Plant Soil | 磷限制森林中植物更普遍分泌根系羧化物:叶片锰的启示

文摘   Science   2024-06-21 08:18   澳大利亚  

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严理
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Hans Lambers
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发表时间2024.06.19


原文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-024-06791-8


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森林生态系统在全球碳循环、生物多样性保护和可持续资源管理中发挥着重要的作用,而了解这些生态系统内的营养动态对于有效管理和保护至关重要。在必需营养元素中,磷 (P) 通常会限制植物生长,特别是在中国南方普遍存在的高度风化土壤中。为了应对土壤磷的限制,植物进化出了各种适应性策略,例如释放根系分泌物,特别是羧酸盐和磷酸酶,以增强其从磷贫瘠土壤中获取磷的能力。
调查和量化磷限制下森林生态系统中的根系分泌模式有助于了解养分循环过程和优化森林管理实践。然而,由于直接测定森林中植物的根系分泌物并非易事,不同森林生态系统的植物根系分泌模式在很大程度上是未知的。

成熟叶片中的锰 (Mn) 浓度,作为评估植物获取磷的根系分泌物的替代指标已被广泛认可。在缺磷条件下,某些植物会增加其根系羧酸盐的渗出,羧酸盐分泌的增加会增强植物对土壤颗粒中磷和锰的解吸,使其更容易进入植物根部。由于缺乏专门的锰转运蛋白(与铁和其他元素共享),植物对锰吸收的调控并不严格,从而使成熟叶片中锰元素的积累可以表征其在土壤中的可用性。

中国南方森林生态系统中植物的根系分泌物、叶片锰浓度和磷限制之间的相关性缺乏全面的研究。在亚热带森林中进行的研究表明,根系分泌物是根系的主要功能性状之一,并在很大程度上受土壤磷有效性和菌根类型的影响。然而,磷限制下森林生态系统中不同物种根系分泌物释放的普遍程度仍有待探索。更多的科学问题,例如某些植物是否始终表现出高水平的根系羧化物而不受土壤磷的调控?根系羧酸物是否表现出匹配植物生活型的特定趋势?

在这项研究中,我们评估了中国北部(甘肃)和南部(广西)不同土壤类型和不同磷有效性的森林。收集了来自188 个科的植物成熟叶片和土壤样品,并使用鳞毛蕨科物种(Dryopteridaceae)作为阴性对照,分析叶片锰浓度并作为植物根系羧酸盐的代表。

结果表明:尽管中国北方森林的土壤Mn浓度更高,但中国南方磷限制下森林的叶片Mn浓度更高。此外,我们观察到磷限制下具有高叶片锰浓度的物种在不同科中的普遍程度 (82%) 远高于相对富磷的土壤环境 (42%)。

该研究结果揭示了以广西为代表的南方森林生态系统中,不同植物展现的一个潜在共同策略,即磷限制带来了更普遍的植物根系分泌物的释放这可能是由于菌根共生获取养分的途径并不高效)。中国不同的森林生态系统表现出迥异的土壤磷有效性,导致具有不同磷吸收策略的植物物种的进化。



图 1.  甘肃相对富磷土壤和广西低磷土壤的森林生态系统中植物的叶磷(P)(a)和锰(Mn)(b)浓度。每个点代表一个植物个体,甘肃和广西分别有 327 和 395 个个体。‍‍‍


图 2.  甘肃相对富磷森林中38个科的植物叶片锰(Mn)浓度(a)和广西低磷森林中56个科的植物叶片锰(Mn)浓度(b)。星号 * 表示使用 Welch-t 检验与阴性对照(Dryopteridaceae,标记为 R)相比存在显着差异。

表 1. 据文献报道,本研究中叶片锰浓度相对较高的植物会释放根系羧酸盐或其它渗出物,从而改变土壤养分动态


兰州大学和西澳大学主导了该研究,项目得到了博士后国际派出计划、中央高校研究经费和甘肃省自然科学基金的支持。严理、唐丹、庞佳音和Hans Lambers为论文共同作者。



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