙植株根、莖和葉中磷含量和磷吸收更高，這可能是由于甜橙植株能夠更有效地獲取和吸收磷[13]。胡枝子和豇豆的研究中也發現相似的結果[21-22]。這些結果表明，植物體內磷的高效吸收和積累可能是其增強耐鋁性的重要原因。本研究結果表明，粳稻品種具有更高的耐鋁性、地上部磷含量以及磷吸收效率；而秈稻品種對鋁更加敏感，地上部磷含量低但磷利用效率更高(圖3、圖4)。

圖3 不同水稻品種在 –P和 +P下的磷含量

(A、B：土培試驗；C ~ F：水培試驗)

鋁毒和磷缺乏是酸性土壤中作物生長發育的主要限制因子。粳稻的耐鋁性強于秈稻，其磷吸收效率也高于秈稻但利用效率則低于秈稻。水稻耐鋁性與磷吸收效率呈正比而與磷利用效率呈反比(圖5)。本研究對于在酸性土壤中篩選既耐鋁又磷高效的水稻品種并深入研究其機理具有重要的指導意義。

[1] Ma J F, Chen Z C, Shen R F. Molecular mechanisms of Al tolerance in gramineous plants[J]. Plant and Soil, 2014, 381(1/2): 1–12.

[2] Kochian L V, Hoekenga O A, Pi?eros M A. How do crop plants tolerate acid soils? Mechanisms of aluminum tolerance and phosphorous ef?ciency[J]. Annual Review of Plant Biology, 2004, 55: 459–493.

[3] Liu J, Pi?eros M A, Kochian L V. The role of aluminum sensing and signaling in plant aluminum resistance[J]. Journal of Integrative Plant Biology, 2014, 56(3): 221-230.

[4] Von Uexküll H R, Mutert E. Global extent, development and economic-impact of acid soils[J]. Plant and Soil, 1995, 171(1): 1–15.

[5] Bot A J, Nachtergale F O, Young A. World soil resources report[R]. FAO, Rome, 2000, 111 P.

[6] Raghothama K G, Phosphorus and plant nutrition: An overview. Sims J T, Sharpley A N. Phosphorus: Agriculture and the Environment[C]. Madison: American Society of Agronomy, 2005: 355–378.

[7] Schachtman D P, Reid R J, Ayling S M. Phosphorus uptake by plants: From soil to cell[J]. Plant Physiology, 1998, 116: 447–453.

[8] Vance C P, Ehde-Stone C, Allan D L. Phosphorus acquisition and use: Critical adaptations by plants for securing a nonrenewable resource[J]. New Phytologist, 2003, 157(3): 423–447.

[9] Kimani J M, Tongoona P, Derera J. Breeding dynamics of rice () for enhanced adaptation and grain quality[J]. Scientific Research and Essays, 2013, 8(27): 1258–1272.

[10] Liao H, Wan H Y, Shaff J, et al. Phosphorus and aluminum interactions in soybean in relation to aluminum tolerance: Exudation of speci?c organic acids from different regions of the intact root system[J]. Plant Physiology, 2006, 141: 674–684.

[11] Liang C Y, Pi?eros M A, Tian J, et al. Low pH, aluminum and phosphorus coordinately regulate malate exudation through GmALMT1 to improve soybean adaptation to acid soils[J]. Plant Physiology, 2013, 161: 1347–1361.

[12] Iqbal T. A split-root experiment shows that translocated phosphorus does not alleviate aluminium toxicity within plant tissue[J]. Plant and Soil, 2014, 384(1/2): 21–36.

[13] Yang L T, Jiang H X, Tang N, et al. Mechanisms of aluminum-tolerance in two species of citrus: Secretion of organic acid anions and immobilization of aluminum by phosphorus in roots[J]. Plant Science, 180(3): 521–530.

[14] Chauhan B S, Johnson D E. Ecological studies on echinochloa crus-galli and the implications for weed management in direct-seeded rice[J]. Crop Protection, 2011, 30(11): 1385–1391.

[15] Rose T J, Impa S M, Rose M T, et al. Enhancing phosphorus and zinc acquisition efficiency in rice: A critical review of root traits and their potential utility in rice breeding[J]. Annals of Botany, 2013, 112(2): 331–345.

[16] You J F, He Y F, Yang J L, et al. A comparison of aluminum resistance among Polygonum species originating on strongly acidic and neutral soils[J]. Plant and Soil, 2005, 276(1/2): 143–151.

[17] Ryan P R, Tyerman S D, Sasaki T, et al. The identi?cation of aluminium-resistance genes provides opportunities for enhancing crop production on acid soils[J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(1): 9–20.

[18] Kamerlin S C L, Sharma P K, Prasad R B, et al. Why nature really chose phosphate[J]. Quarterly Reviews Biophysics, 2013, 46(1): 1–132.

[19] Wissuwa M, Yano M, Ae N. Mapping of QTLs for phosphorus-deficiency tolerance in rice (L.)[J]. Theoretical and Applied Genetics, 1998, 97(5/6): 777–783.

[20] Zhao J, Fu J B, Liao H, et al. Characterization of root architecture in an applied core collection for phosphorus ef?ciency of soybean germplasm[J]. Chinese Science Bulletin, 2004, 49(15): 1611–1620.

[21] Sun Q B, Shen R F, Zhao X Q, et al. Phosphorus enhances Al resistance in Al-resistant Lespedeza bicolor but not in Al-sensitive L. cuneate under relatively high Al stress[J]. Annals of Botany, 2008, 102(5): 795–804.

[22] Jemo M, Abaidoo R C, Nolte C, et al. Aluminum resistance of cowpea as affected by phosphorus-deficiency stress[J]. Journal of Plant Physiology, 2007, 164(4): 442–451.

Correlation Between Phosphorus-use Efficiency and Aluminum Tolerance in Different Rice Varieties

HU Anyong1,2, ZHAO Xueqiang1, SHEN Renfang1, MA Jianfeng1,3*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Institute of Plant Science and Resources, Okayama University, Gangshan 710-0046, Japan)

Both aluminum (Al) toxicity and phosphorus (P) deficiency are limiting factors of crop production on acid soil. In the present study, The correlation between P-use efficiency and Al tolerance in five japonica and five indica rice varieties was investigated. Aluminum tolerance of japonica varieties was significantly higher than those of indica varieties. The shoot dry weight of Al-resistant varieties increased signi?cantly after P application in acid soil, but that of Al-sensitive varieties did not respond to P application. This difference in P-increased growth is probably due to Al-damaged root structure and function in Al-sensitive varieties, resulting in decreased uptake and utilization of nutrients from soil. We found that P-use ef?ciency was negatively correlated to Al tolerance, while P-uptake ability was positively correlated with Al tolerance. Furthermore, japonica varieties had a higher shoot P concentration and P-uptake ability compared with indica varieties, but had a lower P-use efficiency. These results provided a valuable insight into screening rice varieties with high Al tolerance and P-use efficiency in acid soils.

Japonica; Indica; Al tolerance; P uptake efficiency; P-use efficiency; Rice

Q945

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.01.007

胡安永, 趙學強, 沈仁芳, 等. 不同水稻品種磷利用效率與耐鋁性的關系研究. 土壤, 2020, 52(1): 47–53.

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2014CB441000)和中國科學院戰略性先導科技專項(XDB15030302，XDB15030202)資助。

胡安永(1988—)，男，山東濟南人，博士研究生，主要從事水稻營養元素互作機制研究。E-mail: ayhu@issas.ac.cn