生长性能和元素浓度揭示了三种植物的钙石-钙化行为铁线蕨物种

背景

野生植物的钙或钙化行为与元素缺乏或毒性有关。然而，对于蕨类植物，实际上缺席了关于它们对土壤环境变化的自适应差异和反应的知识。在中国南部的喀斯特地区，大多数铁线蕨物种喜欢钙质土壤，但是A. Flabellulum.喜欢酸性土壤。这种对同一属土壤类型的截然不同的偏好是有趣和危险的，因为它们所偏好的土壤可能由于极端降水事件而“污染”彼此。我们将钙质和酸性土壤以1:1 (v/v)的比例混合，以模拟“污染”土壤，并种植三种土壤铁线蕨物种(钙生植物答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.和嫌钙植物A. Flabellulum.)处理120 d，测定其生长性能和元素浓度。

结果

石灰性土壤的pH、Ca、Mg和P含量最高，而K含量最低，其次是混合土和酸性土壤，生长120d后，石灰性土壤中的钙含量增加A. Flabellulum.钙质土壤和混合土壤的SPAD和相对生长速率(RGR)均低于酸性土壤，叶片和根系Ca、Mg和Fe浓度高于酸性土壤，K含量低于钙质土壤。的钙生植物答:capillus-venerisF。dissectum石灰性土壤与混合土壤叶片元素含量和RGR相似，但叶片Ca、Fe和Al含量较低，叶片P和K含量、SPAD和RGR均高于酸性土壤。的钙生植物A. Malesianum.在混合土壤、中间钙质土壤和酸性土壤上，叶片Ca、Fe和Al最低，叶片P和RGR最高。相比之下,A. Malesianum.那答:capillus-venerisF。dissectum在相同的钙质和混合土壤上生长，叶片Ca、Fe和Al含量较低，Mg含量较高。

结论

答:capillus-venerisF。dissectum是一种低叶片CA钙硅胶物种A. Malesianum.为富铝钙石种。它们能有效地将磷和钾吸收到叶子中，因此能在钙质土壤中茁壮成长。相反，钙化A. Flabellulum.在钙质土壤上生长发育不良。这种生长性能可能是由于叶片Ca浓度的增加和K浓度的降低。如果他们偏爱的土壤被“污染”了，A. Flabellulum.会变得更糟，答:capillus-venerisF。dissectum可以保持几乎不受影响，而A. Malesianum.会更好。

石灰性土壤和酸性土壤是我国南方喀斯特地区的主要土壤类型[1那2]．它们是相邻的，但它们的植被却截然不同[3.那4.]．随着经济活动的增加和极端暴雨频率的增加，两种不同的土壤可能会相互“污染”[5.因此，他们专门种植的野生植物可能面临生存风险。因此，研究这些钙石-钙化植物的适应差异及其机制，对于了解它们的生长分布和预测它们对可能的土壤环境变化的响应具有重要意义。

因素缺乏或毒性被认为是伴有野生植物的钙基硅胶或钙化行为。在钙质土壤上，钙硅植物可以通过根系结构或渗出可塑性调节营养吸收[6.那7.]，而钙化物种受低营养可用性的限制[6.那8.或有害Ca-磷酸盐的沉淀[9.]或CA-增强p毒性[10.]反过来，钙盐植物会因铝过量而出现毒性症状^3＋或铁²⁺在酸性部位[11.那12.]．在这些现有的研究中，大多数钙硅和/或钙化物种是种子植物，通常在钙质或酸性土壤上生长[9.那13.]．就我们所知，蕨类植物的钙质-钙化行为的机制在很大程度上还未被探索。此外，在钙质和酸性混合土壤上生长的植物，用于分析它们对“污染”土壤条件的响应，也几乎没有。

铁线蕨蕨类植物是重要的药用、观赏蕨类植物和环境指标。在我国南方喀斯特地区，主要分布在钙质土壤上A. Flabellulum.只生长在酸性土壤上[14.]这种对同一属土壤类型的对比偏好是有趣的，但还没有得到很好的理解[15.]．在这方面，我们选择了三个铁线蕨物种(钙生植物答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.和钙化A. Flabellulum.)，并在钙质、酸性和混合土壤上种植。我们评估了它们的生物量、相对生长率(RGR)、叶绿素(SPAD值)和元素浓度。目的是比较三个国家的表现铁线蕨三种土壤类型上的物种。我们假设:(i)在钙质土壤上，钙石答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.会比钙化效果更好吗A. Flabellulum.而在酸性土壤上，情况则相反;(ii)三种物种在混合土壤上的表现都比在各自的最佳土壤上差;(iii)它们的钙石或钙化行为可能归因于元素缺乏和/或毒性。

