低磷脅迫下馬尾松無(wú)性系磷效率性狀對(duì)氮沉降的響應(yīng)

宋平，張一，張蕊，周志春*，豐忠平

（1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局馬尾松工程技術(shù)研究中心/浙江省林木育種技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江富陽(yáng) 311400；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西楊凌 712100；3 浙江省淳安縣姥山林場(chǎng)，浙江淳安 311700）

低磷脅迫下馬尾松無(wú)性系磷效率性狀對(duì)氮沉降的響應(yīng)

宋平1，張一2，張蕊1，周志春1*，豐忠平3

（1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局馬尾松工程技術(shù)研究中心/浙江省林木育種技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江富陽(yáng) 311400；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西楊凌 712100；3 浙江省淳安縣姥山林場(chǎng)，浙江淳安 311700）

【目的】剖析不同類(lèi)型低磷脅迫下馬尾松應(yīng)對(duì)大氣氮沉降的生長(zhǎng)表現(xiàn)和適應(yīng)機(jī)制，為在大氣氮沉降背景下選育營(yíng)養(yǎng)高效利用的馬尾松速生優(yōu)質(zhì)新品種提供理論依據(jù)。 【方法】以來(lái)自馬尾松 (Pinus massoniana) 全同胞子代的 5 個(gè)優(yōu)良無(wú)性系 1 年生扦插幼苗為材料，分別在同質(zhì)低磷 (介質(zhì)表層與深層均缺磷) 和異質(zhì)低磷 (介質(zhì)表層磷豐富、深層缺磷) 兩種土壤磷素環(huán)境下設(shè)置兩種濃度梯度的模擬氮沉降試驗(yàn)，以研究低磷脅迫下馬尾松無(wú)性系苗木生長(zhǎng)、根系發(fā)育及氮、磷效率對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)差異和規(guī)律。 【結(jié)果】1) 不同類(lèi)型低磷脅迫下馬尾松苗高和干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)出顯著的無(wú)性系變異，且在同質(zhì)低磷下存在明顯的無(wú)性系 × 氮交互效應(yīng) (P ＜0.05)。2) 馬尾松無(wú)性系在不同類(lèi)型低磷脅迫下應(yīng)對(duì)氮沉降的適應(yīng)機(jī)制有所差異。同質(zhì)低磷、高氮環(huán)境下，33-4和 19-5 等生長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)的無(wú)性系，其根系長(zhǎng)度、根表面積以及根分泌的酸性磷酸酶活性顯著高于生長(zhǎng)勢(shì)較弱的無(wú)性系，干物質(zhì)積累量與酸性磷酸酶活性之間的相關(guān)性增強(qiáng)，表明根系可通過(guò)增加在土壤中的分布面積和提高酸性磷酸酶活性來(lái)應(yīng)對(duì)高氮、低磷的外界環(huán)境；異質(zhì)低磷下，生長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)的無(wú)性系，其根系長(zhǎng)度和表面積在高氮沉降下顯著增加，但比根長(zhǎng)反而顯著下降，意味著根系在高氮下增加吸收面積的同時(shí)，降低自身內(nèi)部消耗可能是馬尾松高磷效率的重要生物學(xué)基礎(chǔ)之一。3) 馬尾松無(wú)性系的磷吸收效率受氮沉降影響較大，在不同氮、磷水平下，其磷吸收效率與氮吸收效率均呈極顯著正相關(guān) (P ＜ 0.01)，表明模擬氮沉降有利于馬尾松無(wú)性系對(duì)土壤中磷素的活化吸收，但磷利用效率無(wú)顯著差異。4) 馬尾松無(wú)性系的干物質(zhì)積累量、根系長(zhǎng)度、根表面積以及根分泌的酸性磷酸酶活性等指標(biāo)的變幅較大，且無(wú)性系重復(fù)力均達(dá)到 0.75 (P ＜ 0.05) 以上，這為高氮、低磷環(huán)境下馬尾松耐受型植株的選擇提供了可能。 【結(jié)論】以馬尾松根系形態(tài)和根分泌的酸性磷酸酶活性變異為突破口，選育氮沉降下具有高磷效率的馬尾松無(wú)性系將有利于遺傳效益的提高。

馬尾松；無(wú)性系；低磷脅迫；氮沉降；磷效率

土壤中磷素的匱乏已成為影響植物生產(chǎn)力的制約因素[1]。研究表明，植物不同基因型對(duì)土壤中“固定態(tài)”或“閉蓄態(tài)”磷素的活化、吸收和利用效率存 在 顯 著 的 遺 傳 差 異[2]。 通 過(guò) 植 物 磷 效 率 的 遺 傳 改良，提高其對(duì)土壤磷素的有效吸收和利用，可解決磷資源危機(jī)和提高植物生產(chǎn)力[3]。眾多研究表明，低磷下植物根系形態(tài)和根構(gòu)型的適應(yīng)性變化、根分泌的酸性磷酸酶活性的特異性增加，以及通過(guò)菌根共生改善根際磷營(yíng)養(yǎng)狀況，是磷高效植物適應(yīng)低磷脅迫及高效覓取土壤有限磷的重要生物學(xué)機(jī)制[4-5]。與農(nóng)業(yè)耕作土壤相比，森林土壤中的磷素匱乏程度更嚴(yán)重、類(lèi)型更復(fù)雜，可能同時(shí)存在表層富磷、深層貧磷的異質(zhì)性低磷脅迫[6-7]以及土壤表層和深層均缺磷的同質(zhì)性低磷脅迫[8-9]。針對(duì)不同類(lèi)型的森林立地和低磷脅迫環(huán)境，選育磷高效的林木基因型具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

