不同供磷水平对辣椒根系形态和根际特征的影响

张育文，男，硕士研究生，专业方向：养分资源综合管理，E -mail ：184********@
*通讯作者（Corresponding author ）：张伟，男，博士后，专业方向：养分资源综合管理，E -mail ：zw0730@ 收稿日期：2019-02-18；接受日期：2019-04-03
基金项目：中国博士后科学基金会第64批面上资助项目（2018M643394），中央高校基本业务费专项（XDJK2019C062）
不同供磷水平对辣椒根系形态和根际特征的影响
张育文1，2　范子晗1　陈新平1，2　杨怀玉1，2　吴　玥1，2　张　伟1，2*
（1西南大学资源环境学院，重庆 400716；2西南大学农业科学研究院，重庆 400716）
摘　要：以辣椒品种线椒王为试验材料，采用盆栽方式，通过分析不同施磷水平下辣椒根系形态和根系生理的变化，探究辣椒磷高效利用的主要根系及根际过程。

结果表明，辣椒地上部和根系生物量随供磷水平的增加呈现先增加后下降的趋势，整株磷浓度以及整株磷累积量呈增加趋势。

随供磷水平增加，根系总根长呈先增加后下降趋势，根系平均直径、根冠比呈逐渐降低趋势；辣椒根系菌根侵染率和土壤酸性磷酸酶活性呈现先增加后下降的趋势。

相关分析结果表明，土壤有效磷浓度和整株磷浓度与根系平均直径、菌根侵染率呈极显著负相关，与总根长可用一元二次方程拟合，表明辣椒根系适应低磷的根际特征可能是通过增加根系生物量及总根长，同时降低根系平均直径来实现的。

关键词：辣椒；磷水平；根系形态；根际特征
可通过调节自身形态适应外界环境（刘灵 等，2008）。

研究发现，低磷胁迫导致番茄的总根长、根表面积、根体积和根尖数等生长指标显著下降（李荣坦，2016）。

随辣椒供磷水平的增加，总根长、根表面积、根体积、根平均直径、侧根数目均呈先增后降的趋势，且地上部吸磷量与根长等指标显著相关。

除根系形态的适应性变化外，共生菌根真菌的作用也是提高植物磷营养高效利用的重要机制之一。

研究表明，土壤磷含量显著影响根外菌丝的生长、共生状态及菌根效应的发挥（邹碧莹和张云翼，2008）。

对番茄（Douds ，2009）、辣椒（Xu et al.，2007）接种AM 真菌后，在低磷条件下根系具有较高的菌根侵染水平，但菌根侵染率随施磷水平的增加呈下降趋势。

此外，一定条件下植物根系或菌根会分泌一定量的酸性磷酸酶，增加土壤有效磷浓度，进而增加植物的磷吸收效率（王兵爽 等，2019）。

缺磷条件下，黄瓜、辣椒根系分泌酸性磷酸酶的活性显著增加，但随供磷水平增加，根系酸性磷酸酶的分泌显著降低（Dong et al.，2004；胡华群，2009）。

前人对禾本科作物（如小麦、玉米）的根系形态及根际特征的研究已较多，但针对茄果类蔬菜的根际特征研究目前仍缺乏。

与禾本科作物相比，辣
西南地区是我国辣椒主产区，辣椒产值和效益居蔬菜作物之首，是仅次于大白菜的第二大经济作物（杜磊 等，2018）。

磷是植物生长发育必不可少的大量元素之一，但当前蔬菜生产中普遍存在磷肥过量施用的问题。

研究表明，设施和露地蔬菜
系统中平均磷肥投入量分别为571 kg · hm -2
和117
kg · hm -2，而作物吸收的磷素只有44 kg · hm -2和25 kg · hm -2，导致了两种系统中磷素盈余分别达527 kg · hm -2和92 kg · hm -2（Yan et al.，2013）。

