磷钾协同基施与现蕾期叶面喷施对盆栽圆锥绣球‘石灰灯’营养生长、开花性能及养分分配的影响

《Plants》：Effects of Combined Basal and Bud-Stage Foliar KH2PO4 Application on Vegetative Growth, Floral Performance and Nutrient Partitioning in Potted Hydrangea paniculata ‘Limelight’

　　

： 磷（P）和钾（K）是植物生长、发育和繁殖所必需的矿质营养元素，其供应水平和施用方式可能影响观赏植物的生长、生理表现及开花品质。本研究以一年生盆栽圆锥绣球‘石灰灯’（Hydrangea paniculata ‘Limelight’）扦插苗为材料，采用双因素完全随机设计，设置4个基施磷酸二氢钾（KH2PO4）水平（50、100、150和200 mg P2O5 kg?1基质），并在现蕾期配合0.1% KH2PO4叶面喷施。研究系统评价了根系形态、生物量分配、光合特性、抗氧化生理、开花品质以及氮磷钾在植株各器官中的积累与分配，并对代表性处理进行了转录组测序（RNA-seq）和实时荧光定量PCR（qRT-PCR）验证。结果表明，2KF处理（基施100 mg P2O5 kg?1基质并结合现蕾期叶面喷施）在生理表现与开花性状之间呈现出良好平衡。其叶片光系统II最大光化学效率（Fv/Fm）为0.76，显著高于1KF和4KF处理；叶片可溶性糖含量达13.12 mg g?1鲜重（FW），而丙二醛（MDA）含量保持相对较低；根冠比为1.56 ± 0.48，较空白对照（CK）高38.1%，亦高于其他处理。转录组分析在2KF与仅施氮对照（CN）之间共鉴定出8142个差异表达基因（DEGs），其中3386个上调、4756个下调，这些基因主要涉及养分转运、光合作用、碳代谢、抗氧化响应及逆境响应。在2KF处理中，多个与磷钾转运相关的基因表达上调，而磷饥饿响应相关基因的表达则受到抑制。qRT-PCR验证的12个候选基因表达模式与RNA-seq结果总体一致。综上，在本试验条件下，基施KH2PO4结合现蕾期叶面喷施，尤其是2KF处理，在圆锥绣球‘石灰灯’上表现出良好的综合响应，为优化该观赏品种的施肥管理提供了参考依据。

论文解读文章：

一、研究背景与意义

圆锥绣球‘石灰灯’（Hydrangea paniculata ‘Limelight’）是一种重要的夏季开花木本观赏灌木，其在新梢上形成花芽并开花，花序硕大、花期较长，观赏价值高，在商业盆栽生产和园林景观中的应用日益广泛。随着观赏植物生产日趋标准化和精准化，优化养分供应策略、提高肥料利用效率、维持营养生长与开花性能之间的平衡，已成为该品种栽培管理中的重要课题。

磷和钾是植物生长发育所必需的大量营养元素，其供应水平和施用策略可能影响植物生长、光合生理、养分积累及花部性状，对开花观赏植物尤为重要。然而，植物对磷钾供应的响应受基质性质、施肥量、生长条件和发育阶段等因素影响，其他物种上的施肥效应不能直接外推至圆锥绣球‘石灰灯’。目前，关于该品种在盆栽生产中不同施用量和不同施用方式组合下的KH₂PO₄供应效应研究仍较缺乏。磷参与核酸、ATP和光合膜合成，为花芽分化提供生化基础；磷缺乏可抑制根系伸长、降低碳同化效率，而磷过量可能诱导与微量元素的离子拮抗。钾激活多种关键代谢酶、调控气孔运动、促进光合产物从源叶向花序等库器官转运；钾缺乏会损害同化物运输、限制小花发育并显著缩短花期。磷钾在植物生理过程中功能既有区别又相互关联，联合调控其供应水平可能影响营养生长和生殖发育，但二者在圆锥绣球‘石灰灯’上的协同效应尚不明确。此外，不同磷钾供应水平下植株各器官间养分吸收与分配的变化也需要通过针对性试验进一步评估。

