磷高效水稻材料的根系形態結構特征

摘要： 【目的】選育磷高效水稻材料是利用土壤磷資源的有效方式，根系是水稻吸收磷素最重要的器官，其形態結構特征直接影響水稻的磷素吸收能力，研究水稻根系發育特征有助于揭示其磷高效吸收的機理。【方法】采用水培試驗，以40 份水稻材料為研究對象，設置0.003 mmol/L （低磷） 和0.3 mmol/L （正常磷） 兩個供磷處理，于分蘗期調查水稻地上部生物量和磷積累量，采用聚類分析篩選磷高效水稻材料。針對篩選獲得的磷高效水稻材料R527 和磷低效水稻材料IR58025，分析其根系形態和解剖結構特征，解析水稻根系發育特征與磷吸收的關系。【結果】1） 低磷條件下，40 份水稻材料磷吸收能力存在顯著差異，生物量和磷積累量的范圍分別為0.11～0.93 g/plant 和0.07～0.58 mg/plant。以磷積累量為主、生物量為輔進行聚類分析，獲得磷高效水稻材料R527 和磷低效水稻材料IR58025。2） 低磷條件下，磷高效水稻材料R527 的生物量（0.83 g/plant） 和磷積累量（0.46mg/plant） 顯著高于磷低效水稻材料IR58025，分別為IR58025 的6.38 和5.75 倍。3） 低磷條件下，磷高效水稻材料R527 的總根長、根表面積、不定根長、側根長和側根表面積比正常磷處理分別增加了61.79%、38.12%、60.44%、67.99% 和186.67%。低磷條件下，磷高效水稻材料R527 的總根長、根表面積、根體積、平均根直徑、不定根長、側根長、不定根表面積和側根表面積分別為磷低效水稻材料IR58025 的2.62、2.87、3.22、1.18、4.41、2.97、3.97 和1.45 倍。4） 低磷條件下，磷高效水稻材料R527 中柱、外皮層和皮層占比分別為磷低效水稻材料IR58025 的1.11、0.67 和1.05 倍。5） 低磷條件下，水稻的總根長、根表面積、根體積、平均根直徑、不定根長、側根長、不定根表面積、側根表面積、皮層占比和中柱占比與生物量和磷積累量顯著正相關，外皮層和內皮層占比與生物量和磷積累量顯著負相關。【結論】磷高效水稻材料R527 的生物量和磷積累量均顯著高于磷低效水稻材料IR58025。低磷條件下，磷高效水稻材料R527 更大的總根長、根表面積、根體積、不定根長、側根長、不定根表面積、側根表面積和皮層占比，更低的外皮層和內皮層占比是其磷高效吸收的重要原因。

關鍵詞： 水稻； 篩選； 磷高效； 根系形態； 解剖結構

水稻是我國主要的糧食作物，其產量的穩定與提升對國家糧食安全至關重要[1]。磷是保障水稻高產穩產的重要營養元素，可促進水稻根系發育、增加分蘗、提高產量等[2]。然而，磷在土壤中難移動，有效性低，為確保水稻的穩產和增產，大量磷肥施入農田[3?4]。“高投入，高產出”驅動的農業生產導致土壤磷盈余與流失問題突出，引發磷資源浪費與農業面源污染風險增加，也對糧食安全與人類健康構成巨大挑戰[5]。因此，篩選并培育磷高效水稻材料，解析其磷高效特征是解決農田磷資源高效與環境友好的有效途徑，對高效利用土壤磷，實現化學磷肥零增長具有重要意義。

根系是植物吸收水分和養分的重要器官，其發育與磷吸收密切相關[6]。植物的吸磷量與根長[7]、根表面積[8]、側根長和側根數量[9]呈顯著正相關。根系發育不僅受遺傳調控，也受供磷水平的影響[10]。低磷條件下，植物通過根系變細、變長；側根數量增多、長度增加等方式來增加磷吸收能力，有助于植物獲取更多的磷素[11]。根系解剖結構對水分和養分離子的運輸至關重要，水和營養物質徑向穿過根的表皮、外皮層、皮層、內皮層等所有外部細胞層到達中柱，并由導管向地上部運輸以供地上部生長代謝所需[ 1 2 ]。低磷條件下，植物根系中柱更厚，皮層更薄，有利于其對磷的吸收利用[13]。根系形態結構特征均會影響水分和養分的吸收運輸，良好的根系形態結構是作物磷高效高產的基礎[14]。因此，水稻根系形態結構與磷吸收的關系十分密切。從根系形態結構層面，深入解析水稻磷高效的根系調控特征，對豐富水稻磷高效吸收的生理特征具有重要意義。

本研究以前期基于大樣本（676 份水稻材料） 初篩獲得的40 份磷吸收差異明顯的水稻為復篩材料，通過設置低磷和正常磷濃度水培處理，分析不同水稻磷積累特征，篩選磷高效和低效水稻材料。在此基礎上，進一步分析磷高效和低效水稻材料根系形態結構特征，探明水稻根系形態和解剖結構與磷吸收的關系，研究結果可豐富水稻磷高效吸收的生理機制，為選育磷高效水稻材料，高效利用土壤磷，助力農業綠色可持續發展，保障國家糧食安全提供重要支撐。