38份饲用燕麦品种苗期磷利用效率综合评价

doi:10.11686/cyxb2024065

摘要/Abstract

摘要：

为探讨饲用燕麦在低磷环境下的变化及响应机制，筛选出磷高效饲用燕麦品种，以38份饲用燕麦品种为材料，采用水培法，在低磷（0.02 mmol·L^-1 KH₂PO₄， LP）和正常磷（1 mmol·L^-1 KH₂PO₄， NP）处理下，测定和分析供试燕麦品种苗期形态、根系等相关的15个指标。通过主成分分析、相关性分析、回归分析，结合隶属函数法和聚类分析，综合评价各燕麦品种的磷效率类型。结果表明，在低磷胁迫下，根冠比、总根长、根尖数、磷素利用效率均值显著升高（P<0.05）；株高、地上部干重、地下部干重、生物量、根直径、磷含量和磷累积量显著下降（P<0.05）。低磷胁迫下，根尖数、根分叉数、根冠比等根系相关指标的变异系数较高，分别为49.24%、55.24%、46.11%。通过隶属函数法计算耐低磷综合评价值（D），将其与15个指标的耐低磷系数进行相关性分析，其中地上部干重、地下部干重、生物量、总根长、根表面积、根体积、根投影面积、根尖数、根分叉数、磷素利用效率的耐低磷系数与综合评价值D值之间呈显著相关关系。结合相关分析和多元回归分析，筛选了7个耐低磷鉴定指标，建立了耐低磷综合评价值D值回归方程。聚类结果将38份燕麦划分为磷高效型、磷中效型、磷低效型3类，其中优牧1号、科纳、甜燕1号饲用燕麦为磷高效型。

关键词: 饲用燕麦, 低磷胁迫, 磷效率, 根系

Abstract:

This research investigated the response of forage oats to low phosphorus levels to identify phosphorus-efficient cultivars. A study was conducted on 38 forage oat varieties at the seedling stage， and 15 traits were measured and analyzed， including morphological and root traits， under low phosphorus （0.02 mmol·L^-1 KH₂PO₄， LP） and normal phosphorus （1 mmol·L^-1 KH₂PO₄， NP） treatments， using a hydroponic system. Phosphorus efficiency types were determined using principal component analysis， correlation analysis， multiple regression analysis， membership function analysis and cluster analysis. The results indicated that under low phosphorus stress， certain traits like root： shoot ratio， total root length， root tip number， and phosphorus use efficiency increased significantly （P<0.05）， while plant height， shoot dry weight， root dry weight， total dry weight， root diameter， phosphorus content， and phosphorus accumulation decreased significantly （P<0.05）. Under the low-phosphorus treatment， the coefficients of variation of the root-related indexes including the number of root tips， root forks， and root∶shoot ratio were all higher than in the normal phosphorus treatment， which were 49.24%， 55.24% and 46.11%， respectively. A correlation analysis was carried out between the integrated low phosphorus tolerance value （D） and the low phosphorus stress tolerance indices for the 15 traits using membership function analysis， and the low phosphorus tolerance coefficients of shoot dry weight， root dry weight， total dry weight， total root length， root surface area， root volume， root projected area， root tip， root fork， and phosphorus use efficiency showed a significant correlation with the D value. Using multiple regression analysis， seven indicators for the identification of low phosphorus tolerance were evaluated， and a regression equation for the D value was established. Finally， the cluster analysis divided the 38 forage oats into three categories： high-， medium-， and low-efficiency of phosphorus utilization. Of the tested varieties， three were phosphorus-efficient， namely Youmu No. 1， Kona and Sweet oat No. 1.

Key words: forage oat, low phosphorus stress, phosphorus efficiency, root system

余静菠, 张慧丽, 李进, 关皓, 周青平, 陈仕勇. 38份饲用燕麦品种苗期磷利用效率综合评价[J]. 草业学报, 2024, 33(11): 161-171.

Jing-bo YU, Hui-li ZHANG, Jin LI, Hao GUAN, Qing-ping ZHOU, Shi-yong CHEN. A multi-trait evaluation of phosphorus efficiency of 38 forage oat cultivars at the seedling stage[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(11): 161-171.