该品种在新梢上开花，新梢萌发及后续生殖发育期间的养分供应可能对协调营养生长与花序形成至关重要。本研究选择在现蕾期进行叶面喷施，因为该时期是营养生长与花序发育并行的发育转折点，叶面喷施被设计为基施的补充养分处理而非替代。前期研究表明，容器栽培的圆锥绣球‘石灰灯’对肥料磷浓度的响应取决于磷供应水平而非随磷有效性持续增加，这强调了在养分管理中考虑植物发育阶段的重要性。KH₂PO₄可提供速效磷和钾，水溶性高、化学性质稳定，既可作基肥混入基质，也可作叶面喷施。在月季、山茶和草莓等观赏及园艺作物上的研究表明，适宜用量的KH₂PO₄可提高光合效率、促进花器官养分积累并延长花期，但不同施用方式的效果可能随施用量、物种和发育阶段而变化。

转录组分析可在基因表达水平上揭示植物对不同养分处理的分子响应，为解释生理和表型差异提供补充证据。目前绣球属组学研究主要集中在铝胁迫下的花色调控和低温胁迫响应，而圆锥绣球在磷钾联合供应下养分响应及相关基因表达变化的研究仍较有限。磷饥饿信号通路（PHR-SPX）和钾转运调控网络（CBL-CIPK）可能在养分状态与植物生理响应之间提供互补的调控联系，但这些调控网络在圆锥绣球‘石灰灯’中如何响应养分处理、其响应与生长、光合生理和养分分配变化的关系仍不清楚。将转录组测序与qRT-PCR相结合，有助于鉴定与不同施肥处理相关的候选基因并表征其表达模式。

基于上述背景，本研究以一年生盆栽圆锥绣球‘石灰灯’扦插苗为材料，采用双因素试验设计，设置4个基施KH₂PO₄水平并结合现蕾期叶面喷施，同时设空白对照和仅施氮对照，系统评价了植株营养生长、根系构型、光合色素含量、气体交换参数、抗氧化响应及氮磷钾在器官间的积累与分配，通过主成分分析（PCA）整合多指标进行综合评价，并对代表性处理进行转录组分析和qRT-PCR验证。研究旨在评估基施KH₂PO₄用量、叶面补充及其互作对植株生长、抗逆性和开花品质的影响；表征不同处理下氮磷钾在器官间的积累与分配特征；鉴定与不同磷钾供应处理相关的差异表达基因并探索其潜在功能；筛选试验条件下综合表现最佳的KH₂PO₄施用方案，为盆栽圆锥绣球‘石灰灯’生产中的施肥优化提供参考。

二、主要技术方法

研究于2025年4月至9月在中国四川农业大学园艺温室中进行。选取生长均匀的一年生圆锥绣球‘石灰灯’扦插苗为材料，栽培基质为泥炭、珍珠岩和蛭石按体积比3:1:1混合，每盆装2.0 kg风干基质。试验采用双因素完全随机设计：因素一为基质中基施磷水平（P1–P4，对应50–200 mg P₂O₅ kg^?1基质，以KH₂PO₄为磷钾源），因素二为是否在现蕾期进行0.1% KH₂PO₄叶面喷施（每周一次、连续两周），另设空白对照（CK，不施氮磷钾）和仅施氮对照（CN，100 mg N kg^?1基质、不施磷钾），共10个处理、每处理15盆。生长指标在基肥后42天测定；花期物候和花序性状在盛花期记录；光合色素采用丙酮–乙醇提取法测定，气体交换参数用LI-6400XT便携式光合系统测定，叶绿素荧光用MINI-PAM-II便携式荧光计测定；可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛含量及过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）活性采用分光光度法测定；各器官氮磷钾含量分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定；基于表型和生理结果选取CN和2KF处理进行转录组测序，以|log₂倍变化|≥1且校正p<0.05为阈值筛选差异表达基因，并选取12个关键基因进行qRT-PCR验证。

