【摘 要】
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磷是植物的生长发育必需的大量营养元素之一。荒漠生态系统由于水分亏缺和土壤盐渍化导致土壤可利用磷含量极低,磷素成为该区植物生长的重要限制因子。霸王为荒漠区优势物种,具有较强的抗逆性,但对其低磷适应机制尚少见报道。本研究以霸王为材料,通过不同供磷水平处理,研究了其磷吸收和利用效率与磷内稳性的关系,明晰了其体内磷再活化和再分配策略、光合过程对低磷的响应及其机制;通过转录组测序,分析磷吸收和磷利用相关基因
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磷是植物的生长发育必需的大量营养元素之一。荒漠生态系统由于水分亏缺和土壤盐渍化导致土壤可利用磷含量极低,磷素成为该区植物生长的重要限制因子。霸王为荒漠区优势物种,具有较强的抗逆性,但对其低磷适应机制尚少见报道。本研究以霸王为材料,通过不同供磷水平处理,研究了其磷吸收和利用效率与磷内稳性的关系,明晰了其体内磷再活化和再分配策略、光合过程对低磷的响应及其机制;通过转录组测序,分析磷吸收和磷利用相关基因和通路的变化。该研究为深入理解荒漠植物适应低磷生物学过程提供基础资料和新视角,对荒漠区生态环境的恢复和牧草的遗传改良都具有重要意义。主要结论如下:(1)霸王对磷素具有较高的吸收和利用效率。以荒漠植物白刺作为对照,发现随土壤供磷水平的减少,霸王生物量、磷含量和相对生长速率均未发生显著变化,而白刺基本呈下降趋势;霸王磷的内稳性指数显著高于白刺,各处理中其磷含量均显著低于白刺、C:P均显著高于白刺,表明霸王具有较高的磷利用效率;霸王稳定的生物量积累以及强的磷养分吸收和利用效率是维持其较强内稳性的重要原因。(2)缺磷处理并未对霸王生物量产生显著影响,但其磷活化和再分配发生改变。缺磷使得成熟叶中磷再活化转移至根和茎中,导致磷向成熟叶的分配显著减少,而向根和茎的分配显著增加。磷供应受限时,其地上部的转运和分配策略并非传统的“顶端优势”而是“茎部优先”。(3)缺磷并未造成光合指标显著下降(除40D),未减弱光合电子传递过程。磷缺乏处理下,10D和40D叶中甘油糖脂含量显著增加,但磷脂含量不变;1D和10D叶绿体中Pi浓度和ATP酶活性显著增加,但40D则与对照无显著差异。表明磷限制条件下,霸王通过保持磷脂稳定同时增加甘油糖脂含量的膜脂重构方式,为电子传递过程提供结构和功能保障;此外,将更多Pi分配至叶绿体中,增强ATP酶活性,为光合过程提供持续、稳定的同化力。(4)转录组测序共获得364,614 unigene,差异基因9270个。差异基因分析发现:1)编码与外界磷吸收(PHT1)和体内磷转运(PHO1、PHT2和TPT)相关转运体的基因受磷缺乏诱导上调表达,这有利于霸王对体外磷的吸收和体内磷的再分配;2)与外界难溶性磷活化相关的有机酸合成关键基因仅在1D处理下上调表达,但与体内、外有机磷再活化相关的酸性磷酸酶和核糖核酸酶的编码基因均主要在10D处理下上调表达,该策略有助于霸王以增加体内、外磷活化的方式提高磷效率;3)参与磷脂合成基因无差异表达,但参与其代谢的基因下调表达,甘油糖脂合成的相关基因上调表达,其具有特殊的膜脂重构方式;4)参与编码光合过程相关蛋白的基因受磷缺乏诱导上调表达,表明低磷胁迫未抑制霸王光合过程,保障了其生物量的稳定。
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