过高的土壤磷素盈余导致水体富营养化指数增加（Fischer et al.，2018），潜在威胁水体环境。

因此合理的蔬菜施磷量对提高磷肥利用效率、增加农业经济效益具有重要意义（冯武焕 等，2016；朱占玲 等，2017）。

根系的良好生长有助于作物养分的高效吸收（公华锐 等，2018），植物根形态具有可塑性，
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椒根系分布较浅，磷高效利用的途径可能是综合根系形态和根际生理特征两方面。

本试验研究不同供磷水平下辣椒根系形态和根际特征的变化，以期为优化磷肥在农业生产过程中的投入量，增加农业经济效益提供理论依据。

1　材料与方法
1.1　试验材料
盆栽试验土壤为冷砂黄泥土，2017年10月取自重庆市涪陵区马武镇大坪村（东经29°36′4″，北纬107°14′35″）。

土壤pH为4.26，有机质含量8.87 g · kg-1，碱解氮41.9 mg · kg-1、速效磷7.85 mg · kg-1、速效钾84 mg · kg-1。

将土壤取回后自然风干，过2 mm的筛子，储存备用。

试验所用辣椒品种为线椒王，由重庆市北碚区绿桥蔬菜种植场育苗，待幼苗生长至六叶期进行定植。

2018年3月10日，选择长势均匀的辣椒苗定植于盆中，生长期间土壤含水量控制在田间持水量的70%左右。

1.2　试验方法
试验于2018年3～5月在西南大学资源环境学院日光温室内进行。

试验用盆为塑料材质，内径22 cm，高16 cm，每盆装土4 kg。

共设计8个供磷水平，分别为土壤含P 0、120、240、360、480、720、960、1 440 mg · kg-1，所有处理均施纯氮（以N计）200 mg · kg-1，钾（以K2O计）150
mg · kg-1。

每个处理4次重复，共计32盆，每盆3株。

试验肥料所需的氮、磷、钾分别由尿素（含N 46.0%）、磷酸二氢钙（含P2O5 43.7%）和硫酸钾（含K2O 54.1%）提供。

1.3　样品采集
于辣椒开花期（5月初）进行取样，先取3株辣椒的地上部，将茎叶分离后用去离子水清洗干净，置于75 ℃烘箱中烘干称量干质量，粉碎用作元素分析测试。

根系取样采用整盆取样法，将土壤全部倒于牛皮纸上，把土体内的所有根系捡出装入自封袋中，同时将土壤充分混匀后留取部分土样用作土壤有效磷浓度测定。

取出的根系用去离子水清洗后，吸去多余水分，称量根系鲜质量，再剪取0.5 g粗细均一的根系用作菌根侵染率的测定，称量剩下根系鲜质量，置于75 ℃烘箱中烘干、称重、粉碎，用作磷浓度分析。

1.4　样品分析
辣椒生物量的测定采用称重法；土壤有效磷浓度的测定采用钼蓝比色法（0.5 mol · L-1 NaHCO3浸提）；地上部及根系磷浓度的测定采用钒钼黄比色法（H2SO4-H2O2消煮）；菌根侵染率测定方法：取
0.5 g洗净的0～20 cm长的根系切成1 cm左右的根段，浸泡在10%的氢氧化钾溶液中，然后90 ℃水浴60 min，冷却后用2%的盐酸溶液浸泡5 min，洗净后用台盼蓝进行染色。

每个载玻片上选取15条染色的根系，在光学显微镜下观察侵染程度（0～100%）（Giovannetti & Mosse，1980）；土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定（关松荫，1986）；根系形态的测定：先用根系扫描仪（Epson perfection V850 PRO，Japan）将根系扫描成图，再采用WinRHIZO软件对图片进行数据分析，用于获取辣椒总根长、根系平均直径等根系形态参数。

1.5　数据处理
采用Excel 2010、SPSS 17.0软件进行图表绘制，SAS 8.0软件用于数据统计分析。

整株生物量=地上部生物量+根系生物量
整株磷累积量=根系生物量×根系磷浓度+地上部生物量×地上部磷浓度
2　结果与分析
2.1　供磷水平对开花期辣椒生物量及整株磷累积量的影响
从表1可以看出，随供磷水平的增加，土壤有效磷浓度呈显著增加趋势，地上部生物量、根系生物量和整株生物量均随供磷水平的增加呈先增加后降低的趋势，根冠比整体呈降低趋势。

