磷胁迫对不同杉木无性系酸性磷酸酶活性的影响

 缺磷是限制目前农林业产量的一个重要因子,传统的农林业生产主要通过施肥和土壤改良来满足植物对磷的需求,近年来人们开始发掘磷高效利用植物来替代传统方法提高磷的利用效率。杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国亚热带地区最重要的造林树种之一,生长快、材质好、产量高,在中国人工林经营中占有重要地位。为揭示磷素胁迫条件下杉木无性系酸性磷酸酶的变化规律和筛选磷高效利用杉木无性系,通过土培试验,设计4种磷素处理水平(正常供磷16 mg•kg－1、轻度磷胁迫8 mg•kg－1、中度磷胁迫4 mg•kg－1、重度磷胁迫0 mg•kg－1),进行磷素胁迫条件下不同杉木无性系酸性磷酸酶(APA)活性的比较研究。结果表明：缺磷条件下1年生杉木叶片和根际的APA活性明显高于正常供磷处理。随缺磷时间的延长、不同杉木无性系酸性磷酸酶的变化规律不同,其中8号、24号、37号无性系叶片和根际的APA活性明显高于正常供磷处理;5号、9号无性系根际APA活性虽然增幅较大,但其叶片酶活性变化较小;3号、23号、34号无性系整体而言对磷胁迫不敏感,缺磷条件不对其叶片APA及根系APA活性造成显著影响。在磷胁迫条件下,杉木无性系可通过叶片及根际酸性磷酸酶活性的增强来适应环境磷缺乏,但不同杉木无性系对磷缺乏的适应性存在明显差异,因此能否将APA活性作为杉木无性系磷效率的评价指标之一仍需作进一步研究。     

甘蔗幼苗对难溶性磷的吸收及其根系对低磷胁迫的响应

为明确甘蔗适应低磷胁迫的生理生化机制,挖掘甘蔗对磷素的利用潜力,揭示甘蔗对低磷胁迫适应的可能机制,该研究以ROC22和ROC10两个甘蔗品种为材料,采用水培和土培的方法研究了甘蔗幼苗对难溶性磷的吸收及其在低磷胁迫下根构型和根系的生理反应。结果表明:(1)培养在以难溶性磷(Ca-P和Al-P)为磷源的培养液中的甘蔗的叶片数、地上部干重、生物量较缺磷(-P)处理显著增加,与对照(+P)的相当,甘蔗总磷积累量也显著提高,达到对照(+P)处理磷积累量的30%～77%。(2)在低磷条件下,甘蔗幼苗的根系有向土壤深层分布的趋势,根的总体积增大、最长根长变长、浅根系分布增多。(3)甘蔗幼苗在低磷环境下,根际环境明显酸化,且根系分泌物能溶解难溶性的铝磷,植株体内酸性磷酸酶的活性也明显增强。以上表明甘蔗幼苗有较强的吸收利用难溶性磷的能力,而低磷条件下根系数量增加、主根的向地性、浅根系分布增多、根际酸化以及植株体内酸性磷酸酶活性的增强可能是甘蔗幼苗适应缺磷环境的重要机制。     

不同基因型春蚕豆对磷胁迫的适应性反应

利用不同作物或品种吸收利用土壤磷能力的差异提高磷素营养效率,是解决磷资源短缺的重要生物学途径.选择西北地区重要经济作物春蚕豆作为研究对象,选用3个不同春蚕豆品种(系),采用严重缺磷的碱性灌淤土,利用盆栽法研究了在不同供磷水平下不同基因型蚕豆的根系形态特征、酸性磷酸酶活性(APase)及产量的表现, 探讨不同基因型蚕豆对低磷胁迫的适应性反应.结果表明在整个生长过程中根长、根半径、根比表面积和根冠比变动最明显的是临蚕5号,分别为36.40%,65.10%、65.27%和13. 46%;缺磷条件下,蚕豆主要通过减小根半径,增加根长、根表面积,提高根冠比及体内酸性磷酸酶活性来实现对低磷胁迫的适应;不同基因型对低磷胁迫的适应能力不同;缺磷胁迫明显诱导各基因型蚕豆体内酸性磷酸酶活性的上升,临蚕5号增加最快为24.9%,8409为7. 79%,8354为7.29%;同一基因型的不同器官中酸性磷酸酶活性大小表现为根系>茎部>叶片 .根系酸性磷酸酶和根系形态参数可分别作为蚕豆耐低磷品种筛选的选择指标;缺磷导致作物减产,并且不同的基因型作物减产的幅度不同,临蚕5号缺磷比施磷减产30.98%,而8354 的产量在两个磷水平下变化不明显,说明临蚕5号对磷素的反应最强烈,为磷低效基因型,而 8354反应比较迟钝,为磷高效基因型.     

