全 文 :第21卷 第3期
Vol.21 No.3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2013年 5月
May 2013
doi:10.11733/j.issn.1007G0435.2013.03.016
不同磷水平对紫花苜蓿光合作用和根瘤固氮特性的影响
齐敏兴,刘晓静∗,张晓磊,刘艳楠
(甘肃农业大学草业学院 草业生态系统教育部重点实验室 中G美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070)
摘要:采用砂培方法,在营养液条件下研究不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿(Medicagosativa‘GannongNo.3’)光合作
用和根瘤固氮特性的影响.结果表明:在其他营养充分供应的基础上,适当提高磷水平可以显著增大甘农3号紫花
苜蓿叶片的气孔导度和光合速率,减小蒸腾速率,并提高叶片中叶绿素含量,增大叶面积,增加叶片数,同时使根瘤数
目增多,根瘤重增加,固氮酶活性显著增强.光合作用在磷水平为1500μmolL-1时最强,此时叶片蒸腾速率为427
mmolm-2s-1,气孔导度为347.54mmolm-2s-1,光合速率为10.37μmolmol-1,胞间CO2 浓度为307.28
μmolmol-1;叶绿素含量、叶面积和叶片数都随着磷水平的增大而呈现出先增大后减小的趋势,叶面积在磷水平为
1500μmolL-1时达到最大值1.21cm2;叶片数在磷水平为250μmolL-1时达到最大值26.50个,继续增大磷浓度
至1500μmolL-1时叶片数仍显著高于对照;根瘤数和根瘤重随磷水平的增大持续增大;固氮酶活性在磷水平为
1500μmolL-1时最强达57.1μgg-1h-1.综合考虑,磷水平在1500μmolL-1时为最佳值,过高或过低的磷
水平都不利于甘农3号紫花苜蓿的正常生长发育.
关键词:磷水平;紫花苜蓿;光合作用;固氮酶活性
中图分类号:S143.2;S541.9 文献标识码:A 文章编号:1007G0435(2013)03G0512G05
EffectsofDifferentPhosphorusLevelsonPhotosynthesisand
RootNoduleNitrogenGfixingCharacteristicofAlfalfa
QIMinGxing,LIUXiaoGjing∗,ZHANGXiaoGlei,LIUYanGnan
(ColegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,Ministry
ofEducation/SinoGU.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou,GansuProvince730070,China)
Abstract:TheefectsofdiferentphosphoruslevelsonphotosynthesisandrootnodulenitrogenGfixingcharacteristicof
‘GannongNo.3’alfalfawereinvestigatedusingnutrientculture.ResultsshowedthatstomatalconductanceandphoG
tosyntheticrateweremarkedlyincreasedwithincreasedphosphoruslevels,whereastranspirationratewasdecreased.
Simultaneously,chlorophylcontent,leafarea,leafnumber,rootnodulenumber,rootnoduleweightandnitrogenase
activityofalfalfawereimproved.Photosynthesiswasbestatthephosphoruslevelof1500μmolL-1.Transpiration
rate,stomatalconductance,photosyntheticrateandCO2concentrationreached4.27mmolm-2s-1,347.54
mmolm-2s-1,10.37μmolmol-1and307.28μmolmol-1atthisphosphatelevel.Chlorophylcontent,leafarG
eaandleafnumberwerefirstincreasedthendecreased.Leafareareachedthelargest(1.21cm2)at1500μmolL-1
ofphosphorous.Leafnumberwas26.50atthe250μmolL-1,andincreasedwithmorephosphorus.Rootnodule
numberandrootnoduleweightincreasedwiththeincreaseofphosphoruslevel.Nitrogenaseactivitywasthebest
(571μgg-1h-1)at1500μmolL-1.Phosphoruslevelof1500μmolL-1isoptimumforalfalfa.Excessive
highandlowphosphoruslevelsalprejudicenormalgrowthanddevelopmentofGannongNo.3alfalfa.
