【论文】植物根系磷酸酶与细根性状经济空间

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本文字数：1360字

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研究背景

磷(P)是植物生长不可或缺的关键元素之一，参与到如核酸、磷脂与酶等多种生命物质的合成。研究表明植物通过根系仅仅可以直接吸收土壤中的无机态磷。相对而言，这种不稳定的无机磷只占土壤磷库较小的一部分，尤其是在土壤风化严重的湿润气候区域(如热带与亚热带地区)，而以有机态形式存在的磷通常占土壤总磷的30%至60%以上。植物可以通过调节根系结构与功能以更加有效地获取土壤磷，其中一个尤为重要的策略就是合成并分泌磷酸酶。

细根磷酸酶作为植物根系的一个关键生理性状(功能)，它与其它根系性状之间的关系仍不清晰，而且以往相关的研究多是基于群落水平。近年来，细根养分获取策略的研究得到了长足的发展，越来越多的来自于区域或者全球尺度的证据表明，细根性状之间的协同与权衡关系并不像叶片那样可以提炼为一个一维的“快-慢”经济型谱，而是一个多维的性状空间。受限于研究手段等，以往关于细根性状综合征的研究多基于传统的根系化学与形态方面的特征，而与根系功能直接相关的生理性状往往被忽略。

材料与方法

本研究基于多维细根性状经济空间的概念框架，以云南普洱亚热带季风常绿阔叶林20个树种为研究对象，探讨了植物细根磷酸酶与其它细根性状之间的关系，以及细根性状、植物养分与土壤养分三者如何影响物种间细根磷酸酶的变异。

结果&讨论

总体上，由1级根到3级根，磷酸酶活性呈逐渐下降的趋势，分别为1.44–14.90 μmol g^-1 h^-1，1.13–11.60 μmol g^-1 h^-1和1.09–9.45 μmol g^-1 h^-1(图1)。三个根序平均而言，红叶木姜子的细根磷酸酶活性最低(2.20 μmol g^-1 h^-1)，而隐距越桔最高(10.25 μmol g^-1 h^-1)，树种之间呈现出较大的变异。系统发育分析表明，细根磷酸酶表现出显著的系统发育信号，樟科和木兰科的树种呈现较低的细根磷酸酶活性。

图1 细根磷酸酶(1-3级根)

通过Pearson相关性分析与线性回归分析，细根磷酸酶与直径(RD)和菌根真菌侵染率(RMC)呈显著的负相关关系，而随着比根长(SRL)、比根表面积(SRA)和分枝强度(BI)的增加显著增加(图2a)。采用主成分分析(PCA)的手段将细根性状之间的协同与权衡关系可视化，发现细根性状之间的关系可以整合为两个正交的维度，即RD-SRL轴(协作维度)和RTD-RNC(氮浓度)轴(保守维度)，它们可以解释超过70%的细根性状变异，这与Bergmann等(2020, Science Advances)在全球尺度的研究结果一致(图2b,c)。细根磷酸酶对植物来说，是一个获取型性状(Acquisitive trait)，且与协作维度有着更紧密的关联。进一步地，结构方程模型与方差分解分析的结果均表明，细根性状是解释根系磷酸酶种间变异的关键因素(图3)。

图2 细根性状经济空间

图3 细根性状、植物养分与土壤养分对细根磷酸酶的影响

小结

细根磷酸酶是植物磷获取策略的关键组成部分，在多维细根性状经济空间中，不同于依赖共生的菌根真菌，细根磷酸酶是植物获取土壤磷的一种主动策略(do it yourself)。总的来说，这些多样化的磷获取策略能够促进亚热带森林生态系统不同树种之间的共存。

本研究于2021年12月7日以“Root phosphatase aligns with the collaboration gradient of the root economics space”为题在线发表于New Phytologist期刊上。北京大学地下生态学研究组2018级博士生韩孟光为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者。其他合作作者还包括北京大学博士生陈迎，硕士研究生李瑞、于淼和付粱晨，中国林业科学研究院高原林业研究所李帅锋研究员和苏建荣研究员。本研究受到国家自然科学基金委项目(31988102)的资助。

作者简介

韩孟光，北京大学地下生态学研究组2018级在读博士生，主要从事细根生理生态、根际效应与土壤碳循环等方面的研究。近年来在Global Change Biology、New Phytologist、Soil Biology and Biochemistry、Catena等期刊发表了多篇论文。

编辑 丨 王旭东

审核 丨 朱彪

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