根分泌的有机酸对土壤磷和微量元素的活化作用

在养分胁迫下,尤其是缺磷条件下,许多植物可通过增加有机酸的分泌,作为其适应机制．讨论了营养胁迫条件下不同生态型植物根系分泌有机酸的种类,分析了不同生态型植物分泌的有机酸种类和数量之间的差异．结果表明,在缺磷条件下植物根系所分泌有机酸的种类和数量与它们所处的土壤环境关系密切．在营养胁迫条件下植物根系分泌的有机酸具有活化土壤磷、微量元素和缓解Ａｌ毒的功能;对有机酸活化土壤养分,解Ａｌ毒可能的作用机制进行了论述     

桉树幼苗对难溶性磷的吸收及其根系对低磷胁迫的响应

以‘广林9号’桉树幼苗为试验材料,采用水培和土培试验方法研究了桉树幼苗对难溶性磷酸盐的吸收及其在低磷胁迫下的根构型和根系的生理反应,以揭示桉树高效吸收磷素的机制。结果显示:(1)桉树幼苗在含磷酸铝的缺磷培养液中吸收的磷达4.24mg/株,与供应水溶性磷和磷酸钙处理的相当。(2)土壤缺磷或仅在上土层(0~20cm)施磷肥处理均有利于桉树幼苗浅层根的分布,使根表面积及根数在上土层与下层(20~40cm)比值明显增高。(3)桉树幼苗根尖的H+-ATPase活性在缺磷处理15d后显著提高,其根尖周围的溴甲酚紫指示剂变黄,根基环境明显酸化;根尖分泌的酸性磷酸酶活性在低磷胁迫也显著提升,且随着处理时间(10、15、20d)的延长而进一步提高;铝和低磷胁迫能明显诱导桉树根系分泌草酸,其分泌量显著高于对照和缺磷处理。研究结果表明,桉树幼苗具有较强的难溶性磷吸收能力,而在缺磷及磷铝胁迫下根系的浅层化、根尖酸化及根分泌的酸性磷酸酶及草酸量增加可能是桉树幼苗适应酸性土壤铝毒和缺磷环境的重要机制。     

在控制条件下云南松幼苗根系对低磷胁迫的响应

磷是控制生命过程的重要元素,植物在生长过程中需要大量的磷,低磷常导致一些植物发生适应性变化。云南松(PinusyunnanensisFranch.)以云南高原为起源和分布中心,其对低磷土壤环境表现出了很强的适应能力,广泛分布并正常生长于贫瘠的低磷红壤上,研究云南松对低磷环境的适应机制,对人类探索高效利用有限的磷素资源的方法具有现实意义。本实验通过对不同磷处理水平下培养的云南松幼苗根系生物量和根冠比等的研究,分析了云南松幼苗根系对低磷胁迫的响应。实验所用云南松种子采集自云南省通海县秀山森林公园内的健壮云南松林。结果表明:当磷浓度下降到0.5mmol/L时,云南松幼苗主根长度开始随磷浓度的降低而增加,根冠比随磷浓度的降低而增大,而侧根发生数没有随磷浓度的降低而显示出显著的增减规律,根系生物量也没有随磷浓度的降低而呈现出有规律的增减,根系生物量始终保持在一定的水平。进一步的分析表明:低磷胁迫下,云南松幼苗保证了物质分配对根的优先地位,以维持其根的生物量在一定水平,进而维持整个生命;云南松幼苗主要是靠主根长度的增加而不是靠侧根数量的增加来适应低磷环境。     