以往的林木磷素營(yíng)養(yǎng)效率研究，較多針對(duì)磷素單一影響，而忽視了氮素與磷素可能的交互作用。近年來(lái)，大氣氮沉降的加劇，使得土壤環(huán)境中氮素有效性增加[10]，造成原有低磷土壤中的有效磷水平相對(duì)更低，這不僅擾亂了土壤的養(yǎng)分平衡，還會(huì)影響植物對(duì)土壤有限磷素的吸收和利用[11]。在我國(guó)南方酸性紅壤地區(qū)，有效磷匱乏的同時(shí)也往往面臨著大氣氮沉降加劇的現(xiàn)象。研究指出，氮素的增加可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)[9,12-14]。如黑楊 (Populus nigra)、長(zhǎng)白落葉松 (Larix algensis) 和馬褂木 (Liriodendron chinense)等造林樹(shù)種在高氮下，其苗高、地徑和整株生物量均明顯增大[15-17]。對(duì)臺(tái)灣榿木的研究表明，氮素可刺激根系長(zhǎng)度和表面積的增加，但會(huì)導(dǎo)致比根長(zhǎng)下降[18]。如能揭示低磷土壤上氮沉降對(duì)植物根系及磷效率相關(guān)性狀的影響規(guī)律，將有利于挖掘林木有效利用土壤有限資源的潛力，進(jìn)而減少對(duì)氮、磷化學(xué)肥料的依賴(lài)[19]。然而，有關(guān)研究卻尚未引起足夠重視。

馬尾松是速生性強(qiáng)、材性?xún)?yōu)良的重要材用和脂用造林樹(shù)種，廣泛分布于我國(guó)的亞熱帶地區(qū)，面積達(dá) 1000 萬(wàn)公頃[20]。針對(duì)馬尾松分布區(qū)酸性紅壤有效磷匱乏、氮沉降日益加劇這一現(xiàn)狀，已有研究初步揭示了馬尾松忍耐同質(zhì)低磷和異質(zhì)低磷脅迫的生物學(xué)機(jī)制[21-22]。同時(shí)也初步研究了大氣氮沉降對(duì)馬尾松家系磷效率性狀的影響模式[23]。然而已有研究較多地是利用馬尾松種源和家系等遺傳材料，其種源和家系內(nèi)個(gè)體變異較大，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究選用不同生長(zhǎng)特性的馬尾松無(wú)性系苗木，設(shè)置同質(zhì)低磷和異質(zhì)低磷兩種磷素環(huán)境下的模擬氮沉降試驗(yàn)，研究低磷脅迫下模擬氮沉降對(duì)馬尾松無(wú)性系生長(zhǎng)、根系發(fā)育和磷效率等性狀的影響，為在大氣氮沉降背景下選育和推廣磷高效馬尾松無(wú)性系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

材料來(lái)源于馬尾松二代育種群體內(nèi)控制授粉產(chǎn)生的全同胞子代中選擇的超級(jí)苗經(jīng)過(guò)扦插繁殖而培育的1年生無(wú)性系幼苗。選擇其中 15-1、19-4、19-5、23-6 和 33-4 等 5 個(gè)生長(zhǎng)差異明顯的無(wú)性系作為試驗(yàn)材料。盆栽基質(zhì)來(lái)自浙江省淳安縣姥山林場(chǎng)的貧瘠酸性紅壤，其全氮和全磷含量分別為 0.41 g/kg 和0.35 g/kg，水解氮、速效鉀和有效磷含量分別為 46.2 mg/kg、37.9 mg/kg 和 1.08 mg/kg，pH 5.06，有機(jī)質(zhì)含量為 6.40 g/kg。盆栽容器為高 36 cm、直徑 20 cm的無(wú)紡布植樹(shù)袋，其透氣性強(qiáng)，可很好模擬田間栽培環(huán)境。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在浙江省淳安縣姥山林場(chǎng)的苗圃進(jìn)行。于2012 年 3 月開(kāi)始，設(shè)置為期兩年的模擬氮沉降盆栽試驗(yàn)。采用 2 × 2 × 5 三因素析因設(shè)計(jì)，分別為兩個(gè)磷水平，兩個(gè)氮水平，5 個(gè)無(wú)性系。磷素處理包括同質(zhì)低磷 (Homo-LP) 和異質(zhì)低磷 (Hetero-LP) 兩種類(lèi)型。盆栽容器由上而下均分為 3 個(gè)層次，每一層的高度約為 12 cm，第 1 層為表層，第 2 層為中間層，第 3 層為底層。Homo-LP 處理中的土壤均采用有效磷含量極低 (1.08 mg/kg) 的貧瘠酸性紅壤作為盆栽基質(zhì)，其有效磷貧乏可有效模擬森林土壤中磷素極為匱乏的針葉林立地環(huán)境。Hetero-LP 處理中，按照第3、第 2 和第 1 的順序依次裝填土壤基質(zhì)；第 3 層直接用有效磷含量極低 (1.08 mg/kg) 的貧瘠酸性紅壤裝盆，第 1、2 層用 Ca(H2PO4)2與酸性紅壤基質(zhì)混勻后加入，Ca(H2PO4)2用量分別為 1.0 和 0.10 g/kg (相當(dāng)于有效磷含量約 80 和 8 mg/kg)。盆栽基質(zhì)由上而下有效磷含量逐漸降低的異質(zhì)營(yíng)養(yǎng)環(huán)境可模擬立地條件較好，表層營(yíng)養(yǎng)成分較高的針闊混交林或闊葉林土壤環(huán)境。

