濕地松半同胞家系磷素利用效率的研究

童方平，劉振華，吳際友，李 貴

（湖南省林業科學院，湖南 長沙 410004）

濕地松半同胞家系磷素利用效率的研究

童方平，劉振華，吳際友，李 貴

（湖南省林業科學院，湖南 長沙 410004）

采用離子消耗曲線方法，研究不同濕地松半同胞家系根系吸收磷離子動力學特性，探討濕地松的不同半同胞家系吸收磷素營養的差異性。實驗結果表明，不同家系的磷離子動力學特性差異性較大，最大吸收速率Vmax與各半同胞家系樹高生長高度相關，其大小順序為0-1027＞0-609＞0-1077＞0-508＞CK。4個濕地松半同胞家系相對于普通品種屬于磷營養高效型和耐磷瘠薄能力強的品種，其中0-1027吸收磷離子能力最強，0-609耐低磷能力最強。研究結果為篩選濕地松耐低磷和磷高效利用型濕地松種質資源和新品種培育提供理論依據。

濕地松；半同胞家系；磷離子；吸收動力學

濕地松Pinus elliottii原產美國東南部，在我國已有70多年的栽培歷史，其適應性強、樹干通直、生長迅速、木材纖維較長，是優良的紙漿材與建筑材樹種[1]。磷是植物生長和發育的必需元素之一，在土壤中很容易被化學固定，使其有效性下降，土壤缺磷是植物生長普遍存在的限制性因索。傳統的農業技術中，通過大量施用磷肥來促進植物的生長，但是大量施用磷肥帶來了一系列問題，嚴重浪費資源，還造成環境污染。因此選擇、培育和利用營養高效型和低磷脅迫能力強的新品種是解決上述問題和促進林木高產、高效的有效途徑。不同植物或同一植物不同品種對包括營養環境在內的各種環境的適應能力不同，植物磷營養效率存在著基因型差異。1952年，Epstein等將酶促反應動力學方程（米氏方程）應用于植物對離子的吸收[2]，開創了植物吸收養分離子動力學研究的先河。1984年，Tanaka等對6種大田作物和7種飼料作物對低磷脅迫的反應進行了研究，紅頂草、紅三葉草和苜蓿對低磷敏感，而大豆較耐低磷[3]。秦曉佳等研究了磷素缺乏對馬尾松氮、鉀吸收利用特性的影響發現隨磷濃度的增加，不同種源馬尾松各器官氮、鉀的吸收效率均顯著升高,各種源各器官的利用效率隨磷水平的增加而顯著下降[4]。1978年，Nielsen等對玉米的研究表明，不同磷營養效率的基因型植物的Km和Cmin不同，磷營養效率高的基因型有Vmax大，Km和Cmin小的特點[5]。

選擇濕地松半同胞家系為對象，研究其根系對磷素吸收的動力學特性并結合試驗林生長狀況與動力學參數的相關性分析，以揭示不同濕地松基因型磷素營養利用效率的差異性，為濕地松新品種的選育和高產培育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用湖南省林業科學院選育的4個濕地松半同胞家系0-1027、0-1077、0-508、0-609和普通品種（為對照CK）5個不同基因型材料的幼苗。

1.2 試驗方法

1.2.1 培養階段

選取長勢一致的濕地松幼苗，將幼苗固定在泡沫板上放入盛有2 L營養液的培養桶中，每桶2株。實驗營養液根據Claassen等(1974)和林翠蘭等（1992）的配方，并適當修改為：CaSO40. 5 mmol·L-1，KNO30.75 mmol·L-1，Mg(NO3)20.35 mmol·L-1， KH2PO40.5 mmol·L-1，Fe-EDTA 1×10-4mmol·L-1，H3BO48×10-6mmol·L-1，CuSO41×10-6mmol·L-1，ZnSO42×10-7mmol·L-1，(NH4)6MoO242×10-7mmol·L-1,MnSO42×10-7mmol·L-1[6-7]。培養液的 pH 值調節至6.0±0.1，（光照為20 klx，光照時間為8:00～18:00），培養溫度為25±2℃，3 次重復。每2 d換一次培養液并連續通氣。培養時間為30 d。培養液為2 L，培養試驗在人工氣候箱中完成。