Keywords:Phosphoruslevels;Alfalfa;Photosynthesis;Nitrogenaseactivity
紫花苜蓿(Medicagosativa)素有“牧草之王”
的美称,具有良好的品质、生态和经济效益,苜蓿的
生产越来越受到人们的重视.磷是作物生长发育必
须 的大量元素之一,然而我国大约有2/3的耕地土
收稿日期:2012G11G21;修回日期:2012G12G12
基金项目:甘肃省自然基金项目 “甘肃省秦王川灌区苜蓿草地施肥制度及其对环境的影响研究”(1010RJZA157);草业生态系统教育部重
点实验室(甘肃农业大学)项目“供氮水平及氮素形态对紫花苜蓿养分吸收及根瘤特性的影响研究”(CYZSG2011012)资助
作者简介:齐敏兴(1987G),男,河北沧州人,硕士研究生,主要从事草坪与牧草营养生理研究,EGmail:qmx0602@126.com;∗通信作者Author
forcorrespondence,EGmail:liuxj@gsau.edu.cn
第3期 齐敏兴等:不同磷水平对紫花苜蓿光合作用和根瘤固氮特性的影响
壤(约6600万hm2)缺磷[1],并已成为苜蓿优质高产
的重要限制因素之一.光合作用是植物最基本的生
理过程,作物的光合性能是作物产量的基础.研究
表明,磷对作物的生长发育和光合作用具有明显的
影响.磷参与植物叶绿体能量转化和代谢、光合同
化力形成及中间产物的转化,并且促进叶片光合产
物的运输[2].同时施磷可以促进根的生长[3G4],并提
高根瘤菌的侵染能力,使豆科植物有效根瘤数增
多[5],促进根瘤的固氮能力并显著提高紫花苜蓿的
饲草品质和干草产量[6G8].有关大田中磷肥对苜蓿
产量和品质的影响,国内外均有相关报道,而在实验
室条件下,通过营养液控制磷水平对苜蓿品质、光合
特性和根瘤固氮特性的研究还鲜见报道,并且衡量
不同作物的最适磷浓度范围迄今还没有一致结果.
本试验通过营养液精准控制磷水平,从生理上研究
甘农3号苜蓿(M.sativa.‘GannongNo.3’)生长
的最适磷水平,为甘农3号苜蓿磷素营养的进一步
研究及苜蓿优质高产生产体系的建立提供科学
依据.
1 材料与方法
1.1 供试品种
供试苜蓿品种为甘农3号,由甘肃农业大学草
业学院提供.挑选大小均匀,颗粒饱满种子,先用
95%乙醇浸泡5min,再用0.1% HgCl2 溶液灭菌
6~10min,然后无菌水冲洗5~6次.
1.2 营养液配制
以Hogland营养液为基础配制营养液[9].大量
元素:Ca(NO3)24H2O44mmolL-1,MgSO4
7H2O22mmolL-1,KNO36mmolL-1,NH4Cl
057mmolL-1;微量元素:H3BO342μmolL-1,
MnSO4H2O9μmolL-1,ZnSO47H2O1μmolL-1,
NaMoO42H2O0.1μmolL-1,CuSO45H2O0.3
μmolL-1;铁盐:EDTA钠铁0.1mmolL-1.
1.3 试验设计
采用细沙作为栽培基质,选用直径7cm、高8.5
cm的塑料杯,装入高温灭菌的粗砂230g.每杯播
种20粒已消毒的种子,覆盖干沙50g,出苗10d后
进行间苗,每个塑料杯均保留10棵健康幼苗.以
NaH2PO4 作为磷源,设8个磷水平,分别为0,50,
100,250,500,1000,1500,2000μmolL-1;每个水
培盒中放6个塑料杯作为一个磷水平处理,每个处
理3次重复,完全随机排列.营养液每水培盒500
mL,调节pH值为7.0,使液面保持一致,并标出液
面线.试验均在实验室条件下进行,期间每隔4d
补充一次蒸馏水,保证除磷以外的其他营养一致.