图/表 8

参考文献 29

1	Dissanayaka D， Ghahremani M， Siebers M， et al. Recent insights into the metabolic adaptations of phosphorus-deprived plants. Journal of Experimental Botany， 2021， 72（2）： 199-223.
2	Liu C， Chu H L， Wu L F， et al. Regulation mechanism of phosphate homeostasis in plants. Biotechnology Bulletin， 2022， 38（2）： 184-194.
	刘潮，褚洪龙，吴丽芳，等. 植物磷稳态的调控机制. 生物技术通报， 2022， 38（2）： 184-194.
3	Li Z S， Li Z Y， Zhang Q X， et al. Comparison of response mechanisms to low inorganic phosphate stress between alfalfa varieties Aohan abd Victoria. Acta Prataculturae Sinica， 2019， 28（1）： 50-59.
	李振松，栗振义，张绮芯，等. 敖汉和维多利亚紫花苜蓿对低磷环境应激机制的比较. 草业学报， 2019， 28（1）： 50-59.
4	Hinsinger P. Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root-induced chemical changes： A review. Plant and Soil， 2001， 237（2）： 173-195.
5	Liu L L， Wang J C， Yao L R， et al. Evaluation of low phosphorus tolerance and germplasm screening of spring wheat. Chinese Journal of Eco-Agriculture， 2020， 28（7）： 999-1009.
	刘露露，汪军成，姚立蓉，等. 不同春小麦品种耐低磷性评价及种质筛选.中国生态农业学报， 2020， 28（7）： 999-1009.
6	Cordell D， Drangert J， White S. The story of phosphorus： Global food security and food for thought. Global Environmental Change， 2009， 19（2）： 292-305.
7	Raghothama K G， Karthikeyan A S. Phosphate acquisition. Plant and Soil， 2005， 274（1）： 37-49.
8	Chen H Y， Yu H Y， Chen G D， et al. Root morphological characteristics of barley genotype with high phosphorus efficiency under phosphorus stress. Chinese Journal of Applied Ecology， 2015， 26（10）： 3020-3026.
	陈海英，余海英，陈光登，等. 低磷胁迫下磷高效基因型大麦的根系形态特征. 应用生态学报， 2015， 26（10）： 3020-3026.
9	Zhu X Y， Zhang Q Q， Yu Y C， et al. Screening of low phosphorus tolerance genotypes and comprehensive evaluation of phosphorus efficiency in sweetpotato at seedling stage. Journal of Jiangsu Normal University （Natural Science Edition）， 2023， 41（1）： 27-31， 2.
	朱晓亚，张强强，于永超，等. 甘薯苗期耐低磷基因型筛选及磷效率综合评价. 江苏师范大学学报（自然科学版）， 2023， 41（1）： 27-31， 2.
10	Xia J， Nan L L， Chen J， et al. Morphological and physiological responses of different root types of alfalfa under low phosphorus stress. Chinese Journal of Grassland， 2023， 45（10）： 58-67.
	夏静，南丽丽，陈洁，等. 低磷胁迫下不同根型苜蓿形态及生理响应. 中国草地学报， 2023， 45（10）： 58-67.
11	Kayoumu M， Wumaierjiang X， Li X T， et al. Screening of low phosphorus tolerant germplasm in cotton at seedling stage and comprehensive evaluation of low phosphorus tolerance. Scientia Agricultura Sinica， 2023， 56（21）： 4150-4162.
	米热扎提江·喀由木，西尔艾力·吾麦尔江，李晓曈，等. 棉花苗期耐低磷种质筛选及耐低磷综合评价. 中国农业科学， 2023， 56（21）： 4150-4162.
12	Shi C Y. Selection of low phosphorus-tolerant rice varieties and research on the mechanism of low phosphorus-tolerant root morphology remodeling. Yangzhou： Yangzhou University， 2015.
	史春阳. 耐低磷水稻品种筛选和根系形态重塑机制. 扬州：扬州大学， 2015.
13	Chen Y L， Wang N， Shi L. Analysis of phosphorus efficiency and screening of P-efficient germplasm on natural population of oilseed rape （Brassica napus） at seedling stage. Chinese Journal of Oil Crop Sciences， 2023， 45（1）： 56-62.
	陈燕玲，王宁，石磊. 甘蓝型油菜自然群体苗期磷效率分析及磷高效优异种质筛选. 中国油料作物学报， 2023， 45（1）： 56-62.
14	Li Z Y， Zhang Q X， Tong Z Y， et al. Analysis of morphological and physiological responses to low Pi stress in different alfalfas. Scientia Agricultura Sinica， 2017， 50（20）： 3898-3907.
	栗振义，张绮芯，仝宗永，等. 不同紫花苜蓿品种对低磷环境的形态与生理响应分析. 中国农业科学， 2017， 50（20）： 3898-3907.
15	Ye X L， Gan Z， Wan Y， et al. Advances and perspectives in forage oat breeding. Acta Prataculturae Sinica， 2023， 32（2）： 160-177.
