支撑竹子高速生长的根系拓扑学基础

Bamboo is one of the most rapid growing plants on the earth,with its growing trait known as "bamboo shoots after a spring rain". The cell division and elongation in the intercalary meristem consumes a large amount of water and nutrients, of which the absorption strongly depends on the bamboo root system. Therefore, the bamboo root system plays a crucial role in supporting its rapid growth. Root topology are characterized by its distribution pattern in soil, so they determine the use efficiency of soil resources (water and mineral nutrients).In view of this, we choose a monopodial species (Phyllostachys pubescens) and a sympodial species (Dendrocalamopsis oldhamii) as materials for the study on root topology related to its rapid growth. With the methods of soil culture and field experiment,   the morphological and geometric parameters index is to be measured of the root system of bamboo seedlings in different growth stages, and the linkage pattern of its root axis and root segment is to be analyzed. Based on this, the topological characteristics and its variation in different growth periods will be presented. With the treatments of water, N and P supply in different levels, and the analysis of root topological parameters and aboveground growth for these bamboo, the adaptive mechanism is expected to be explored of the relationship between its rapid growth and the high efficient uptake of water and nutrients, as well as root topological characteristics. The root topology response to water and mineral nutrition supply is also to be revealed, which will be of great importance for elucilating the root biology mechanism related to its rapid growth of bamboo plants.

竹类植物是地球上生长最快的植物之一，其“雨后春笋”的高速生长需要消耗大量的水分和养分，而水分养分的吸收严重依赖其根系，因此竹子根系和土壤水分养分有效性是支撑其高 速生长的关键因素。根系拓扑学特征表现为其在土壤中的分布格局，从而决定了植物利用土壤资源（水分和矿质营养）的效率。鉴于此，分别选择散生竹毛竹和丛生竹绿竹为材料，分别采用土培控制实验和野外试验方法，测定不同生长阶段幼竹根系形态指标和几何学指标，分析根轴、根段连接格局，获得其拓扑学特征及其在不同生长时期的变化；通过不同水平水分、N和P 供应处理，研究分析幼竹根系拓扑结构及地上生长的响应；通过在自然条件下差异化立地选择和人工干旱处理，探索不同生境下竹类植物根系拓扑学的适应性变化及其与竹笋—幼竹生长的适应机理，对阐明支撑竹类植物高速生长的根系生物学机理具有科学意义，对竹林经营和土壤管理具有实践意义。

根系是连接植物与土壤的枢纽，是吸收土壤水分和养分的器官，同时，根系会随着环境的改变而发生适应性变化，即具有一定的可塑性。研究植物根系结构和构型对土壤养分和水分的异质性分布的适应，对于植物品种选择和林分土壤水肥管理具有重要科学意义。本项目以毛竹（Phyllostachys edulis）为研究对象，并增加杉木（Cunninghamia lanceolata）、马尾松（Pinus massoniana）进行比较研究，研究了根系生长及拓扑结构对水分、养分的响应，分析在不同水分、养分条件下植物根系的形态建成和觅养策略，探究根系可塑性与植物生长、养分积累和光合产物分配方式之间关系。.研究显示，在干旱胁迫下，毛竹通过降低根直径、分形维数和分枝角度、增加根系拓扑学指数、比根长和根中NSC浓度来应对干旱。在局域供养下，毛竹的根系可塑性与杉木类似，但高于马尾松。局域供氮和局域氮加磷对养分富集区毛竹根系生长有显著的促进作用，毛竹增加了养分富集区的根系，同时也增加了养分缺乏区的根系。在养分斑块中，毛竹降低了养分富集区和养分缺乏区根系的建成成本，使根系以较少的碳成本投入迅速占据更广阔的土壤空间，与杉木和马尾松也不同。毛竹根系的可塑性与其根系中的NSC浓度的改变密切相关，其形态可塑性很大程度上得益于其生理敏感性。这一发现对研究根系可塑性的生理机制，提高土壤空间利用效率具有重要意义。N添加对毛竹根系构型的影响不显著，P添加降低了初期毛竹根的分枝角度，降低毛竹根系拓扑指数，并加速了毛竹根系发育但没有最终影响毛竹的发育程度。.干旱胁迫诱导的毛竹代谢图谱在三个生长阶段是相对一致的。具体表现在大多数响应的代谢产物在干旱胁迫下表现出积累，包括花青素、糖苷、有机酸、氨基酸、糖和糖醇。参与干旱胁迫反应的潜在代谢途径主要包括氨基酸代谢和糖代谢途径。在三个生长阶段中发现了五种常见的反应代谢途径，包括亚油酸代谢、萜-醌生物合成、酪氨酸代谢、淀粉和蔗糖代谢以及异喹啉生物碱生物合成。该项研究为毛竹在干旱胁迫下的代谢响应机制提供了新的见解。