低磷胁迫下磷高效基因型大麦的根系形态特征

在根袋土培盆栽条件下,以磷高效基因型DH110+、DH147和低效基因型DH49大麦为试验材料,利用根系分析系统分析不同施磷(P₂O₅)水平(极低磷25 mg·kg^-1、低磷50 mg·kg^-1和正常磷75 mg·kg^-1)下,磷高效基因型大麦的根系形态特征及其与植株磷素吸收的关系.结果表明： 低磷胁迫显著降低大麦生物量和磷吸收量,其中磷高效基因型的生物量和磷吸收量在各施磷水平下分别为低效基因型的1.24～1.70和1.18～1.83倍;大麦的总根长、总根表面积、平均根系直径、不定根长及其根表面积、侧根长及其根表面积均随施磷水平的降低而显著降低,其中磷高效基因型大麦在各施磷水平下的总根长、总根表面积、比根长、侧根长及根表面积分别为低效基因型的1.46～2.06、1.12～1.51、1.35～1.72、1.69～2.42和1.40～1.78倍,而平均根系直径为低效基因型的70.6%～90.2%;主成分分析表明,平均根系直径、比根表面积和比根长受基因型差异的影响较为明显,是区分两类磷效率基因型大麦根系形态差异的主要指标;偏最小二乘回归分析表明,各施磷水平下,总根长、总根表面积对大麦植株磷素吸收贡献均较大,随施磷水平降低,不定根长、不定根表面积对大麦植株磷素吸收的贡献明显降低,而平均根系直径、比根长、侧根长及其根表面积的贡献明显增加.磷高效基因型大麦可通过维持侧根的生长、根细度和比根长的增加来适应低磷胁迫.     

植物与低磷环境研究进展——诱导、适应与对策

自从20世纪70年代人们发现适应低磷土壤的作物根际磷的有效性明显增加的现象之后。植物与低磷环境的研究便引起了人们的重视。植物如何适应低磷环境和如何有效利用土壤磷素资源的问题已成为国内外当前的研究热点之一。研究表明,低磷条件下,植物根系形态结构会发生适应性变化,根冠间的物质分配会向根部倾斜使根冠比增加;植物根际酸度变化、有机酸分泌和磷酸酶释放有利于活化和利用土壤中的磷素资源;不同种类或品种的植物具有不同的磷营养效率基因型,具有不同亲和力的磷转运体,也具有不同的磷活化机制。人类对植物适应低磷机制的研究还将继续,揭示植物对低磷环境的响应对策和发掘植物有效利用磷素资源的潜力,在经济上和环保上均有非常现实的意义。     

磷高效利用杉木对低磷胁迫的适应性与内源激素的相关性

激素是植物适应逆境的重要信号物质, 从激素调控角度研究植物对养分匮乏环境的适应机制对磷高效营养基因型的选育具有重要意义。该研究通过分析被动忍受型(M1)与主动活化型(M4)两个磷高效利用杉木(Cunninghamia lanceolata)基因型在低磷胁迫下不同处理阶段的激素含量变化规律, 结合根系形态变化、干物质及养分分配规律, 研究磷高效利用杉木对低磷胁迫的适应性与内源激素的相关性。结果表明: 低磷处理下, 磷高效利用杉木M1与M4叶的激素含量与其适应特性之间无相关性, 而根系的激素含量与根系生长显著相关。低磷处理条件下, M1与M4根系中的IAA含量自27 h起表现为大于高磷对照, 且随时间延长呈增加趋势。根系中的IAA含量与根表面积、体积及根长等显著正相关, IAA的增加诱导了根系的增长, M1与M4均表现出一定的根系增长量。其中, M4存在明显的IAA由地上向基部积累的现象, M4的根系增生能力比M1更强。同时, 根系增长促使更多的干物质分配到根系, M4的根冠比在整个处理过程中均高于高磷对照。与IAA相同, M1与M4根系的ABA与GA₃含量总体也表现为低磷处理>高磷对照, 但随时间延长, 低磷条件下ABA与GA₃的含量呈下降趋势, 二者与根系增长量呈负相关关系。M1与M4根系内的ZT含量在低磷条件下也呈下降趋势, 且逐渐低于高磷对照, 而其与低磷适应特性间并无显著相关性。可见, 低磷胁迫下, 磷高效利用杉木M1与M4根系中的IAA、ABA与GA₃含量与其根系形态变化密切相关, 各器官的物质、能量、信息的综合调控是植物适应低磷逆境的重要生存策略。     

