CN105009963B

CN105009963B - 植物对低磷环境的适应性的鉴定方法

Info

Publication number: CN105009963B
Application number: CN201510482886.2A
Authority: CN
Inventors: 吴沿友; 张开艳; 杭红涛; 饶森; 陆叶; 姚凯; 谢腾祥; 刘莹
Original assignee: Institute of Geochemistry of CAS
Current assignee: Institute of Geochemistry of CAS
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2035-08-10
Also published as: CN105009963A

Abstract

本发明公开一种植物对低磷环境的适应性的鉴定方法，其特征在于：水培被考察植物，随后,在未加无机磷的培养液中饥饿培养48h后进行磷酸二氢根离子吸收实验，依据磷酸二氢根离子吸收实验获得被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数和最小浓度，测定生长在待测环境中的被考察植物的根际环境中的速效磷含量,依据磷酸二氢根离子吸收的米氏常数和最小浓度以及根际环境中的速效磷含量进一步计算出被考察植物磷酸二氢根离子的相对吸收速率，最后，依据上述获取的被考察植物相对吸收速率评估植物对低磷环境的适应性。本方法步骤少，计算简单，数据可靠；能快速鉴定不同植物对同一低磷环境的环境适应性；为筛选喀斯特适生植物以及陆生浮床植物提供技术支撑。

Description

植物对低磷环境的适应性的鉴定方法

技术领域

本发明涉及到一种植物对低磷环境的适应性的鉴定方法，属于生态治理领域。

背景技术

土壤中无机磷（P）是影响植物生长的最主要限制因子之一。许多研究表明，磷缺乏影响植物的光系统（Photosystem ）过程，导致气孔关闭，净光合速率减小，叶绿素含量及叶绿素荧光参数发生改变。

中国喀斯特（岩溶）分布面积约有130多万Km²，其中石漠化面积约占28.7%。“南石(石漠化)北沙(沙漠化)”成为制约西部地区可持续发展的两大生态环境问题。喀斯特生境中的基岩多为碳酸盐岩类, 其主要化学成分为CaCO₃、MgCO₃等。由于长期强烈的岩溶作用，造成喀斯特地区水文地质结构为地表地下双重空间结构。该区地下河系很发育，地表发育有众多的溶洞、溶洼、溶沟、溶隙、漏斗和落水洞天窗等，再加上土层较薄，大部分岩石裸露，致使雨水很快渗漏到地下，成为深埋的地下水，形成水土分离格局，很薄的土壤覆盖层所形成的土壤水又迅速被蒸发掉，致使土壤干旱。同时，在基岩的岩溶作用过程中，也消耗了氢离子，形成大量的钙离子和碳酸氢根离子，这也势必改造其上覆土壤，使其上覆土壤呈现出高pH、高钙和高重碳酸盐的环境在喀斯特地区的碱性石灰土壤中，由于磷的高吸附性和难溶性，土壤中的磷形态不能以植物生长所需的无机态磷（HPO₄ ^2-或H₂PO₄ ^-）直接进行吸收，无机磷的供给受到严重限制，制约了喀斯特地区植物的生长发育。喀斯特适生植物为了适应喀斯特地区的土壤低磷环境，逐步进化出一套独特的无机磷利用机制和策略。植物这种对低磷环境的适应性，成为其在低磷环境下生存的法宝，鉴定量化植物对低磷环境的适应性，对筛选喀斯特适生植物，治理喀斯特环境具有重大意义。

此外，浮床植物也是治理水体富营养化的一条重要途径，很多陆生植物因为对低磷环境不适应，而不能成为浮床植物，耐低磷环境的陆生植物成为陆生浮床植物的先决条件，因此，鉴定量化植物对水体低磷环境的适应性，对筛选陆生浮床植物，拓宽浮床植物资源，治理水体富营养化具有重大意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种鉴定植物对低磷环境的适应性的方法，以填补现有技术不能定量植物对低磷环境的适应能力的空白。为筛选喀斯特适生植物和陆生浮床植物提供新的指标体系。

