杉木根系觅磷策略对邻株竞争的响应机制研究

利用胁迫植物学、根系生物学及植物行为生态学的原理和方法，以课题组前期研究筛选出的觅磷能力强(M4)和觅磷能力弱(M1)的杉木基因型为研究对象，采用自主设计的异质磷斑块根箱培养系统，构建邻株竞争异质磷胁迫环境，通过根系图像分析系统和生理过程分析技术，测定不同杉木基因型在异质磷竞争条件下根长、根体积及根构型等形态学、根系磷素吸收动力学、内源激素及根系分泌物种类和数量等生理学指标，分析杉木种间竞争过程根系对不同磷斑块寻觅的准确性和觅磷效率，比较不同觅磷能力杉木基因型通过根构型的拓展来占据土壤磷斑块能力的差异，研究杉木根系在邻株竞争条件下觅磷策略，揭示不同杉木基因型竞争行为的内在机制及其对根系觅磷行为的调控途径。为杉木人工林经营中的基因型选择配置、种间互作机理的研究提供科学理论依据，对于挖掘南方林区大面积斑块分布的异质磷源的利用潜力具重要理论和实践意义。

磷是林木生长发育的必需元素，我国南方林区大面积的红壤有效磷含量匮乏已严重影响杉木人工林产量。有关单株杉木对低磷环境的形态生理学响应机制已有报道，由于植物根系间对地下有限养分资源的竞争极为普遍，且与地上部分对光的竞争相比更为剧烈。因此开展邻株杉木根系对土壤养分竞争及觅食机制的研究，有助于掌握杉木根系觅磷竞争行为中的生存策略。课题组以前期筛选出的优良杉木基因型为研究对象，采用自主设计的低磷胁迫根箱培养系统，构建邻株竞争环境，通过根系图像分析系统和生理过程分析技术，测定了杉木在不同低磷竞争条件下根系的形态生理学指标，比较竞争强度及竞争持续时间对不同供磷水平条件下杉木通过根系拓展来占据土壤磷斑块能力的差异，揭示了低磷环境杉木根系竞争行为的内在响应机制。课题组研究认为杉木根系在邻株竞争条件下觅磷策略为：低磷胁迫条件下，邻株竞争栽植模式中的杉木主要通过提高根系的长度、表面积、平均直径、体积等形态学指标的增长速度，以较快占领土壤中磷素分布区域，通过增大根冠比，增加根系干物质的产量，地径明显增大，但一定程度上抑制了苗高的生长。这与低磷邻株竞争条件下，杉木叶片丙二醛和可溶性蛋白含量增加，酸性磷酸酶活性降低等生理学响应过程有关。随着邻株竞争强度的增强及持续时间的延长，杉木根系中的草酸、苹果酸、柠檬酸等低分子有机酸含量明显增多，但辛酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、亚油酸、山嵛酸等有机酸增量较少。低磷胁迫对杉木根系有机酸含量的影响较大，长期低磷和不供磷胁迫条件下，杉木通过增加体内有机酸含量来适应邻株竞争逆境的响应途径明显受阻。该研究结果从机理水平上为充分挖掘南方林区大面积斑块状分布磷源的利用潜力，维持杉木人工林长期生产力提供了新的理论依据。项目发表了7篇标注国家自然基金资助论文，其中SCI论文收录2篇，投稿了2篇研究论文，已获得授权的相关专利4项，1位硕士研究生以本项目主要研究内容作为学位论文已顺利毕业。