試驗(yàn)以向全株噴施 NH4NO3溶液來(lái)模擬氮沉降處理。共設(shè)置低氮 (LN) 和高氮 (HN) 兩個(gè)氮水平。每年分別在馬尾松生長(zhǎng)旺盛的 4 月、6 月和 8 月的每月中旬向盆栽無(wú)性系幼苗全株噴施 NH4NO3溶液。低氮和高氮處理中每次噴施的量分別為 1 g/m2和 4 g/m2，年噴施總量相當(dāng)于 30 kg/(hm2·a) 和 120 kg/(hm2·a)，即 2 年生長(zhǎng)期內(nèi)噴施總量分別為 60 kg/hm2和 240 kg/hm2。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理 6 次重復(fù)，單株小區(qū)，共計(jì) 120 株馬尾松無(wú)性系幼苗。盆栽試驗(yàn)在半開(kāi)放的溫室塑料大棚內(nèi)進(jìn)行，且配置自動(dòng)噴灌系統(tǒng)，以達(dá)到維持馬尾松幼苗正常生長(zhǎng)的需水量。

1.3 樣品采集與測(cè)定

于 2014 年 4 月收獲，剔除其中生長(zhǎng)異常植株，每處理取 4 株測(cè)定其苗高和地徑。然后參照沈宏等[24]的方法收集根系分泌物，用去離子水將根系洗凈后，將單株置于 20 mL 0.5 mol/L CaCl2溶液中，收集12 h，加入 2～3 滴 0.05% 百里酚抑制其微生物活性，收集的濾液經(jīng)過(guò)濾后，采用 Mclachlan[25]的方法測(cè)定根分泌的酸性磷酸酶 (APase) 活性。

將各植株分為根、莖和葉三部分。根系部分用根系掃描儀進(jìn)行掃描成像，并且利用圖像分析軟件WinRHIZO Pro STD1600+ (加拿大 Regent Instruments公司) 對(duì)根系掃描圖進(jìn)行分析，得到根系長(zhǎng)度 (RL)和表面積 (RSA) 等根系參數(shù)。將根、莖和葉三部分放在 105℃ 的烘箱中殺青 30 min，然后在 80℃ 下烘干至恒重，得到各部分的干物質(zhì)量。稱(chēng)取 0.1 g 左右的根莖葉各部分，用 H2SO4-H2O2消煮后，取消煮液用鉬銻抗比色法測(cè)定各器官中的磷含量[26]，用 FOSS定氮儀測(cè)定氮含量[27]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

盆栽苗木的生長(zhǎng)和根系參數(shù)等性狀指標(biāo)用 SAS的 ANOVA 程序，根據(jù)不同磷素環(huán)境按無(wú)性系和氮處理分別進(jìn)行單因素和雙因素方差分析。計(jì)算苗木主要生長(zhǎng)和根系性狀的無(wú)性系重復(fù)力并且檢驗(yàn)驗(yàn)證。采用 SAS 的 CORR 程序，計(jì)算不同氮、磷處理下馬尾松無(wú)性系生長(zhǎng)、根系參數(shù)等性狀的相關(guān)性。

比根長(zhǎng) = 根系長(zhǎng)度/根系干物質(zhì)量 (cm/g)；

磷 (氮) 素吸收效率 = 整株磷 (氮) 吸收量(mg/plant)；

磷 (氮) 素利用效率 = 整株干物質(zhì)量/整株磷 (氮)素吸收量 (g/mg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬氮沉降對(duì)低磷脅迫下馬尾松無(wú)性系苗木生長(zhǎng)的影響

