Linking root structure to functionality: The impact of root system architecture on citrate enhanced phosphate uptake
摘 要：
根系分泌柠檬酸对磷酸盐的溶解很重要。簇状根系通过分泌柠檬酸增强对磷的吸收，这表明根系构型（RSA）通过柠檬酸的分泌增加根系对磷的吸收中起着重要作用。
小麦根系的时间分辨计算机断层扫描图像被用作 3D 柠檬酸-磷酸盐溶解模型的几何形状。柠檬酸增加磷的吸收与根系形态学相关，以确定哪种根系构型能获得最大的吸收效率。
本试验观察到11 种根系构型通过分泌柠檬酸增强对磷的吸收变化很大。根系表面积是最主要的吸收磷的性状，但不能解释是因为分泌柠檬酸而增加磷的吸收。根尖分泌的数量与柠檬酸增加磷的吸收密切相关。紧密靠近的根尖可能共同分泌大量柠檬酸，导致柠檬酸增加磷吸收的延迟峰值。
根系构型在柠檬酸增加磷的吸收率中起着重要作用。根系的单一形态学参数不能完全解释柠檬酸盐增强磷吸收的变化。具有许多根尖的根系能够提高分泌柠檬酸的量进而增强磷的吸收效率。实验上难以量化柠檬酸对磷吸收增强的贡献，因为根系表面积的变化会掩盖柠檬酸的作用。
研究背景
磷（P）被认为是植物所需的关键大量营养素之一 。土壤中的磷往往以结合态存在，限制了磷的有效性，不能被植物直接吸收。溶液与土壤固定的磷的比率（称为缓冲能力）通常用于衡量土壤中磷的有效性，并且磷含量通常很高。因此，农作物很难在不大量施肥的情况下获得必需的P，以提高产量。通常，在生长期中，每年生产 10 吨 ha-1 生物量的农作物需要30 kg ha-1的磷。
通常在最佳的养分和水分条件下培育农作物以促进高产。这是由地上性状决定的，但对地下性状产生负面影响。例如，研究表明，为高肥力土壤培育的植物已经失去了与菌根真菌建立共生关系的能力，这对于在恶劣条件下获取磷很有利。 植物地下特征在缺养分/水条件下至关重要。随着气候变化导致更多的极端干旱和洪灾，育种者需要在次优条件下选择高产品种。了解根系构型（RSA）特性的功能将为我们如何改善农作物育种以抵御气候变化造成的土壤变化提供重要的信息。 但是，与地上性状（例如谷物）不同，由于根/土壤结构，化学，生物学的复杂性以及对土壤中的根进行可视化的困难，因此很难分配和测量根性状的功能。
在自然条件下，植物已经进化出各种性状，以减轻不稳定的磷供应。根系分泌的有机酸阴离子（例如柠檬酸或草酸）可以降低土壤 pH 值，从而促进土壤磷物质的溶解。而且，根系分泌的有机酸可以使吸附在土壤颗粒上的磷移动，从而增加植物对磷的吸收。局部增加的磷溶解作用有利于植物吸收有效磷，有助于农民减少施肥量，从而减少了淋溶损失。但是，有机阴离子对植物吸收有效磷的贡献存在疑惑。Duputel等 （2013年）发现添加柠檬酸既可以增加也可以减少有效磷，这取决于土壤类型。Gerke 等（2000a）发现，要显著增加磷酸盐的溶解度，就需要每克土壤中含有超过 10 微摩尔的柠檬酸含量。在缺磷的营养液中生长的油菜根的柠檬酸渗出率为 1.2037×10-6 µmol s-1 m-1。此外，一项结合实验和模型的研究发现，根系向1 g 干重的土壤中分泌柠檬酸的单一模型不会增加根系对磷的吸收。 就根系碳成本而言，浓密的根系具有低的 P 吸收效率，因为彼此紧邻的根系争夺相同的 P 供给。密集根系累积的有机酸渗出可以弥补磷吸收效率的降低，被称为促进作用。但是，已有研究发现柠檬酸分泌的累积对降低的P吸收效率的缓解作用取决于相邻植物根际之间的重叠程度。Oburger 等（2011年）认为，与簇状根形成物种不同，大多数农作物只能分泌少量至中等量的有机酸，使柠檬酸-磷酸盐增溶在农业中的重要性受到质疑。兰伯斯等（2006）提出簇根物种在高度风化的土壤中由于其特殊的形态学和生理学而非常成功。显然，RSA 与有机酸分泌有关，它可能在增加磷酸盐的溶解过程中起作用。 考虑 RSA（或其他结构）的建模技术可能是将几何形态与功能相结合的有用方法。Tron et al. （2015年）使用了根系增长模型和土壤-水分模型，确定哪些根系性状对于耐旱性很重要。