项目文章PPB | 光照强度通过光合碳分配调控不同水稻品种的磷适应策略

一分钟论文导读

磷元素在植物整个生命周期中扮演着不可或缺的角色。在我国南方红壤区，土壤中的磷素易被铁铝氧化物强烈固定，导致其生物有效性普遍偏低，成为制约作物高产优质的重要限制因素。因此，探究在低磷胁迫下，如何通过调控光照强度提升作物光合碳同化效率，进而促进根系生长以强化磷素吸收利用，对于推动农业可持续发展具有重要意义。

为系统解析水稻适应低磷胁迫的生理机制，江西农业大学郭琳教授团队以耐磷型水稻品种“大粒香”和磷敏感型品种“美香占”为材料，围绕光照强度与磷素供应的协同作用，深入研究二者对水稻干物质积累、根系形态建成、光合生理特性及磷素吸收转运效率的调控效应，并阐明不同水稻品种对光环境的差异化生理响应机制，相关研究结果已发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。

发表单位：江西农业大学

发表期刊：Plant Physiology and Biochemistry

影响因子：5.7

发表时间：2025-09-05

论文链接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S0981-9428(25)00960-X

本研究植物养分检测由维百瑞检测提供

技术路线

主要研究结果

1 光照强度和磷素供应对水稻干物质积累的影响

高光环境组水稻的植株干重显著高于低光环境组；且高光下，低磷使两个水稻品种均呈现根系生长增强的特征。反观低光环境下，磷素供应水平对各指标均无显著影响。

高光环境下，耐磷型品种“大粒香”的整体生长表现优于磷敏感型品种“美香占”；相同光强下，低磷胁迫会抑制“大粒香”的地上部生长、提高其根冠比，而对“美香占”无显著作用。

此外，“大粒香”植株体内的淀粉与蔗糖含量显著高于“美香占”；高光下低磷可促进“大粒香”叶片与茎的淀粉积累，低光则会使“美香占”根与茎的蔗糖含量上升。且淀粉与蔗糖含量与根系酸性磷酸酶（ACP）活性、叶片三磷酸腺苷（ATP）含量呈正相关，与茎部磷转运蛋白（PTs）的表达水平呈负相关。

图1：不同光照强度和磷素供应环境下，两个水稻品种的生长和干重

HLSP：磷充足的高强度光照，HLDP：低磷的高强度光照，LLSP：磷充足的低强度光照，LLDP：低磷的低强度光照

图2：不同光照强度和磷素供应环境下，两个水稻品种根、茎和叶的淀粉和蔗糖含量

2 光照强度和磷素供应对根系形态的影响

水稻根系结构具有明显的光照与品种依赖性可塑性特征。不同光照和磷素供应环境下，两个品种根系生长的主导驱动因素存在显著差异。低磷胁迫下，“大粒香”的根系生长速率显著加快，而“美香占”的根系响应较弱。在高光配施充足磷素的环境，两个品种的根系生长主要由根尖数的增加所驱动；而在高光低磷环境，根系生长的主导因素则转变为根体积的扩张。低光配施充足磷素的环境，“大粒香”的根系生长主要源于根尖数量的增加，而“美香占”则更依赖于根体积的增大。

图3：两个水稻品种在不同光照强度和磷素供应环境下的根系形态(a)及其对根干重形成的相对贡献(b)

3 光照强度和磷素供应对两个水稻品种光合特性的影响

品种与光照强度是调控水稻光合特性的主导因素，磷素供应的调控效应最小；进一步分析表明，仅气孔导度与光系统Ⅱ最大量子产额（PhiPS2）存在显著的品种×光照强度交互作用。“大粒香”的净光合速率、气孔导度及PhiPS2均显著高于“美香占”。高光处理可显著提升水稻的净光合速率、气孔导度、PhiPS2以及CO₂同化量子效率；相关性分析显示，除胞间 CO₂浓度（Ci）外，上述光合参数均与植株干物质积累量、根系结构指标呈显著正相关。

水稻叶绿素的生物合成受品种、光照强度与磷素供应的协同调控。在所有处理条件下，“大粒香”的叶绿素含量均显著高于“美香占”。不同光照环境，低磷胁迫对叶绿素含量的影响存在明显分化：高光环境下，低磷胁迫会导致两个品种的叶绿素发生显著降解；而在低光环境下，低磷胁迫则会触发叶绿素的补偿性积累。值得注意的是，“大粒香”在低磷胁迫下表现出独特的光适应响应，其低光环境的叶绿素a、b含量均高于高光环境。

表1：光合作用参数，以净光合速率（A）、叶内CO₂浓度（Ci）、气孔导度（gsw）、光系统II最大量子产率（PhiPS2）和CO₂同化量子效率（PhiCO₂）表示

图4：两个水稻品种在不同光照强度和磷素供应环境下的叶绿素a、b含量

4 光照强度和磷素供应对磷吸收和利用效率的调控

植物磷素吸收能力及根、叶磷素积累量受光合特性的正向调控。植株茎叶的淀粉与蔗糖含量与磷素向根系分配呈正相关，与磷素向地上部的分配呈负相关。两个水稻品种间总磷吸收量无显著差异，磷素吸收主要受光照强度与磷素供应水平的调控。在高光且磷素充足的条件下显著提升总磷吸收量，且光照强度的贡献大于磷素供应。

“大粒香”倾向于将磷素分配到根系，高光环境显著促进根系磷素积累；“美香占”则更倾向于将磷素分配至地上部，低光环境进一步提升其地上部磷素含量。

生理分析表明：根系酸性磷酸酶（ACP）活性与叶片三磷酸腺苷（ATP）含量正向调控磷素向根系的分配，负向调控磷素向地上部的分配；茎部磷转运蛋白（PTs）的调控作用则相反。同时，根系ACP活性与根系大小呈正相关。

“大粒香”的根系ACP活性与叶片ATP含量显著高于“美香占”，而茎部PTs表达水平显著低于后者。低磷胁迫下，“美香占”茎部PTs的增幅更大；低光低磷时两品种的茎部PTs水平均降低，且“大粒香”降幅更显著。

图5：两个水稻品种在不同光照强度和磷素供应环境下的磷吸收、分配及积累

图6：两个水稻品种在不同光照强度和磷素供应环境下的根部ACP活性、茎部PT和叶片ATP的变化

图7：不同品种、光照强度和磷素供应环境下，水稻幼苗根系干重、根形态、光合作用、磷吸收参数间的相关系数

论文总结

维百瑞检测实验室为其提供植物养分检测

作者团队深入解析光照强度与磷素供应对不同水稻品种生长及磷吸收的协同调控效应，揭示光照是影响水稻磷适应性的核心调控因子。光强通过调节光合碳固定、物质分配并与品种基因型互作，共同调控根系形态构建、磷吸收转运及相关生理过程。研究发现，耐磷型品种“大粒香”相较于磷敏感品种“美香占”，在高光环境下具有更强的光合能力、更发达的根系及更高效的磷素向根分配策略，这与其较高的根系ACP活性、叶片ATP含量及较低的茎部PTs表达水平密切相关。

该研究为耐低磷水稻品种选育及田间光-磷协同管理提供了重要理论依据，也为深入解析植物养分-光信号互作机制奠定了基础。