方差分析結(jié)果顯示，在兩種低磷環(huán)境下，5 個(gè)馬尾松無(wú)性系的苗高和干物質(zhì)積累量的遺傳差異均達(dá)到顯著或極顯著水平 (表 1)，在同質(zhì)低磷下，苗高和干 物 質(zhì) 積 累 量 的 變 幅 分 別 為 47.15～57.56 cm 和8.82～16.18 g，最大無(wú)性系分別較最小無(wú)性系高出22.08% 和 83.45%；異質(zhì)低磷下的變幅則分別為37.51～58.39 cm 和 8.87～17.70 g，最大無(wú)性系分別是最小無(wú)性系的 1.56 倍和 1.99 倍。馬尾松無(wú)性系的苗高和干物質(zhì)積累量在同質(zhì)低磷下的氮素效應(yīng)不顯著，但存在明顯的無(wú)性系 × 氮交互效應(yīng)；相反，在異質(zhì)低磷下的氮素效應(yīng)顯著，而無(wú)性系 × 氮的交互效應(yīng)不顯著 (表 1)。不同馬尾松無(wú)性系的苗高、干物質(zhì)積累量對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)有所差異。無(wú)性系 23-6的苗高和干物質(zhì)積累量在兩種低磷環(huán)境下均隨氮素濃度的增加而減小，其他無(wú)性系則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，其中，在同質(zhì)低磷下，干物質(zhì)積累量增加幅度排名前兩位的分別為無(wú)性系 33-4 (67.65%) 和 19-5 (25.82%)，而在異質(zhì)低磷下，增幅排名前兩位的無(wú)性系分別為 19-5 (57.38%) 和 19-4 (22.04%)(圖 1a)，苗高也表現(xiàn)出類(lèi)似的變化規(guī)律，即參試的 5 個(gè)馬尾松無(wú)性系中，19-5 無(wú)論在同質(zhì)低磷還是異質(zhì)低磷下均表現(xiàn)出對(duì)模擬氮沉降的正響應(yīng)，氮沉降下干物質(zhì)生產(chǎn)能力均顯著增加，而 23-6 在兩種磷素環(huán)境下的苗高、干物質(zhì)積累量均受到氮沉降的抑制效應(yīng)。

表1 馬尾松無(wú)性系生長(zhǎng)、根系參數(shù)及氮、磷效率的方差分析Table 1 F values of the two-way ANOVA analysis on major growth traits, root parameters and N and P efficiency of Pinus massoniana clone

2.2 模擬氮沉降對(duì)低磷脅迫下馬尾松無(wú)性系苗木根系發(fā)育和根分泌的 APase 活性的影響

模擬氮沉降不僅影響馬尾松地上部分的生長(zhǎng)，而且影響根系的發(fā)育和根分泌的 APase 活性，且不同無(wú)性系間差異顯著 (表 1)。比較分析發(fā)現(xiàn)，在兩種低磷環(huán)境下，干物質(zhì)積累量對(duì)模擬氮沉降 (即高氮)呈正響應(yīng)的無(wú)性系，其根系長(zhǎng)度和表面積在高氮下也具有顯著優(yōu)勢(shì) (圖 1a、b、c)。比根長(zhǎng)和根分泌的APase 活性對(duì)氮素的響應(yīng)因不同磷素環(huán)境有所差異，同質(zhì)低磷下，模擬氮沉降主要改變了根分泌的 APase活性，比根長(zhǎng)無(wú)顯著差異，異質(zhì)低磷下，比根長(zhǎng)受氮素濃度的影響較大 (表 1、圖 1d)。同質(zhì)低磷、高氮下，‘33-4’和‘19-5’等生長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)的無(wú)性系其根分泌的 APase 活性較高，如在高氮下的 APase 活性分別為 2.53 μg/(g·min) 和 3.86 μg/(g·min)，分別較低氮水平增長(zhǎng)了 150.50% 和 98.97% (圖 1e)。這表明在同質(zhì)低磷下，對(duì)氮素敏感的馬尾松無(wú)性系隨氮素濃度的增加，根分泌的 APase 活性逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)整株的生長(zhǎng)。異質(zhì)低磷下，馬尾松苗木根分泌的 APase活性受氮素水平影響較小，但比根長(zhǎng)具有顯著的無(wú)性系效應(yīng)和氮素效應(yīng) (P ＜ 0.05)(表 1)。例如，干物質(zhì)積累量在高氮下顯著增加的無(wú)性系 19-5，其比根長(zhǎng)較低氮顯著下降了 24.93%，低于同水平下其他無(wú)性系比根長(zhǎng)的值。與無(wú)性系 19-5 相反，無(wú)性系 15-1 在異質(zhì)低磷、高氮下的干物質(zhì)量較其他無(wú)性系最小，其根系長(zhǎng)度和表面積也較小，但比根長(zhǎng)較其他無(wú)性系平均高出 18.89% (圖 1d)。推測(cè)在異質(zhì)低磷、高氮下，生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)的無(wú)性系，其干物質(zhì)積累量不僅與根分泌的APase活性有關(guān)，還與根系在維持土壤中較大分布面積的同時(shí)，減少其自身內(nèi)部的消耗相關(guān)聯(lián)。

圖1 不同氮、磷處理下馬尾松無(wú)性系根系參數(shù)和分泌的酸性磷酸酶活性Fig. 1 Growth traits and root APase activity of Pinus massoniana tested clones in the four N and P treatments[注（Note）:柱上不同小寫(xiě)字母表示同一處理下不同無(wú)性系間差異顯著 (P ＜ 0.05) Different small letters above the bars indicate significant differences among the clones in the same nutrient treatment (P ＜ 0.05).]

