杨楚童，邹显花,2*，孙雪莲，胡亚楠，吴鹏飞,2，马祥庆,2

(1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002；2.福建省杉木种质创新及产业化工程研究中心，福建 福州 350002)

在植物生长发育过程中，P以多种途径参与植物的代谢过程，对植物的生长发育起到尤为重要的作用[1]。但由于P在土壤中易与其他元素形成化合物，导致土壤中有效P含量低，植物从土壤中获取的有效P极为缺乏，制约了农林植物优质高产的目标[2-3]。传统农林业经营通过施加P肥改良土壤营养来保证作物产量，但是大部分P都被土壤固定或流失，一方面导致了P矿资源的浪费和枯竭，另一方面也会造成一系列的环境污染问题[4]。因此，越来越多研究人员将研究重心转移至植物P高效利用基因型的筛选方面[5-6]。

长期进化和环境适应导致不同植物或同种植物不同基因型养分利用效率差异明显[7]。与P低效基因型相比，P高效基因型植物在低P时能够迅速做出一系列抗逆反应，从而减轻低P胁迫带来的危害和维持较高P效率[8-9]。有研究表明，处于低P逆境时，P高效型的干物质产量总是高于P低效型[10]。且P高效基因型植物在低P胁迫下将较多的光合产物分配到根系，加快根系增生[11]，从而有效利用环境中的P素[12]。因此，P高效利用型植物体内可溶性P高于P低效型[13]，为P高效植株提供更多的P，以有效维持植物在低P胁迫下的生产力。另一方面，不同P高效利用基因型植物应对低P胁迫的抗逆策略也存在显著差异[14]，通过对体内养分的高效利用或提高对养分的吸收效率等途径来抵御生长过程中的养分亏缺[9]。在低P胁迫下，P高效利用基因型植物能改善根际环境或扩大根际面积来实现养分的高效吸收[15-16]。另外P高效利用基因型植物还会加速分泌活性物质和渗透物质来提高对P养分的吸收[17]。在低P胁迫下，根系养分供应不足时，P高效利用植物还可以通过对体内养分的高效利用，改变不同器官的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]，以保证植物的正常生长。

杉木(Cunninghamialanceolata)作为我国南方最重要的造林用材树种之一，近年，课题组致力于杉木对低P胁迫的响应研究[3,5,9,19]，通过大量的研究筛选出2个P高效利用杉木基因型[3]。研究表明，不同杉木基因型对土壤P吸收、转运及利用效率方面存在显著差异，以致土壤P素利用效率的种内差异明显[3]。在前期研究基础上，进一步比较不同P高效利用杉木基因型对低P胁迫的响应策略差异，揭示P高效利用杉木对低P逆境的响应机制，对植物P高效利用基因型的选育具有重要的理论意义。鉴于此，本研究选择前期研究筛选出的P高效利用杉木M1与M4为研究对象，同时以P利用效率一般的M24为对照，采用自主设计的水培装置，设置低P与正常供P 2种不同供P处理，同时设置3、10、30 d 3个处理时间梯度，比较不同P利用效率杉木在不同处理时间的地上部生长、根系形态变化及根尖解剖结构参数差异，结合不同处理条件下的植株体内的物质及养分分配情况分析，探讨不同P利用效率杉木对低P胁迫的响应策略差异，揭示P高效利用杉木对低P胁迫的响应机制，为充分挖掘杉木对低P逆境的适应潜力，缓解杉木林因有效P亏缺而产生的地力衰退提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选择课题组在福建省漳平市五一国有林场筛选出的半同胞杉木家系苗：2个P高效杉木家系1号(M1)与4号(M4)[3]及P利用效率一般的杉木家系24号(M24)杉木为试验材料。在试验前，将其在温室(平均气温20.3℃，相对湿度78%)内培育5个月。选取长势均一、根系完整、无病虫害的苗木进行试验(平均苗高15.96 cm，平均地径3.30 mm)。

