植物根系适应低磷胁迫的整合分析、案例研究和模型模拟

The acclimative changes in root morphological and physiological traits play a key role for the acquisition of sparingly soil phosphorus(P). It is vitally important for crop production and high-efficient use of soil P to understand these acclimations, to clarify the trade-off between root morphology and physiology and to evaluate their contribution to P uptake. In this proposal, research was developed from three different perspectives of meta analysis, case study and model simulation. First, meta analysis is performed with an extensive literature search and data collection in an attempt to reveal the overall pattern(size and direction) and variations among plant taxa. Second, root morphological and physiological parameters of six representative species(maize, wheat, soybean, chickpea, rape and yellowcress) are acquired by pot experiments. The coordination pattern between them and P acquisition strategies are explored using the statistical methods of principal components analysis and multivariate regression. Third, model parameters related to soil, roots and water transportion are acquired through pot experiments to simulate the rhizosphere P dynamics and P uptake of maize and soybean, and to evaluate the contributon of model parameters to P uptake with an application of nutrient uptake mechanistic model. The results of the project will provide a theoretical and pratical foundation for exploiting the biological potential of roots, exploring?the sparingly soil P and improving P use efficiency.

植物根系形态和生理适应性对土壤难溶性磷的获取具有至关重要的作用。理解这种适应性，阐明两者之间的协调关系以及评价它们对磷吸收的贡献，对作物生产和磷高效利用具有十分重要的意义。本项目从整合分析、案例研究和模型模拟三个层面展开研究：(1)通过搜集已发表的文献数据，采用整合分析，揭示根系形态和生理适应低磷胁迫的普遍规律及其在植物类群间的变异模式；(2)通过盆栽试验，获取6个代表性种类(玉米，小麦，大豆，鹰嘴豆，油菜和蔊菜)的根形态和生理特征参数，辅之以主成分分析和多元回归分析方法，探明植物根形态和生理之间的协调模式以及土壤磷素资源获取策略；(3)通过盆栽试验，获取关于土壤特征、根系形态和生理以及土壤水分运移等15个模型参数，运用养分吸收机制模型，模拟玉米和大豆的根际磷动态和对磷的吸收，评价模型各参数对磷吸收的贡献。研究为充分利用根系生物学潜力，挖掘土壤难溶性磷，提高磷利用效率提供理论和现实依据。

植物根系形态和生理适应性对土壤难溶性磷的获取具有至关重要的作用。理解这种适应性，阐明两者之间的协调关系以及评价它们对磷吸收的贡献，对作物生产和磷高效利用具有十分重要的意义。本项目从三个层面展开研究：植物适应低磷胁迫的根系形态和生理反应的整合分析；不同植物种类根系形态与生理协调性和磷资源获取策略研究；植物根系形态和生理对磷吸收相对贡献的模型模拟研究。主要研究结果见下：1.整合分析结果表明，低磷胁迫使植物的总干重、苗干重、根干重、总根长、根际pH分别减少了43.1%，44.69%，18.39%，51.57%和3.91%；相比之下，根苗比、比根长、酸性磷酸酶活性和有机酸分泌分别增加了39.29%，33.66%，72.88%和76.99%。与单子叶植物相比，双子叶植物的生物量和总根长对低磷胁迫具有更为明显的负效应，有机酸分泌具有明显的正效应；菌根植物的总根长和根表面积具有明显的负效应，但非菌根植物的酸性磷酸酶活性和有机酸分泌具有明显的正效应；与非固氮植物相比，固氮植物的总根长和根表面积对低磷胁迫具有更为明显的负效应，但其有机酸分泌对低磷胁迫有明显的正效应。单子叶植物和菌根植物对低磷胁迫具有更强的耐受性。2.磷有效性在很大程度上能够调节不同作物种类的生物量累积与分配、根形态特性和根生理特性。与其它5个种类相比，小麦和窄叶羽扇豆干物质累积对低磷胁迫响应不敏感，表明这两个种类对低磷胁迫具有较强的耐受性。在充足磷供应条件下，玉米和小麦采用以根形态适应为主的磷资源获取策略；鹰嘴豆采用以根生理适应为主的磷资源获取策略；其他4个作物种类兼具根形态和生理适应主的磷资源获取策略。多元回归分析表明，根形态对作物地上磷吸收具有44.1%的相对贡献，而根生理对磷吸收具有55.9%的相对贡献。3.模型模拟结果表明，玉米和大豆磷吸收模拟值呈现指数曲线增长的趋势，玉米具有比大豆更高的磷吸收。模拟值和实测值比较发现，NST模型能够较好地模拟玉米对土壤磷的吸收，但对大豆磷吸收的模拟值偏低。回归分析结果表明，磷吸收模拟值和实测值存在显著的回归关系（P<0.05），模拟磷吸收解释了实测磷吸收70.22%的信息，说明模拟的磷吸收在很大程度上能够代表2个种类的磷吸收。NST模型能够很好地模拟玉米和大豆的磷吸收。研究结果对于强调通过分析根形态和生理参数来理解根形态和生理可塑性之间“此消彼长”的关系具有重要的意义。