地上部及根系的磷浓度均随供磷水平的增加而增加，整株磷浓度及整株磷累积量也呈现逐渐增加的趋势。

2.2　供磷水平对开花期辣椒根际特征的影响
如表2所示，随供磷水平的增加，辣椒总根长呈先增加后降低的趋势，在供磷水平为720 mg · kg-1时达到最大；根系平均直径整体呈降低趋势；土壤酸性磷酸酶活性呈先增加后降低的趋势，在供磷水平为360 mg · kg-1时最高。

菌根侵染率随供磷水平的增加呈现先增加后逐渐下降的趋势，供磷水
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平为120 mg · kg -1时最大。

2.3　土壤有效磷浓度及整株磷浓度与整株生物量和整株磷累积量的相关分析
相关分析结果表明（图1），土壤有效磷浓度、整株磷浓度与整株生物量均具有极显著相关关系（P ＜ 0.001），总体呈先增加后降低的趋势，且两者的关系均可以用一元二次方程拟合，说明不同磷素水平可显著影响辣椒的生长，且存在植株生物量最高值。

土壤有效磷浓度与整株磷累积量具有极显著正相关关系（P ＜0.001），即随土壤有效磷浓度的增加，整株磷累积量呈逐渐增加趋势，但后期增加程度逐渐减弱，可能与植株生物量的增加减缓有关。

整株磷累积量随整株磷浓度的增加呈现显著增加的趋势（P ＜0.001），变化趋势与土壤有效磷浓度相似。

2.4　土壤有效磷浓度及整株磷浓度与根际特征的相关分析
相关分析结果表明（图2），随土壤有效磷及整株磷浓度的增加，根系总根长呈先增加后降低的趋势，且均可以用一元二次方程拟合，说明辣椒根系总根长受不同土壤有效磷浓度及整株磷浓度的影响较大；而根系平均直径逐渐降低，且与土壤有效磷浓度和整株磷浓度具有极显著的负相关关系（P ＜ 0.001），说明辣椒可通过降低根系直径提高对磷的吸收。

