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Tree Physiol江西农大邹娜:NMT发现毛竹NH4+吸收和耐受均强于栲树利于竹子扩张


微信原图文

NH4+,NO3-等测样服务

NMT作为生命科学底层核心技术,是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年,NMT已扎根中国15年。2020年,中国NMT销往瑞士苏黎世大学,正式打开欧洲市场。

基本信息

主题:NMT发现毛竹NH4+吸收和耐受均强于栲树利于竹子扩张

期刊:Tree Physiology

影响因子:3.655

研究使用平台:NMT植物营养创新平台

标题:Superior growth, N uptake and NH4+ tolerance in the giant bamboo Phyllostachys edulis over the broad-leaved tree Castanopsis fargesii at elevated NH4+ may underlie community succession and favor the expansion of bamboo

者:江西农业大学邹娜

 

检测离子/分子指标

NH4+,NO3-

 

检测样品

毛竹和栲树根,距根尖0、0.3、0.6、1、2、5、10、20、30、40 mm根表上的点

 

 

中文摘要(谷歌机翻)

竹子肆意的扩张对生态系统造成了严重威胁。有相当多的证据表明,竹子入侵可以改变植物可利用的土壤氮(N)库和氮循环速率,但迄今为止,氮有效性的改变对植物生长和群落结构的影响还没有得到很好的描述。大多数植物的主要土壤可利用N形态为铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-),但植物对不同N形态的利用能力存在差异,这些差异与植物的生态特性和驱动群落结构有关。在此背景下,本研究以两个主要亚热带竹林和次生常绿阔叶林的优势种群毛竹(Phyllostachys edulis)和栲树(Phyllostachys heterocycla)为材料,在可控环境下通过改变蛭石培养中不同N浓度和NH4+/NO3-比例来研究亚热带竹林和次生常绿阔叶林的生长响应、氮素吸收和种间竞争。结果表明:(1)两个物种在N浓度升高时均表现出对NH4+的偏好。当NH4+与NO3-的比例增加时,毛竹幼苗的生长增强,特别是在N浓度较高的情况下,但栲树的生长程度要慢得多。(2)通过非损伤微测技术(NMT)15N标记的检测实验证实了两种植物在N吸收水平上的对NH4+的偏好性。在NH4+处理下,毛竹的NH4+净流速和N浓度均高于栲树。(3)高浓度NH4+对两种植物均有毒害作用,表现为抑制根系生长甚至导致幼苗死亡,但毛竹对NH4+的耐受阈值(24 mM)高于栲树(16 mM)。(4)与单一培养方式相比,在富NH4+的混合培养基中,栲树的生长受到明显抑制,而毛竹的生长没有受到明显抑制。因此,毛竹表现出较强的可塑性和对N有效性变化的适应性,而栲树对土壤N变化的反应性和适应能力较低。毛竹在以NH4+为主的基质上表现出明显的竞争生长优势。

 

 

离子/分子流实验处理

三叶毛竹和栲树移栽到蛭石塑料盆两周后,8 mM的NH4+4 mM (NH4)2SO4)或8 mM NO3-(8 mM NaNO3)处理两周。

 

 

离子/分子流实验结果

结果表明,两种植物在不同形态氮胁迫下,根尖处根表面NH4+和NO3-的净流速存在差异(图1)。在8 mM NH4+处理下,毛竹的净NH4+流速变化范围为-2839.11(内流)~992.22(外排) pmol cm-2s-1,栲树的净NH4+流速变化范围为-609.20~601.46 pmol cm-2s-1,且在距根尖0.3 mm处净NH4+吸收最大(图1A, B)。在8 mM NO3-处理下,毛竹的净NO3-流速为-153.81~697.78 pmol cm-2s-1,栲树的净NO3-速为-72.23~119.32 pmol cm-2s-1,在距根尖1 mm处,两种植物的净NO3-流速最大(图1C, D)。毛竹和栲树NH4+的最大净流速分别是NO3-的18.46倍和8.43倍。毛竹最大净NH4+和NO3-流速分别是栲树的4.66倍和2.13倍。

