杉木低磷胁迫响应研究进展

梁 龙，胡德活，晏 姝，郑会全，王润辉，韦如萍*

(1.肇庆市国有大坑山林场，广东 肇庆 526400；2.广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520)

在植物正常生长和代谢过程中，磷是必需的大量元素之一，参与了很多重要代谢过程，磷素供应的减少，会使植物代谢延缓，生长发育受阻。植物生长发育过程中所需磷素有90%以上来自土壤，并主要以无机磷为主。然而土壤中大部分的无机磷极易被固定，形成非可溶态磷酸盐，使得土壤有效磷浓度降低到仅为1～10×10mol/L，远远不能满足植物正常生长发育所需，因而，生长介质中的有效磷含量成为制约植物产量的主要因素之一。

杉木()是我国重要的速生工业用材树种，也是我国南方商品林基地建设的重要支撑树种，在我国长江流域、秦岭以南地区广泛栽培。杉木栽培区的土壤以红壤和黄壤为主，土壤淋溶作用强，盐基饱和度低，酸度大，铁、铝氧化物丰富，土壤中大部分磷素以非可溶态形式存在，而植物能吸收利用的有效磷浓度常低于10 mg/kg，是典型的“遗传学缺磷”土壤。土壤的低磷环境已成为杉木人工林长期生产力维持的关键养分供应限制因子，如何解决杉木长期多代连作造成的土壤养分亏缺并防止人工林产量的降低，是我国杉木产区所面临的重要问题。为此，探析杉木磷胁迫响应机制，挖掘杉木磷高效利用基因型和开展磷素高效利用育种已成为众多学者的研究热点之一。已有的研究表明，低磷胁迫下，杉木植株的生物量累积和分配格局、根系形态构型、酸性磷酸酶活性、内源激素含量、蛋白质表达等均发生了一系列的适应性变化。本文从表观形态、生理生化、分子机制等角度入手，对低磷胁迫下杉木发生的系列适应性变化进行总结，以期为杉木磷素高效利用品系选育提供参考。

1 低磷胁迫下杉木的形态响应特征

植物根系的形态变化与土壤养分分布有密切关系。低磷胁迫下，为了活化和吸收利用土壤磷素，通过改变根系形态和根系构型以扩大根系吸收范围是植物根系在形态学上的应对机制之一。低磷胁迫常导致大多数植物的根直径变细、侧根和根毛密度增高、根冠比增大、形成植物—菌根真菌的共生体或排根等特异性根形态。对杉木无性系扦插苗和组培苗的研究表明，相比正常供磷处理，低磷胁迫下杉木的苗高和地茎生长减小，地上部生物量积累降低，根长、根表面积及根体积增加，平均根直径变小，根冠比增大，这些形态变化在不同无性系间存在显著差异。究其原因可能是长时间的低磷胁迫会引起机体代谢紊乱，使碳水化物的合成和运输受到阻碍，进而对植株地上(茎和叶)和地下部分(根)的生长均造成不利影响；其次是在自身遗传特性和外界环境条件的共同影响下，植物根系会产生多样化的形态和生理响应，且其响应特征会因植物种类或基因型的不同而差异显著。研究还表明，杉木磷高效无性系的根系干物质累积量、根系总体积、根系总表面积、根系总长度等均高于磷低效无性系，而且磷高效利用无性系的细根比例显著增加。