土壤有效磷浓度及整株磷浓度均与菌根侵染率有极显著的负相关关系（P ＜0.001），随土壤有效磷浓度的增加菌根侵染率逐渐下降。

土壤有效磷浓度和整株磷浓度与土壤酸性磷酸酶活性均存在极显著相关关系（P ＜0.001），总体呈先增加后降低
表2　供磷水平对辣椒根系形态、生理及菌根侵染率的影响
供磷水平/mg · kg -1
总根长/m · 株-1根系平均直径/mm 土壤酸性磷酸酶活性/mg · g -1 · d -1菌根侵染率/%0 3.11±0.25 d 0.49±0.03 a 6.10±0.26 b 12.48±0.74 b 120 4.54±0.47 c 0.43±0.02 b 6.48±0.22 ab 16.29±1.24 a 240 5.36±0.19 bc 0.39±0.01 bc 6.71±0.13 ab 15.29±1.10 a 360 5.41±0.41 abc 0.39±0.01 bc 7.00±0.29 a 12.48±0.43 b 480 5.91±0.28 ab 0.40±0.01 bc 6.30±0.29 ab 10.02±0.55 c 720 6.35±0.27 a 0.39±0.02 bc 6.09±0.37 b 6.27±0.48 d 960 6.05±0.35 ab 0.36±0.01 c 6.12±0.21 b 5.17±0.23 d 1 440
5.16±0.31 bc
0.36±0.02 c
6.04±0.21 b
3.79±0.09 d
表1　供磷水平对土壤有效磷浓度、辣椒生物量和植株磷累积量的影响
供磷水平mg · kg -1
土壤有效磷浓度mg · kg -
1地上部生物量（DW ）g · 株-1根系生物量（DW ）g · 株-1整株生物量（DW ）g · 株-1根冠比010.5±0.3 h 0.66±0.01 d 0.16±0.01 ab 0.82±0.01 d 0.24±0.010 a 12037.5±0.6 g 0.74±0.03 bc 0.17±0.00 a 0.91±0.03 bc 0.24±0.011 a 24069.5±1.4 f 0.80±0.01 ab 0.17±0.01 a 0.97±0.02 ab 0.22±0.010 a 36096.9±0.2 e 0.85±0.02 a 0.15±0.00 bc 1.00±0.02 a 0.18±0.007 b 480137.5±8.4 d 0.82±0.03 a 0.15±0.01 bc 0.97±0.02 ab 0.18±0.010 b 720185.6±6.9 c 0.79±0.01 ab 0.15±0.00 bc 0.94±0.02 ab 0.19±0.001 b 960249.2±13.1 b 0.73±0.02 c 0.14±0.00 c 0.87±0.01 cd 0.19±0.006 b 1 440389.4±9.9 a 0.62±0.03 d 0.12±0.00 d 0.74±0.03 e
0.19±0.008 b
供磷水平mg · kg -1
地上部磷浓度g · kg -1根系磷浓度g · kg -1整株磷浓度g · kg -1整株磷累积量（DW ）mg · 株-10 1.08±0.04 h 1.57±0.00 e 1.17±0.03 h 0.96±0.04 f 120 1.31±0.04 g 1.87±0.00 d 1.42±0.03 g 1.29±0.02 e 240 1.61±0.03 f 1.90±0.00 d 1.66±0.02 f 1.61±0.02 d 360 2.18±0.03 e 2.07±0.01 c 2.16±0.02 e 2.16±0.04 c 480 2.60±0.03 d 2.09±0.01 c 2.52±0.03 d 2.45±0.06 b 720 3.46±0.04 c 2.12±0.00 c 3.24±0.03 c 3.05±0.05 a 960 3.91±0.08 b 2.32±0.00 b 3.66±0.08 b 3.18±0.12 a 1 440
4.67±0.03 a
2.57±0.01 a
4.33±0.03 a
3.20±0.14 a
注：表中同列数据后不同小写字母表示差异显著（P ＜0.05），下表同。

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3　讨论
3.1（2004（20143.2华群，2009；Douds ，
），本 ṩ㌫ ⴤ m m ṩ䮯 m · Ṛ-1
1.21.00.80.60.40.20 Ṛ⭏⢙䟿 g · Ṛ-1
4.03.53.02.52.01.51.00.50
Ṛ⼧㍟〟䟿 g · Ṛ-1
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研究表明，低磷条件下甜菜（周建朝等，2006）、燕麦（王伟伟，2017）、番茄（李荣坦，2016）、黄瓜（Dong et al.，2004）等植物的根表可产生酸性磷酸酶，在高磷条件下分泌量显著下降，而Wen等（2017）在玉米上的研究结果则相反。

虽然本试验酸性磷酸酶活性结果在统计学上有显著差异，但其酶活绝对值之间的差异较小。

当供磷水平为360 mg · kg-1时，酸性磷酸酶活性最高，可能的原因是总根长的增加导致根系产生了较多的酸性磷酸酶。

由根系产生的酸性磷酸酶对辣椒磷累积量的直接贡献仍需要进一步研究。

本试验通过定量化研究不同供磷水平下辣椒根系形态和根际特征的变化，表明适宜的磷素供应利于辣椒根系形态和根际特征的更好发挥，为提高辣椒磷素吸收利用率，减少磷肥的过量施用，优化磷肥在农业生产过程中的投入量，增加农业经济效益提供理论依据。

