不同磷利用效率杉木在低磷脅迫下的形態及養分分配差異

楊楚童，鄒顯花,2*，孫雪蓮，胡亞楠，吳鵬飛,2，馬祥慶,2

(1.福建農林大學 林學院，福建 福州 350002；2.福建省杉木種質創新及產業化工程研究中心，福建 福州 350002)

在植物生長發育過程中，P以多種途徑參與植物的代謝過程，對植物的生長發育起到尤為重要的作用[1]。但由于P在土壤中易與其他元素形成化合物，導致土壤中有效P含量低，植物從土壤中獲取的有效P極為缺乏，制約了農林植物優質高產的目標[2-3]。傳統農林業經營通過施加P肥改良土壤營養來保證作物產量，但是大部分P都被土壤固定或流失，一方面導致了P礦資源的浪費和枯竭，另一方面也會造成一系列的環境污染問題[4]。因此，越來越多研究人員將研究重心轉移至植物P高效利用基因型的篩選方面[5-6]。

長期進化和環境適應導致不同植物或同種植物不同基因型養分利用效率差異明顯[7]。與P低效基因型相比，P高效基因型植物在低P時能夠迅速做出一系列抗逆反應，從而減輕低P脅迫帶來的危害和維持較高P效率[8-9]。有研究表明，處于低P逆境時，P高效型的干物質產量總是高于P低效型[10]。且P高效基因型植物在低P脅迫下將較多的光合產物分配到根系，加快根系增生[11]，從而有效利用環境中的P素[12]。因此，P高效利用型植物體內可溶性P高于P低效型[13]，為P高效植株提供更多的P，以有效維持植物在低P脅迫下的生產力。另一方面，不同P高效利用基因型植物應對低P脅迫的抗逆策略也存在顯著差異[14]，通過對體內養分的高效利用或提高對養分的吸收效率等途徑來抵御生長過程中的養分虧缺[9]。在低P脅迫下，P高效利用基因型植物能改善根際環境或擴大根際面積來實現養分的高效吸收[15-16]。另外P高效利用基因型植物還會加速分泌活性物質和滲透物質來提高對P養分的吸收[17]。在低P脅迫下，根系養分供應不足時，P高效利用植物還可以通過對體內養分的高效利用，改變不同器官的P含量，使P素在植物中再分配，提高P素在植物中的利用率[18]，以保證植物的正常生長。

杉木(Cunninghamialanceolata)作為我國南方最重要的造林用材樹種之一，近年，課題組致力于杉木對低P脅迫的響應研究[3,5,9,19]，通過大量的研究篩選出2個P高效利用杉木基因型[3]。研究表明，不同杉木基因型對土壤P吸收、轉運及利用效率方面存在顯著差異，以致土壤P素利用效率的種內差異明顯[3]。在前期研究基礎上，進一步比較不同P高效利用杉木基因型對低P脅迫的響應策略差異，揭示P高效利用杉木對低P逆境的響應機制，對植物P高效利用基因型的選育具有重要的理論意義。鑒于此，本研究選擇前期研究篩選出的P高效利用杉木M1與M4為研究對象，同時以P利用效率一般的M24為對照，采用自主設計的水培裝置，設置低P與正常供P 2種不同供P處理，同時設置3、10、30 d 3個處理時間梯度，比較不同P利用效率杉木在不同處理時間的地上部生長、根系形態變化及根尖解剖結構參數差異，結合不同處理條件下的植株體內的物質及養分分配情況分析，探討不同P利用效率杉木對低P脅迫的響應策略差異，揭示P高效利用杉木對低P脅迫的響應機制，為充分挖掘杉木對低P逆境的適應潛力，緩解杉木林因有效P虧缺而產生的地力衰退提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選擇課題組在福建省漳平市五一國有林場篩選出的半同胞杉木家系苗：2個P高效杉木家系1號(M1)與4號(M4)[3]及P利用效率一般的杉木家系24號(M24)杉木為試驗材料。在試驗前，將其在溫室(平均氣溫20.3℃，相對濕度78%)內培育5個月。選取長勢均一、根系完整、無病蟲害的苗木進行試驗(平均苗高15.96 cm，平均地徑3.30 mm)。