2.3 模擬氮沉降對(duì)低磷脅迫下馬尾松無(wú)性系苗木磷效率的影響

在兩種磷素環(huán)境下，模擬氮沉降對(duì)馬尾松無(wú)性系磷吸收效率的影響，整體表現(xiàn)為促進(jìn)作用，但不同無(wú)性系反應(yīng)差異較大；磷利用效率受模擬氮沉降影響較小 (表 1、圖 2)。同質(zhì)低磷下，苗高、干物質(zhì)積累量在高氮下明顯增加的無(wú)性系 33-4 和 19-5，其整株磷吸收效率也顯著增大，分別較低氮增長(zhǎng)了38.92% (33-4) 和 16.78% (19-5)(圖 2)；在高氮下干物質(zhì)積累量顯著下降的無(wú)性系 23-6，其磷吸收效率在高氮水平下為 4.24 mg/plant，較低氮顯著下降了56.72%，顯著低于同水平下其他無(wú)性系的磷吸收效率。異質(zhì)低磷下，僅高氮下磷吸收效率最高、干物質(zhì)積累量最大的無(wú)性系 19-5，其整株磷吸收效率的增幅顯著高于其他無(wú)性系，如在高氮下的磷吸收效率為 16.95 mg/plant，約是其他無(wú)性系的 1.26 倍 (圖2)；干物質(zhì)積累量在高氮下降低的無(wú)性系 23-6，其磷利用效率反而顯著高于其他無(wú)性系，但磷吸收效率與其他無(wú)性系相比無(wú)顯著優(yōu)勢(shì)。這表明，與磷利用效率相比，磷吸收效率對(duì)無(wú)性系的生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累量的促進(jìn)作用更為明顯。

馬尾松無(wú)性系的氮效率與磷效率表現(xiàn)出類(lèi)似的變化趨勢(shì)。由圖 2 可知，馬尾松氮效率受模擬氮沉降的影響也較大，無(wú)性系 19-5 的氮吸收效率在同質(zhì)低磷、高氮下較對(duì)照的增幅達(dá)到 51.61%；在異質(zhì)低磷、高氮下的值為 153.78 mg/plant，約是其他無(wú)性系的 1.84 倍。相關(guān)性分析也得出，在不同處理水平下，磷吸收效率與氮吸收效率之間存在極顯著的正相關(guān) (表 3)(P ＜ 0.01)。馬尾松無(wú)性系的氮利用效率受氮素影響較小 (圖 2)。說(shuō)明氮素的增加可能提高了植株的氮吸收效率，進(jìn)而促進(jìn)植株對(duì)磷的吸收。

2.4 不同氮、磷條件下馬尾松無(wú)性系苗木生長(zhǎng)、根系發(fā)育及磷效率的重復(fù)力和性狀相關(guān)性

圖2 不同氮、磷處理下馬尾松無(wú)性系氮、磷吸收及利用效率的無(wú)性系間變異Fig. 2 Comparison diagram of different nutrients absorbed and used by the plants in the four N and P treatments.[注（Note）:柱上不同大寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著，不同小寫(xiě)字母表示不同無(wú)性系之間差異顯著 (α=0.05) Different capital letters above the bars indicate significant differences among different treatments and different small letters above the bars indicate significant differences among different clones within the same treatment (α=0.05).]

表2 不同氮、磷處理下馬尾松無(wú)性系生長(zhǎng)、根系參數(shù)及氮、磷效率之間的相關(guān)系數(shù) (r)Table 2 Correlation coefficients between the growth traits with root parameters, N efficiency and P efficiency