1.2 试验装置

设置低P与正常供P条件于自主设计的水培装置内。如图1所示，由供液装置、植苗槽及通气系统构成了试验装置，2个储液桶分别用于储存正常供P和低P浓度的营养液，并且使用电子阀控制营养液输入植苗槽的时间来确保不同处理的时间统一性。植苗槽采用黑色钢化玻璃材质制成(长×宽×高为300 cm× 30 cm ×30 cm)。采用聚乙烯泡沫板固定供试苗木(长×宽为30 cm×30 cm)，在泡沫板中心开一个直径为3 cm的植苗孔，植苗孔放置海绵以固定供试苗木。通气系统由空气泵与通气管组成，在通气管上钻有通气孔，以保证被测幼苗的供氧条件相同。在试验过程中为确保苗木供氧充足，使用自动定时器设置每2 h向装置通气20 min。

图1 试验装置

1.3 试验设计

利用图1所示的试验装置，设置3个不同的处理时间梯度：3、10 d和30 d[5,20]。为了确保其他条件一致，相同处理时间下的M1、M4和M24供试苗放置于同一植苗槽，为避免边缘效应对试验结果产生影响，M1、M4与M24在同一植苗槽中的位置按随机区组设计种植。并根据不同的处理时间将低P与正常供P的苗木分别置于3个植苗槽，共设3个重复。每个处理时间结束后，测定低P处理与正常供P的供试苗木的相关指标。

供P浓度参照南方杉木人工林土壤有效P的测定结论[21]设置(适宜值为0.42 mmol·L-1，缺乏值为0.03 mmol·L-1)。因此在本试验中，将KH2PO4作为P源供应，并设置2个P浓度处理，分别为正常供P处理(0.42 mmol·L-1KH2PO4)和低P处理(0.03 mmol·L-1KH2PO4)，在试验过程中，不同处理下的营养液K含量使用KCl调节。基础营养液参考Hoagland配方并结合吴鹏飞等[3]改良的方案调整： 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铁盐溶液(FeEDTA)。用稀 HCl和NaOH将营养液的pH 调节到 5.5，3 d更换1次营养液以保证培养介质中的供P浓度。

试验开始前先将供试苗木在沙床上缓苗30 d，小心取出用去离子水清洗根部4～5次后移入试验装置。试验装置放置于福建农林大学林学院温室(平均光照14 h·d-1，温度25～30℃，相对湿度>80%)进行。

1.4 指标测定

1.4.1 地上部生长量 分别用尺子与游标卡尺对试验前后供试苗木的苗高及地径进行测量并计算增量。

1.4.2 根系形态指标 试验处理结束后与试验处理前比较计算根系形态各指标的增量，根系形态利用加拿大数字化扫描仪(STD1600 Epson，USA)进行扫描，幼苗的总根长、总表面积、总体积与平均直径等指标使用配套的WinRHIZO(version4.0B，Rengent Instruments Inc.，Canada)根系分析系统软件进行分析。

1.4.3 根尖解剖结构参数分析 取根系形态指标扫描结束的供试苗木，每个处理每株选取新生白根2条，用刀片切取距根尖1～2 cm的根段，进行横切片观察根尖的解剖结构。将所取材料切成小块，迅速放入2.5%戊二醛固定液中，0℃～4℃固定3 h以上。经0.1 mol/L的P酸缓冲液清洗后，锇酸(OsO4)后固定，丙酮逐级脱水，Epon树脂浸透包埋。最后在60℃烘箱中聚合。将不同材料的包埋块置于超薄切片机(LeicaUC6)上进行切片，半薄切片厚度1 μm，切片捞在载玻片并置于70℃恒温电热板(LeicaEMMP)上展片和干燥，将半薄切片用甲苯胺蓝染液染色，置于光学显微镜下(OlympusBX51)观察，用附带的成像系统(NikonDigitalSightDS-L1)拍照。每条根做一张横切切片，每个处理共6张切片。平均每张切片上随机选10个完整无损的横截面进行拍照与数据的测量，每个处理共进行60个重复横截面的指标分析。利用Image-Pro Plus 6.0软件进行根直径、维管束直径、皮层厚度等根系解剖结构参数的分析，并根据解剖结构参数计算维根比与皮层比。其中，维根比与皮层比的计算公式如下：

