摘要
磷是植物生长发育所必需的大量矿质营养元素之一，是磷脂、核酸等生物大分子的重要基础，同时也是有机体细胞内能量和信号传递物质的组分。由于植物根系能直接吸收的磷的形态主要为无机正磷酸盐，而在自然和农业生态系统中，磷又易被金属离子（钙、铁、铝）以及微生物沉淀或固定，土壤中的磷对植物的有效性很低。因此，作物的高产优质离不开磷肥的施用。另一方面，我国磷肥的当季利用效率仅约为10～20％，常年连续施用磷肥使土壤成为潜在的磷库，这不仅浪费磷资源，而且还会导致因地表径流、水土流失造成的水体富营养化等生态环境问题。 磷矿是不可再生的资源，因此要充分利用土壤和磷肥资源，迫切需要培育磷高效利用的作物品种。然而，传统育种工作中对作物磷利用效率的评价存在不足，尤其是对降低“作物带走量”方面的关注有限。据此，本研究挑选了19个水稻品种（粳型常规稻12种、籼型常规稻5种、以及粳型杂交稻和aus型水稻各1种），利用这些品种进行了盆栽试验和海南陵水、江苏南京两地的田间试验，对其在不同施磷水平下不同生育期的磷素积累、植株生长情况和产量进行了分析，并继而挑选了生理磷利用效率(PhysiologicalPhosphorusUseEfficiency，PPUE)有差异的品种进行了进一步的验证筛选和生理机制的初探，取得的主要研究结果如下: 1.采用盆栽体系设置了四个施磷水平(P0:不施磷肥;P1:40mg/kg;P2:80mg/kg;P3:160mg/kg)，分析了粳型常规稻秀水134和粳型杂交稻花优14的生长和磷素积累对不同施磷水平的响应。在分蘖中期，花优14在P0至P2条件下的分蘖数和生物量与磷肥供给量成正相关，而在P3条件下，花优14的生长则受到抑制;同一时期秀水134的生长则在P1条件下达到峰值，在P2条件下的长势与P1条件持平，而在P3条件下其生长亦受到抑制。在P1条件下，两个品种倒一叶中的无机磷浓度无显著差异，但秀水134倒二叶和倒三叶中的无机磷浓度均显著低于花优14;在P2和P3条件下，两个品种倒二叶和倒三叶中无机磷浓度均无显著差异，但秀水134倒一叶中的无机磷浓度则显著高于花优14。这些结果表明，在低磷条件下(P1)秀水134倾向于降低老叶中无机磷的浓度以使新叶维持更好的生长，这可能是在P1条件下秀水134磷含量显著低于P2条件但其分蘖数和生物量与P2条件下相比无显著差异的原因。此外，两个品种的倒一至倒三叶中，缺磷诱导基因OsIPS1和OsPHT1;4的表达量均在P0和P1条件下发生显著提高;在P1条件下，秀水134倒二叶和倒三叶中这两个基因的表达量显著高于花优14，表明OsIPS1和OsPHT1;4的表达量可能是因组织磷浓度的下降而发生显著提高。 2.从19个水稻品种中选取了14个（其中粳稻8个:连粳11、南粳9108、武运粳23、武运粳27、徐稻3、盐稻12、中花11、秀水134;籼稻5个:93-11、明恢63、五山丝苗、粤丰丝苗、珍汕97;aus型水稻1个:Kasalath)在海南陵水县开展了两年田间试验，分析了其在不同生育期的磷素积累情况和磷利用效率。设置了高磷(HP:6kgP2O5/亩)、中磷(MP:3kgP2O5/亩)和低磷(LP:1.5kgP2O5/亩)三个处理。两年田间试验结果基本一致，即与对照相比MP水平下各品种的分蘖受到显著抑制;而与MP水平下相比，仅个别品种分蘖数在LP水平下发生进一步的降低，而大多品种的分蘖数在MP和LP水平下无显著差异。这些结果印证了传统对水稻需肥规律的认知，即水稻对磷素是早期吸收，逐渐利用，以幼苗期和分蘖期吸收最多，即水稻磷素吸收的关键节点在幼苗期至分蘖期。