2.4.1 重復(fù)力 重復(fù)力表示為基因型方差與一般環(huán)境方差之和在表型方差中所占的比例，體現(xiàn)的是遺傳因素對(duì)植物生長(zhǎng)影響的強(qiáng)弱。由表 2 可知，在不同氮、磷處理下，馬尾松無(wú)性系苗高、干物質(zhì)積累量、根系長(zhǎng)度、根系表面積、磷吸收效率以及根分泌的 APase 活性的重復(fù)力絕對(duì)值均較高，且達(dá)到顯著或極顯著水平，說(shuō)明馬尾松不同無(wú)性系之間各性狀差異顯著，有選擇的必要和可能。但是根冠比的重復(fù)力水平較低，屬于低重復(fù)力性狀。在兩種低磷環(huán)境下，模擬氮沉降 (即高氮) 后，馬尾松無(wú)性系比根長(zhǎng)和磷利用效率的重復(fù)力增大，在異質(zhì)低磷、高氮下分別為 0.70 和 0.79，且達(dá)到顯著或極顯著水平。2.4.2 性狀相關(guān) 在兩種低磷環(huán)境下，無(wú)論是低氮還是高氮水平，馬尾松無(wú)性系的干物質(zhì)積累量與根系長(zhǎng)度、根系表面積及磷吸收效率之間均存在顯著或極顯著的正相關(guān)。其中干物質(zhì)積累量與根系長(zhǎng)度和表面積的相關(guān)系數(shù)平均達(dá)到 0.79 以上 (表 3)，這表明，通過(guò)增加根系在土壤中的分布面積，是馬尾松無(wú)性系適應(yīng)低磷脅迫、維持生長(zhǎng)的重要生物學(xué)機(jī)制。相關(guān)性分析得出，隨著氮素濃度的增加，馬尾松無(wú)性系干物質(zhì)積累量與根分泌的 APase 活性之間的相關(guān)性增強(qiáng)，在高氮下的相關(guān)系數(shù)為 0.53，且達(dá)到顯著水平 (P ＜ 0.05)。說(shuō)明在同質(zhì)低磷下，隨著氮素濃度的增加，馬尾松無(wú)性系的生長(zhǎng)受根分泌的APase 活性的影響更為顯著。異質(zhì)低磷下，隨著氮素濃度的增加，馬尾松無(wú)性系生長(zhǎng) (苗高、整株干物質(zhì)量) 與磷利用效率之間的相關(guān)性減弱，并在高氮下出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)，如馬尾松無(wú)性系的干物質(zhì)積累量與磷利用效率之間的相關(guān)系數(shù)為 -0.22 (表 3)。與同質(zhì)低磷相比，異質(zhì)低磷下，馬尾松無(wú)性系的生長(zhǎng)與根分泌的 APase 活性之間的相關(guān)性較弱，但與比根長(zhǎng)之間的相關(guān)性隨著氮素濃度的增加而增強(qiáng)。

表3 不同氮、磷處理下馬尾松無(wú)性系生長(zhǎng)、根系參數(shù)及氮、磷效率的重復(fù)力 (R)Table 3 Repeatability (R) of growth traits, root parameters and N and P efficiencies of Pinus massoniana in different P and N treatments

3 討論

與種子有性繁殖相比，無(wú)性系選育可有效利用加性與非加性遺傳效應(yīng)[28]。因此在無(wú)性系水平上進(jìn)行磷效率的遺傳改良，可獲得更高的遺傳增益[29]。本文有針對(duì)性地在同質(zhì)低磷和異質(zhì)低磷兩種低磷脅迫下，分別設(shè)置不同程度的模擬氮沉降試驗(yàn)，研究不同馬尾松無(wú)性系苗木生長(zhǎng)對(duì)氮素的響應(yīng)差異。結(jié)果表明，參試馬尾松無(wú)性系的苗高、干物質(zhì)積累量等磷效率相關(guān)指標(biāo)均存在顯著或極顯著的無(wú)性系變異，主要生長(zhǎng)指標(biāo)和根系參數(shù)的無(wú)性系重復(fù)力均較高，且在同質(zhì)低磷下，氮×無(wú)性系互作效應(yīng)顯著，揭示在大氣氮沉降背景下開(kāi)展馬尾松無(wú)性系磷效率遺傳改良的必要性和潛力。