维根比=维管束直径/根直径×100%

皮层比=皮层面积/根横切总面积×100%

1.4.4 生物量 采用烘干法进行试验苗木地上部及根系的生物量计算，根据根冠比对试验苗木的生物量分配进行规律分析。

1.4.5 植株P养分含量测定 采用H2SO4-HClO4消煮法(H2SO4∶HClO4为10∶1)消化烘干后的供试苗木粉碎样，用于不同P利用效率杉木家系的地上部叶、茎及地下部根系中的P养分含量测定[22]，并利用AA3型连续流动分析仪进行测定。

1.4.6 数据统计 采用SPSS(22.0)进行数据统计分析，Origin 2018软件进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同P利用效率杉木生长量比较

3个不同P利用效率杉木家系在不同P处理条件下，苗高(图2A)与地径(图2B)增量均随处理时间延长呈逐渐增加的趋势。不同家系比较可见，不同处理M1的苗高与地径增量均高于M4与M24。可见，低P胁迫对M24地上部分的生长影响大于P高效利用效率杉木M1与M4。其中，不同P高效利用杉木比较可见，随着处理时间的延长，低P胁迫下M1的地上部分生长量高于M4。

通过对3个不同P利用效率杉木家系地下部生长量的对比可见，M1与M24的变化规律一致，在整个处理过程中，低P处理条件下二者的根长(图2C)、根表面积(图2D)及根体积增量(图2E)均小于正常供P。但从根系增生量角度分析，M1在3 d时的根长增量显著高于M4与M24且根系增生量显著高于M24。M4在不同处理时间的根长、根表面积及根体积增量均表现为低P处理>正常供P，且随着处理时间的延长呈逐渐提高的趋势。三者的根系平均直径(图2F)均表现为在不同处理时间的差异未达到显著性水平(P>0.05)。可见，低P胁迫条件下，P高效利用杉木的根系增生现象比M24的更为明显，其中，M4的根系增生能力优于M1。

2.2 不同P利用效率杉木根尖解剖结构参数比较

不同P利用效率杉木的维根比及皮层比2个指标如图3所示。在低P条件下，不同处理时间M1的维根比均高于M4与M24，其中，处理30 d时分别达到M4、M24的2.00、1.54倍。可见，在低P胁迫条件下，M1的输导组织较M4与M24发达，其运输P养分能力也更强。在不同时间的低P处理下，不同P利用效率杉木的皮层比均高于正常供P。可见，低P胁迫增加了根系对养分横向运输的阻力，使根系吸收P养分通过表皮、皮层向中柱运输的速度变慢，从而滞留在皮层组织中。不同P利用效率杉木比较可见，在不同的处理时间，M4的皮层比均高于M1与M24。可见，低P胁迫条件下M4的P养分吸收能力高于M1与M24。而M1的皮层薄，所占比例小，说明根系吸收P养分通过表皮、皮层向中柱运输的速度快。

2.3 不同P利用效率杉木的物质分配规律比较

不同P利用效率杉木的根冠比均<1，地上部分的干物质积累显著高于根系(图4)。处理过程中，M1与M4的根冠比呈现先增加后减小的趋势，而M24则随时间的增加而逐渐减小。在处理3 d与10 d时，M1与M24在低P处理条件下的根冠比均小于正常供P。M4则在整个处理过程中均表现为低P处理的根冠比大于正常供P。对不同P利用效率杉木根系与地上部的P含量比较可见(图5)，在不同处理时间，3个家系基本表现为地上部P含量显著高于根系，根系吸收P养分后转运至地上部供植株正常生长所需。低P胁迫条件下，M1与M4根系中的P含量均呈现随处理时间延长而逐渐增加的趋势，而M24根系P含量呈现随处理时间延长先增加后减少的趋势。M1与M4地上部分P含量总体上呈增加趋势，M24地上部分P含量则表现出随时间延长而逐渐降低的趋势。可见，相对于P利用效率一般的家系M24随培养介质中P养分的减少而导致植株体内P含量降低，低P胁迫条件下，随着处理时间的延长，P高效利用杉木M1与M4依然能够增加根系P含量，以供地上部生长所需。

