典型草原植物對土壤磷的適應策略

磷是植物生長發育所必需的大量因素。它不僅是植物體內核酸、磷脂質和ATP等化合物的組成成分,而且參與調節植物的光合作用、呼吸作用及一系列酶的活性(Schachtmanetal.,1998),因此磷是影響植物生長發育的重要元素。盡管土壤中的全磷含量很高,但是20%–80%的磷被土壤顆粒吸附,與鈣、鐵、鋁等金屬元素形成難溶性的磷酸鹽化合物,以及轉化為有機磷而不能被植物吸收利用;而且,磷在土壤中的移動性差,其擴散距離僅為1–2mm(Barber&Mackay,1986),導致土壤有效磷缺乏,濃度僅為0.1–10.0μmol·L內蒙古草原地處全球最大的草原——歐亞草原的東部,也是我國北方溫帶草原的典型代表,處于干旱半干旱區,土壤類型為石灰性栗鈣土(Yangetal.,2011),土壤中的磷被礦物質吸附固定,而且水熱條件限制有機質礦化,導致大部分磷以磷酸鈣和有機磷的形式存在,植物可利用的有效磷含量較少(耿燕等,2011)。冷蒿(Artemisiafrigida)和克氏針茅(Stipakrylovii)是內蒙古典型草原的優勢植物,分別為菊科多年生小半灌木和多年生叢生禾草,具有抗寒、耐干旱和耐土壤貧瘠等特點(王靜和楊持,2002;周海燕,2002;王金龍等,2005)。以往的研究主要集中于冷蒿和克氏針茅耐旱及氮素利用等方面(何興東等,2006;Renetal.,2011;Fangetal.,2012),而關于冷蒿和克氏針茅對土壤低磷適應機制的研究尚未見報道。本研究通過室內盆栽實驗,比較了低磷環境對冷蒿和克氏針茅的生物量、根系形態、有機酸分泌、酸性磷酸酶活性、根際酸化以及磷吸收利用效率的影響,探討它們對土壤低磷環境的適應策略。1材料和方法1.1植物材料冷蒿和克氏針茅的種子采自內蒙古自治區多倫縣的典型草原(116.28°E,42.03°N,海拔1344m)。1.2犯重視幼苗的萌發克氏針茅和冷蒿種子分別在濾紙和瓊脂板上萌發,萌發5天后移入蛭石中,每盆8株幼苗。幼苗在溫室中預培養一個月后開始進行磷處理。營養液成分為:0.50mmol·L1.3生物量的測定將植物的地上部分和地下部分開,用蒸餾水和超純水沖洗干凈,吸干表面的水分,105℃殺青30min,75℃烘干至恒重,測定生物量后粉碎樣品,用濃硝酸消解后,通過臺式電感耦合等離子體發射光譜儀(ICAP-6300,Varian,USA)測定植株的磷含量。1.4總根長的分析用直尺測量株高和主根長,株高為植株的直立高度;用掃描儀掃描根系,用根系分析軟件(WinRHIZO,Regent,Canada)分析總根長。比根長(specificrootlength,SRL)為單位質量的根長度,計算公式為:SRL(cm·mg1.5ph值的測定采用溴甲酚紫瓊脂顯色方法定性測定根際質子分泌。利用pH指示劑溴甲酚紫在pH為5.2–6.8范圍內由黃色變為紫色的特性來測定根際pH值。將含有0.006%(質量分數)溴甲酚紫、2.5mmol·L1.6吸收效率和普通性磷吸收效率(ng·cm磷利用效率(mg·mgP1.7檸檬酸含量的測定將冷蒿和克氏針茅的幼苗從蛭石中取出,用去離子水沖洗3次,放入30mL收集液中,再放在光下,根系避光。收集時間從上午10:00到12:00。收集液為各個磷處理對應的營養液。收集液中的檸檬酸含量采用酶活方法(Shenetal.,1998)測定,原理是檸檬酸在檸檬酸裂解酶的作用下轉變為草酰乙酸,在NADH的存在下,通過蘋果酸脫氫酶與乳酸脫氫酶催化,草酰乙酸脫羧為丙酮酸,期間反應消耗的NADH的量與檸檬酸的量成正比,通過分光光度法測定消耗的NADH計算檸檬酸含量。蘋果酸的測定原理是:蘋果酸在蘋果酸脫氫酶的作用下,被NAD氧化為草酰乙酸,形成的NADH與蘋果酸的量成正比,通過分光光度法測定消耗的NADH,計算出蘋果酸含量(Delhaizeetal.,1993)。1.8etal.2006酸性磷酸酶的測定參考前人的研究方法(Nuruzzamanetal.,2006;Playstedetal.,2006),略有改動。將冷蒿和克氏針茅的幼苗從蛭石中取出,用去離子水沖洗3次,放入10mL0.5g·L1.9統計分析采用SPSS統計軟件進行雙因素方差分析,顯著水平分別為p<0.05和p<0.01。2結果和分析2.1不同外源磷濃度對冷蒿和克氏針茅生長和控制植物生長的影響冷蒿和克氏針茅對磷添加的響應表現為先增長后降低的趨勢,即低磷促進植物生長,高磷抑制植物生長(圖1A、1B),但兩個物種的生長對外源磷濃度的響應不同,冷蒿和克氏針茅分別在外源磷濃度為0.50mmol·L2.2克氏針茅體內磷濃度的變化隨著供磷濃度的增加,冷蒿地上和地下的磷濃度逐漸遞增,而克氏針茅體內磷濃度的遞增相對平緩,地上和地下的磷濃度在0.25–0.50mmol·L2.3磷添加量的確定根系大小和形態是決定磷吸收的重要因素。