研究證實(shí)，特定濃度氮素的增加有利于植物根系的增生發(fā)育[16,30]。在本研究的同質(zhì)低磷和異質(zhì)低磷條件下，氮素的增加均有利于馬尾松無(wú)性系根系長(zhǎng)度和表面積的增加。部分參試無(wú)性系的生長(zhǎng)勢(shì)在高氮下顯著增強(qiáng)，源于其根系長(zhǎng)度和表面積在高氮下的增長(zhǎng)幅度比其它無(wú)性系更高。相關(guān)性分析證實(shí)，馬尾松無(wú)性系苗木的氮、磷吸收效率與根系長(zhǎng)度及表面積之間存在顯著或極顯著的正相關(guān)。這表明在同質(zhì)低磷和異質(zhì)低磷條件下，氮素資源有效性的增加可以刺激馬尾松無(wú)性系苗木根系在土壤中的增生，進(jìn)而提高其對(duì)土壤中磷素的吸收效率，促進(jìn)馬尾松無(wú)性系苗木整株的生長(zhǎng)，這一結(jié)果與龐麗等[23]的結(jié)論類(lèi)似。比根長(zhǎng)是指單位質(zhì)量根系的長(zhǎng)度[31]，影響根系對(duì)土壤養(yǎng)分的獲取能力，是衡量根吸收和消耗比值的重要指標(biāo)[32]。本研究中，在異質(zhì)低磷下，干物質(zhì)積累量在高氮下顯著增大的無(wú)性系，其比根長(zhǎng)反而相對(duì)較小，說(shuō)明土壤中氮素有效性的增加會(huì)導(dǎo)致根 系 比 根 長(zhǎng) 的 下 降 ， 這 與 劉 金 梁 等[33]的 研 究 結(jié) 果 一致。但有學(xué)者認(rèn)為，比根長(zhǎng)較大的根系，其養(yǎng)分的吸收效率 較高[31,34]，這與 本 研究結(jié) 果 不同， 這 可能是由于在異質(zhì)低磷脅迫下，構(gòu)建和維持單位長(zhǎng)度馬尾松苗木根系消耗的成本 (碳水化合物) 較大的緣故。綜上所述，根系增生發(fā)育的適應(yīng)性變化能力是異質(zhì)低磷、高氮環(huán)境下決定馬尾松無(wú)性系變異的重要生物學(xué)基礎(chǔ)，生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)的無(wú)性系通過(guò)增加根系在土壤中分布面積的同時(shí)，降低自身內(nèi)部消耗，從而增加其干物質(zhì)積累能力，形成較高的磷效率。不同氮、磷條件下，馬尾松根系長(zhǎng)度和表面積的變幅及無(wú)性系重復(fù)力均較高，也進(jìn)一步證實(shí)了選育具有理想根形態(tài)和磷高效馬尾松無(wú)性系的改良潛力。

當(dāng)土壤磷素匱乏時(shí)，植物體內(nèi)以及根系會(huì)向胞外分泌一種誘導(dǎo)酶 (APase)[35]，根分泌的 APase 活性的適應(yīng)性變化能力是低磷脅迫下決定植物磷效率的重要生理機(jī)制之一。本研究所設(shè)置的同質(zhì)低磷條件下，模擬氮沉降后，生長(zhǎng)勢(shì)明顯增強(qiáng)的無(wú)性系 (33-4 和19-5)，其根分泌的 APase 活性顯著高于其他無(wú)性系。相關(guān)性分析結(jié)果得出，同質(zhì)低磷下，隨著氮素濃度的增加，馬尾松無(wú)性系干物質(zhì)積累量與根分泌的 APase 活性之間的相關(guān)性增強(qiáng)，且達(dá)到顯著水平。分析認(rèn)為，土壤中磷素的相對(duì)匱乏程度不僅取決于磷素本身，也與氮素以及氮、磷化學(xué)計(jì)量比有關(guān)，氮素濃度的增加導(dǎo)致原有低磷土壤中有效磷相對(duì)水平更低，使得馬尾松無(wú)性系的生長(zhǎng)受磷素匱乏的限制更嚴(yán)重，在這種極端情況下，生長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)的無(wú)性系，其根分泌的 APase 活性增強(qiáng)，可以促進(jìn)其對(duì)土壤中磷素的活化吸收，從而更好耐受低磷脅迫。而龐麗等[23]認(rèn)為根分泌的 APase 活性的增加并不能改變同質(zhì)低磷下馬尾松整株的生長(zhǎng)，與本研究結(jié)果不一致。這可能是由于本試驗(yàn)中所設(shè)置的高氮水平中氮素濃度更高，進(jìn)而提高了根系分泌 APase的必要性及效益，促進(jìn)了馬尾松整株的生長(zhǎng)。

磷吸收效率和利用效率對(duì)于植物生長(zhǎng)的相對(duì)重要性，一般因植物種類(lèi)或基因型不同而有所差異[4,9]。梁霞等[36]認(rèn)為磷高效杉木 (Cunninghamia lanceolata) 無(wú)性系具有較高的磷素吸收效率和利用效率。而磷高效種源馬褂木 (Liriodendron chinense) 則表現(xiàn)出較強(qiáng)的磷吸收效率，與利用效率之間的相關(guān)性不強(qiáng)[37]。本研究發(fā)現(xiàn)，磷吸收效率對(duì)馬尾松無(wú)性系干物質(zhì)積累量的促進(jìn)作用更為突出，相關(guān)性分析也證實(shí)，在異質(zhì)低磷下，馬尾松無(wú)性系的生長(zhǎng)與磷素吸收效率之間存在顯著或極顯著的正相關(guān)，而與磷素利用效率之間的相關(guān)性則較弱，甚至達(dá)到負(fù)相關(guān)。結(jié)合前人的研究結(jié)果[22-23,30]，可認(rèn)為在高氮、低磷環(huán)境下，馬尾松幼苗植株的高效生長(zhǎng)主要受磷素吸收效率的影響，這有異于種源實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]。在種源試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)低磷環(huán)境下，馬尾松種源的磷利用效率參數(shù)差異較大，說(shuō)明磷素利用效率可以反映種源的磷效率大小。推測(cè)這可能是由于模擬氮沉降改變了低磷土壤中的原有磷素相對(duì)水平，進(jìn)而改變了馬尾松無(wú)性系的磷素吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)，使得磷素吸收效率在不同無(wú)性系間差異較大。由于氮沉降是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步的觀測(cè)及分析，以期更客觀地揭示氮沉降下，磷素吸收利用對(duì)馬尾松無(wú)性系苗木生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)理。