1.2.2 吸收試驗階段

采用Claassen 等(1974)的離子消耗曲線方法研究濕地松半同胞家系根系對磷離子的吸收與外界離子濃度的關系。將培養階段的濕地松幼苗材料轉入去離子水中，讓植株處于無營養狀態48 h，然后轉入2 L含有0.05 mmol/L KH2PO4的營養液中（其它營養成分的濃度均為原培養階段組分的1/10）。從培養開始，在14 h培養過程中每隔1 h取樣測定吸收液中的磷濃度。各處理每次取樣2 mL，同時補充2 mL去離子水。吸收試驗期間溫度為25℃，光照為20 klx，保持吸收液pH值在6.0±0.1。最后一次取液樣結束后，取出苗木，用濾紙吸干根系表面水分，測量根系長度，將根與莖分離，稱取根系鮮重，80℃恒溫下將根系烘至恒重時稱干重。

1.2.3 磷離子濃度的測定

磷離子濃度的測定用鉬藍法測定。

1.2.4 動力學參數的計算方法

在離子吸收試驗中，隨吸收時間的延長吸收液中離子濃度逐漸降低，利用最小二乘法對此過程進行一元二次多項式回歸擬合建立消耗曲線方程，相關動力學參數計算參照蔣廷惠等的方法[8]。

常用的方程是一元二次多項式：

對該方程求負導數得到濃度變化速率方程：

在式(2)中，令X趨于0，此時Y’=-b，即濃度最大變化速率，由此求得最大吸收速率：

式（3）中V為吸收試驗溶液的體積，Mdr為根干重。

將Y′= -1/2b代入式(2)求出，代回到式(1)即可得到Km。

試驗數據采用Excel和Spss軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同家系濕地松根系對磷的吸收能力

從培養開始，在14 h培養過程中每隔1 h不同家系材料濕地松根系對磷吸收能力列于表1，從表1可知，不同家系的濕地松在營養液中生長，隨著吸收時間的延長，所有培養液中的磷濃度都在逐漸下降，但是不同家系吸收的速率和下降的幅度不一樣。0-1077和0-1027在培養3 h后對磷吸收最大，之后趨于平穩，0-609在培養5 h對磷吸收最大，0-508在培養6 h對磷吸收最大，而CK則一直平穩下降。由此可知，不同家系對磷元素的反應敏感性存在差異，家系0-1027和0-1077具有較強的反應敏感性，0-609和0-508次之，CK反應能力最弱。當外界磷元素發生變化時0-1027和0-1077能夠較快的適應環境，0-609和0-508次之，而CK則因為不具備這種適應性反應，最終可能導致其生長受到影響。磷濃度下降的規律為：0-1077培養液中的磷濃度從1.55 mg/L下降到0.818 42 mg/L，下降降幅為47.20%，0-609培養液中的磷濃度從1.55 mg/L降到0.694 86 mg/L，降幅為55.17%；0-1027培養液中的磷濃度從1.55 mg/L下降到0.407 55 mg/L，降幅達73.71%；0-508培養液中的磷濃度從1.55 mg/L下降到0.835 77 mg/L，降幅達46.08%；而普通品種CK培養液中的磷濃度從1.55 mg/L下降到1.139 8 mg/L，降幅僅為26.46%。由此表明不同家系的濕地松對磷吸收能力存在差異，供試的濕地松不同家系對磷吸收能力大小順序為：0-1027＞0-609＞0-1077＞0-508＞CK。通過和普通品種磷吸收能力的對比，4個優良家系磷吸收能力均比普通品種CK高，4個優良家系屬于磷營養高效型基因型，普通品種CK則屬于磷營養低效型基因型。根系對磷吸收能力的大小代表著植物吸收利用土壤中磷離子的強弱，磷營養高效型的基因型在同一立地條件下磷素利用效率高，植株生長快，生物量大。