土壤性质

与酸性土壤相比，钙质土壤具有较高的pH，Ca，Mg和P浓度，而是降低K浓度（P. < 0.05, Table1）.将钙质土与酸性土按1:1混合后，其pH值与钙质土(P.> 0.05)，但钙、镁、磷、钾含量介于钙质和酸性土壤(P.< 0.05)。对于Fe和Al浓度，三种土壤类型没有区别（P. > 0.05).

植物的生长特点

经过120 d生长后，A. Flabellulum.在钙质土壤和混合土壤上生长发育不良，总生物量低于酸性土壤(P. < 0.05, Fig.1）.相比之下,答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.在酸性土壤上生长时，表现较差，总生物量较低(P.< 0.05)。在混合土壤上生长时，这三种植物的总生物量与钙质土壤上生长的相似(P. > 0.05).

在钙质和混合的土壤上生长，A. Flabellulum.在酸性土壤上的那些含有小氯化和低叶绿素含量（SPAD值）上的氯化和坏死斑点（P. < 0.05, Fig.2a)。相反,答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.在酸性土壤上生长时表现出褪绿症状，叶绿素含量最低。对于这些症状，老小羽状突起的边缘答:capillus-venerisF。dissectum被烧焦而A.malesianum在较旧的脊柱上显示褪色条纹，然后萎缩整个Pinna。rgrA. Flabellulum.在酸性土壤上比在钙质和混合土壤上高(P. < 0.05, Fig.2b)。答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.混合土壤和酸性土壤的RGR分别最高和最低。相比之下,A. Flabellulum.那答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.在钙质或混合土壤上生长，叶绿素含量和RGR均较高(P. < 0.05, Fig.2)在酸性土壤上生长时，叶绿素含量和RGR答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.低于那些A. Flabellulum.（P.< 0.05)。

植物元素浓度

嫌钙植物的A. Flabellulum.叶片和根部的Ca，Mg，Fe和Al浓度较高，但在钙质土壤上生长而不是酸性土壤时，叶片和根部的胰浓度较低（P. < 0.05, Fig.3.）.在混合土壤上生长时，根钙、镁、铁、铝浓度为A. Flabellulum.较高，叶酸低于酸性土壤（P.< 0.05)。

在钙生植物答:capillus-venerisF。dissectum酸性土壤和混合土壤的根系Ca、Mg、Fe和Al含量均低于石灰性土壤，而根系K含量高于石灰性土壤(P. < 0.05, Fig.3.）.与钙质土壤相比，酸性土壤的叶片Ca、Fe和Al含量较高，而P和K含量较低(P.< 0.05)。当在混合土壤上生长时，所有叶子元素浓度都与钙质土壤（P. > 0.05).

根ca，mg和p，以及叶mg和p浓度A. Malesianum.在酸性土壤上比在钙质土壤上低(P. < 0.05, Fig.3.）.在混合土壤上生长时，根铁和叶磷浓度为A. Malesianum.，相对于钙质土壤种植的那些，较高，但叶Ca，Fe，Al和Root P浓度较低（P.< 0.05)。

如果生长在酸性土壤中，A. Flabellulum.具有较高的叶k浓度，但下叶和根部ca，Fe，Al浓度高于其他两个物种（P. < 0.05, Fig.3.）.而在钙质土壤和混合土壤上生长时，叶片钾、磷含量显著增加A. Flabellulum.是最低的。关系到A. Malesianum.那答:capillus-venerisF。dissectum在同一块土壤上生长时，表现出更高的叶片mg但下叶al浓度（P.< 0.05)，叶片Ca和Fe含量较低，根系Ca、Mg、Fe和Al含量较高(P.< 0.05)。