低磷胁迫还会导致杉木根尖和根端皮层组织溶解形成通气组织，但不同家系间存在一定差异。汪攀研究表明，随着低磷胁迫程度的加剧，根系皮层组织形成明显通气组织的杉木家系，其苗高、地径呈逐渐增加的变化趋势，而根系皮层溶解不明显或尚未出现溶解现象的家系，则随着低磷胁迫程度的加重，根系增生现象更为明显。对杉木2个半同胞家系的苗木进行3个月的供磷和缺磷胁迫盆栽试验，在距根尖40～45 mm的根段中发现，杉木幼苗根皮层通气组织的形成在家系和供磷水平之间均有显著差异，其中，根皮层通气性较强的家系其根长、根表面积和根径的增长量较小，根皮层通气组织与平均根径和根表面积的增长量呈现出显著的负相关关系。此外，对杉木根系细胞壁活化铁磷的能力研究还表明，杉木的根径级、组织部位及林龄等因子对其根系细胞壁活化铁磷的影响均较显著，在同一个根径级内，从木质部和韧皮部中提取出的细胞壁组织对铁磷的活化能力大小排序为：老龄林(34年生)>中龄林(22年生)>幼龄林(10年生)，并以根径级小于 10 mm 的根系对铁磷的活化能力最高，且根系韧皮部细胞壁的活化能力明显高于木质部。

叶片性状是植物适应环境能力以及复杂生境下自我调控能力的重要形态反映。与正常供磷处理相比，在低磷胁迫下大豆()的叶面积和新叶发生率分别减少67%和43%，原因可能是低磷胁迫对细胞分裂素具有不利影响进而抑制了叶表皮细胞的扩展。比叶质量是一个反映植物功能的重要结构参数，也是反映植物环境应对策略的重要指标，与叶片年龄、单位干物质的氮、磷含量以及单位干物质的最大光合能力等密切相关。为此，比叶质量值已被作为包括磷素营养胁迫在内的植物耐(非)生物胁迫能力的重要评价指标。目前，低磷胁迫下杉木叶片的适应性变化尚未见到报道。

低磷胁迫下植株形态学的响应特征，已被作为杉木磷素高效基因型筛选的评价依据。吴鹏飞利用低磷胁迫下杉木形态和生理指标的差异表现，从21个参试杉木无性系中筛选出2个磷素高效利用杉木速生基因型，在磷素匮乏环境中它们能保持较高的生物量累积速度和磷素利用效率。梁霞等利用类似的方法，从8个扦插繁殖的杉木无性系中筛选出1个磷素吸收和利用效率均较高的无性系，2个磷素吸收效率较高和1个磷素利用效率较高的无性系，并认为低磷胁迫条件下，杉木无性系可通过形态和生理的适应性变化以提高磷素吸收和利用效率进而提高对环境磷素的利用。

2 低磷胁迫下杉木的生理响应特性

植物根系可以直接吸收的是土壤溶液中的无机正磷酸盐，但土壤中磷素的形态主要分为非可溶态无机磷和有机磷。据估计，土壤中的磷素大部分以铁磷、铝磷和钙磷等非可溶态无机磷形式存在，占60%～80%，植酸磷、磷脂和核酸磷等非可溶态有机磷占20%～40%。通常情况下，这部分的磷源很难被植物直接吸收利用。植物主要通过根际微生物或强化根系质子释放量、有机酸分泌量、酸性磷酸酶活性(分泌量)及其他化合物的分泌等生理措施来直接或间接地活化土壤中这部分固定态磷源，进而改变土壤中可溶性有效磷的供给，提高植物对土壤磷的获取能力。

根系质子的释放主要是为了维持植物体内的电位平衡。为了平衡过量的阳离子吸收引起的电荷差，由根系质子释放所介导的根际酸化过程，对植物获取土壤中非可溶态磷源具有非常重要的作用。大量研究表明，根系有机酸分泌量的增强是植物对低磷环境的适应机制之一。研究表明，低磷胁迫可促使杉木根系有机酸的分泌和根际质子的释放，以活化土壤中的固定态磷源。在缺磷条件下，杉木种源1年生幼苗根系主要增加草酸、酒石酸、柠檬酸和苹果酸的分泌，随缺磷胁迫程度的增加，分泌量也逐渐增加，但不同种源的杉木有机酸的分泌量和种类不同。梁霞的研究显示，低磷胁迫下，杉木无性系扦插苗培养液中质子释放量有所提高，而且随着胁迫时间的延长和胁迫程度的加重，质子释放量的增加幅度越大，但不同杉木无性系的变化幅度存在差异，表明低磷胁迫下，杉木无性系可通过增加根系质子释放量引起根际酸化进而提高对土壤磷素的吸收能力。