图1. 8 mM不同N处理对毛竹和栲树根尖NH4+和NO3-流速的影响

 

 

其他实验结果

  • 8 mM NH4+显著增加了毛竹的生长、根形态和叶绿素含量,但是对栲树的生长影响较小

  • 双因素方差分析表明,氮浓度、氮形态及其交互作用对毛竹所有形态参数的影响均显著。相比之下,除总根长外,N浓度对栲树的大部分形态参数影响显著,而N形态和交互作用仅对生物量、根系体积和叶绿素含量影响显著

  • 植物各组分和幼苗总氮浓度随物种和NH4+/NO3-的的变化而变化,但15N标记溶液处理与未标记的对照间差异不显著

  • 无论是单独供氮还是与15NH4NO3和NH415NO3共同供氮,15NH4+处理幼苗的δ15N均高于15NO3处理幼苗

  • 在NH4+处理期间,毛竹和栲树株高生长的差异随着时间的推移而加剧,但栲树在整个试验过程中差异不显著

  • 毛竹和栲树随着NH4+浓度的上升,地上部分的生长,如叶数、生物量和SPAD值都有所增加

  • 尽管在土壤NH4+浓度为2~40 mM范围内,两种植物的地上部生长均较好,但随着NH4+浓度的增加,毛竹和栲树的根系生长均出现了NH4+毒害症状。与2~16 mM NH4+处理相比,NH4+浓度>24 mM时,毛竹幼苗的总根长、根表面积和根体积均受到显著抑制,而栲树幼苗的根形态指标则受到显著抑制

  • 所有NH4+处理下,毛竹幼苗的存活率均为100%;而随着NH4+浓度的增加,栲树幼苗的存活率急剧下降。

  • 毛竹和栲树混合培养下,栲树的生长会受到显著的抑制

 

 

结论

综上,本研究论证了毛竹和栲树的物种特异性策略及其对土壤氮素有效性的差异能力。正如NMT方法和15N标记所证实的,这两个物种在较高的N浓度下都表现出对NH4+的明显偏好。然而,在NH4+/NO3-比例增加和NH4+水平增加的情况下,毛竹的生长和根系结构都明显强于栲树。与NH4NO3处理的幼苗相比,在8 mM N的条件下,NH4+/NO3-比例的增加显著增加了毛竹的N浓度,但栲树的N浓度没有增加。与栲树相比,毛竹在富含NH4+的基质上表现出显著的生长竞争优势。此外,毛竹对NH4+的耐受性高于栲树。因此,可以推断,在阔叶林中,土壤中的N在竹子入侵过程中由NH4+和NO3-的混合物转化为大部分NH4+,先前的优势树种无法与“专NH4+”竹子竞争,入侵的“专NH4+”竹子则成为优势树种。毛竹(24 mM)和栲树(16 mM)对NH4+毒性耐受阈值的差异可能在群落结构演替中起作用,后者更易受到NH4+毒性的的影响,其存活率会随NH4+浓度的增加而急剧下降。本文的研究结果也为这些物种的育苗、培育提供了重要的见解

 

 

测试液

NH4+:2.5 mM CaCl2, 1.5 mM K2SO4, 0.6 mM Na2HPO4, 0.25 mM MgSO4, 4 mM (NH4)2SO4, pH 4.0

NO3-:2.5 mM CaCl2, 1.5 mM K2SO4, 0.6 mM Na2HPO4, 0.25 mM MgSO4, 8 mM NaNO3, pH 4.0

 

文章原文:https://doi.org/10.1093/treephys/tpaa086

 

2019版《NMT论文集》已出版

 

关键词:竹子扩张;栲树;中间竞争;NH4+耐受;氮素有效性;氮素形态;毛竹