表1 不同半同胞家系濕地松根系對磷吸收能力Table 1 Ability of slash pine half-sib families roots to absorb phosphorus mg/L

2.2 不同家系濕地松根系對磷的吸收動力學特征

離子吸收動力學的研究為闡明養分的吸收特性、鑒定和篩選養分吸收高效型的植物品種提供了有利的手段[9]。濕地松5個參試基因型的磷素吸收動力學參數測定結果見表2。測定結果顯示，不同基因型的濕地松根系磷吸收動力學特性方面存在較大差異。4個濕地松優良家系對磷的最大吸收速率（Vmax）為14.511 28～32.110 09，遠高于CK的2.268 3，這與4個半同胞家系吸收溶液中磷的能力高于對照結果相一致。0-1027的磷最大吸收速率是CK的14.16倍，0-1077是CK的9.25倍，0-508是 CK的 7.9倍，0-609是 CK的 6.4倍，其磷的最大吸收速率順序為0-1027＞0-1077＞0-508＞0-609＞CK。半同胞家系的吸收常數Km值明顯小于CK，4個半同胞家系的Km值為0.539 069～0.928 696，均小于CK的1.546 006，其大小順序為CK＞0-508＞0-1027＞0-1077＞0-609。吸收常數的大小反映了根系對磷親合能力強弱，Km值越小，說明親合能力越強，實驗結果表明，選育出的半同胞家系對磷的親合能力明顯高于CK。根系對磷的Cmin值反映了基因型對低磷的耐受能力，Cmin值小代表對低磷脅迫的耐受能力強。4個半同胞家系的Cmin值為0.151 058～0.678 261，均小于CK的1.555 015，四個半同胞家系以0-609的Cmin值最小，其后遞增的次序依次為0-1077、0-1027和0-508。表明0-609耐低磷脅迫的能力最強，其后依次為0-1077、0-1027和0-508，CK耐低磷脅迫的能力最差。

表2 不同半同胞家系濕地松根系磷離子吸收動力學參數?Table 2 Dynamical parameters of slash pine half-sib families roots to absorb phosphorus ions

磷離子吸收動力實驗表明：濕地松營養高效基因型具有Vmax大，Km和Cmin小的特點，4個優良家系濕地松的Vmax均比CK大，而Km和Cmin都比CK小，由此說明4個優良家系濕地松的磷營養利用效率高于對照。

2.3 磷離子動力學參數與濕地松半同胞家系生長量的相關性分析

本研究對5個濕地松半同胞家系材料在湖南汨羅17年生試驗林進行了生長量的測定，相關性狀見表3，年平均樹高生長量以0-1027最大為0.741 2 m，最小為CK為0.654 1 m，0-1027大于對照13.32%，0-1077大于對照8.99%，0-508大于對照8.64%，0-609大于對照6.74%，5濕地松基因型年平均樹高生長量大小為0-1027＞0-1077＞0-508、0-609＞CK。年平均單株材積以0-1027的0.025 5 m3為最大，CK的0.162 0 m3為最小，其從大致小順序為0-1027＞0-508＞0-609＞0-1077＞CK。

將離子動力學參數Vmax、Km、Cmin與濕地松年均樹高生長量、年均單株材積進行相關分析，分析結果列于表4。根據表4分析，Vmax與年均樹高生長量的相關性達0.988，存在極顯著正相關關系，Vmax與年均單株材積的相關性達0.943，存在顯著正相關。Km與年均樹高生長量、年均單株材積的相關性分別達-0.763、-0.682，經檢驗相關性均不顯著；Cmin與年均樹高生長量、年均單株材積的相關性分別達-0.780、-0.704，經檢驗相關性均不顯著。相關分析表明，濕地松樹高生長與磷的最大吸收速率Vmax呈正線性相關關系，符合度最高。

表3 濕地松半同胞家系測定林分的生長（汨羅17a）Table 3 Growth of tested forests of slash pine half-sib families

表4 離子動力學參數與濕地松年均生長量的相關性Table 4 Correlation between ion dynamical parameters and average annual growth of slash pine