在某些干旱条件中，不同的 RSA 会更有利于植物存活，突出了 RSA 在讨论植物功能时的重要性。Landl 等（2019）使用耦合的根系生长模型和水分吸收模型来确定生物孔对 RSA 和水分吸收的作用。Schnepf 等（2012年）使用根系生长模型对 RSA 通过分泌柠檬酸增强植物对磷吸收的影响进行了建模，因为他们的建模工作与当前的范围相似，因此我们在讨论部分中强调了本研究与其之间的差异和相似点。 基于图像的建模是一种使用图像在模型中构造几何形状的技术，是一种考虑实际几何及其功能的强大建模方法。Koebernick 等（2017）使用基于图像的模型来确定根毛是否改变了养分的有效扩散和根际土壤的水力连通性。他们发现野生型大麦的根际土壤与无根突变体之间没有差异。明确考虑几何形状并不总是必要的；Daly 等（2018）发现一个简单的平均吸水模型（使用根长密度参数表示不同的 RSA ）预测的吸水量在基于图像模型的 2％ 范围内，该模型使用了从 X 射线计算机断层扫描（XCT）中提取的真实3D RSA 数据。但是，简化模型没有捕获基于图像的模型中看到的非均质水分布。 需要注意的是在 Daly 等人（2018）的简化模型中，根系表面积参数是直接从 XCT 数据中计算得出的，以使平均模型与基于图像的模型具有可比性。 目前，由于难以量化根系，根系分泌物（Oburger＆Jones，2018）和同时测量磷的吸收，因此难以评价 RSA 影响柠檬酸的分泌从而增加磷吸收效率的科学问题。本研究旨在将 RSA 形态与柠檬酸分泌和磷酸盐释放所产生的磷联系起来。弄清了许多与柠檬酸分泌有关的 P 吸收量的矛盾关系。具体而言，我们旨在使用数学模型来量化 RSA 对柠檬酸分泌的影响增强了磷的吸收。这是通过扩展 McKay Fletcher 等人（2019b）的实验参数模型来实现的。 来自 11 个时间分辨 XCT 扫描的 RSA 被用作基于图像建模的几何构型。不断增长的 RSA 既分泌柠檬酸又吸收 P。在土壤中，柠檬酸被认为可以促进磷酸盐的溶解。在高磷低缓冲液（高磷）和低磷高缓冲液（低磷）两种土壤磷条件下，比较了根分泌和非根分泌的磷吸收量，以分别确定柠檬酸在高肥力土壤和低磷土壤中分泌的影响。我们假设 RSA 在根系分泌柠檬酸增强磷的吸收中起重要作用，而根尖的毗邻程度是重要特征。RSA 的几何测量与柠檬酸分泌相关的 P 吸收增加相关联，以鉴定柠檬酸分泌对 P 吸收有益的重要根系特征。此外，对于最浓密的 RSA，使用高 P 条件和增加的柠檬酸分泌速率对模型进行求解，以研究高柠檬酸浓度对 P 吸收动力学的影响。 首先，比较高磷土壤在分泌和非分泌柠檬酸情况下的磷吸收率。在低磷土壤中，柠檬酸吸收速率与 RSA 进行了比较；柠檬酸浓度显示在土壤平面上；在 RSA 之间比较累积的柠檬酸增加磷吸收，并与根尖总数和体积相关。最后，研究了柠檬酸分泌速率的增加对增加磷吸收的演变过程。图 4 显示了在高 P 情况下，比较每个根系的分泌模型和非分泌模型中根在时间上对 P 吸收率的差异。根系表面积的增加与 P 吸收速率密切相关（图 4），在高 P 条件下所有 RSA 上的 PCC 为 0.955。
图 1：发芽 12 天后，X 射线计算机断层扫描提取了根系构型。左列显示在砂壤（LS）中生长的小麦根系，右列显示在粘土（CL）中生长的小麦根系。数字表示重复数。
尽管在低磷条件下磷的吸收率仍与根系表面积密切相关（数据未显示，所有 RSA 和时间的 PCC 均为 0.9583），但柠檬酸对磷吸收率的贡献更为明显。图 5 显示了三种土壤条件对三种 RSA的磷吸收增加百分比的比较。在高 P 情况下，在 11 个 RSA中，分泌和非分泌情况之间的总吸收 P 差从未超过 0.2％（这种变化在方法的数值误差范围内）。 由图 4 可知，分泌（线）和不分泌（星号）情况几乎没有差异。相反，在低磷条件下，早期时间点和 RSA 的摄入量可增加 5％ 以上（图 5）。在图 5 和图 6 中，由于跨 RSA 的柠檬酸以及低磷情况下的生长状态，百分数增加存在很大差异。例如，在图 6 中，CL3 中柠檬酸的最大吸收达到最大10％，而 LS1，CL1 和 LS3 从未达到 5％ 以上。这一切都表明 RSA 是根系分泌柠檬酸导致 P吸收增加的重要因素。图 3：每个根系构型和时间点的增长率。通过在每次扫描中找到最深的根，减去前一次扫描中最深的根，然后除以时间差，即可计算出增长率。