4 結(jié)論

1) 在兩種低磷環(huán)境下，馬尾松無(wú)性系的磷效率指標(biāo)在無(wú)性系間變異顯著，不同無(wú)性系對(duì)氮沉降的響應(yīng)存在差異，因此，在大氣氮沉降背景下選育磷高效優(yōu)良無(wú)性系具有較大的潛力和可行性。

2) 在不同類(lèi)型低磷脅迫環(huán)境下，馬尾松無(wú)性系應(yīng)對(duì)氮沉降的適應(yīng)機(jī)制有所差異。同質(zhì)低磷環(huán)境下，馬尾松無(wú)性系通過(guò)提高根分泌的 APase 活性來(lái)增強(qiáng)根系對(duì)土壤中磷營(yíng)養(yǎng)的活化、吸收利用能力；異質(zhì)低磷環(huán)境下，則主要以增加根系在土壤中的分布面積，同時(shí)降低自身內(nèi)部消耗來(lái)促進(jìn)植株的生長(zhǎng)。

3) 馬尾松無(wú)性系的干物質(zhì)積累量與磷吸收效率呈顯著正相關(guān)，而與磷利用效率相關(guān)性不顯著。因此，在開(kāi)展馬尾松磷效率的遺傳改良時(shí)，應(yīng)充分考慮馬尾松根系對(duì)土壤中難溶態(tài)磷的獲取能力。

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Responses of phosphorus efficiency to simulated nitrogen deposition under phosphorus deficiency in Pinus massoniana clones

SONG Ping1, ZHANG Yi2, ZHANG Rui1, ZHOU Zhi-chun1*, FENG Zhong-ping3
( 1 Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry/State Forestry Administration Engineering Research Center of Masson Pine/Zhejiang Provincial Key Laboratory of Tree Breeding, Fuyang, Zhejiang 311400, China; 2 College of Forestry, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling, Shanxi 712100, China; 3 Laoshan Forest Farm, Chun’an, Zhejiang 311700, China )

【Objectives】This paper focused on how nitrogen (N) deposition impacts growth of different clones of Pinus massoniana under phosphorus (P) deficient soils. The results could formulate the breeding strategy of P. massoniana under N deposition. 【Methods】Taking five representative clones of P. massoniana which were cultivated for one year from full-sib progenies as test materials, a pot experiment was conducted to investigate variations of growth, root morphology and N/P efficiency in response to simulated N deposition under bothhomogeneous low P stress (low P level in all soil layers) and heterogeneous low P stress (high P level in the topsoil and low P level in the bottom soil), respectively. 【Results】1) Large variations were detected in seedling height and dry matter accumulation among the P. massoniana clones under both the homogeneous and heterogeneous low P stress, moreover, significant clone and N interaction effect was detected in the homogeneous P deficiency. 2) The adaptive mechanism to the N deposition was different under different types of low soil phosphorus. Under the homogeneous low-P condition, the adaptive responses of root length (RL), root surface area (RSA) and APase activity were present in clones with strong growth vigor by simulated N deposition such as "33-4" and "19-5", while it was not observed in clones with weak growth vigor. Meanwhile, the correlation between dry matter accumulation and APase activity was enhanced by the simulated N deposition. Under the heterogeneous low-P condition, RL and RSA were significantly improved by the simulated N deposition, while the special root length (SRL) was decreased, thus having the greater ability for nutrition absorption and having lower consumption. 3) The P absorption efficiency (PAE) of P. massoniana clones was significantly affected by the nitrogen deposition and showed a significant positive correlation with nitrogen absorption efficiency (NAE) under different N and P conditions (P ＜ 0.01). It indicated that the nitrogen deposition could increase the P mobilization and uptake of P. massoniana clones under the P deficiency. In contrast, there was no significant effect on P use efficiency (PUE). 4) The amplitudes of variations of dry matter accumulation, RL, RSA and APase were wider and the repeatability (R) of these traits exceeded 0.75 (P ＜ 0.05), respectively. 【Conclusions】Our results revealed the possibility of selecting clones with optimal root morphology and active APase was increased for wood production of P. massoniana under the low-P and high-N conditions.

Pinus massoniana; clone; phosphorus deficiency; nitrogen deposition; phosphorus efficiency

2016-03-24 接受日期：2016-05-16

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD01B02）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31370671）；浙江省農(nóng)業(yè)新品種選育重大科技專(zhuān)項(xiàng)竹木育種協(xié)作組項(xiàng)目（2012C12908-12）資助。

宋平（1990—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事林木營(yíng)養(yǎng)遺傳研究。E-mail:songping_hzau@163.com

* 通信作者 E-mail:zczhou_risf@163.com