马尾松感知异质低磷胁迫的根构型和磷效率研究

发布时间：2018-03-17 12:17

本文选题：马尾松　切入点：种源　出处：《中国林业科学研究院》2012年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：马尾松是我国分布面积最广的树种之一，适应性广泛、速生丰产性强、材性优良、非木质产品丰富，支撑着我国造纸、木材加工、林产化工等产业发展。然而我国南方森林酸性红壤中有效磷匮乏严重，磷素贫瘠和地力衰退已严重影响了该区域的马尾松人工林的持续高产经营。虽然目前已开展了马尾松等树种的磷效率遗传改良，然而相关研究几乎都以土壤养分呈均质分布为前提开展，却忽视了森林土壤养分呈高度异质性分布的普遍现状；同时，有关氮素养分信号、光照、种间竞争等环境因子对林木根构型及磷素营养效率的影响，研究报道较少。本论文分别选取马尾松一代种子园优良自由授粉家系、马尾松三代控制授粉家系、马尾松不同种源、以及马尾松高磷效率种源内的不同家系为实验材料，设置同质低磷胁迫、异质低磷胁迫等不同类型低磷胁迫的模拟盆栽实验，揭示不同马尾松基因型和生态型分别适应不同类型低磷胁迫、促进根系磷素吸收和生物量积累的生物学机制，明确氮素养分信号、种间竞争及光照对磷效率变异的影响模式，以期为选育和推广马尾松磷高效优良基因型提供重要理论依据和指导。主要研究结果如下： 1.不同类型低磷胁迫下马尾松家系的根构型和磷效率变异在同质低磷胁迫和异质低磷胁迫下，主要磷效率指标表现出显著的家系变异，且家系遗传力均较高，证实开展马尾松磷效率的遗传改良具有极大潜力和必要性。在同质低磷和异质低磷胁迫下，磷高效家系分别为‘3201’、‘1217’和‘5910’、‘1217’。在同质低磷胁迫下，高磷效率马尾松可通过整体根系的增生发育产生较为发达的根系，促进植株的P营养吸收和干物质生产能力。在异质低磷胁迫下，根构型的适应性变化是决定马尾松磷效率家系变异的重要生物学基础，磷高效家系将通过根系空间构型变浅使根系在表层富磷介质显著增生，从而增加其磷素吸收效率和干物质生产能力，形成较高的磷效率。相反，低磷效率的家系，其根系空间构型的适应性变化能力较低，根系在富磷表层介质适应性增生发育较少，导致磷素吸收效率较小，磷效率和干物质积累量也较低。与磷利用效率相比，磷素吸收效率对于马尾松家系磷效率的贡献较大。不同类型的低磷胁迫环境和马尾松家系磷效率之间存在显著的互作效应，因而在开展磷效率遗传改良时，应充分考虑并利用这种互作效应，有针对性地为不同磷营养特性的马尾松主产区选育和推广理想的磷高效马尾松优良种质。 2.低磷胁迫下马尾松不同种源的根构型和磷效率研究无论是在异质低磷还是同质低磷下，不同种源的性状和磷效率指标均存在这极显著的种源间变异，其中，广东信宜和福建武平为磷高效种源，广西岑溪和浙江淳安为磷低效种源。与磷效率的家系变异的生物学基础类似，根构型的适应性变化是异质低磷胁迫下决定马尾松磷效率种源变异的重要生物学基础，磷高效种源将通过根系空间构型变浅使根系在表层富磷介质显著增生，从而增加其磷素吸收效率和干物质生产能力，形成较高的磷效率。在异质和同质低磷胁迫下，磷效率最高种源（广东信宜）的干物质积累量分别是最低种源（浙江淳安）的2.1倍和2.0倍。与家系水平的变异相比，马尾松在种源水平的营养性状变异更大，因此在种源上进行磷效率改良的潜力较大。 3.磷高效马尾松种源内磷效率的家系变异及苗期-大田回溯相关分析进一步研究揭示，在磷高效的广东信宜马尾松种源内部，，各家系之间也存在显著的磷效率遗传差异，其苗高、地茎、干物质积累量等主要磷效率指标在家系间的变异均达到显著或极显著水平，且家系遗传力达到0.70以上。这一结果揭示，在马尾松高磷效率优良种源内部进一步发掘并充分利用磷效率的家系变异，选育磷高效优良家系具有较大的潜力和可行性。