三、研究结果

3.1 不同KH₂PO₄浓度和施肥方式对生长、生物量和根系性状的影响

基施后42天测定的营养生长呈现明显的剂量依赖响应。低磷处理（CK、CN、P1）分枝较多但纵向生长受限；中等基施磷水平（P2、P3）促进株高；最高磷水平（P4）显著增粗茎干但抑制冠幅扩展，茎粗较CK高24.4%而冠幅较CK减少22%，表明过量KH₂PO₄限制了水平方向的营养生长。仅基施处理中，总生物量随磷浓度升高持续下降后在高磷下略有回升，CK总生物量最高。补充现蕾期叶面喷施后，4KF处理获得最大的根、茎、叶各器官干重和全株生物量（63.34 g，较CK高30.4%）。2KF处理根冠比最高（1.56），显著高于磷钾缺乏的CN组，表明中等基施磷结合现蕾期叶面喷施促使光合产物优先向根系分配；而高磷组合4KF根冠比降至1.13，更多同化物向地上部茎叶转运。根系形态方面，基施磷水平显著影响总根长、根表面积和平均根径。低养分CK和CN组根表面积和根体积明显高于P1–P4处理，反映养分受限条件下的补偿性根系增殖策略；但总根长趋势相反，中等处理P2和P3总根长最大，高磷P4总根长急剧下降，表明过量磷抑制根系纵向延伸。

3.2 不同KH₂PO₄浓度和施肥方式对开花性状的影响

花序高度方面，未喷施处理中P3和P4高于P1和P2；喷施处理中2KF花序高度最大，显著高于1KF和4KF。花序直径方面，未喷施时P4最大；喷施条件下3KF最大但与2KF无显著差异，均显著大于1KF。单花直径方面，未喷施时P4最大、P2最小；喷施处理中1KF单花直径最大，显著超过其他处理。花期物候数据显示，3KF始花期最早、4KF最晚；3KF花期最长（91天），2KF次之（90天），CK最短（73天）。相对CN，2KF延长花期13天、3KF延长14天、4KF延长12天。综合花序形态和花期来看，2KF兼具较高的花序高度和直径以及90天的花期，表现优良。

3.3 不同施肥处理对光合特性的影响

双因素方差分析显示，基施KH₂PO₄水平显著影响叶片光合色素含量、净光合速率（A）和光系统II最大光化学效率（Fv/Fm），叶面喷施显著影响色素含量和净光合速率，二者交互作用显著影响色素含量和Fv/Fm。未喷施处理中，P1叶绿素a（0.77 mg g^?1）、叶绿素b（0.34 mg g^?1）、总叶绿素（1.11 mg g^?1）和类胡萝卜素（2.48 mg g^?1）含量显著高于P2–P4，可能是在磷钾受限下维持光捕获能力的补偿性响应。净光合速率在仅基施处理中呈单峰模式，P3最高（2.84 μmol m^?2 s^?1）。喷施处理中，4KF色素含量显著最高，3KF净光合速率最高（2.85 μmol m^?2 s^?1），2KF的Fv/Fm最高（0.76），显著超过1KF和4KF。相关性分析显示，叶绿素和类胡萝卜素含量与净光合速率显著负相关，与花序数量正相关、与花序基径和高度显著负相关；净光合速率和Fv/Fm与花序基径显著正相关。

3.4 不同施肥处理对生理特性的影响

盛花期叶片可溶性糖含量方面，未喷施处理中P2和P3最高，喷施处理中2KF和3KF最高，其中2KF达13.12 mg g^?1鲜重，较CK高约29.7%；低磷P1最低（7.83 mg g^?1 FW）。可溶性蛋白含量在各处理间差异不显著。丙二醛（MDA）含量方面，未喷施时P1最高、P2最低（较P1低70.6%）；喷施处理中2KF最低，显著低于1KF、3KF和4KF。叶面喷施在低基施水平下显著降低MDA（1KF相对P1），但在中高和高基施水平下反而增加MDA（3KF、4KF相对P3、P4）。过氧化物酶（POD）活性方面，未喷施时P3最高、P2最低，喷施处理间无显著差异。超氧化物歧化酶（SOD）活性方面，未喷施时P1最低，喷施处理中1KF最高；叶面喷施在低基施水平下显著提高SOD活性，在高基施水平下显著降低。过氧化氢酶（CAT）活性方面，未喷施时P2最高，喷施处理中2KF最高（65.8 U g^?1 FW）。综合来看，中等基施磷水平尤其是2KF处理，MDA含量低、CAT活性高，膜脂过氧化程度较低。

3.5 不同器官氮磷钾含量与积累

仅基施处理中，CN全株氮磷钾积累量最低；随基施磷浓度升高，全株磷积累逐渐下降，中等和高磷处理（P2–P4）氮积累下降，表明过量基质磷在一定程度上抑制了氮吸收；钾积累随磷梯度持续增加。仅基施时养分多保留在营养器官（叶和根），花序分配比例较低。叶面喷施显著提高了各基施水平下的全株氮磷钾积累量，且所有喷施处理均提高了氮磷钾向花序的分配比例。2KF处理的花序磷分配比例在所有处理中最高；1KF全株钾积累最高，54%的钾分配至花序；4KF全株氮积累最高，40%的氮分配至花序。相关性分析显示，花器官氮含量与花序基径显著正相关、与花期显著负相关，花器官钾含量与花序基径极显著正相关。