Wu等还研究了竞争强度、供磷水平、竞争时间对杉木插条的生长及根尖有机酸含量和类型的影响，指出低磷处理和竞争强度导致根系体积明显增加，两者的交互作用显著提高了根尖有机酸浓度，在缺磷和低磷处理(6 mg/kg KHPO)第50天到150天内，根尖有机酸的种类呈逐渐减少趋势，在两个供磷处理(6、12 mg/kg KHPO)的根尖中检测到柠檬酸，但在缺磷处理中未检测到。进一步研究不同杉木家系在不同供磷处理下根系 H流变化规律可知，在缺磷处理和中度缺磷(0.5 mmol/L KHPO)处理3 d内，两个杉木半同胞家系幼苗的根系处于H释放状态，在短期应激反应后H流由外排转变为吸收，表明低磷胁迫下杉木幼苗根系H外排是一种应激反应，在酸性培养环境中，不同杉木家系会通过H内流来适应低磷胁迫。

植物内源激素是植物体内自身代谢产生的新陈代谢的调控者，与植物的应激反应以及形态学的适应性变化有着密不可分的关联性。植物体内激素平衡的改变可能与根系构型的改变及干物质在根系与地上部分之间分配比例的改变有关。对棉花 ()、小麦()的研究表明，组织器官内生长素和细胞分裂素的含量和分布受到氮、钾等养分供给状况的显著影响。相似的，磷的缺乏也使杉木内源激素发生相应变化。在低磷胁迫下，杉木家系幼苗根系的细胞分裂素含量明显降低，但生长激素和脱落酸的含量明显增加，而且不同磷素利用效率的杉木家系内源激素含量与幼苗生长性状间有不同的相关性，如细胞分裂素含量与低磷素利用效率和高磷素利用效率家系的根冠比分别呈显著正、负相关性，这可能与不同磷素利用效率的杉木家系幼苗在低磷环境下根系皮层组织溶解并释放磷营养的能力有关。汪攀指出，在低磷胁迫条件下，根尖和根端皮层形成明显通气组织的杉木家系，其根系的生物量、磷素含量、磷素累积量均逐渐减少，植株地上部生物量、全株磷利用效率则逐渐增加；而根系皮层溶解不明显或尚未出现溶解现象的家系，则通过根系增生以维持较高的磷素利用效率。

光合作用是植物体最基本的生理过程，为植物生命活动和物质代谢提供原料、能量和碳架，也是作物产量和其他生物生存的基础。低磷胁迫下，植物生长发育受抑制的一个决定因素在于，磷对参与C、C植物光合作用的酶，如核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)及其相关过程(如淀粉、蔗糖合成)的影响。当叶绿体中同化物的生产超过了磷酸糖的输出时，叶绿体基质中磷水平即降低，这种底物的降低抑制了类囊体膜中ATP合成酶活性，减少了Rubisco，导致低磷胁迫下植株叶片中的ATP和NADPH含量明显下降，进而降低了碳同化作用及整个光合作用。此外，研究还表明，不同磷素效率基因型植物其光合作用受低磷胁迫的影响不同。对杉木无性系扦插苗的研究表明，低磷胁迫下扦插苗的叶绿素含量、净光合速率均明显下降，且下降幅度随胁迫程度的加重而增大，同时，暗呼吸速率呈增加趋势，CO补偿点增大，光呼吸速率增加，说明土壤磷素供应不足严重影响了杉木无性系扦插苗的光合作用，且光合特性的变化在不同无性系间存在差异。

