氮沉降对毛竹响应低磷胁迫的影响及其机制研究

Moso bamboo (Phyllostachys edulis) grows very fast and can efficiently sequester carbon, and has became an important forest resource and economic contributor in mountain area of south China. Bamboo is mainly distributed in the subtropical China where the soils are subjected to heavy phosphorus (P) deficiency in soil and increasing atmospheric nitrogen (N) deposition, which severely affects bamboo forest production and ecological function. How does Moso bamboo respond to P deficiency? How does N deposition impact this response? What is the underling mechanism? Our understanding on these scientific questions is still limited. Here, We intended to set up experiments to estimate the responses of Moso bamboo to P deficiency, N deposition as well as their interaction, to clarify the underlying mechanism via measuring root characteristics, root exudates, P transport protein transcriptome, mycorrhiza, soil physicochemical property, soil microbe and enzyme activity, photosynthesis, chlorophyll fluorescence and root-shoot ratio. The potential to increase Moso bamboo productivity and sequestrate carbon under the backgroud of growing atmospheric N deposition will also be estimated. This project will not only contribute to improving the productivity of Moso bamboo forest, but also provide the comprehensive understanding on ecological benefits of N deposition as well as a new perspective in facilitating the sound development of bamboo forest industry in China.

毛竹生长迅速、固碳能力强，是我国重要的森林资源和南方山区重要的经济支柱。毛竹主要分布的亚热带地区土壤磷素严重缺乏，同时也面临着日益严重的大气氮沉降。毛竹如何响应低磷胁迫？氮沉降对这种响应会产生何种影响？作用机理是什么？这些关键科学问题仍不清楚。本项目拟通过低磷和模拟氮沉降及其交互影响的受控实验，研究毛竹对广泛存在的低磷胁迫的响应，以及日益增强的大气氮沉降对这种响应的作用，并从根系特征及其分泌物、磷转运蛋白转录组、菌根、土壤理化性质、土壤微生物和土壤酶、光合生理、叶绿素荧光特征、根冠比等生物和土壤因素角度揭示毛竹响应低磷胁迫以及氮沉降作用的内在机理，探讨大气氮沉降日益增强的背景下提高毛竹生产力和固碳功能的潜力。研究结果可为提高毛竹林的生产力和生态固碳功能提供科学依据和指导，为全面认识氮沉降的生态效应、促进我国竹产业的健康发展提供新的视角和参考。

土壤磷环境关系着植物的生长发育，而近年来植物还面临着大气氮沉降的不断加剧，探明不同磷状况下植物对氮沉降的响应具有重要意义。本研究通过盆栽控制实验模拟构建差异性土壤磷水平和大气氮沉降条件，从根系特征及其分泌物、磷转运蛋白转录组、菌根、土壤微生物和理化性质、光合生理、叶绿素荧光、根冠比等生物和土壤因素角度揭示毛竹响应低磷胁迫以及氮沉降作用的内在机理。研究结果表明，缺磷使实生苗株高、地径、叶面积与总生物量等均显著减小，而根冠比显著增大1.40倍，土壤微生物多样性显著提高；模拟氮沉降后，多数生长性状均受到氮素的促进作用，但加速低磷竹苗老枝上衰老叶的凋落。低磷苗木的磷吸收效率（PAE）显著降低70.8%，新生茎、叶磷再吸收率（PAE）分别显著下降60.2%、26.9%，而磷利用率（PUE）显著增大1.34倍，磷损失率（PLR）显著上升54.9%。模拟氮沉降对不同土壤磷环境下的苗木光合生理和养分生理均有一定的促进作用，促进PAE和PUE的提高。此外，低磷刺激根系与新生叶酸性磷酸酶（APase）活性显著提高，模拟氮沉降进一步增加低磷土壤APase活性，而对新生叶APase活性起显著抑制作用，导致低磷苗木新叶内含无机磷与脂磷含量均显著减少，低磷土壤Ca2-P与Al-P含量分别显著下降77.4%、60.4%。受模拟氮沉降影响，不同土壤磷环境下土壤微生物多样性和无机磷含量均呈显著下降趋势，低磷组脂磷显著上升，核酸态磷下降显著；低磷组Ca2-P与Al-P较无氮沉降处理均显著增加。对低磷与低磷高氮处理的根系总RNA进行高通量测序，筛选到低磷高氮/低磷表达上调基因2766个，下调基因1483个，对上调基因功能富集得到14个基因与细胞磷饥饿调控显著相关。综合显示，短期模拟氮沉降对低磷胁迫竹苗的生长具有补偿效应。实生苗通过外部加速老枝衰老叶的凋落，提高土壤APase活性；内部提升PUE，优化磷组分分配比例，并表达上调14个根系细胞磷饥饿相关基因，最大化磷素吸收与利用。研究结果为全面认识氮沉降的生态效应、促进我国竹产业的健康发展提供新的视角和参考。