為進一步明確克氏針茅和冷蒿對磷缺乏的適應策略,我們對比了兩者根系形態對磷添加的響應。隨著供磷濃度增加,克氏針茅和冷蒿的總根長(圖2A)、側根長(圖2B)、主根長(圖2C)和比根長(圖2D)表現出先增加后降低的趨勢。冷蒿的總根長和側根長顯著高于克氏針茅。在缺磷條件下,冷蒿和克氏針茅的總根長和側根長較短,隨著外源磷濃度增加,總根長和側根長逐漸增加,在0.25–0.50mmol·L2.4不同濃度的磷對根間酸化的影響利用pH瓊脂顯色比較了兩個物種在不同供磷濃度下的根際酸化能力(圖3),結果表明,在0.00和0.50mmol·L2.5不同濃度的磷酸酶可能會影響根系分泌脂肪酸和酸性磷酸酶從圖4可以看出,克氏針茅根系在低磷時能顯著增加蘋果酸的分泌,其分泌量是正常供磷(0.50mmol·L3不同供磷濃度對植物磷吸收速率的影響我國北方草地由于水熱條件和土壤母質特性,土壤有效磷匱乏,速效磷含量低于4mg·kg低磷條件下,植物通過減少地上生長、促進根系發育、改變根系構型,增加與土壤磷的接觸面積,提高磷的吸收利用效率(Vanceetal.,2003;Hilletal.,2006)。磷吸收速率和磷利用效率反映植物的磷利用潛力(王樹起等,2010;Roseetal.,2013)。除根系形態變化外,植物也可以通過改變根際的生理過程,如酸化根際(Tomasietal.,2009;Zhouetal.,2009)、分泌有機酸和酸性磷酸酶(Neumann&R?mheld,1999;Tadano&Sakai,1991)、提高磷轉運蛋白的表達等來適應低磷環境(Chenetal.,2008;Ramaekersetal.,2010)。根際酸化是由于植物吸收陽離子的同時伴隨著H在低磷條件下,植物通過降低地上生長、促進根系發育,增加磷的獲取空間(Vanceetal.,2003;Hilletal.,2006)。本研究表明,低磷處理抑制冷蒿和克氏針茅的地上生長,主要表現在低磷降低冷蒿的分支數和克氏針茅的分蘗數,從而降低地上生物量(圖1)。但是冷蒿和克氏針茅在低磷條件下根冠比增加(圖1),表明冷蒿和克氏針茅在低磷環境下將更多的同化產物分配于地下,用于根系生長。由于磷在土壤中的移動性差,根系生長可以擴大植物吸收磷的范圍,提高其低磷條件下的磷獲取能力。比根長是單位同化產物的根伸長量。與克氏針茅相比,冷蒿在低磷條件下的比根長較大,表明冷蒿在低磷條件下通過促進側根或細根的生長,占據更廣泛的土壤空間,擴大其對土壤磷的活化和吸收空間。雖然低磷環境增加根冠比,但冷蒿和克氏針茅的根系形態只在一定磷素范圍內表現正向變化,即外源磷濃度為0.25–0.50mmol·L植物磷效率主要包括磷吸收速率和磷利用效率(王樹起等,2010;Roseetal.,2013)。在缺磷條件下,冷蒿和克氏針茅的平均吸磷速率最低,隨著供磷濃度增加磷吸收速率增加。植物的磷吸收速率取決于根系形態和根際磷的活化吸收能力。冷蒿和克氏針茅根系形態對供磷處理的響應表現相似(圖2),但兩者根際的生理變化表現明顯不同。低磷處理條件下,冷蒿根際酸化明顯強于克氏針茅(圖3),冷蒿根系分泌的酸性磷酸酶活性是克氏針茅的2.9倍;與冷蒿相比,克氏針茅根系分泌有機酸的能力較強,分泌的蘋果酸是冷蒿根系分泌蘋果酸的2倍(圖4)。因此兩個物種具備獨特的磷吸收能力,冷蒿主要通過酸化根際和分泌酸性磷酸酶活性提高無機磷的可溶性,促進有機磷的分解;克氏針茅主要通過根系分泌有機酸、螯合金屬陽離子提高磷的有效性。兩個物種根形態響應的相似性及根際磷活化過程的獨特性,導致兩者在低磷條件下的平均吸磷速率沒有顯著差異(表1)。與冷蒿相比,克氏針茅表現出較高的磷利用效率。隨著供磷濃度增加,兩者的磷利用效率顯著降低。因為當土壤磷缺乏時,植物通過降低生長速度,加速體內含磷化合物的周轉速率來延長磷的利用(Aerts,1996),提高磷的利用效率。磷利用效率較高也是針茅作為典型草原優勢種的適應策略之一。在缺磷條件下,冷蒿和克氏針茅兩個物種的植株磷濃度和磷累積量均最低(表1),隨供磷水平的增加,植株磷濃度和磷累積量增加,其變化與羊草(Leymuschinensis)的結果相似(黃菊瑩等,2009)。因為植株體內磷濃度和植物磷累積量是土壤養分供給能力、植物吸收能力和利用能力權衡的結果(Aert&ChapinIII,2000)。冷蒿和克氏針茅作為典型草原的優勢種,在長期的進化過程中形成了各自獨特的適應當地自然環境的生理機制。本研究結果表明,在獲取土壤磷營養方面,冷蒿和克氏針茅的共同點是都能夠通過減少分支數和分蘗數提高根冠比,來保證植物基本生長。同