本发明采取以下技术方案：植物对低磷环境的适应性的鉴定方法，包含以下步骤：

第一，将被考察植物进行水培，选择大小一致的幼苗，在未加无机磷的培养液中饥饿培养；

第二，将经过饥饿培养后的被考察植物幼苗，放到附加0.1-0.5 mmol/L CaSO4的含磷酸二氢根离子的吸收液中进行磷酸二氢根离子吸收实验；

第三，依据上述离子吸收实验，分别获得被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数Km和最小浓度，也即植物根对磷酸二氢根离子的净吸收速率等于零时的外界养分浓度Cmin；

第四,测定生长在待测环境中的被考察植物的根际环境中的速效磷含量CE；

第五，依据上述获取的被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数Km以及最小浓度Cmin，以及根际土壤中的速效磷含量CE 作为C带入公式, 计算被考察植物磷酸二氢根离子的相对吸收速率P；

第六，依据上述获取的被考察植物相对吸收速率评估被考察植物对被考察的低磷环境的适应性。

在第二步骤中，所叙的磷酸二氢根离子吸收实验中含磷酸二氢根离子吸收液为附加了加0.1-0.5mmol/L CaSO4、磷酸二氢根离子的浓度与喀斯特地区土壤的有效磷的平均含量处在同一数量级的溶液。

在第三步骤中，吸收速率通过测定吸收液中磷酸二氢根离子随时间的变化量来计算，将磷酸二氢根离子浓度C及对应浓度C下的吸收速率In带入方程估算被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数Km和最小浓度 Cmin。

在第四步骤中，所述的被考察植物的根际环境是指生长在待测的低磷环境中的根际周围的土壤或水体环境，测定生长在待测环境中的被考察植物的根际环境中的速效磷含量CE是指测定上述根际周围的土壤或水体环境的速效磷含量CE。

在第五步骤中，计算被考察植物磷酸二氢根离子相对吸收速率P是指测定植物在环境浓度为CE时，吸收速率占最大吸收速率的比例P。

在第六步骤中，依据上述获取的被考察植物相对吸收速率评估被考察植物对被考察的低磷环境的适应性，是将上述获取的被考察植物相对吸收速率按0-0.20、0.20-0.40、0.40-0.60、0.60-0.80、0.80-1.00分成5级,分别表示不适应，微适应、适应、强适应、超强适应，由此评估被考察植物对被考察的低磷环境的适应性。

本发明的优点如下：

1）本方法能量化植物对低磷环境的适应能力；

2）本方法步骤少，计算简单；数据可靠；

3）本方法综合使用了磷酸二氢根离子吸收最小浓度和亲和力两个指标，不仅优于现有技术或仅用最小浓度C _min或仅用米氏常数K _m来表征耐瘠薄能力，也优于现有技术中用β值 [β=(K _m C _min)^1/2]与α值[α=I _max/K _m]来描述的耐瘠薄能力。因为无论β值与α值都没有明确的生物学意义，并且可能放大或缩小离子对植物的实际效应。

4）本方法考虑到了被考察植物的根际环境中的无机磷浓度, 一方面可以很好地表征植物对实际的低磷环境的适应能力。另一方面，考虑了被考察植物的根际环境中的无机磷浓度,将植物根系生理生化作用下的无机营养元素活化能力纳入到植物适应低磷环境的能力中，这避免了仅用离子吸收动力学参数表达的植物对低磷环境适应能力的偏低估算，代表了植物对低磷环境的实际适应能力。

5）喀斯特石灰土和湖泊水体为大多为低磷环境，本方法可以直接用于喀斯特适生植物和陆生浮床植物的筛选。

6）可以借用本方法，定量评判植物对其它无机营养元素的低浓度的耐受能力，为筛选优良作物品种提供技术支撑。

本发明的基本原理为：

离子吸收直接涉及到载体、离子通道等酶的反应，与酶促反应中的酶系统极为相似,因而可以用酶促反应动力学来描述植物对离子的动力学吸收过程,其动力学方程为:

(1)

其中:I—植物对养分的吸收速率.