处理60d后测定各项生理指标.
1.4 测定指标与方法
叶片蒸腾速率、气孔导度、光合速率和胞间CO2
浓度采用GFSG3000光合仪(Walz,Germany)测定,
测定时间选择晴天的上午9:00-11:00.
叶绿素含量采用丙酮浸提法[10]测定叶绿素a、
叶绿素b和总叶绿素含量.叶面积的测定采用描形
称重法测定[11],为植株自株顶向下第6叶的单叶叶
面积.叶片数、根瘤数、根瘤重分别为幼苗生长60d
后的单株叶片总数、单株根瘤总数和单株总根瘤重.
叶片数的测定方法为数标记植株上的叶片总数;根
瘤数的测定方法为数标记植株上的有效根瘤总数;
根瘤重的测定方法为将摘下的根瘤在电子天平上称
鲜重.固氮酶活性采用乙炔还原法测定[12].
1.5 数据处理
采用Excel2003进行数据处理和图表绘制,并采
用SPSS16.0软件进行单因素方差分析(oneGway
ANOVA)和新复极差法(Duncan法)进行多重比较.
2 结果与分析
2.1 不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿叶片蒸腾速
率、气孔导度、光合速率和胞间CO2 浓度的影响
由图1可知,苜蓿叶片的蒸腾速率随磷水平的
增加总体上呈下降趋势;气孔导度和光合速率随着
磷浓度的增加呈先增大后减小的趋势,且均以磷浓
度为1500μmolL-1时最高,磷浓度过大时其值反
而降低;胞间CO2 浓度随磷浓度的增大先是显著降
低,然后变化比较平稳,原因是胞间CO2 浓度受气
孔导度、叶肉导度和 RuBP酶在羧化位点处同化
CO2的速率等诸多因素的影响.本试验结果表明,
磷水平的高低可以直接影响紫花苜蓿的光合特性.
在适宜的范围内,随着磷水平的增加,苜蓿的光合速
率逐渐增大,蒸腾速率逐渐减小,提高了苜蓿的品质
和产量.保持正常光合功能的一个重要条件是光合
315
草 地 学 报 第21卷
图1 不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿叶片蒸腾速率、气孔导度、光合速率和胞间CO2 浓度的影响
Fig.1 Effectsofdifferentphosphoruslevelsonthetranspirationrate,stomatalconductance,
photosyntheticrateandCO2concentrationofGannongNo.3alfalfa
注:不同字母间表示差异显著(P<0.05),下同
Note:Differentsmallettersmeansignificantdifferenceatthe0.05level;thesameasbelow
产物能够从叶片迅速的输出[13G14],而缺磷则严重影
响光合产物从叶片的输出[15].因此,在苜蓿生产过
程中,适当增加施磷量成为苜蓿优质高产的一个重
要保障.
2.2 不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿叶片叶绿素
含量的影响
试验结果表明(图2),随着营养液中磷水平的
增大,苜蓿叶片Chla,Chlb和Chla+b均增大,且
均在磷浓度为1500μmolL-1时出现一个高峰,但
过高的磷浓度反而使苜蓿叶片叶绿素含量降低.这
也表明,在苜蓿生产过程中,适宜的增加施磷量可以
提高紫花苜蓿叶片的叶绿素含量,提高其光合能力,
为苜蓿品质和产量的提高提供物质基础.