3 結論與討論

不同基因型的濕地松半同胞家系在根系吸收磷離子動力學特性方面存在較大的差異。磷離子動力學試驗結果和動力學參數與生長性狀相關性分析表明4個優良家系相對于普通品種而言都屬于磷營養高效型，磷營養效率高的基因型有Vmax大，Km和Cmin小的特點。濕地松半同胞家系最大吸收速率Vmax其順序是1027＞0-1077＞0-508＞0-609＞CK，與各半同胞家系樹高生長相一致。

家系1027、0-1077、0-508、0-609具有對磷親合能力強，耐磷瘠薄能力強的特點，表現在它們比普通品種CK具有較小的Km和Cmin值。一般而言，Km較小、Vmax較大的植物，可以在較大的介質離子濃度范圍內進行吸收[10-12]，4個優良家系都具有比普通品種CK較小的Km值和較大的Vmax值，這說明優良家系比普通品種具有更好的適應性，適宜種植的范圍更廣。Vmax數值越大表示植物吸收離子的內在潛力越大。在磷營養較為豐富的條件下，家系1027吸收磷離子能力最強，其次為0-1077、0-508、0-609，CK吸收能力最弱。在低磷脅迫的環境下，Cmin值反映了基因型對低磷的耐受能力，Cmin值小代表植物對低養分的耐受力強，植物耐瘠薄能力越強。基因型0-609根系對磷吸收的Cmin值最小，說明其耐磷瘠薄能力是所試家系中最強的，其次為0-1077、1027和0-508，對照的耐磷瘠薄能力最差。土壤有效磷的缺乏已成為影響植物生長和產量的一個限制性因子。我國亞熱帶地區作為重要商品材產區雖然水熱資源豐富，但森林土壤嚴重缺磷。據報道，長江以南的2億多公頃紅壤系列土壤其全磷含量為0.35～0.52 g·kg-1，并多以難溶性閉蓄態的磷酸鐵鋁存在，有效磷含量極低[13]。Cmin小的基因型有利于從有效磷低的土壤中吸收磷素；而Vmax大的基因型在高磷供應時能獲得較顯著的磷效率。濕地松作為低山丘陵及沿海地區重要的造林樹種之一[14]，利用耐低磷能力強和營養高效型的品種能夠提高造林成活率和增加林木生長量和木材產量。離子動力學特性研究為減少磷素過量引起的土壤污染、篩選濕地松耐低磷和磷高效利用型種質資源以及新品種培育提供理論依據。

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Study on phosphate utilization eff i ciency of slash pine’s half-sib families

TONG Fang-ping, LIU Zhen-hua, WU Ji-you, LI Gui
(Hunan Forestry Academy, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to explore the mechanism of absorbing phosphorus differences of different slash pine half-sib families，a hydroponic experiment was carried out to measure the uptake kinetics of phosphorus. The results show that there were greater differences of the kinetic characteristics between different families. The maximum absorption rate was in accordance with the growth height of slash pine’s half-sib families and ranked as 0-1027＞0-609＞0-1077＞0-508＞CK. Compared with the common varieties, four superior families belong to high phosphorus eff i ciency and phosphorus barren resistance genotypes. The 0-1027’s absorbed phosphorus ability was the strongest of them. But the family with strongest barren capacity was 0-609 under low phosphorus condition. The results provide a theoretical basis for selecting the phosphorus barren resistance genotypes and high phosphorus eff i ciency germplasm resources and cultivating new varieties.

slash pine; genotypes; phosphate; uptake kinetics

S791.246

A

1673-923X(2012)12-154-04

2012-06-13

湖南省自然基金重點項目‘濕地松優良家系氮磷營養吸收機理及調控機制研究’（編號10JJ2032）

童方平（1964-），男，湖南桃源人，博士，研究員，博士生導師，研究方向：工業原料林遺傳改良與豐產栽培、重金屬污染林地樹種選擇、生態修復與植被恢復技術；E-mail：tongfangping@sina.com

[本文編校：羅 列]