	叶雪玲，甘圳，万燕，等. 饲用燕麦育种研究进展与展望. 草业学报， 2023， 32（2）： 160-177.
16	Zhang B， Ren C Z. Advances in oat genomic research and molecular breeding. Chinese Bulletin of Botany， 2022， 57（6）： 785-791.
	张波，任长忠. 燕麦基因组学与分子育种研究进展. 植物学报， 2022， 57（6）： 785-791.
17	Ren C Z， Hu Y G. China oats. Beijing： China Agriculture Press， 2013： 11.
	任长忠，胡跃高. 中国燕麦学. 北京：中国农业出版社， 2013： 11.
18	Li J， Chen S Y， Zhao X， et al. Analysis of genetic structure and fingerprinting in oat varieties based on SCoT markers. Acta Prataculturae Sinica， 2021， 30（7）： 72-81.
	李进，陈仕勇，赵旭，等. 基于SCoT 标记的饲用燕麦品种遗传结构及指纹图谱分析. 草业学报， 2021， 30（7）： 72-81.
19	He X， Qi B J， Wang M， et al. Differences in biomass and phosphorus nutrition of oats with different phosphorus efficiency under low phosphorus stress. Molecular Plant Breeding， 2020， 17（22）： 7482-7487.
	贺鑫，齐冰洁，王敏，等. 低磷胁迫下燕麦不同磷效率品种生物量及磷素营养的差异. 分子植物育种， 2020， 17（22）： 7482-7487.
20	Zhang H L， Ye L， Zhou Y， et al. Effects of different levels of phosphorus supply on the growth and development of forage oat seedlings. Journal of Grassland and Forage Science， 2023（2）： 27-31.
	张慧丽，叶莉，周洋，等. 不同供磷水平对饲用燕麦幼苗生长发育的影响. 草学， 2023（2）： 27-31.
21	Liu Y X， Wen Y J， Huang J L， et al. Determination total phosphorus of maize plant samples by continuous flow analyzer in comparison with vanadium molybdate yellow colorimetric method. Journal of Agricultural Resources and Environment， 2015， 32（6）： 577-582.
	刘云霞，温云杰，黄金莉，等. AA3型连续流动分析仪与钒钼黄比色法测定玉米植株全磷含量之比较. 农业资源与环境学报， 2015， 32（6）： 577-582.
22	Vance C P， Uhde-Stone C， Allan D L. Phosphorus acquisition and use： Critical adaptations by plants for securing a nonrenewable resource. New Phytologist， 2003， 157（3）： 423-447.
23	Qin C， Pei H B， Zhang Y Q， et al. Effects of phosphorus on the growth and development of adzuki bean at seedling stage. Crops， 2015（3）： 122-129.
	秦成，裴红宾，张永清，等. 磷素对小豆幼苗生长发育的影响. 作物杂志， 2015（3）： 122-129.
24	Wu A J. Mechanisms of root responses to low phosphorus stress in different crop species/genotypes with contrasting root systems. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2021.
	吴爱姣. 不同根系类型作物/品种的根系对低磷胁迫的响应机制. 北京：中国科学院大学， 2021.
25	Yi K， Yang S， Kong W J， et al. Analysis of efficient phosphorus absorption characteristic based on root morphology and spatial distribution in sugarcane. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis， 2022， 44（6）： 1362-1372.
	易科，杨曙，孔吴俊，等. 基于根系形态及空间分布的甘蔗磷高效吸收特征分析. 江西农业大学学报， 2022， 44（6）： 1362-1372.
26	Liu P， Wu A L， Wang J S， et al. Study on phosphorus use efficiency and phosphorus remobilization characteristics of four different sorghum genotypes. Journal of Shanxi Agricultural Sciences， 2018， 46（3）： 344-349.
	刘鹏，武爱莲，王劲松，等. 不同基因型高粱的磷效率和磷素转运特性研究. 山西农业科学， 2018， 46（3）： 344-349.
27	Wang H. Screening and seedling stage identification of phosphorus high-efficient soybean varieties. Shenyang： Shenyang Agricultural University， 2020.
	王辉. 磷高效大豆品种的筛选及苗期鉴定方法. 沈阳：沈阳农业大学， 2020.
28	Aluwihare Y C， Ishan M， Chamikara M D M， et al. Characterization and selection of phosphorus deficiency tolerant rice genotypes in Sri Lanka. Rice Science， 2016， 23（4）： 184-195.
29	Luo Y， Li D M， Lei M M， et al. Evaluation of low-phosphorus tolerance of hulless barley at seedling stage. Journal of Triticeae Crops， 2019， 39（12）： 1450-1458.
	罗园，李东梅，雷淼淼，等. 青稞苗期耐低磷能力评价. 麦类作物学报， 2019， 39（12）： 1450-1458.