3 低磷胁迫下杉木的分子响应机制

植物在低磷胁迫条件下发生的形态、生理生化等方面的适应性变化，是由众多低磷胁迫响应基因协调表达的结果。研究显示，磷效率属于多基因控制的数量性状，目前已经鉴定的参与感知生长介质中磷酸盐状态和调整适应机制的调节基因网络主要包括了转录因子、SPX(Syg1、Pho81、XPR1)亚家族蛋白、非编码RNA和蛋白修饰物(包括参与SUMO化、磷酸化、去磷酸化以及蛋白运输的各种蛋白)等。Li等以1个磷素高效杉木无性系为材料，对低磷胁迫和正常供磷处理根组织转录组进行测序，共获得3416个差异表达基因，其中607个获得KEGG通路注释，涉及206条代谢通路，这些差异表达基因可能与糖酵解/糖异生、光合作用、碳固定、酸性磷酸酶、磷转运蛋白等相关基因密切相关，并获得53个与磷代谢、磷吸收和转运有关的差异表达基因。赵中华以1个耐低磷杉木无性系为材料，获得了其针叶响应低磷胁迫的差异蛋白图谱，并指出随着缺磷胁迫处理时间的延长，差异表达的蛋白点显著增加，低磷胁迫第10天时，其差异表达的蛋白点为103个，这些差异表达的蛋白质间可能形成了信号传递网络以及互作体系，并对杉木细胞的光合作用、物质代谢等过程进行共同调控。

通常情况下，土壤中可溶性磷浓度为1～10×10mol/L，而植物细胞中磷浓度为5～20×10mol/L，是土壤中可溶性磷浓度的1000倍以上。可见植物对土壤磷素的获取方式，主要是一个由磷转运蛋白介导的逆浓度梯度的跨膜主动运输过程。在植物中，转运蛋白按照序列相似性可划分为H/Pi共转运家族(Pht1家族)和Na/Pi共转运家族(Pht2家族)两类。近年来，在水稻()、拟南芥()等多种植物中相继获得了高亲和磷转运蛋白基因，同时研究结果还证明了每个物种基因组中磷转运蛋白基因是一个含有不同数量成员的基因家族。张颖以1个杉木磷高效利用无性系为试验材料研究指出，杉木基因具有高度保守的MYBCC结构域，是属于MYBCC转录因子家族的新成员；随着低磷胁迫程度的增加和胁迫时间的延长，基因的表达呈现出动态的变化规律；在对过表达株系幼根中的磷转运蛋白基因的表达进行分析发现，基因对;、;、;与;的表达具有正调控作用，对;、;的表达不具有调控作用。苏烁烁使用RACE技术克隆获得一个杉木磷转运蛋白基因，命名为;；该基因与PHT1家族基因表达特征相同，主要在杉木的根部表达，并在不同磷利用效率的杉木家系中表达量存在较大差异；在缺磷胁迫下，;基因的表达量明显升高，正常供磷后表达量明显降低，且胁迫程度越髙，表达变化越明显。

植物磷转运蛋白基因的表达会受到转录水平和蛋白质水平的协同调控。对拟南芥、水稻、棉花等多个植物的研究表明，低磷胁迫下，参与调控植物根系生长的转录因子主要包括MYB家族、bHLH家族和WRKY家族等。类似的，在低磷胁迫下杉木根系的生长发育过程中，可能也受到了这些转录因子家族成员的参与调控。曾铭等以杉木无性系“洋061”为材料，从供试杉木苗中提取出原生质体并进行1、3、6、12、24 h 的低磷处理，通过转录组数据分析，鉴定出44个杉木基因序列并分为3个大亚家族，发现亚家族中每组成员都包含保守域及不同的锌指结构，进一步的qRT-PCR结果显示，在低磷胁迫下、、、这4个基因可能参与了杉木耐受低磷胁迫的调控过程，但具体调控机理尚不明确。