1.2 試驗裝置

設置低P與正常供P條件于自主設計的水培裝置內。如圖1所示，由供液裝置、植苗槽及通氣系統構成了試驗裝置，2個儲液桶分別用于儲存正常供P和低P濃度的營養液，并且使用電子閥控制營養液輸入植苗槽的時間來確保不同處理的時間統一性。植苗槽采用黑色鋼化玻璃材質制成(長×寬×高為300 cm× 30 cm ×30 cm)。采用聚乙烯泡沫板固定供試苗木(長×寬為30 cm×30 cm)，在泡沫板中心開一個直徑為3 cm的植苗孔，植苗孔放置海綿以固定供試苗木。通氣系統由空氣泵與通氣管組成，在通氣管上鉆有通氣孔，以保證被測幼苗的供氧條件相同。在試驗過程中為確保苗木供氧充足，使用自動定時器設置每2 h向裝置通氣20 min。

圖1 試驗裝置

1.3 試驗設計

利用圖1所示的試驗裝置，設置3個不同的處理時間梯度：3、10 d和30 d[5,20]。為了確保其他條件一致，相同處理時間下的M1、M4和M24供試苗放置于同一植苗槽，為避免邊緣效應對試驗結果產生影響，M1、M4與M24在同一植苗槽中的位置按隨機區組設計種植。并根據不同的處理時間將低P與正常供P的苗木分別置于3個植苗槽，共設3個重復。每個處理時間結束后，測定低P處理與正常供P的供試苗木的相關指標。

供P濃度參照南方杉木人工林土壤有效P的測定結論[21]設置(適宜值為0.42 mmol·L-1，缺乏值為0.03 mmol·L-1)。因此在本試驗中，將KH2PO4作為P源供應，并設置2個P濃度處理，分別為正常供P處理(0.42 mmol·L-1KH2PO4)和低P處理(0.03 mmol·L-1KH2PO4)，在試驗過程中，不同處理下的營養液K含量使用KCl調節。基礎營養液參考Hoagland配方并結合吳鵬飛等[3]改良的方案調整： 122.5 mg·L-1MgSO4·7H2O、294.92 mg·L-1Ca(NO3)2·4H2O、127.5 mg·L-1KNO3；Arnon微量元素(0.055 mg·L-1ZnSO4·7H2O、0.452 5mg·L-1MnCl2·4H2O、0.71 mg·L-1H3BO3、0.02 mg·L-1CuSO4·5H2O、0.015mg·L-1H2MO4·4H2O)；1 mL·L-1鐵鹽溶液(FeEDTA)。用稀 HCl和NaOH將營養液的pH 調節到 5.5，3 d更換1次營養液以保證培養介質中的供P濃度。

試驗開始前先將供試苗木在沙床上緩苗30 d，小心取出用去離子水清洗根部4～5次后移入試驗裝置。試驗裝置放置于福建農林大學林學院溫室(平均光照14 h·d-1，溫度25～30℃，相對濕度>80%)進行。

1.4 指標測定

1.4.1 地上部生長量 分別用尺子與游標卡尺對試驗前后供試苗木的苗高及地徑進行測量并計算增量。

1.4.2 根系形態指標 試驗處理結束后與試驗處理前比較計算根系形態各指標的增量，根系形態利用加拿大數字化掃描儀(STD1600 Epson，USA)進行掃描，幼苗的總根長、總表面積、總體積與平均直徑等指標使用配套的WinRHIZO(version4.0B，Rengent Instruments Inc.，Canada)根系分析系統軟件進行分析。

1.4.3 根尖解剖結構參數分析 取根系形態指標掃描結束的供試苗木，每個處理每株選取新生白根2條，用刀片切取距根尖1～2 cm的根段，進行橫切片觀察根尖的解剖結構。將所取材料切成小塊，迅速放入2.5%戊二醛固定液中，0℃～4℃固定3 h以上。經0.1 mol/L的P酸緩沖液清洗后，鋨酸(OsO4)后固定，丙酮逐級脫水，Epon樹脂浸透包埋。最后在60℃烘箱中聚合。將不同材料的包埋塊置于超薄切片機(LeicaUC6)上進行切片，半薄切片厚度1 μm，切片撈在載玻片并置于70℃恒溫電熱板(LeicaEMMP)上展片和干燥，將半薄切片用甲苯胺藍染液染色，置于光學顯微鏡下(OlympusBX51)觀察，用附帶的成像系統(NikonDigitalSightDS-L1)拍照。每條根做一張橫切切片，每個處理共6張切片。平均每張切片上隨機選10個完整無損的橫截面進行拍照與數據的測量，每個處理共進行60個重復橫截面的指標分析。利用Image-Pro Plus 6.0軟件進行根直徑、維管束直徑、皮層厚度等根系解剖結構參數的分析，并根據解剖結構參數計算維根比與皮層比。其中，維根比與皮層比的計算公式如下：