2.3 不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿叶面积、叶片
数、根瘤数和根瘤重的影响
由表1可知,叶面积、叶片数和株高都随着磷水
平的增大呈现出先增大后减小的趋势.叶面积在磷
水平为1500μmolL-1时达到最大值,且与其他处理
之间差异显著(P<0.05);叶片数在磷水平为250
μmolL-1时达到最大值(P<0.05),继续增大磷浓
度至1500μmolL-1时叶片数仍显著高于对照;根瘤
数和根瘤重在设定的磷水平范围内均随磷水平的增
大而一直增大,并在磷浓度为2000μmolL-1时达到
最大值.表明适当增大磷水平促进了甘农3号紫花
苜蓿的地上部生长,增大了紫花苜蓿的叶面积,增多
了叶片数和根瘤数,对提高紫花苜蓿的光合作用和根
瘤固氮量具有一定的促进作用.但各指标达到最大
值的磷水平并不相同,在紫花苜蓿生产过程中,还要
根据生产的需要选择合适的施磷量.
2.4 不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿固氮酶活性
的影响
由图3可知,随着营养液中磷水平的提高,反应
时间的延长,根瘤固氮酶活性呈现出先增大后减小
的趋势,且在磷水平为1500μmolL-1时达到最大
值,说明施磷增加了紫花苜蓿根瘤固氮酶活性,提
高了根瘤的固氮效率;继续增大磷水平,固氮酶活
性反而降低.可见,在适当的范围内增大磷水平
是促进根瘤固氮酶活性的有效方法,而过高的磷
浓度对其不利.王树起等[16]在研究缺磷胁迫对大
豆(Glycinemax)根瘤生长和结瘤固氮的影响时得
出了相同的结论.
415
第3期 齐敏兴等:不同磷水平对紫花苜蓿光合作用和根瘤固氮特性的影响
图2 不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿叶片叶绿素含量的影响
Fig.2 EffectsofdifferentphosphoruslevelsonthechlorophylcontentofGannongNo.3alfalfa
表1 不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿叶面积、叶片数、根瘤数和根瘤重的影响
Table1 Effectsofdifferentphosphoruslevelsontheleafarea,bladenumber,
nodulenumberandnoduleweightofGannongNo.3alfalfa
磷水平/μmolL-1
Phosphoruslevels
叶面积/cm2
Leafarea
叶片数/个
Bladenumber
根瘤数/个
Nodulenumber
根瘤重/g
Noduleweight
0 0.55±0.04a 17.70±3.75c 6.50±1.00e 0.1429±0.001g
50 0.65±0.13de 22.30±4.11b 8.00±0.82de 0.1605±0.001g
100 0.78±0.09cd 22.60±5.14b 9.00±2.83cde 0.1948±0.004f
250 0.80±0.16cd 26.50±5.19a 9.75±2.63cd 0.2132±0.002e
500 0.83±0.06cd 24.10±3.72ab 10.00±1.41cd 0.2364±0.006d
1000 1.09±0.16ab 23.80±3.93ab 11.50±1.29bc 0.2667±0.009c
1500 1.21±0.34a 23.20±4.52ab 13.75±1.71b 0.2875±0.014b
2000 0.92±0.28bc 22.90±5.45b 18.75±2.22a 0.3219±0.016a
图3不同磷水平对甘农3号紫花苜蓿固氮酶活性的影响
Fig.3 EffectsofdifferentphosphoruslevelsonthenitrogenaseactivityofGannongNo.3alfalfa
3 讨论
磷是组成核酸、磷脂、ATP和许多辅酶的元素,
参与植物体内许多物质的合成与生理生化过程,是
植物体最基本的营养元素.然而磷在土壤中的移动
性很小,植物对磷的吸收主要靠扩散作用,所以只能
吸收利用根系表面的磷.紫花苜蓿施磷能够有效增
强其叶片的光合能力,提高根瘤的固氮效率,增加苜
蓿产草量和蛋白质含量,同时还可以增加土壤肥力,
使苜蓿的后茬作物获得增产.
