華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物養(yǎng)分管理團隊揭示水稻-油菜輪作體系中“重旱輕水”背后的葉片磷周轉(zhuǎn)機制

水稻-油菜輪作系統(tǒng)是實現(xiàn)糧油兼豐的重要種植模式。長期生產(chǎn)實踐中，由于旱地與水田在土壤有效磷狀態(tài)和作物磷營養(yǎng)特性上存在顯著差異，形成了“重旱輕水”的磷肥管理策略。一般認為，旱地作物對磷需求量大且對缺磷更為敏感；而在淹水條件下，水田土壤有效磷顯著提高，再加上水稻本身較強的養(yǎng)分吸收能力，即便在較低磷肥投入下，仍能表現(xiàn)出很強的環(huán)境適應(yīng)性，其磷利用效率（PUE）也明顯高于油菜。不過，這種跨物種PUE差異背后，作物如何通過調(diào)控內(nèi)部磷素分配與再利用，實現(xiàn)對低磷環(huán)境下磷素的高效利用，其生理機制仍有待闡明。厘清這一問題，對于深入理解水稻-油菜輪作體系中“重旱輕水”的磷肥施用策略并推動磷資源高效利用具有重要意義。

定位試驗田航拍圖（始于2016年，油菜對缺磷更為敏感）

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院作物養(yǎng)分管理團隊在Plant, Cell & Environment期刊在線發(fā)表題為Temporal phosphorus allocation and resorption plasticity drive interspecific phosphorus-use efficiency in rice-rapeseed rotations的研究成果，從磷利用生理機制層面系統(tǒng)解析了稻油輪作系統(tǒng)中“重旱輕水”磷肥管理策略的理論基礎(chǔ)。該研究圍繞輪作系統(tǒng)中水稻與油菜兩種作物，系統(tǒng)分析了葉片磷素分配和再利用、脂質(zhì)代謝的動態(tài)變化規(guī)律，并結(jié)合葉片光合生理功能的響應(yīng)特征，揭示了兩種作物在磷利用策略上存在本質(zhì)性差異。

水稻：無機磷存儲和再分配為主的長周期再利用

水稻表現(xiàn)出較高的磷再利用效率（PRE約70%）。在葉片擴張階段，新吸收的磷素主要以無機磷（Pi）形式儲存在液泡中，形成以無機磷為主、具有較強再利用潛力的內(nèi)部磷庫。隨著葉片進入衰老階段，植物通過液泡Pi外運，并協(xié)同降解磷脂與核酸，實現(xiàn)對內(nèi)部磷素的再利用。這一過程貫穿葉片壽命的一半以上，體現(xiàn)出典型的長周期磷再利用特征，反映了水稻較強的磷周轉(zhuǎn)與再利用能力，是其適應(yīng)低磷環(huán)境的重要生理基礎(chǔ)。

兩種作物磷利用效率及再利用策略差異

油菜：高結(jié)構(gòu)性磷投入與短周期磷再利用

相比之下，油菜葉片在擴張階段將更多的磷素分配至磷脂和核酸等組分，導(dǎo)致其內(nèi)部磷庫中結(jié)構(gòu)性有機磷占比較高、磷周轉(zhuǎn)相對低效。在缺磷條件下，油菜雖可通過“磷脂替代”等途徑部分動員膜脂磷以維持核心代謝，但其養(yǎng)分再利用過程僅發(fā)生在葉片壽命中約12.5%的較短時段內(nèi)。由于再利用周期短且效率相對低（PRE約50%），油菜對外部磷肥表現(xiàn)出更強的依賴性。

葉片生長發(fā)育過程葉片磷分配策略

綜上所述，該研究通過比較單子葉水稻與雙子葉油菜在葉片無機磷/有機磷庫（Pi/Po）構(gòu)建、磷周轉(zhuǎn)周期和再利用效率上的差異，不僅豐富了植物磷素穩(wěn)態(tài)調(diào)控和內(nèi)部循環(huán)利用的理論框架，也為“重旱輕水”的精準施磷提供了生理學(xué)依據(jù)，并提出了通過提高Pi/Po比、延長內(nèi)部磷循環(huán)周期等策略開展高PUE育種和優(yōu)化周年磷肥運籌的可行思路。

圖2稻油輪作系統(tǒng)作物磷吸收利用與葉片磷分配策略總結(jié)

論文第一作者為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院博士研究生王崇銘，通訊作者為陸志峰副教授。土耳其薩班哲大學(xué)Ismail Cakmak教授，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)魯劍巍教授、任濤教授、李小坤教授、張文君副教授、叢日環(huán)副教授和碩士研究生謝尚典參與了研究工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費的聯(lián)合資助。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1111/pce.70559