2.4 不同P利用效率杉木的形态生长与养分分配相关性分析

由表1所示，M1地上部P含量仅表现为在低P处理条件下与根表面积增量、维管束平均直径及皮层比3个指标呈显著正相关(P<0.05)。M1根系P含量在低P处理下与地上部的苗高、地径增量呈显著正相关(P<0.05)，其中，与苗高增量的相关性达到极显著水平(P<0.01)，与根系的增长则无显著相关性。在不同处理条件下，M4地上部分P含量除根长增量外，与其余指标的相关性均达到显著或极显著水平。与地上部P含量相反，低P处理下M4根系P含量与苗高、地径、根长、根表面积与根体积等生长增量均呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关关系，与平均直径呈显著负相关关系(P<0.05)。与M4相同，低P处理下M24地上部P含量与苗高、地径增量也呈极显著负相关(P<0.01)。与M1、M4不同，低P处理下M24根系P含量除了与根长增量呈极显著正相关(P<0.01)、与根体积增量呈显著正相关外(P<0.05)，其他指标的相关性并未达到显著性水平。

注：L-P代表低P处理，H-P代表正常供P。不同小写字母表示低P处理条件下不同家系的地上部生长量差异达到显著水平(P<0.05)，不同大写字母表示正常供P条件下不同家系的地上部生长量差异达到显著水平(P<0.05)。下同。

图2 不同P利用效率杉木在不同处理时间的生长量比较

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

图3 不同P利用效率杉木在不同处理时间的维根比及皮层比比较

图4 不同P利用效率杉木在不同处理时间的根冠比比较

图5 不同P利用效率杉木的P分配规律比较

可见，低P处理下M1与M4的根系形态变化主要影响其根系的P含量，对地上部的P含量影响较小。其中，M1的根系P含量仅受根结构指标变化影响显著，而M4在受根结构变化影响的同时，根系增生也显著影响其根系的P含量。另外，根系的P含量又显著影响了地上部的生长。与M1及M4相比，M24未体现出明显的规律。

表1 不同P利用效率杉木的形态生长与养分分配相关性分析

3 讨论

在土壤有效态P长期缺乏的条件下，植物通过对环境的适应和长期以来的进化，导致了不同或同一种植物的不同基因型对养分的利用效率存在差异[9]。大量研究表明[23]，在低P胁迫下植物株高受到抑制，但是不同品种受到的抑制程度存在差异，P高效利用型品种体内可溶性P高于P低效品种，能够为P高效植株提供更多的P，保证了植物的正常生长。有研究验证，不同P效率基因型在P充足情况下的产量差异并不大，而处于低P逆境时，P高效型的干物质产量总是高于P低效型[24]。与此研究结果一致，本研究中，P高效利用杉木M1与M4在低P胁迫条件下地上部仍然具有较高的产量，而M24的地上部生长量受低P胁迫影响较大。植物根系是植物获取水分和营养的重要器官，与地上部构成一个了完整的物质生产系统[25]。前人的研究表明，在自身遗传的影响和外界环境的干扰下，植物的根系通常能表现出较强的可塑性反应，其响应特性会因为植物基因型的不同而发生差异。因此，良好的根系形态与生理特性对植物有效利用土壤P素具有重要意义[26]。相对不耐低P基因型，P高效基因型植物可以在低P胁迫下将光合产物较多的分配到根系，使根系生长较发达，从而有效的利用环境中的P素[12]。植物还能通过改变根的形态来适应低P逆境，包括根总表面积与总根长等根构型的改变[27]，增加了根与土壤接触的面积，增强了对不溶性的P的活化、转运与分配，进而提高了植物对P素的吸收效率[25,28]。低P胁迫下根冠比的增加，也是植物对低P胁迫的有效适应机制[29]。低P条件下，作物的根冠比显著提高[7]。这是因为在低P胁迫下，根系改变构型来增强对养分的吸收，不仅加快同化物向根系转运的量，还提高了根对同化物的利用率，进而提高了植物的根冠比[30]。本研究与前人研究一致，在低P胁迫下，P高效利用杉木M4的根长、根表面积及根体积增量均有所增加，且根系增生能力强于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胁迫下均大于正常供P水平。

