我国南方酸性土壤磷素易被铁、铝等金属离子固定而不能被植物利用,土壤有效磷匮乏是限制南方植物生长的主要因素之一。在长期的进化过程中,一些植物形成了系列生理生化机制来适应磷匮乏环境。杉木是我国南方主要造林树种之一,土壤有效磷缺乏是限制杉木人工林产量的重要因子。在磷胁迫条件下,钙离子作为细胞的第二信使可参与植物对低磷胁迫的应答反应,能诱导植物作出形态学和生理学响应。大量研究表明,一些杉木根系能够分泌质子并增加根际酸化能力来促进土壤中难溶性磷的利用。但传统的琼脂指示法或酸碱中和滴定法等测定根际微区pH值的方法精度较差,难以准确定量研究离子流的动态变化,难以很好地揭示杉木应对低磷胁迫的内在机制。有鉴于此,本研究通过低磷胁迫模拟试验,以不同的杉木家系为研究对象,在进行不同磷利用效率杉木家系筛选基础上,采用能够实时、动态获取根系离子流速及其运动方向信息的非损伤微测技术,进行不同磷利用效率杉木家系根系在磷胁迫下H+分泌差异以及细胞内外Ca2+流变化研究,准确测量不同杉木组织和细胞离子的平衡调控信息,探讨根系质子流及钙流与杉木适应低磷胁迫调控机制的关系,分析不同家系杉木在磷胁迫下根系离子流与磷利用效率之间的相关性,为揭示磷高效利用杉木适应磷胁迫的内在机制提供科学依据。主要研究结果如下:1、在磷胁迫下10个不同杉木家系在苗高、根系生长、生物量、磷累积量及磷利用效率等方面均存在明显差异。与正常供磷相比,28号家系在磷胁迫下,根长和根表面积明显增加,磷累积量降低最小,磷利用效率显著提高,由此来增强杉木适应磷胁迫能力。32号杉木家系在磷胁迫下根长和根表面积增加则较少,磷累积量变化幅度较大,磷素利用率变化不明显,其主要是通过调节自身的生长速度来适应低磷环境。2、不同家系杉木根系不同部位的质子流存在显著差异。根尖部位离子的净内流量最高。28号和32号家系杉木根表的pH值均有略微上升的趋势,在缺磷条件下根表pH值的上升变化幅度均小于正常供磷处理。根表pH值变化分布在根尖到根基整个根系表面,可相差0-0.2个单位,且靠近根基部位pH值的上升幅度大于根尖部位。这种变化是由于根系不同部位H+的流向及流速不同,导致植物体阴阳离子吸收不平衡引起的。3、不同家系杉木出现H+吸收高峰的时间不同,32号家系无明显的吸收高峰,而28号家系在处理8 d后出现吸收高峰。随着处理时间的延长,32号家系杉木根系H+净内流量与对照差异均不显著,而28号家系H+的内流均符合先增强后减弱的趋势,规律性明显。可见根系质子流的变化与供试杉木及处理时间的长短有关。4、在可溶性磷环境中,缺磷情况下28号和32号家系杉木根系除根尖部位以外的3个部位,在低磷处理3d后均有少量的质子外流,但在处理8 d、15 d后,均未观测到质子的外流。这可能与细胞膜上的H+-ATPase的半衰期及植物间歇性吸收磷有关。在难溶性磷环境中,在试验周期内28号杉木家系根系不同部位质子均呈内流趋势,32号家系在处理3d后,根系中上和根基2个部位H+外流,表明在难溶性磷处理条件下32号家系具有较强的难溶性磷利用能力。5、随着外界供磷浓度的增加,2个家系杉木根尖和根端H+的净内流量不断减少,但均未改变H+流的方向。2个杉木家系根尖H+的变化趋势基本一致,32号家系H+的变化趋势较为平缓,28号家系则变化较大,但随后2个家系均趋于稳定。根端H+的变化与根尖不同,具有明显的波动性,2个杉木家系变化趋势基本相反。可见杉木根系H+流的变化与杉木品种及测试部位有关。不同家系的这种响应可能受H+/Pi同向转运体蛋白、H2PO4-/2-4H+协同运输及细胞质中磷动态平衡等的影响。6、Ca2+的瞬时变化与杉木家系、供磷浓度及测试部位有关。随着环境中磷浓度的不断增加,28号和32号家系杉木根尖细胞钙离子的变化趋势基本一致:先上升后下降再上升后达平稳的状态,均在瞬时加入0.1 mmol·L-1的KH2PO4时,Ca2+的外流达到最高峰。28号家系根尖细胞钙离子处在较高的外流水平,均大于32号家系。而32号家系在瞬时加入0.1 mmol·L-1的KH2PO4后,钙离子外流减弱并最终改变了离子流的方向。2个家系根端钙离子流的变化趋势则不相同,瞬时加入1.0 mmol·L-1的KH2PO4后,呈相反的变化趋势。28号家系在整个试验过程中,钙离子均呈外流状态,根尖与根端的钙离子流变化趋势基本一致,32号家系根尖及根端钙离子流变化趋势不同,均改变了钙离子流原有的方向,但这种现象持续时间较短。可见Ca2+参与了植物对低磷胁迫的感知以及应答过程,并且Ca2+增加是一个短暂性的过程,与杉木的品种及磷浓度有关。7、在瞬时加入KH2PO4的环境中,杉木根端成熟区与根尖非成熟区H+的净内流量与供磷浓度呈显著的正相关关系,Ca2+流因杉木家系、根系部位的不同而不同,无明显相同变化规律的相关性。在根尖部位Ca2+外流/H+内流呈弱负相关性,根端成熟区Ca2+外流/H+内流呈弱正相关性。在根端部位Ca2+/H+逆向转运,促进H+内流,造成质外体碱化和细胞质酸化,可能是靠近根基部位pH值的上升幅度大于根尖部位的原因。