Imax—植物体对养分的最大吸收速率。

Km—米氏常数，即当吸收速率为最大吸收速率Imax一半时的外界养分浓度。植物对离子的亲和力则用1/ Km表征。

由于离子吸收与一般酶反应又有不同，离子吸收中植物细胞膜不能完全将环境中的离子吸收干净，而且细胞中的离子还有被动扩散过程，这样使环境中的离子吸收干净。能很好满足酶动力学方程的是涉及到酶促过程的主动吸收和运转。考虑到植物根系在吸收离子的同时也发生离子的溢泌现象。因此在进行离子吸收动力学研究时,实际的吸收速率是净吸收速率,也就是植物根系对离子的净吸收速率=总吸收速率-溢泌速率。后来Nielsen和Barber对上述的离子吸收动力学方程(1)进行了矫正:

(2)

其中：Cmin—植物根对某种离子的净吸收速率等于零时的外界养分浓度。

In—表示在外界养分浓度为C 时的条件下植物根系对养分的净吸收速率

与方程（1）相比,方程（2）更附合植物根系对离子的吸收和代谢过程。因此，方程（2）现已被离子吸收动力学在植物营养的应用研究中所广泛采用。Cmin是吸收速率为零时外液离子的浓度。Cmin值越小,植物吸收能力越强,耐贫瘠能力越大。

将方程（2）变形为

（3）

这里P为相对吸收速率。

浓度越大，相对吸收速率越大，无机磷相对植物生长发育越充足。因此可以用植物对无机磷吸收的相对速率来表示，植物生长发育对无机磷的需求，由此来判断植物对低磷环境的适应性。

具体实施方式

本发明的实例：它包括以下步骤：

第一，将被考察植物水培到适合大小，选择大小一致的幼苗，以一定数量的幼苗为单位，在未加无机磷的培养液中饥饿培养48h；

第二，将经过饥饿培养后的被考察植物幼苗，放到附加0.2 mmol/L CaSO₄的含磷酸二氢根离子的吸收液中进行磷酸二氢根离子吸收实验。

第三，依据上述离子吸收实验，分别获得被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m和最小浓度，也即植物根对磷酸二氢根离子的净吸收速率等于零时的外界养分浓度C _min。

第四,测定生长在待测环境中的被考察植物的根际环境中的速效磷含量C _E,

第五，依据上述获取的被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m以及最小浓度C _min，以及根际土壤中的速效磷含量C _E作为C带入公式, 计算被考察植物磷酸二氢根离子的相对吸收速率P。

在第一步骤中，一定数量的幼苗,是依据幼苗大小和随后的溶液中磷酸二氢根离子浓度以及吸收体积，确定用于吸收实验的幼苗株数。

在第二步骤中，所叙的磷酸二氢根离子吸收实验中含磷酸二氢根离子吸收液为附加了加0.2 mmol/L CaSO₄、磷酸二氢根离子的浓度与喀斯特地区土壤的有效磷的平均含量处在同一数量级的溶液。在吸收实验过程时滴加0.3%过氧化氢以补充氧气。

在第三步骤中，吸收速率通过测定吸收液中磷酸二氢根离子随时间的变化量来计算，将磷酸二氢根离子浓度C及对应浓度C下的吸收速率I _n带入方程估算被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m和最小浓度 C _min。

在第四步骤中，所述的被考察植物的根际环境是指生长在待测的低磷环境中的根际周围的土壤或水体环境, 测定生长在待测环境中的被考察植物的根际环境中的速效磷含量C _E是指测定上述根际周围的土壤或水体环境的速效磷含量C _E。

在第五步骤中，计算被考察植物磷酸二氢根离子相对吸收速率P是指测定植物在环境浓度为C _E时，吸收速率占最大吸收速率的比例P。

在第六步骤中，依据上述获取的被考察植物相对吸收速率评估被考察植物对被考察的低磷环境的适应性。特征是将上述获取的被考察植物相对吸收速率按0-0.20、0.20-0.40、0.40-0.60、0.60-0.80、0.80-1.00分成5级,分别表示不适应，微适应、适应、强适应、超强适应，由此评估被考察植物对被考察的低磷环境的适应性。