4　结论
本试验中，随供磷水平的增加，辣椒根系生物量呈先增加后逐渐降低趋势，根冠比呈逐渐降低趋势，总根长呈先增加后降低趋势，根系平均直径呈降低趋势。

根系菌根侵染率及土壤酸性磷酸酶活性随供磷水平的增加呈先增加后下降的趋势。

辣椒根系适应低磷的根际特征可能是通过增加根系生物量及总根长，同时降低根系平均直径来实现的。

参考文献
杜磊，龙洪进，桂敏，钟秋月，张芮豪，朱焰，张珏．2018．泡椒专用新品种云辣1号的选育．中国蔬菜，（12）：69-71．
冯海艳，冯固，王敬国，李晓林．2003．植物磷营养状况对丛枝菌根真菌生长及代谢活性的调控．菌物系统，22（4）：589-598．冯武焕，吕爽，王虎，朱永利，关旭，于世锋，张国龙．2016．西安市菜田施肥现状与土壤肥力状况．西北农业学报，25（12）：1876-1883．
公华锐，骆洪义，亓艳艳，庞晓燕，王旭鹏，李国辉．2018．增施铵态氮对北方冬季基质栽培普通白菜根系特性及养分利用的影响．中国蔬菜，（12）：39-45．
关松荫．1986．土壤酶及其研究法．北京：农业出版社．
胡华群．2009．磷对辣椒根系生长发育及生理代谢的影响〔硕士论文〕．贵阳：贵州大学．
贾可．2004．磷肥在蔬菜上的产量效应及土壤中磷肥转化的研究〔硕士论文〕．保定：河北农业大学．李荣坦．2016．低磷胁迫对番茄根系生长及根际土壤微生物多样性的影响〔硕士论文〕．南宁：广西大学．
刘灵，廖红，王秀荣，严小龙．2008．不同根构型大豆对低磷的适应性变化及其与磷效率的关系．中国农业科学，41（4）：1089-1099．
王兵爽，李淑君，张舒桓，徐昊，徐国华，任丽轩．2019．西瓜根系分泌酸性磷酸酶对有机肥营养的响应．土壤学报，56（2）：454-465．
王伟伟．2017．低磷胁迫下不同磷效率燕麦品种根系分泌物的差异〔硕士论文〕．呼和浩特：内蒙古农业大学．
吴亚胜，郭世荣，张杰，杜南山，孙锦．2018．亚精胺和丛枝菌根真菌对黄瓜生长的影响．应用生态学报，29（3）：891-898．周建朝，韩晓日，奚红光．2006．磷营养水平对不同基因型甜菜根磷酸酶活性的效应．植物营养与肥料学报，12（2）：2233-2239．
邹碧莹，张云翼．2008．丛枝菌根（AM）真菌对植物营养代谢的影响研究进展．现代农业科技，（15）：10-13．
朱向明，韩秉进．2014．不同供磷水平下苗期大豆根系形态特征及吸水特性．土壤与作物，3（3）：112-116．
朱占玲，夏营，刘晶晶，葛顺峰，姜远茂．2017．山东省苹果园磷素投入调查及磷环境负荷风险分析．园艺学报，44（1）：97-105．
Dong D，Peng X，Yan X．2004．Organic acid exudation induced by phosphorus deficiency and/or aluminium toxicity in two contrasting soybean genotypes． Physiologia Plantarum，122（2）：190- 199．
Douds D D．2009．Utilization of inoculum produced on-farm for production of am fungus colonized pepper and tomato seedlings under conventional management．Biological Agriculture & Horticulture，26（4）：353-364．
Fischer P，Pöthig R，Gücker B，Venohr M．2018．Phosphorus saturation and superficial fertilizer application as key parameters to assess the risk of diffuse phosphorus losses from agricultural soils in Brazil．Science of the Total Environment，630：1515-1527．Giovannetti M，Mosse B．1980．An evaluation of techniques for measuring vesicular-arbuscular mycorrbizal infection of roots．New Phytologist，84（3）：489-500．
Wen Z，Li H，Shen J，Rengel Z．2017．Maize responds to low shoot P concentration by altering root morphology rather than increasing root exudation．Plant and Soil，416（1-2）：377-389．
Xu G，Wolf S，Kafkafi U．2007．Interactive effect of nutrient concentration and container volume on flowering，fruiting，and nutrient uptake of sweet pepper． Journal of Plant Nutrition，24（3）：479-501．
Yan Z，Liu P，Li Y，Ma L，Alva A，Dou Z，Chen Q，Zhang F．2013．Phosphorus in China’s intensive vegetable production systems：over fertilization，soil enrichment，and environmental implications．Journal of Environmental Quality，42（4）：982-989．
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Effect of Phosphorus Supply on Root Morphology and Rhizosphere Traits in Pepper
ZHANG Yu-wen 1，2，FAN Zi-han 1，CHEN Xin-ping 1，2，YANG Huai-yu 1，2，WU Yue 1，2，ZHANG Wei 1，2*
（1College of Resources and Environment ，Southwest University ，Chongqing 400716，China ；2Academy of Agricultural
Sciences ，Southwest University ，Chongqing 400716，China ）
Abstract ：Taking ‘Xianjiaowang ’ pepper as test material and by potted culture method ，this paper explored the main root system in phosphorus （P ）high efficient utilization and rhizosphere process through analyzing the changes in mophology and physiology of pepper root system under different phosphorus application levels ．The results showed that the biomass of pepper overground part and root system increased firstly then decreased with the increase of P application ．Along with the increase of P supply ，the total root length showed a tendency of first increase then decrease ，and the average root diameter and ratio of root to shoot decreased gradually ．The rate of arbuscular mycorrhizal colonization and activity of soil acid phosphatase in pepper root system increased firstly then decreased ．The correlation analysis showed that soil Olsen-P concentration and whole plant P concentration were extreme significant negatively correlated with average root system diameter ，and root arbuscular mycorrhizal colonization ；and could be fitting with the total root length by quadratic equation with one unknown ，indicating that the rhizosphere trait of pepper root system adapted to low P might be achieved by increasing root biomass and total root length ，while reducing the average diameter of root system ．
Key words ：Pepper ；Phosphorus level ；Root system morphology ；Rhizosphere trait 植物在进化中形成了一系列适应季节和环境变化而生存的内在机制，如植物感知秋冬低温和短日照，通过CBF 途径提高低温抗性和越冬能力；在叶片中合成FT 蛋白并转运到生长点诱导开花，实现种群相传。