叶素与植物生长的相关性

最后的总生物量和钙化的RGRA. Flabellulum.RGR与叶片Ca呈负相关(P. < 0.05, Table2）.的钙生植物答:capillus-venerisF。dissectum， SPAD和RGR与叶片Ca、Fe、Al呈负相关，与叶片P、K呈正相关(P.< 0.05)。的钙生植物A. Malesianum.呈叶P和K的最终总生物量和RGR，以及最终总生物质和带有叶片Mg的阳性相关系数，以及叶mg的阳性相关系数。P.< 0.05)。

与酸性土壤相比，钙质土壤富含Ca和Mg, pH值为中性或较高[1那3.].一些适应严重缺钙土壤的钙化植物不会强烈下调其钙吸收能力，因此对钙质土壤高度敏感[9.]由于缺乏满足其他基本元素要求的能力，它们也被排除在钙质土壤之外[6.那8.]，而在碱性pH下元素可用性降低可能会进一步加剧这一限制[21.]．相比之下，钙硅植物可以耐受过量的Ca并在钙质土壤上生长时培养营养物[6.]在本研究中，石灰性土壤的pH、Ca、Mg和P浓度高于酸性土壤，但K浓度低于酸性土壤（表1）1）.经过120 d的生长，所有的三铁线蕨与酸性土壤相比，钙质土壤上的植物根系Ca和Mg含量更高。3.)，但叶片Ca、Mg、P、K和RGR对土壤类型的响应不同。当种植在钙质土壤上时，叶片Ca和Mg的钙化浓度有所下降A. Flabellulum.叶片K、SPAD和RGR降低;2和3.）.认为作物生长所需的钙和镁为5.0 Mg Ca g⁻¹和2.0 mg mg g⁻¹分别在叶子上[16.]．叶片K浓度为8.0 mg g⁻¹是由De Wit等人提出的[20.]作为缺钾的初步指标。叶片Ca, Mg, KA. Flabellulum.与RGR相关(表2）但是，钙质土壤上的前两个元素远远超过关键的足够浓度（图。3.a, b)，叶片K小于临界缺钾值(图。3.f).一般来说，当Mg浓度超过生长限制水平时，不太可能有害，因为它主要储存在液泡中，作为Mg的缓冲²⁺在代谢池中的稳态和液泡中的电荷补偿和Osmoregulation [17.]．相比之下，Ca²⁺维持低钙水平²⁺胞质中钙离子的浓度在钙化剂中不如在钙化剂中有效[17.]．因此，缺钾和过量钙可能排除钙化A. Flabellulum.相反，石灰性土壤上的钙油菜品种的叶片钙浓度在不同时间内没有变化A. Malesianum.并减少答:capillus-venerisF。dissectum与在酸性土壤上生长的人相比，叶P和k浓度，叶片和rgR增加（图。2和3.)，表明通过增加叶片对磷、钾的吸收和根系对钙的保留，可以在钙质土壤上生长。

在中国南方喀斯特地区，石灰岩土壤(钙质)与红壤(酸性)相互交错[1那3.]．因此，当极端降水事件发生时，它们可能“污染”彼此[5.]．在这项研究中，我们将钙质土壤和酸性土壤混合在1：1，发现混合土壤具有较高的pH，Ca，Mg和P浓度，低于酸性土壤（表1）.在混合土壤种植时，钙化A. Flabellulum.相对于其偏爱的酸性土壤，根系Ca和Mg含量较高，叶片K、SPAD和RGR较低(Figs。2和3.）.这些结果表明了A. Flabellulum.如果酸性土壤被钙质土壤“污染”，则会变得更糟。的钙生植物答:capillus-venerisF。dissectum，叶子元素浓度和RGR在混合土壤和钙质土壤之间类似（图。2和3.)，表明当石灰质土壤受到酸性土壤的“污染”时，它的生长几乎不受影响。相反，钙矾石A. Malesianum.生长更好，表现为更高的RGR（图。2B)当在混合土壤上种植时，比在钙质土壤上种植时。chrysgyris等人[22.]，认为营养均衡可通过影响养分的有效性、运输和分配来促进植物生长。我们还考虑了混合土壤的元素水平，尽管磷浓度相对钙质土壤较低(表1)，可能更平衡A. Malesianum.因此，其RGR是最高的，叶P接近足够的浓度为2.0 mg g⁻¹认为适合作物生长[16.]（图。3.e）。此外，较高的叶子p forA. Malesianum.与钙质土壤相比，混合土壤中钙、镁含量较低也有一定关系。在土壤中，Ca和Mg通过形成难溶的Ca-P和Mg-P来降低磷的生物有效性[23.那24.那25.]．