实施例1 构树和桑树对喀斯特地区石灰土的低磷环境的适应能力

下面以测定构树和桑树对待测的喀斯特地区石灰土的低磷环境的适应能力为实施例，展示其具体的实施步骤和实施效果。

以构树和桑树为实验材料。取成熟的构树和桑树种子，一部分播种到待测的低磷环境（喀斯特地区石灰土中）让其生长4个月后，取构树和桑树的根际土分析土壤中有效磷含量。一部分进行磷酸二氢根离子吸收实验。

磷酸二氢根离子吸收实验为：

种子播种在温室土壤中育苗，待其长出两片真叶后，移栽到用珍珠岩做基质的穴盘中，用正常的Hoagland营养液培养植物。培养温度为20-25℃ ,光照为2.6~3.4klux。60天后取生长一致的幼苗进行磷酸二氢根离子吸收实验。

在进行磷酸二氢根离子吸收实验之前,以20株幼苗为一次处理，将各处理在无磷的培养液中饥饿培养48h后；再用0.2 mmol/L CaSO4 溶液浸洗3次, 吸干水分后，分别放入200 ml附加0.2 mmol/L CaSO₄的1/2霍格兰营养液（无机磷浓度为0.25 mM），容积为500 ml的烧杯中。培养条件：温度24±2℃ ,光照2.6~3.4klux。相隔相同的时间间隔取样, 每次取10 ml 吸收液, 同时加入10ml蒸馏水以维持吸收液的体积; 并且每次取样加水完毕后对烧杯称重,扣除植物蒸发的量。在吸收实验过程时滴加0.3%过氧化氢以补充氧气。

吸收液中无机磷的测定用钼锑抗比色法。植株取出后根部用清水清洗2-3次，吸水纸吸干水分，称量整株植物的鲜重，然后分别称量地上部分和根部的重量。最后放入烘箱内80℃恒温烘干，72h后再用电子天平称其干重，烘干样品作为本实验受试样品。

磷酸二氢根离子吸收速率通过测定吸收液中磷酸二氢根离子随时间的变化量来计算，依据估算各处理下的构树和桑树的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m和植物根对磷酸二氢根离子的净吸收速率等于零时的外界养分浓度C _min。表1表示的是构树和桑树对待测的喀斯特石灰土中无机磷吸收相对吸收速率。

表1 构树和桑树对待测的喀斯特石灰土中无机磷吸收相对吸收速率

从表1中可以看出，对于待测的喀斯特地区石灰土来说，构树为强适应树种，桑树为微适应树种，这一方面因为构树能分泌大量有机酸活化了土壤结合态磷,提高了根际土壤中速效磷含量，另一方面因构树具有较强的对无机磷的亲和力以及极小的最小浓度，掠磷能力极强造成的。这与实际情况相符，构树对喀斯特环境适应性强，而桑树难以适应喀斯特环境。

实施例2 诸葛菜和油菜对待测的喀斯特地区石灰土的低磷环境的适应能力

用本发明的方法获取诸葛菜和油菜的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m、最小浓度C _min以及根际环境中的速效磷含量C _E,。表二表示的是诸葛菜和油菜对待测的喀斯特石灰土中无机磷吸收相对吸收速率。

表2 诸葛菜和油菜对待测的喀斯特石灰土中无机磷吸收相对吸收速率

从表2中可以看出，诸葛菜和油菜都是对待考察的喀斯特石灰土的低磷环境有超强的适应性。这里使用的油菜是芥菜型油菜。诸葛菜是喀斯特适生植物，它对低磷的强适应性可能是它的喀斯特适生机制的重要体现。芥菜型油菜是一种耐低磷的植物，因此所得的结果也与实际相符。但是喀斯特土壤有效磷含量变化很大。依据诸葛菜和油菜的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m、最小浓度C _min，可以算出诸葛菜和油菜适应的低磷浓度阈值分别是4.49 mol/L和6.40 mol/L，因此在无机磷浓度为4.5 mol/L的情况下，诸葛菜还具有适应性（生存），而此时油菜就不具有适应性，而难以生存。喀斯特地区有相当区域的石灰土有效磷含量不足0.2mg/ kg DW Soil (6.40 mol/L)，但这些区域中，仍然有部分区域(有效磷含量大于0.14 mg / kg DWSoil (4.49 mol/L)适应诸葛菜的生长。