低磷和干旱胁迫对大豆植株干物质积累及磷效率的影响

土壤缺磷和季节性干旱已经成为南方酸性红壤地区大豆生产的主要限制因素之一。选取2个大豆品种巴西10号(磷高效)和本地2号(磷低效),研究其在不同磷素(0,15, 30 mg/kg P)和水分处理(分别在开花期和结荚期进行干旱胁迫)下的反应,从植株生物量、叶绿素含量、磷效率指标等方面研究不同基因型大豆对水磷耦合胁迫的适应机制。研究结果表明,随着土壤磷素水平的增加,两个品种的生物量和叶片叶绿素含量显著增加,根冠比则显著下降。在同一磷素水平处理下,干旱胁迫则导致较高的根冠比,对叶片叶绿素含量影响不大,两个品种表现一致。两个基因型大豆受到干旱胁迫后,其产量均显著低于正常水分处理。中等施磷能显著提高两个大豆品种的产量,但高磷处理对产量的增加幅度有限,甚至高磷处理还造成本地2号减产。巴西10号的产量随土壤中磷素的增加而增加,而本地2号的产量则为中磷>高磷>低磷,不管是磷处理还是水分处理,巴西10号的产量均高于本地2号。无论是花期干旱还是结荚期干旱,巴西10号和本地2号的根磷效率比、磷吸收效率及磷转移效率均随土壤磷浓度的增加而增加,磷利用效率则降低。总体上来讲,巴西10号的磷吸收效率和利用效率高于本地2号,而根磷效率比、磷转移效率则小于本地2号。     

不同杉木无性系磷素特性的比较

通过土培试验,进行磷素胁迫条件下不同杉木(Cunninghamia lanceolata)无性系磷素特性的比较研究。结果表明:在磷胁迫条件下不同杉木无性系的干物质积累、磷素吸收效率和磷素利用效率均存在显著差异。随着磷胁迫的加剧,不同杉木无性系的干物质积累量和磷素吸收效率下降,而磷素利用效率增强。总体而言,8、9、24、37号无性系的干物质积累量受胁迫影响最小,23号无性系受胁迫影响最大。其中8号无性系的磷素吸收和利用效率均较高,24、37号无性系的磷素吸收效率较高,而9号无性系的磷素利用效率较高,23号无性系的磷素吸收和利用效率均较低。 在磷胁迫条件下,杉木无性系可通过提高磷素吸收效率和利用效率途径来提高杉木对环境磷素的利用。     

植物养分高效利用机制研究进展

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间养分利用效率(NUE)差异明显,研究筛选植物养分高效利用基因型至关重要,其极大的增产潜力可补充代替传统植物栽培方法所需的能源.目前人们对于植物NUE概念的理解存在一定差异,造成众多研究成果缺乏可比性.通过对植物NUE的概念及其描述方式难以统一原因的分析,提出人工林NUE应采用干材生物量与林分养分总量的比值表示.综合评述了植物体内养分高效利用及植物对生长介质中养分高效吸收的生物生理学适应性机制.对养分逆境植物养分高效利用适应性策略的整个过程进行了描述,进一步阐明了Ca2+在化学通讯机制中的生物功能,指出Ca2+可能是启动植物养分高效利用挽救机制的主要调控因子,并就该领域今后研究工作的特点作了展望.     

低磷胁迫对雷公藤幼苗叶片生理生化特性的影响

为研究雷公藤的耐磷胁迫性,对雷公藤（Tripterygium wilfordii Hook.f.）一年生和三年生同一无性系扦插苗采用土培的方法进行了控制条件下的低磷胁迫实验,以KH2PO4为磷源,土壤中P2O5浓度为0、5、10、15、20、25（CK）mg/kg,低磷胁迫3个月和6个月后取叶片测定其丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性和酸性磷酸酶（APA）活性的变化。实验结果表明：低磷胁迫下一年生和三年生雷公藤叶片SOD、APA活性升高,MDA、Pro含量增加,并呈现随低磷胁迫加重和胁迫时间延长而上升趋势,低磷胁迫下各处理的一年生和三年生雷公藤叶片CAT、POD活性普遍低于对照,并随着低磷胁迫程度的加重而呈下降趋势。低磷胁迫下雷公藤幼苗叶片的几种保护酶活性、MDA、Pro含量以及APA活性响应都较为灵敏,保护酶系统在15、20 mg/kg处理下能够起到较好保护作用,表明雷公藤能通过自身生理调节来适应中度和轻度缺磷环境;综合各项生理指标,三年生雷公藤相对于一年生雷公藤显示了较强的抗氧化能力和渗透调节能力,具有较强的耐低磷能力,对磷较为缺乏的林地下套种雷公藤的苗龄选择有参考价值。     

Architectural Tradeoffs between Adventitious and Basal Roots for Phosphorus Acquisition