維根比=維管束直徑/根直徑×100%

皮層比=皮層面積/根橫切總面積×100%

1.4.4 生物量 采用烘干法進行試驗苗木地上部及根系的生物量計算，根據根冠比對試驗苗木的生物量分配進行規律分析。

1.4.5 植株P養分含量測定 采用H2SO4-HClO4消煮法(H2SO4∶HClO4為10∶1)消化烘干后的供試苗木粉碎樣，用于不同P利用效率杉木家系的地上部葉、莖及地下部根系中的P養分含量測定[22]，并利用AA3型連續流動分析儀進行測定。

1.4.6 數據統計 采用SPSS(22.0)進行數據統計分析，Origin 2018軟件進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同P利用效率杉木生長量比較

3個不同P利用效率杉木家系在不同P處理條件下，苗高(圖2A)與地徑(圖2B)增量均隨處理時間延長呈逐漸增加的趨勢。不同家系比較可見，不同處理M1的苗高與地徑增量均高于M4與M24。可見，低P脅迫對M24地上部分的生長影響大于P高效利用效率杉木M1與M4。其中，不同P高效利用杉木比較可見，隨著處理時間的延長，低P脅迫下M1的地上部分生長量高于M4。

通過對3個不同P利用效率杉木家系地下部生長量的對比可見，M1與M24的變化規律一致，在整個處理過程中，低P處理條件下二者的根長(圖2C)、根表面積(圖2D)及根體積增量(圖2E)均小于正常供P。但從根系增生量角度分析，M1在3 d時的根長增量顯著高于M4與M24且根系增生量顯著高于M24。M4在不同處理時間的根長、根表面積及根體積增量均表現為低P處理>正常供P，且隨著處理時間的延長呈逐漸提高的趨勢。三者的根系平均直徑(圖2F)均表現為在不同處理時間的差異未達到顯著性水平(P>0.05)。可見，低P脅迫條件下，P高效利用杉木的根系增生現象比M24的更為明顯，其中，M4的根系增生能力優于M1。

2.2 不同P利用效率杉木根尖解剖結構參數比較

不同P利用效率杉木的維根比及皮層比2個指標如圖3所示。在低P條件下，不同處理時間M1的維根比均高于M4與M24，其中，處理30 d時分別達到M4、M24的2.00、1.54倍。可見，在低P脅迫條件下，M1的輸導組織較M4與M24發達，其運輸P養分能力也更強。在不同時間的低P處理下，不同P利用效率杉木的皮層比均高于正常供P。可見，低P脅迫增加了根系對養分橫向運輸的阻力，使根系吸收P養分通過表皮、皮層向中柱運輸的速度變慢，從而滯留在皮層組織中。不同P利用效率杉木比較可見，在不同的處理時間，M4的皮層比均高于M1與M24。可見，低P脅迫條件下M4的P養分吸收能力高于M1與M24。而M1的皮層薄，所占比例小，說明根系吸收P養分通過表皮、皮層向中柱運輸的速度快。