3.6 多指标主成分分析（PCA）

对生长、根系性状、开花特征、光合参数和养分分配指标进行主成分分析，PC1和PC2分别解释32.1%和19.2%的总变异，累计51.3%。2KF处理的样本点聚集最紧密、95%置信椭圆最小，表明该处理下植株性状高度稳定、组内重复性最佳；而4KF、P1和P2的置信椭圆较大，组内变异较大。2KF样本与CK和CN样本无重叠，表明其综合表现与对照差异显著。

3.7 转录组分析与qRT-PCR验证

对CN和2KF盛花期叶片进行RNA-seq，共鉴定出8142个差异表达基因（DEGs），其中3386个上调、4756个下调。PCA显示CN和2KF完全分离，表明磷钾供应是重塑叶片转录谱的核心因素。火山图中，2KF中磷酸盐转运蛋白基因（PHT）和钾转运蛋白基因（HAK）显著上调，而磷饥饿基因PHR2和NRG2在CN中大量积累。KOG功能分类显示，信号转导和碳水化合物转运与代谢是富集最多的两个功能类别。双向GO富集分析表明，2KF上调基因显著富集于离子跨膜转运、光周期开花、抗氧化防御和光合碳固定（FDR<0.001），CN高表达基因主要富集于磷饥饿和胁迫响应通路。qRT-PCR验证的12个核心基因表达趋势与RNA-seq结果总体一致。功能分析表明，2KF上调基因主要涉及淀粉降解、碳氮代谢、叶绿体组装和抗氧化防御，下调基因多富集于膜脂过氧化、叶片衰老和持续胁迫响应通路。

四、讨论与结论

讨论部分指出，圆锥绣球‘石灰灯’对KH₂PO₄供应呈现剂量依赖响应，不同根系形态性状对磷供应并非同步响应，高磷主要抑制根系纵向延伸而非全部根系性状。叶面喷施处理均比相应仅基施处理具有更高根冠比，2KF最高，表明适宜的基施与叶面补充组合有助于协调地下与地上生长。光合方面，低浓度处理色素含量高但净光合速率和Fv/Fm较低，色素积累与光合性能并不直接对应；中等浓度处理光合性能较好，高浓度处理光合参数下降，表明响应具有浓度依赖性。2KF处理CAT活性较高、MDA含量较低，抗氧化状态相对良好。养分分配方面，4KF全株氮磷钾积累最高但花序分配比例较低，表明全株养分积累与生殖器官相对分配可能呈现不同响应。转录组层面，CN中磷饥饿相关转录因子PHR2和NRG2高表达、钾转运基因表达降低，而2KF中PHT、PHO84和kup等磷钾转运基因上调、磷饥饿响应基因表达降低，研究结果与SPX–PHR磷信号通路模型一致。研究同时指出，由于KH₂PO₄是磷和钾的唯一来源，改变施用量同时改变两种养分供应，所观察到的差异应解释为KH₂PO₄施用联合效应而非磷钾的独立贡献；且转录组分析仅限于盛花期叶片样本，时空特异性仍需进一步研究。

结论部分总结：基施KH₂PO₄结合现蕾期叶面喷施对圆锥绣球‘石灰灯’的生理特性、养分积累与分配以及开花性能产生差异化影响。其中2KF处理（基施100 mg P₂O₅ kg^?1基质加0.1% KH₂PO₄叶面喷施）表现出相对优越的光合性能、抗氧化状态、花序养分分配和观赏性状，包括较大的花序和较长的观赏期。P1和P4在色素积累、碳同化和光化学效率之间表现出不平衡而非全面低下的性能，表明开花性能不仅取决于养分供应，还取决于养分分配和生理响应。转录组分析在CN和2KF之间鉴定出8142个差异表达基因，主要涉及养分转运与稳态、碳代谢和胁迫响应，磷饥饿响应及磷钾转运相关基因的表达模式与观察到的生理和养分分配差异一致，为植物响应KH₂PO₄施用提供了分子层面的见解。