与P低效基因型相比，P高效基因型植物在低P时能够迅速做出一系列抗逆反应，从而减轻低P胁迫带来的危害和维持较高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尽相同[16]，通过对体内养分的高效利用或对生长介质中养分的高效吸收等途径来抵御生长过程中养分亏缺的逆境[9]。其中，植物能通过改善根际环境或扩大根际面积来实现养分的高效吸收，这是植物在养分亏缺下极为重要的生物生理学挽救机制之一。根系对低P胁迫的适应性变化是P高效利用品种的重要适应机制[31]。一些P高效利用植物通过根系形态的变化来增加根系与土壤接触面积以获得更多的P养分[32]。说明了低P胁迫下，植物根系形态会向吸收更多P素的方向变化以维持正常生长。低P胁迫还会加速植物分泌一些活性物质和渗透物质[19]，植物能通过根系活化作用分泌这些物质，使植物在逆境中能更多的吸取养分[33]。此外，体内养分转移是植物重要的养分保存机制，实现了体内养分的高效利用，有效地维持了植物的生产力，提高了植物在生境中的竞争力[9]。一些P高效利用植物拥有较高的P利用率，这也是应对低P逆境的策略之一[34]。在低P胁迫下，当植物根系在介质中无法获得充足的养分供应时，会调节体内各器官的养分含量，使P素再分配，以发挥各个器官的最大作用提高P的利用率[18]。Rao等[35]的研究发现，植物能改变在不同器官的P含量以抵抗低P逆境，并能将更多的P分配到地上部分来提高P的利用率。与前人研究一致，本研究中P高效利用杉木M1、M4分别通过不同的策略来适应低P胁迫，其中，M1主要通过加快P养分循环利用的途径增加植株地上部正常生长所需P养分，P高效利用杉木M4则主要通过根系增生，增加对介质中P养分的吸收，以供地上部生长所需。

4 结论

对不同P利用效率杉木的生长量比较分析可见，低P胁迫对M24地上部分的生长影响大于P高效利用效率杉木M1与M4。其中，低P胁迫下M1的地上部分生长量高于M4，M4的根系增生能力优于M1。从根尖解剖学角度分析可见，M1的输导组织较M4与M24发达，其运输P养分能力更强，而M4的P养分吸收能力高于M1与M24。从干物质及P养分的分配规律看，因M4的根系增生能力强，对应的，M4在整个处理过程中均表现为低P处理的根冠比大于正常供P，相对于M1与M24，M4把更多的物质分配到根系。结合P养分的分配规律可见，P高效利用杉木M1与M4根系中的P含量随着处理时间的延长表现为增加趋势，以供地上部生长所需。通过相关性分析也同样证明，低P胁迫条件下，M1的根结构指标变化显著影响根系P含量，M4的根系P含量则与根结构变化及根系增生呈显著或极显著正相关关系。综上可见，P高效利用杉木比P利用效率一般的杉木对低P的耐受能力更强，且通过不同的策略适应低P胁迫，其中，M1主要通过加快P养分循环利用的途径增加植株地上部正常生长所需P养分，M4则主要通过根系增生，增加对介质中P养分的吸收，以供地上部生长所需。