在本试验中,适当提高磷水平显著增大了甘农
3号紫花苜蓿叶片的气孔导度和光合速率,减小叶
片蒸腾速率,从而提高其光合能力,且在磷水平为
1500μmolL-1时达到最大值.然而过大的磷浓
度又会使其光合能力下降.温洋等[17]在盆栽条件
下,通过施用磷肥研究不同磷用量对紫花苜蓿光合
特性的影响也得出类似的结论:适量增施磷肥能显
著增加紫花苜蓿叶绿素含量,提高其光合作用,降低
515
草 地 学 报 第21卷
蒸腾速率.近些年,关于磷营养与植物光合代谢之
间的关系已经有了较为成功的探讨[18].当植株培
养在缺磷的营养液中时,植株叶片的光合能力就会
明显下降[19],而此时若适当的增大磷水平,植物叶
片的光合能力就会迅速恢复[20].当叶片中磷浓度
增大时,磷可通过蒸腾系统迅速进入叶片细胞,并显
著提高植物叶片的光合及碳代谢能力,而过高的磷
浓度又会抑制光合作用[21].光合作用受卡尔文循
环中RuBP再生能力的限制,Rubisco是光合碳同
化的限速酶,其活性的高低直接影响着光饱和的光
合速率大小.本试验中,甘农3号紫花苜蓿在低磷
条件下,叶肉细胞中 ATP合成受阻,使Rubisco活
性下降,RuBP的再生能力受限制,导致叶片光合速
率较低.所以适当的磷水平是紫花苜蓿叶片进行正
常光合作用的一个重要条件.
同时在本试验中,磷水平也显著增加了甘农3
号紫花苜蓿的根瘤数目和根瘤重量,并使根瘤的
固氮酶活性显著增强,表明磷营养提高了根瘤的
固氮能力.Sanginga等[5]研究认为,施磷肥可以增
强根瘤菌的侵染能力,增多有效根瘤数,提高根瘤
固氮效率.本试验也证实了这一点.而刘丽君
等[22]研究也表明植物结瘤和保持固氮酶活性比正
常生长需更多的磷.根瘤菌侵染豆科植物根系形
成根瘤的过程十分复杂,该过程主要取决于豆血
红蛋白和固氮酶.固氮酶是微生物固氮成氨的主
要催化剂,可以将生物体无法直接利用的分子氮
转化成铵态氮,其中所需的能量由 ATP提供,缺
磷降低了根瘤中豆血红蛋白含量,影响乙炔诱导
固氮酶活性降低的程度[23G24],从而影响根瘤的固
氮能力.目前关于磷对豆科作物结瘤固氮的影响
机理还存在一些争议,有些人认为磷直接影响根
瘤的形成和生长,有些人则认为磷通过影响豆科
作物的生长而间接影响根瘤的形成和生长.具体
机理还有待进一步研究.
4 结论
磷素既促进了叶片的光合能力,又促进了根瘤的
固氮能力.从本试验来看,磷水平在1500μmolL-1
时应当为最佳值.在这个磷浓度下,甘农3号紫
花苜蓿的叶片光合能力和根瘤的固氮能力均达到
最高值,而这2个指标又对紫花苜蓿营养物质的
吸收和积累起着关键性的作用,决定着其产量和
品质的高低.因此,本试验可以为紫花苜蓿,尤其
是甘农3号苜蓿磷素营养的进一步研究提供科学
依据,同时对甘农3号苜蓿生产中磷肥的施用量
也有一定的指导意义.