Adventitious rooting contributes to efficient phosphorus acquisition by enhancing topsoil foraging. However, metabolic investment in adventitious roots may retard the development of other root classes such as basal roots, which are also important for phosphorus acquisition. In this study we quantitatively assessed the potential effects of adventitious rooting on basal root growth and whole plant phosphorus acquisition in young bean plants. The geometric simulation model SimRoot was used to dynamically model root systems with varying architecture and C availability growing for 21 days at 3 planting depths in 3 soil types with contrasting nutrient mobility. Simulated root architectures, tradeoffs between adventitious and basal root growth, and phosphorus acquisition were validated with empirical measurements. Phosphorus acquisition and phosphorus acquisition efficiency (defined as mol phosphorus acquired per mol C allocated to roots) were estimated for plants growing in soil in which phosphorus availability was uniform with depth or was greatest in the topsoil, as occurs in most natural soils. Phosphorus acquisition and acquisition efficiency increased with increasing allocation to adventitious roots in stratified soil, due to increased phosphorus depletion of surface soil. In uniform soil, increased adventitious rooting decreased phosphorus acquisition by reducing the growth of lateral roots arising from the tap root and basal roots. The benefit of adventitious roots for phosphorus acquisition was dependent on the specific respiration rate of adventitious roots as well as on whether overall C allocation to root growth was increased, as occurs in plants under phosphorus stress, or was lower, as observed in unstressed plants. In stratified soil, adventitious rooting reduced the growth of tap and basal lateral roots, yet phosphorus acquisition increased by up to 10% when total C allocation to roots was high and adventitious root respiration was similar to that in basal roots. With C allocation to roots decreased by 38%, adventitious roots still increased phosphorus acquisition by 5%. Allocation to adventitious roots enhanced phosphorus acquisition and efficiency as long as the specific respiration of adventitious roots was similar to that of basal roots and less than twice that of tap roots. When adventitious roots were assigned greater specific respiration rates, increased adventitious rooting reduced phosphorus acquisition and efficiency by diverting carbohydrate from other root types. Varying the phosphorus diffusion coefficient to reflect varying mobilities in different soil types had little effect on the value of adventitious rooting for phosphorus acquisition. Adventitious roots benefited plants regardless of basal root growth angle. Seed planting depth only affected phosphorus uptake and efficiency when seed was planted below the high phosphorus surface stratum. Our results confirm the importance of root respiration in nutrient foraging strategies, and demonstrate functional tradeoffs among distinct components of the root system. These results will be useful in developing ideotypes for more nutrient efficient crops.     

Root developmental responses to phosphorus nutrition

Phosphorus is an essential macronutrient for plant growth and development. Root system architecture (RSA) affects a plant's ability to obtain phosphate, the major form of phosphorus that plants uptake. In this review, I first consider the relationship between RSA and plant phosphorus-acquisition efficiency, describe how external phosphorus conditions both induce and impose changes in the RSA of major crops and of the model plant Arabidopsis, and discuss whether shoot phosphorus status affects RSA and whether there is a universal root developmental response across all plant species. I then summarize the current understanding of the molecular mechanisms governing root developmental responses to phosphorus deficiency. I also explore the possible reasons for the inconsistent results reported by different research groups and comment on the relevance of some studies performed under laboratory conditions to what occurs in natural environments.     

Understanding water deficit stress-induced changes in the basic metabolism of higher plants – biotechnologically and sustainably improving agriculture and the ecoenvironment in arid regions of the globe

Water is vital for plant growth, development and productivity. Permanent or temporary water deficit stress limits the growth and distribution of natural and artificial vegetation and the performance of cultivated plants (crops) more than any other environmental factor. Productive and sustainable agriculture necessitates growing plants (crops) in arid and semiarid regions with less input of precious resources such as fresh water. For a better understanding and rapid improvement of soil–water stress tolerance in these regions, especially in the water-wind eroded crossing region, it is very important to link physiological and biochemical studies to molecular work in genetically tractable model plants and important native plants, and further extending them to practical ecological restoration and efficient crop production. Although basic studies and practices aimed at improving soil water stress resistance and plant water use efficiency have been carried out for many years, the mechanisms involved at different scales are still not clear. Further understanding and manipulating soil–plant water relationships and soil–water stress tolerance at the scales of ecology, physiology and molecular biology can significantly improve plant productivity and environmental quality. Currently, post-genomics and metabolomics are very important in exploring anti-drought gene resources in various life forms, but modern agriculturally sustainable development must be combined with plant physiological measures in the field, on the basis of which post-genomics and metabolomics have further practical prospects. In this review, we discuss physiological and molecular insights and effects in basic plant metabolism, drought tolerance strategies under drought conditions in higher plants for sustainable agriculture and ecoenvironments in arid and semiarid areas of the world. We conclude that biological measures are the bases for the solutions to the issues relating to the different types of sustainable development.