4 低磷胁迫下杉木—菌根真菌共生体特征

形成植物—菌根真菌共生体系也是植物适应低磷胁迫的主要机制之一。大约80%的陆生植物能被菌根真菌侵染形成共生关系，在生长介质有效养分亏缺的状况下，菌根真菌可以有效促进共生植物对养分的吸收。研究表明，菌根真菌的侵染可刺激植物根系分泌酸性磷酸酶，提高根际土壤酸性磷酸酶活性，从而促进植株对土壤磷素的活化和吸收，但其分子机制尚不明确。此外，植物与菌根真菌的共生还加强了不同植物间的相互联系。与菌根真菌共生之后，植物—真菌—土壤三者之间的联系网络得以建立，不同植物之间的联系，可以通过菌丝与土壤养分的竞争实现，还可以通过菌丝网络进行信号传导和养分物质的传递和交换。目前，对低磷胁迫下杉木—菌根真菌共生体的研究尚处于起步阶段，尚未见到从低磷胁迫下杉木植株中分离、提取、研究内生真菌的相关报道，已有的少量研究仅集中在外源添加内生真菌菌株对低磷胁迫下杉木植株形态生理指标的影响。研究表明，低磷胁迫下杉木幼苗分别接种无柄盘菌属sp.(NG1)，毛霉属sp.(CG5)，拟青霉属-sp.(AJ6)，丝葚霉属sp.(AJ14)，青霉属sp.(AJ13) 5类内生真菌菌株后，苗高、地径、叶绿素含量、叶绿素荧光参数和值较对照组明显提高，而随着低磷胁迫程度的加重，根际和非根际土壤酸性磷酸酶活性明显提高，表明内生真菌对低磷胁迫下的杉木生长、光合作用及根际和非根际土壤酸性磷酸酶活性有明显的促进作用，但不同菌株间的促进效果存在差异。此外，艾如波等研究还发现，分别接种NG1、CG5、AJ6、AJ14、AJ13 5类内生真菌，均能显著提高低磷胁迫下杉木幼苗的超氧化物歧化酶活性，其中AJ6、AJ14菌株还能有效提高幼苗的可溶性蛋白质含量。表明接种适合的内生真菌可在一定程度上缓解低磷胁迫对杉木植株的伤害，保护植株正常生长，但其相应的分子机制尚不明确。

5 展望

杉木作为我国南方特有的传统速生用材树种，林地大部分分布在酸性红黄壤区域，土壤有效磷含量欠缺已成为限制杉木生长发育和产量的关键因子，为此杉木营养高效利用育种，尤其是杉木磷素高效利用品系选育研究一直备受关注。已有的研究大多集中在杉木人工林施肥、培育和遗传育种，以及低磷胁迫下幼苗的根系形态构型、胁迫生理响应、土壤养分维持等方面。但随着分子生物学技术的发展，从分子水平解析杉木的磷酸盐转运过程和低磷胁迫响应机制或将会受到越来越多学者的关注。但现有的研究，多是基于模式植物拟南芥，农作物玉米、大豆、水稻等的研究基础上开展的，而且多数研究只限于初步探索或是对已有相关研究结果的进一步验证。此外，由于低磷胁迫对非模式植物的影响并非都与模式植物拟南芥相同，如玉米、水稻等作物的主根生长在低磷胁迫下不仅不受抑制，反而有所伸长，表明低磷对植物根系生长的调控网络非常复杂，整个过程中有转录因子、蛋白激酶、细胞扩张蛋白等一系列基因参与调控。基于此，建议今后重点在以下几个方面开展相关研究，主要包括低磷调控杉木磷转运子的分子机制、低磷胁迫下杉木根系形态构型变化的分子机理、杉木根系活化利用非可溶态磷的分子机制(如杉木根系有机酸合成和分泌的分子机制、杉木分泌酸性磷酸酶参与活化有机磷的分子机制)、杉木—内生真菌共生体的特性及其对低磷胁迫的响应机制等，以期更深入地解析杉木磷素吸收利用的分子机制，筛选和培育出磷素高效吸收利用的杉木优良品系，推动杉木营养和遗传育种研究的持续发展。