序号 No.	品种Cultivar	序号 No.	品种Cultivar	序号 No.	品种Cultivar
1	泰克Taike	14	甜燕70 Sweet oat 70	27	梦龙Magnum
2	青引2号Qingyin No. 2	15	多能 Duoneng	28	燕王Forage plus
3	青燕1号Qingyan No. 1	16	摄政王Prince regent	29	领袖Souris
4	哈维Haywire	17	摩根Mogen	30	骏马Cayuse
5	猛士1号Mengshi No.1	18	莫妮卡Monica	31	太阳神Titan
6	青引1号Qingyin No. 1	19	蓝鸟1号Lanniao No. 1	32	科纳Kona
7	青海甜燕麦Qinghai sweet oat	20	甜燕60 Sweet oat 60	33	定燕2号Dingyan No. 2
8	甜燕75 Sweet oat 75	21	禾王King cereals	34	甜燕2+ Sweet oat 2+
9	英迪米特Intimidator	22	白燕7号Baiyan No. 7	35	甜燕1号Sweet oat No. 1
10	锋利Sharp	23	陇燕5号Longyan No. 5	36	蒙燕1号Mengyan No. 1
11	青海444 Qinghai No. 444	24	旗帜 Flag	37	魅力Charisma
12	甜燕3号Sweet oat No. 3	25	优牧1号Youmu No. 1	38	白燕14 Baiyan No. 14
13	悍马Hanma	26	边锋Blade

序号 No.	品种Cultivar	序号 No.	品种Cultivar	序号 No.	品种Cultivar
1	泰克Taike	14	甜燕70 Sweet oat 70	27	梦龙Magnum
2	青引2号Qingyin No. 2	15	多能 Duoneng	28	燕王Forage plus
3	青燕1号Qingyan No. 1	16	摄政王Prince regent	29	领袖Souris
4	哈维Haywire	17	摩根Mogen	30	骏马Cayuse
5	猛士1号Mengshi No.1	18	莫妮卡Monica	31	太阳神Titan
6	青引1号Qingyin No. 1	19	蓝鸟1号Lanniao No. 1	32	科纳Kona
7	青海甜燕麦Qinghai sweet oat	20	甜燕60 Sweet oat 60	33	定燕2号Dingyan No. 2
8	甜燕75 Sweet oat 75	21	禾王King cereals	34	甜燕2+ Sweet oat 2+
9	英迪米特Intimidator	22	白燕7号Baiyan No. 7	35	甜燕1号Sweet oat No. 1
10	锋利Sharp	23	陇燕5号Longyan No. 5	36	蒙燕1号Mengyan No. 1
11	青海444 Qinghai No. 444	24	旗帜 Flag	37	魅力Charisma
12	甜燕3号Sweet oat No. 3	25	优牧1号Youmu No. 1	38	白燕14 Baiyan No. 14
13	悍马Hanma	26	边锋Blade