缺铁也被建议从钙质土壤中排除一些钙质植物[6.]，铝的毒性排除了酸性部位的钙石植物[12.]在本研究中，酸性土壤、钙质土壤和混合土壤中的铁和铝相似（表1）1）.嫌钙植物的A. Flabellulum.叶铁和根铁含量较高，叶片铁含量超过临界毒性浓度0.5 mg g⁻¹[17.[在钙质和混合土壤上生长而不是酸性土壤（图。3.c).因此，当被迫在钙质或混合土壤上生长时，其叶片的褪绿和坏死症状可能不是由于缺铁。然而，我们只测定了叶片总铁，而没有测定生物学有效铁。佐伦和泰勒[8.[叶组织中的生理上不太活性形式的权利固定化也可排除钙化植物，从钙质土壤中具有足够的总叶Fe。一般来说，值为1.0 mg AL G.⁻¹叶片干质量是区分铝蓄能器和非铝蓄能器的阈值[18.那19.]．嫌钙植物的A. Flabellulum.和亚太石头答:capillus-venerisF。dissectum可能是Al排除物种，因为当在其各自的优选土壤上生长时，它们的叶铝浓度低于阈值（图。3.d），而钙硅A. Malesianum.由于三种土壤类型的叶片铝含量均高于阈值，因此可能为含铝植物(图2)。3.C，D）。当被迫在酸性土壤上生长，答:capillus-venerisF。dissectum有下RGR（图。2b）和其叶铝浓度超过阈值（图。3.d） 。然而，研究结果可能并不表明钙盐植物具有铝毒性。首先是明显的铝中毒症状，即根尖和侧枝变得粗壮、短粗和棕色[26.]其次，根中所有的钙铝摩尔比，都是评价铝对植物的毒性和酸性胁迫的优于叶片铝浓度的指标[26.那27.]，高于三种土壤类型的钙硅物质的关键0.2。

Wang等人。[2]发现答:capillus-venerisF。dissectum为低钙离子浓度的钙矾石。在我们的研究中，叶片Ca浓度答:capillus-venerisF。dissectum与钙化相似A. Flabellulum.但低于钙石A. Malesianum.在各自的首选土壤上生长(图。3.一种）。结果进一步表示亚太石答:capillus-venerisF。dissectum是低叶Ca种。然而，其根Ca浓度在三种植物中最高(图。3.a），暗示CA排除策略使其能够通过在根中保留CA来避免多余的叶片CA。相比之下，钙硅A. Malesianum.叶片Ca浓度几乎是答:capillus-venerisF。dissectum在钙质条件下(图3.a） ，表明它能吸收额外的钙，并能耐受较高的叶钙。这种耐受性最有可能是通过生物矿化过量的钙，形成钙基矿物（可能是草酸钙），从而避免钙的任何干扰²⁺关于细胞功能和其他营养素的可用性/分配[28.]．种间变异的能力铁线蕨形成草酸钙晶体的物种由花冠支持[29.]．

嫌钙植物的A. Flabellulum.在钙质土壤上表演更糟。这种反应可能归因于增加的叶Ca浓度和降低的叶k浓度。相比之下，钙硅答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.能有效地吸收磷和钾给叶片，因此在钙质土壤上生长旺盛。关系到A. Malesianum.那答:capillus-venerisF。dissectum是低叶钙质种。如果它们偏爱的钙质土壤被酸性土壤“污染”了，答:capillus-venerisF。dissectum可以保持几乎不受影响，而A. Malesianum.会变得更好。相反,A. Flabellulum.如果其最适宜的酸性土壤被钙质土壤“污染”，则会恶化。