2.3 不同P利用效率杉木的物質分配規律比較

不同P利用效率杉木的根冠比均<1，地上部分的干物質積累顯著高于根系(圖4)。處理過程中，M1與M4的根冠比呈現先增加后減小的趨勢，而M24則隨時間的增加而逐漸減小。在處理3 d與10 d時，M1與M24在低P處理條件下的根冠比均小于正常供P。M4則在整個處理過程中均表現為低P處理的根冠比大于正常供P。對不同P利用效率杉木根系與地上部的P含量比較可見(圖5)，在不同處理時間，3個家系基本表現為地上部P含量顯著高于根系，根系吸收P養分后轉運至地上部供植株正常生長所需。低P脅迫條件下，M1與M4根系中的P含量均呈現隨處理時間延長而逐漸增加的趨勢，而M24根系P含量呈現隨處理時間延長先增加后減少的趨勢。M1與M4地上部分P含量總體上呈增加趨勢，M24地上部分P含量則表現出隨時間延長而逐漸降低的趨勢。可見，相對于P利用效率一般的家系M24隨培養介質中P養分的減少而導致植株體內P含量降低，低P脅迫條件下，隨著處理時間的延長，P高效利用杉木M1與M4依然能夠增加根系P含量，以供地上部生長所需。

2.4 不同P利用效率杉木的形態生長與養分分配相關性分析

由表1所示，M1地上部P含量僅表現為在低P處理條件下與根表面積增量、維管束平均直徑及皮層比3個指標呈顯著正相關(P<0.05)。M1根系P含量在低P處理下與地上部的苗高、地徑增量呈顯著正相關(P<0.05)，其中，與苗高增量的相關性達到極顯著水平(P<0.01)，與根系的增長則無顯著相關性。在不同處理條件下，M4地上部分P含量除根長增量外，與其余指標的相關性均達到顯著或極顯著水平。與地上部P含量相反，低P處理下M4根系P含量與苗高、地徑、根長、根表面積與根體積等生長增量均呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關關系，與平均直徑呈顯著負相關關系(P<0.05)。與M4相同，低P處理下M24地上部P含量與苗高、地徑增量也呈極顯著負相關(P<0.01)。與M1、M4不同，低P處理下M24根系P含量除了與根長增量呈極顯著正相關(P<0.01)、與根體積增量呈顯著正相關外(P<0.05)，其他指標的相關性并未達到顯著性水平。

注：L-P代表低P處理，H-P代表正常供P。不同小寫字母表示低P處理條件下不同家系的地上部生長量差異達到顯著水平(P<0.05)，不同大寫字母表示正常供P條件下不同家系的地上部生長量差異達到顯著水平(P<0.05)。下同。

圖2 不同P利用效率杉木在不同處理時間的生長量比較

Fig.2 Comparison of the growth of different Chinese fir with different phosphorus (P) use efficiency at different time

圖3 不同P利用效率杉木在不同處理時間的維根比及皮層比比較

圖4 不同P利用效率杉木在不同處理時間的根冠比比較

圖5 不同P利用效率杉木的P分配規律比較

可見，低P處理下M1與M4的根系形態變化主要影響其根系的P含量，對地上部的P含量影響較小。其中，M1的根系P含量僅受根結構指標變化影響顯著，而M4在受根結構變化影響的同時，根系增生也顯著影響其根系的P含量。另外，根系的P含量又顯著影響了地上部的生長。與M1及M4相比，M24未體現出明顯的規律。

表1 不同P利用效率杉木的形態生長與養分分配相關性分析

3 討論

在土壤有效態P長期缺乏的條件下，植物通過對環境的適應和長期以來的進化，導致了不同或同一種植物的不同基因型對養分的利用效率存在差異[9]。大量研究表明[23]，在低P脅迫下植物株高受到抑制，但是不同品種受到的抑制程度存在差異，P高效利用型品種體內可溶性P高于P低效品種，能夠為P高效植株提供更多的P，保證了植物的正常生長。有研究驗證，不同P效率基因型在P充足情況下的產量差異并不大，而處于低P逆境時，P高效型的干物質產量總是高于P低效型[24]。與此研究結果一致，本研究中，P高效利用杉木M1與M4在低P脅迫條件下地上部仍然具有較高的產量，而M24的地上部生長量受低P脅迫影響較大。植物根系是植物獲取水分和營養的重要器官，與地上部構成一個了完整的物質生產系統[25]。前人的研究表明，在自身遺傳的影響和外界環境的干擾下，植物的根系通常能表現出較強的可塑性反應，其響應特性會因為植物基因型的不同而發生差異。因此，良好的根系形態與生理特性對植物有效利用土壤P素具有重要意義[26]。相對不耐低P基因型，P高效基因型植物可以在低P脅迫下將光合產物較多的分配到根系，使根系生長較發達，從而有效的利用環境中的P素[12]。植物還能通過改變根的形態來適應低P逆境，包括根總表面積與總根長等根構型的改變[27]，增加了根與土壤接觸的面積，增強了對不溶性的P的活化、轉運與分配，進而提高了植物對P素的吸收效率[25,28]。低P脅迫下根冠比的增加，也是植物對低P脅迫的有效適應機制[29]。低P條件下，作物的根冠比顯著提高[7]。這是因為在低P脅迫下，根系改變構型來增強對養分的吸收，不僅加快同化物向根系轉運的量，還提高了根對同化物的利用率，進而提高了植物的根冠比[30]。本研究與前人研究一致，在低P脅迫下，P高效利用杉木M4的根長、根表面積及根體積增量均有所增加，且根系增生能力強于P利用效率一般的M24，且P高效利用杉木M4的根冠比在低P脅迫下均大于正常供P水平。