指标 Index	正常处理Normal phosphorus				低磷处理Low phosphorus
指标 Index	最小值 Minimum	最大值 Maximum	平均值±标准差 Mean±SD	变异系数 CV （%）	最小值 Minimum	最大值 Maximum	平均值±标准差 Mean±SD	变异系数CV （%）
株高PH （cm）	30.00	69.40	56.18±7.35a	13.15	27.00	67.03	51.79±8.38b	16.25
地上部干重SDW （g·plant^-1）	0.06	0.40	0.24±0.08a	35.02	0.05	0.29	0.16±0.06b	34.51
地下部干重RDW （g·plant^-1）	0.02	0.13	0.07±0.02a	32.54	0.01	0.15	0.06±0.03a	41.18
生物量TDW （g·plant^-1）	0.08	0.51	0.30±0.10a	32.74	0.08	0.40	0.23±0.07b	30.48
根冠比RSR	0.12	0.57	0.30±0.08b	27.02	0.04	1.08	0.42±0.19a	46.11
总根长TRL （cm）	149.23	1220.39	535.12±243.24b	45.66	166.08	1558.65	701.68±266.35a	38.13
根表面积RSA （cm²）	15.44	111.54	54.66±22.53a	41.41	17.40	133.94	61.74±20.87a	33.96
根体积RV （cm³）	0.11	0.86	0.45±0.18a	40.90	0.15	0.92	0.44±0.14a	32.87
根直径RD （mm）	0.25	0.50	0.33±0.04a	12.97	0.22	0.38	0.29±0.03b	10.98
根投影面积RPA （cm²）	4.91	35.55	17.40±7.24a	41.81	5.54	42.63	19.56±6.71a	34.44
根尖数RT	181.00	3697.00	1210.22±665.61b	55.24	343.00	4336.00	1681.00±824.06a	49.24
根分叉数RF	78.00	3342.00	1335.88±740.45a	55.67	168.00	5024.00	1476.56±812.01a	55.24

指标 Index	正常处理Normal phosphorus				低磷处理Low phosphorus
指标 Index	最小值 Minimum	最大值 Maximum	平均值±标准差 Mean±SD	变异系数 CV （%）	最小值 Minimum	最大值 Maximum	平均值±标准差 Mean±SD	变异系数CV （%）
株高PH （cm）	30.00	69.40	56.18±7.35a	13.15	27.00	67.03	51.79±8.38b	16.25
地上部干重SDW （g·plant^-1）	0.06	0.40	0.24±0.08a	35.02	0.05	0.29	0.16±0.06b	34.51
地下部干重RDW （g·plant^-1）	0.02	0.13	0.07±0.02a	32.54	0.01	0.15	0.06±0.03a	41.18
生物量TDW （g·plant^-1）	0.08	0.51	0.30±0.10a	32.74	0.08	0.40	0.23±0.07b	30.48
根冠比RSR	0.12	0.57	0.30±0.08b	27.02	0.04	1.08	0.42±0.19a	46.11
总根长TRL （cm）	149.23	1220.39	535.12±243.24b	45.66	166.08	1558.65	701.68±266.35a	38.13
根表面积RSA （cm²）	15.44	111.54	54.66±22.53a	41.41	17.40	133.94	61.74±20.87a	33.96
根体积RV （cm³）	0.11	0.86	0.45±0.18a	40.90	0.15	0.92	0.44±0.14a	32.87
根直径RD （mm）	0.25	0.50	0.33±0.04a	12.97	0.22	0.38	0.29±0.03b	10.98
根投影面积RPA （cm²）	4.91	35.55	17.40±7.24a	41.81	5.54	42.63	19.56±6.71a	34.44
根尖数RT	181.00	3697.00	1210.22±665.61b	55.24	343.00	4336.00	1681.00±824.06a	49.24
根分叉数RF	78.00	3342.00	1335.88±740.45a	55.67	168.00	5024.00	1476.56±812.01a	55.24

多元回归方程 Multiple regression equation	F值 F value	决定系数 R square （R²）	P值 P value
D=-6.972+9.070TDW	147.389	0.661	<0.001
D=-6.944+5.426TDW+1.965TRL	245.733	0.765	<0.001
D=-6.816+4.360TDW+1.113TRL+2.856RSA	576.854	0.885	<0.001
D=-6.776+4.326TDW+0.991TRL+2.346RSA+0.502RV	606.393	0.890	<0.001
D=-6.723+4.246TDW+0.781TRL+2.146RSA+0.492RV+0.553RPA	1128.741	0.933	<0.001
D=-6.824+4.222TDW+0.632TRL+1.957RSA+0.524RV+0.412RPA+0.556RF	1709.509	0.981	<0.001
D=-6.955+3.931TDW+0.392TRL+1.553RSA+1.092RV+0.840RPA+0.611RF+0.146PUE	2552.104	0.996	<0.001