低磷胁迫下，参试的9个马尾松家系中185，337，33和67家系表现较好，其苗高、地径和干物质积累量，以及根系参数和主要磷效率指标都明显优于其他家系。通过对各家系根系参数的分析认为，整体根系参数的适应性变化是磷效率和生物量形成的决定性因素。通过苗期-大田生长回溯相关分析发现，通过马尾松家系的苗期磷效率指标，能较好地预测大田生长条件下马尾松的树高等生长性状。不过，苗期生物量与材积性状仅达到0.10水平相关（p0.1），表明苗期盆栽试验-大田生长回溯相关的程度尚有进一步提高的必要。 4.低磷胁迫下根际氮素信号对马尾松磷效率和根构型的调控以马尾松三代控制授粉家系子代为试验材料，研究根际氮素养分信号对低磷下根系发育及磷效率的影响和调控，并揭示马尾松根系分泌酸性磷酸酶活性与磷效率的关系。在施加外源氮素养分时，氮素和磷素存在显著的交互作用：在磷素极度匮乏的异质低磷胁迫下，马尾松根系对根际氮素不敏感，氮素对马尾松生长的影响较小。而在异质低磷胁迫和高磷环境下，马尾松根系发育对氮素较为敏感，根际氮素可作为信号因子调节和促进部分马尾松基因型的根系形态的发育，并改善和提升马尾松磷素营养效率。根据这一研究结论，结合当前大气氮沉降日益加重的现状，应加强选育对氮素养分信号敏感的马尾松磷高效基因型，以提高氮沉降背景下马尾松的磷效率和低磷贫瘠立地上的生产力。研究揭示无论同质低磷还是异质低磷胁迫，都对马尾松根系分泌APase活性产生诱导作用。随着低磷胁迫程度的加剧，各家系APase活性呈逐渐升高的趋势，揭示低磷胁迫下马尾松APase活性的适应性增加，是其适应同质和异质低磷胁迫，高效获取磷素并提高磷效率的重要机制。比较分析发现，无论在同质还是异质低磷胁迫下，马尾松三代控制授粉家系与一代自由授粉家系相比，其磷效率指标和干物质积累量都得到较大提升，说明经过三代遗传改良后，马尾松对同质低磷胁迫和异质低磷胁迫的适应能力得到了显著地提高。在同质和异质低磷胁迫下，三代控制授粉家系的磷效率存在显著的家系变异，揭示在马尾松三代子代内开展磷效率遗传改良的必要和潜力。 5.重要环境因子（竞争、光照）对马尾松根构型及磷效率的影响与重要阔叶树种木荷相比，马尾松对异质低磷胁迫的适应能力更强、磷效率更高。进一步分析表明，异质低磷胁迫下马尾松在富磷表层介质的根系分布比例较高，这导致了马尾松具有较高磷素吸收效率和磷效率。种间竞争对马尾松和木荷的影响模式，与其所处的磷素养分环境有关，在异质养分环境下，马尾松根系保持了在富磷表层介质的较高分配比例，因而保持了较高竞争优势。在同质低磷胁迫下，马尾松磷效率较低，而木荷的种间竞争进一步降低了马尾松的主要生长性状与磷效率。与马尾松相反，木荷适应同质低磷胁迫的能力较强，在同质低磷胁迫下根系发育和磷素吸收利用具有显著优势，种间竞争将增加木荷对同质低磷胁迫的适应能力与磷效率。根据这一结果，在马尾松-木荷混交人工林中施肥时，应针对马尾松和木荷采用不同施肥策略：针对马尾松应集中施肥以促成异质养分环境、促进马尾松根系发育和生长。而针对木荷，则应均匀施肥以获得最佳的促进生长效果。遮阳将显著降低马尾松苗高、地径和干物质量，证实了马尾松是喜阳树种。进一步研究揭示，马尾松对光照条件的依赖与磷素养分环境有关，在低磷胁迫下马尾松对光照的依赖程度更高，遮阳对马尾松磷效率的降低幅度更大。根据这一结论，在磷素匮乏的立地上尤其应注意对马尾松人工林保持充分的光照，以提高马尾松磷素养分吸收和利用效率。无论在高磷还是低磷环境下，遮阳对木荷生长的影响不显著，证实木荷属于耐阴性植物，具有较好的耐荫蔽能力。
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【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S791.248

【引证文献】