图 4：柠檬酸分泌对高磷土壤中磷吸收速率的影响。在分泌（蓝线）和无分泌（蓝星）的情况下，整个12天模拟期内根系构型的磷吸收率。 根系表面积不能解释低磷条件下柠檬酸增加磷的吸收；柠檬酸提高 P 吸收速率与根系表面积之间的相关性为-0.07。 根尖数分泌的 PCC 为 0.39，由于柠檬酸引起的 P 吸收率增加，而平均根尖间距离的 PCC 为 0.09。 PCC 没有捕获柠檬酸增强磷的吸收与平均根尖间距之间的关系。柠檬酸高吸收的时期平均根尖间距低（图 7）。当根尖非常接近时，柠檬酸浓度的正干扰可以解释这一点。图 8 显示了在 CL4 RSA 萌发后12、24 和 48小时，位于根系深处的二维平面上溶液中柠檬酸的浓度。 在图 8a 所示的 12 h 时，根尖非常靠近，在它们之间有一个柠檬酸浓度高的区域（大于土壤溶液的 6 µmol l-1）。直到后来（图 7中 1.5 天的 CL4 ），在土壤中 P 的移动减缓之后，才能看到该区域中溶解的 P 对植物的益处。在图 8b 中，24 h 时，根尖距离越来越远，正干扰也较少。到 48 小时（图 8c），只有紧邻根部的土壤区域具有较高的柠檬酸浓度，这说明柠檬酸的减少会在 2 天后增强磷吸收，如图 7 CL4 所示。图 5：在高磷（左栏）和低磷高缓冲土（右栏）条件下柠檬酸增强磷吸收的比较。对于 CL3，LS3 和 LS5 处理，蓝线显示了由于柠檬酸分泌引起的磷吸收率增加的百分比。根系表面积以橙色虚线绘制。
图 8：CL4 根系在二维平面上的柠檬酸浓度。 a）在x-y平面上 4 毫米深度显示12 小时，b）在x-y平面上以 8 毫米深度显示 24 小时和 c）在x-y平面上以 16 毫米深度显示 48 小时的柠檬酸浓度。 选择平面深度作为给定时间的根尖位置。
图 10：根系体积和根尖总数对柠檬酸增加磷吸收的影响 低磷土壤中每个根系构型基于分泌的柠檬酸归一化磷的吸收累积，可见，RSA 之间的巨大差异，这归因于 RSA 形态的变化 （图 9）。 此外，从第 2 天到第 6 天，每单位分泌的柠檬酸的植物保持额外较高的磷吸收，且在时间上保持相似的较低值（图 9）。 无柠檬酸分泌的情况下（图 11 红线所示），最初，植物迅速生长到土壤中增加了 P 的吸收速率。一旦 RSA 停止生长，土壤中的有效磷就会耗尽，除了从较高磷浓度的区域扩散以外，没有其他补给途径，因此磷吸收速率会缓慢降低。在柠檬酸分泌量较高的情况下，磷的吸收速率发生了相反的变化（图 11）。磷的吸收增加至一个明显的最大值，然后随着根系生长的减慢，由于柠檬酸的分泌减少和柠檬酸的生物降解，磷的吸收迅速降低。在柠檬酸分泌量最高的情况下（图 11 中的黄线），根系在初始生长期吸收了足够的P，由于土壤中的 P 含量低，在 150 小时吸收速率低于无柠檬酸分泌的情况。当柠檬酸分泌速率从 0 增加到 21.2 µmol m-2 s-1时，根系表面积的 P 吸收率的 PCC 从 0.98 降低到 -0.15，而柠檬酸分泌速率的 P 吸收率的 PCC 从 -0.1 增加到 0.44；这说明由于柠檬酸的分泌而不是根系生长成为磷吸收的主要机制。 根系性状功能的测量对于植物育种者研发在次优条件下表现良好的作物品种很重要。但是，通过实验测量根系功能可能很困难。我们的方法允许仔细控制柠檬酸的分泌，以评估 RSA 影响柠檬酸分泌增加磷吸收的效应。本研究发现，根系构型在柠檬酸分泌的磷吸收中起着重要作用。 根尖的数量与柠檬酸增加磷吸收相关，且根尖间距缩小的时期与柠檬酸增加磷吸收的时期相吻合。 总之，簇状的根会从柠檬酸的分泌中大大受益。 缺乏通过柠檬酸大规模测量磷的溶解度并不意味着缺乏柠檬酸会增加磷的吸收。这是未来的实验设计需要考虑的重要因素。https://doi.org/10.1111/nph.16554注：本文翻译仅限于作者的个人理解，难免存在一定的误解（请忽略哈），读者可根据原文仔细斟酌，欢迎批评指正！
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