实施例3 诸葛菜和油菜对湖泊水体的低磷环境的适应能力

一些岩溶湖泊水体可溶性无机磷含量在0.5mg/L(15.63 mol/L)左右，从实施例2中可以看出，这个值大于诸葛菜适应低磷环境（3级）的浓度11.92 mol/L小于油菜适应低磷环境（3级）的浓度16.93 mol/L。再者，从表2中可以看出，诸葛菜和油菜磷酸二氢根离子吸收的最小浓度C _min分别为0.03mol/L和0.08mol/L，而南方喀斯特地区的纯净的泉水无机磷的含量大多在0.05mol/L左右，因此，可以说油菜对岩溶湖泊水体低磷环境只有微弱的适应性，加之外来纯净的“水”的交换造成无机磷营养的阻断，使之不能成为浮床植物；而诸葛菜，一方面具有对岩溶湖泊水体低磷环境的适应性，另一方面又具有较小的磷酸二氢根离子吸收的最小浓度（0.03mol/L），导致纯净的“水”都可以提供无机磷营养，因此，诸葛菜有条件成为陆生浮床植物。而实际上诸葛菜已成为浮床植物被应用在富营养化的水体环境的治理上。

Claims

1.植物对低磷环境的适应性的鉴定方法，其特征在于：包含以下步骤：

第二，将经过饥饿培养后的被考察植物幼苗，放到附加0.1-0.5 mmol/L CaSO₄的含磷酸二氢根离子的吸收液中进行磷酸二氢根离子吸收实验；

第三，依据上述离子吸收实验，分别获得被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m和最小浓度，也即植物根对磷酸二氢根离子的净吸收速率等于零时的外界养分浓度C _min；

第四,测定生长在待测环境中的被考察植物的根际环境中的速效磷含量C _E；

第五，依据上述获取的被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m以及最小浓度C _min，以及根际土壤中的速效磷含量C _E作为C带入公式 , 计算被考察植物磷酸二氢根离子的相对吸收速率P；

第六，依据上述获取的被考察植物相对吸收速率评估被考察植物对被考察的低磷环境的适应性；

2.根据权利要求1所述的植物对低磷环境的适应性的鉴定方法，其特征在于：在第二步骤中，所述的磷酸二氢根离子吸收实验中含磷酸二氢根离子吸收液为附加了0.1-0.5mmol/L CaSO₄、磷酸二氢根离子的浓度与喀斯特地区土壤的有效磷的平均含量处在同一数量级的溶液。

3.根据权利要求1所述的植物对低磷环境的适应性的鉴定方法，其特征在于：在第三步骤中，吸收速率通过测定吸收液中磷酸二氢根离子随时间的变化量来计算，将磷酸二氢根离子浓度C及对应浓度C下的吸收速率I _n带入方程估算被考察植物的磷酸二氢根离子吸收的米氏常数K _m和最小浓度 C _min。

4.根据权利要求1所述的植物对低磷环境的适应性的鉴定方法，其特征在于：在第四步骤中，所述的被考察植物的根际环境是指生长在待测的低磷环境中的根际周围的土壤或水体环境，测定生长在待测环境中的被考察植物的根际环境中的速效磷含量C _E是指测定上述根际周围的土壤或水体环境的速效磷含量C _E。

5.根据权利要求1所述的植物对低磷环境的适应性的鉴定方法，其特征在于：在第五步骤中，计算被考察植物磷酸二氢根离子相对吸收速率P是指测定植物在环境浓度为C _E时，吸收速率占最大吸收速率的比例P。