参考文献
[1] 刘建中,杨振声,李继云.利用植物自身潜力提高土壤中磷的生
物有效性[J].生态农业研究,1994,2(1):16G23
[2] 萧浪涛,王三根.植物生理学[M].北京:中国农业出版社,
2004:71G162
[3] 王忠.植物生理学[M].北京:中国农业出版社,1999:88G135
[4] 李扬,孙洪仁,沈月,等.紫花苜蓿根系生物量垂直分布规律
[J].草地学报,2012,20(5):793G799
[5] SangingaN.Roleofbiologicalnitrogenfixationinlegume
basedcroppingsystems:acasestudyofWestAfricafarming
systems[J].PlantandSoil,2003,252(3):25G39
[6] DarrelA M.Foragecrops[M].McGrawGHilBookCompaG
ny,1984:288G312
[7] 姜慧新,沈益新,翟桂玉,等.施磷对紫花苜蓿分枝生长及产草
量的影响[J].草地学报,2009,17(5):588G592
[8] PereiraPAA,BlissFA.Nitrogenfixationandplantgrowth
ofcommonbean(PhaseolusvulgarisL.)atdifferentlevelsof
phosphorusavailability[J].PlantandSoil,1987,104(1):79G84
[9] HoaglandD R,ArnonDI.Thewaterculturemethodfor
growingplantswithoutsoil[J].CaliforniaAgriculturalExperiG
mentStationBuletin,1938,347(1):1G39
[10]王磊,白由路.不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮
和叶绿素含量的相关研究[J].中国农业科学,2005,38(11):
2269G2270
[11]陶洪斌,林杉.打孔称重法与复印称重法和长宽校正法测定水
稻叶面积的方法比较[J].植物生理学通讯,2006,42(3):496G
497
[12]姚拓,张德罡,胡自治.高寒地区燕麦根际联合固氮菌研究Ⅰ:
固氮菌分离及鉴定[J].草业学报,2004,13(2):106G111
[13]FoyerC H.Feedbackinhibitionofphotosynthesisthrough
sourceGsinkregulationinleaves[J].PlantPhysiologyandBioG
chemistry,1988,26(3):483G492
[14]FoyerCH.ThebasisforsourceGsinkinteractioninleaves[J].
PlantPhysiologyandBiochemistry,1987,25(5):649G657
[15]RaoIM,ArulannthamAR,TerryN.Leafphosphatestatus.
PhotosznthesisandcarbonpartitioninginsugarbeetⅡ.DiurG
nalchangesinsugarphosphates,adenylatesandnicotinamide
nucleotides[J].PlantPhysiology,1989,90(3):820G826
[16]王树起,韩晓增,乔云发,等.缺磷胁迫对大豆根瘤生长和结瘤
固氮的影响[J].大豆科学,2009,28(6):1000G1003
[17]温洋,金继运.施磷对紫花苜蓿光合特性以及生长的影响[J].
中国土壤与肥料,2007(6):34G37
[18]BrooksA.EffectsofphosphorusnutritiononribuloseG1,5GbiG
sphosphatecarboxylaseactivation,photosyntheticquanturn
yieldandamountsofsomeCalvincyclemetabolitesinspinach
leaves[J].PlantPhysiology,1986,13(2):221G237
[19]FoyerCH,SpencerCM.Therelationshipbetweenphosphate
statusandphotosynthesisinleaves[J].Planta,1986,167(3):
369G375
[20]CockburnW,BaldryCW,WalkerDA.Oxygenevolutionby
isolatedchloroplastswithcarbondioxideasthehydrogenacG
cepter.Arequirementfororthophosphateorpyrophosphate
[J].BichimicaetBiophysicaActa,1967,131(3):584G596
[21]CockburnW,BaldryCW,WalkerDA.SomeeffectsofinorG
ganicphosphateonO2evolutionbyisolatedchloroplasts[J].
BiochimicaetBiophysicaActaGBioenergetics,1967,143(3):
614G624
[22]刘丽君,孙聪姝.氮肥对大豆结瘤及叶片氮素积累的影响[J].
东北农业大学学报,2005,36(2):133G137
[23]TangC,HinsingerPJ,DrevonJJ,etal.PhosphorusdefiG
ciencyimpairsearlynodulefunctioningandenhancesprotonreG
leaseinrootsofMedicagotruncatulaL.[J].AnnalsofBotaG
ny,2001,88(8):131G138
[24]苗淑杰,乔云发,韩晓增.两种形态氮源条件下磷对大豆结瘤固
氮的影响[J].大豆科学,2006,25(3):250G255
(责任编辑 刘云霞)
615