同时这些结果表明，不同品种水稻在磷素利用效率方面存在基因型差异。值得注意的是，我们对分蘖期、孕穗期和完熟期不同水稻品种的PPUE进行了分析。结果显示，在各时期不同品种间均存在一定差异。其中，Kasalath在完熟期的PPUE显著高于其他所有品种。此外，分别以低磷和高磷，以及中磷和高磷条件下所有品种的产量平均值为标准，将供试品种划分为四种类型:Ⅰ双高效品种、Ⅱ低磷高效品种、Ⅲ双低效品种、Ⅳ高磷高效品种。结果显示，五山丝苗为双高效型，而南粳9108和中花11为双低效型。然而，大部分粳稻品种因在低纬度地区的冬季表现出感光而提早开花，导致其产量的评估受到影响。 3.为了进一步评估不同水稻品种的磷利用效率并规避低纬度地区粳稻感光的影响，在江苏南京进行了田间试验。除了上述14个水稻品种，增加了4个粳稻品种，即连粳7、南粳45、扬育粳2、扬粳4038。设置了两个施磷水平:对照6kgP2O5/亩和不施磷处理。在不施磷肥处理下所有品种的生长在三个时期均受到显著抑制，表现为分蘖数和地上部生物量的下降。此外，在分蘖期几乎所有品种的相对分蘖数和相对地上部干重（不施磷和对照条件下的比值）均小于0.4(仅连粳7的相对分蘖数大于0.4)，即基肥中不施磷肥导致分蘖期的分蘖数和生物量下降60％以上;在扬花期和成熟期，所有品种相对分蘖数和相对生物量都高于0.4，即与分蘖期相比，低磷胁迫在扬花期对水稻生长发育的影响变小。这些结果表明，在适当的低土壤速效磷含量范围内低磷胁迫可能会推迟分蘖的发生;此外，鉴于此次田间试验不施磷处理的田块未在分蘖期进行烤田，延迟甚至取消烤田可部分缓解由于磷供应不充足导致的对水稻分蘖和生长的影响。 4.完熟期水稻中65-80％磷素分配于籽粒中，而籽粒磷含量是水稻磷效率的一个重要方面。因此，我们检测了不同水稻品种在正常施磷和不施磷条件下籽粒中磷素的分配比例。结果显示，9个水稻品种在不施磷肥条件下的籽粒磷素分配比例显著高于(5.1～14.3％)正常施肥条件，8个品种籽粒中的磷素分配比例在两种条件下没有显著差异(＜5％)。有意思的是，徐稻3在不施磷肥条件下籽粒的磷素分配比例显著低于(9.5％)正常施肥条件。导致不同水稻品种间这种差异的机制有待进一步研究。 5.在田间试验的基础上筛选了两对磷利用效率具有极端差异的水稻品种(Kasalath和南粳9108;明恢63和徐稻3)，在水培体系中对其磷效率和磷素分配方面的差异进行了研究。无论在对照或低磷条件下，Kasalath和明恢63的PPUE均分别显著高于南粳9108和徐稻3，即Kasalath和明恢63可在同等的外界磷水平下产生更大的生物量，而在体内储存较少的磷。此外，在正常供磷条件下Kasalath根部的生物量低于南粳9108;与之相反，在低磷条件下Kasalath的根部生物量则显著高于南粳9108，且Kasalath可将更多的磷从老叶（源器官）分配至根部（库器官）。这些结果表明，Kasalath在响应低磷胁迫时养分（如磷和碳水化合物）的再分配能力显著高于南粳9108。 综上所述，供试水稻品种对磷素的需求主要在幼苗期和分蘖期，与已知的水稻需肥规律相一致。此外，部分水稻品种在生理磷利用效率、基于产量的磷利用效率、以及籽粒中磷分配方面的磷效率均存在基因型差异。本研究可为今后的工作进一步在更多基因型中挖掘磷效率方面的优良性状、挖掘相关优良等位变异、阐明其生理和分子机制并继而进行养分高效育种提供新思路。
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