耐低磷杉木基因型根系分泌有机酸对磷钙耦合胁迫的响应机制

课题组前期研究发现：不同杉木基因型磷利用效率存在明显差异，耐低磷杉木基因型根系能明显感受到低磷环境，并通过诱导根系分泌有机酸活化土壤难溶性磷来适应低磷环境。鉴于植物胞内Ca2+信号参与了启动植物抗逆生理反应机制及外源钙可影响胞内Ca2+水平，诱导激活下游生理活动以增强植物抗逆性的现实，本项目拟采用根箱培养系统结合均一性与局部性异质养分胁迫技术，应用琼脂原位提取法，以耐低磷和不耐低磷杉木为材料，研究低磷条件下不同钙梯度诱导杉木根系分泌有机酸的种类、数量及时空变异，确定低磷诱导杉木有机酸分泌与钙代谢之间的关系，从有机酸代谢角度分析不同钙胁迫处理杉木有机酸分泌的差异，研究磷钙耦合对杉木适应低磷环境的交互作用，揭示低磷诱导杉木分泌有机酸的时间响应和诱导钙跨膜转运作用的内在启动机制，探讨钙代谢对低磷诱导杉木根分泌有机酸的调控途径，为丰富林木营养遗传学的理论和方法提供科学依据，有望成为新学科生长点。

磷是林木生长发育的必需元素，磷素不足是限制目前杉木人工林产量的重要因素。为研究钙在低磷诱导杉木有机酸分泌中的作用，本项目根据植物生理生态学、根系生物学和胁迫植物学的原理和方法，采用根箱培养系统，结合均一性与局部性异质养分胁迫技术，应用琼脂原位提取法，以课题组前期研究筛选出的耐低磷和不耐低磷杉木为研究材料，进行钙磷耦合作用条件下不同磷效率杉木基因型形态生理学指标差异的研究。主要研究结果表明：在土培和水培低磷环境下，不同外源钙水平对杉木根系生长发育和体内生理代谢的影响差异明显。在低磷环境下加钙处理杉木的苗高、地径、总生物量、根长等明显高于不加钙处理。当钙浓度为3.0 mmol/L时，根冠比达最大值；当浓度> 5.0 mmol/L时，促进效果下降。杉木叶片叶绿素和可溶性蛋白在加钙处理条件下明显增多，酸性磷酸酶活性高于不加钙处理，MDA含量减小。在低磷土培环境下不同外源钙水平对杉木根系分泌酸性物质的影响差异达显著水平，均以轻度钙胁迫最大，而高浓度钙处理最小，这说明一定外源钙水平可促进杉木根系分泌酸性物质，降低土壤pH值，从而提高养分的吸收和利用效率；不同外源钙水平对低磷水培试验表明：随着供钙水平的降低，培养液pH值先升高后降低。从磷钙水平对杉木根系分泌酸性物质的交互作用看：土培试验磷钙交互作用的差异达到显著水平（p<0.000），且不同磷和钙水平间根系分泌酸性物质数量差异显著（p<0.000）。可见，在低磷条件下外施钙有助于杉木增强根系活力以抵抗低磷逆境，但不同程度磷胁迫有相应的最佳外源钙水平。该研究结果为阐明磷高效利用杉木基因型适应低磷环境的内在调控机制提供科学依据，对于充分挖掘南方林区土壤的难溶性磷，缓解杉木人工林连栽生产力下降具有重要现实意义。项目发表了6篇标注国家自然科学基金资助的研究论文，其中1篇论文被SCI收录，申请了3个专利，其中获得授权专利2个，培养了4位研究生。