然而植物如何通过不同器官互作来应对生物与非生物胁迫则知之甚少。

2019年10月3日，《Current Biology 》在线发表了浙江大学喻景权教授团队题为“Systemic root-shoot signaling drives jasmonate-based root defense against nematodes ”的研究论文，报道了番茄通过整合电信号、活性氧和茉莉酸信号，形成地上部和地下部长距离信号环路，增强根系对根结线虫的抗性。

该研究发现，番茄根系在受到根结线虫（Meloidogyne incognita ）侵染时会产生依赖于类谷氨酸受体（GLUTAMA TE RECEPTOR-LIKE 3.5，GLR3.5）的电信号和依赖于植物NADPH 氧化酶（又称为RESPIRA TORY BURST OXIDASE HOMOLOG 1，RBOH1）的质外体活性氧（ROS ）信号。

电信号和ROS 信号二者相互依赖，作为根系向叶片发出的求救SOS 信号，通过细胞—细胞间的链式激活，实现电信号和ROS 信号的自我增殖传递（auto-propagating ），从而保障了二者从根系到叶片的长距离传递。

到达叶片的电信号和ROS 信号通过活化丝裂原活化蛋白1/2（mitogen-activated protein kinases ，MPK1/2），诱导叶片中茉莉酸 （
JAs ） 的合成及其向根系的转运，提高根系对根结线虫的抗性。

沉默MPK1或MPK2基因后，根结线虫诱导的JA 积累消失，并降低番茄对根结线虫的抗性。

综合以上结果，该研究揭示了植物通过“根—茎—根”中电信号、ROS 信号和JAs 信号，形成器官间的“互助”防御 机制。

论文链接： https :///current -biology/fulltext/S0960-9822（19）31099-1。

（BioArt 植物）
· 信息 ·
浙江大学喻景权团队揭示番茄抵御根结线虫的
系统信号途径
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