與P低效基因型相比，P高效基因型植物在低P時能夠迅速做出一系列抗逆反應，從而減輕低P脅迫帶來的危害和維持較高P效率[8-9]。前人研究表明，不同P高效利用基因型植物的抗逆策略也不盡相同[16]，通過對體內養分的高效利用或對生長介質中養分的高效吸收等途徑來抵御生長過程中養分虧缺的逆境[9]。其中，植物能通過改善根際環境或擴大根際面積來實現養分的高效吸收，這是植物在養分虧缺下極為重要的生物生理學挽救機制之一。根系對低P脅迫的適應性變化是P高效利用品種的重要適應機制[31]。一些P高效利用植物通過根系形態的變化來增加根系與土壤接觸面積以獲得更多的P養分[32]。說明了低P脅迫下，植物根系形態會向吸收更多P素的方向變化以維持正常生長。低P脅迫還會加速植物分泌一些活性物質和滲透物質[19]，植物能通過根系活化作用分泌這些物質，使植物在逆境中能更多的吸取養分[33]。此外，體內養分轉移是植物重要的養分保存機制，實現了體內養分的高效利用，有效地維持了植物的生產力，提高了植物在生境中的競爭力[9]。一些P高效利用植物擁有較高的P利用率，這也是應對低P逆境的策略之一[34]。在低P脅迫下，當植物根系在介質中無法獲得充足的養分供應時，會調節體內各器官的養分含量，使P素再分配，以發揮各個器官的最大作用提高P的利用率[18]。Rao等[35]的研究發現，植物能改變在不同器官的P含量以抵抗低P逆境，并能將更多的P分配到地上部分來提高P的利用率。與前人研究一致，本研究中P高效利用杉木M1、M4分別通過不同的策略來適應低P脅迫，其中，M1主要通過加快P養分循環利用的途徑增加植株地上部正常生長所需P養分，P高效利用杉木M4則主要通過根系增生，增加對介質中P養分的吸收，以供地上部生長所需。

4 結論

對不同P利用效率杉木的生長量比較分析可見，低P脅迫對M24地上部分的生長影響大于P高效利用效率杉木M1與M4。其中，低P脅迫下M1的地上部分生長量高于M4，M4的根系增生能力優于M1。從根尖解剖學角度分析可見，M1的輸導組織較M4與M24發達，其運輸P養分能力更強，而M4的P養分吸收能力高于M1與M24。從干物質及P養分的分配規律看，因M4的根系增生能力強，對應的，M4在整個處理過程中均表現為低P處理的根冠比大于正常供P，相對于M1與M24，M4把更多的物質分配到根系。結合P養分的分配規律可見，P高效利用杉木M1與M4根系中的P含量隨著處理時間的延長表現為增加趨勢，以供地上部生長所需。通過相關性分析也同樣證明，低P脅迫條件下，M1的根結構指標變化顯著影響根系P含量，M4的根系P含量則與根結構變化及根系增生呈顯著或極顯著正相關關系。綜上可見，P高效利用杉木比P利用效率一般的杉木對低P的耐受能力更強，且通過不同的策略適應低P脅迫，其中，M1主要通過加快P養分循環利用的途徑增加植株地上部正常生長所需P養分，M4則主要通過根系增生，增加對介質中P養分的吸收，以供地上部生長所需。