植物材料和生长条件

答:capillus-venerisF。dissectum（M. Martens＆Galeotti）Ching，A. Malesianum.J.Ghatak和A. Flabellulum.L.是蕨类植物家庭常绿常见的蕨类植物。在华南广西的喀斯特地区，答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.发生在石灰石土壤(钙质)，但A. Flabellulum.仅限于红壤和黄壤（酸性）。答:capillus-venerisF。dissectum，高度15-40厘米，具有细长和匍匐的根茎，以及卵形三角形和1-或2针酸的喇叭杆菌。A. Malesianum.，高10-40厘米，具有短暂和直立的根茎和Whiplike 1-Pinnate Laminas，并且可以通过rachis生根在顶点形成新的植物。A. Flabellulum.，以其扇形和2-或3-二分分枝的薄片命名，高20-45厘米，具短而直立的根状茎。

这三个铁线蕨物种可以通过根茎分离繁殖。2017年4月，母亲的母亲答:capillus-venerisF。dissectum和A. Malesianum.为广西阳朔县(北纬24度43分，东经110度30分)，A. Flabellulum.均采自广西桂林植物园(25°04′n, 110°18′e)。它们由广西植物研究所刘艳教授鉴定，金质标本保存于广西植物标本馆(http://www.gxib.cn/spIBK）.对于每个物种，选择7株大小相似的母植物，并将每一株植物分离成3个克隆个体。将3个无性系随机分配到高16 cm、直径18 cm的3个花盆中，不同土壤类型(钙质、酸性和混合土壤，2 kg)。因此，每个物种有21个花盆(7个个体× 3个土壤类型)。据廖等人说，这些花盆放在长椅上，随机分布在阴凉的塑料温室里。15.]．2017年4月28日至8月26日，平均昼夜温度和湿度分别为30.4/23.3℃和75.1%。

钙质土壤采自根区(20 cm半径内土壤顶部20 cm)答:capillus-venerisF。dissectum从阳朔县，广西和酸性土壤获得A. Flabellulum.根区在桂林植物园，广西，华南。将这些土壤在室温下干燥，并筛分（0.5cm）以除去鹅卵石，叶子和不需要的材料。混合土壤是钙质和酸性土壤的混合物（1：1，v / v）。对于每罐，通过常用的重量法，每2天将土壤浇水至50％的现场容量。

测量

盆栽前，测定土壤中碳酸钙的pH值₂和总Ca、Mg、Fe、Al、P、K浓度在1:3 HNO微波消解后通过电感耦合等离子体-光发射光谱法（ICP-OES，安捷伦725，安捷伦科技，美国）测定_3.：HCl [30.]．记录所有植物个体的初始新鲜重量，干重（初始总生物量，DW）₁)是根据实验室分析的子样品的干重/鲜重比估计的。

经过4个月的生长后，使用Spad-502叶绿素（Minolta，Osaka，Japan）测定新形成和成熟叶片的叶绿素水平，然后收获所有植物。每个人，最终总生物量（DW₂在小心地用自来水洗涤后得到的，然后在80℃下干燥至少24小时后获得。从DW.₁和DW₂，日相对生长率(RGR, mg g⁻¹D.⁻¹)估计为(ln DW₂- - - - - - ln DW₁) / 120×1000。测量生物量后，将叶片和根系样品磨碎并均质。样品用5:1 HNO酶切_3.: HClO_4.[13.采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS, iCAP-Qc, ThermoFisher Scientific, USA)测定Ca、Mg、Fe、Al、P和K的浓度。

统计分析

采用单因素方差分析（ANOVA）和最小显著性差异（LSD）比较土壤性质的差异(P.< 0.05)。通过双向Anova测试物种和土壤类型中的Spad值，元素浓度（Ca，Mg，Fe，Al，P和K）的差异。由于生物质生产和RGR是初始尺寸依赖性的[31]通过双向协方差分析（ANCOVA）和DW检验了它们在物种和土壤类型之间的差异₁作为协变量。通过Pearson相关系数检验各树种叶片元素含量与最终总生物量、SPAD值和RGR之间的线性相关关系。所有分析均使用SPSS 20.0 for Windows (SPSS Inc.， Chicago, USA)进行。

本研究中使用和/或分析的数据集可根据合理要求从相应作者处获得。

AF.：

铁线蕨flabellulatum

AC.：

铁线蕨capillus-venerisF。dissectum

是：

Adiantum Malesianum.

RGR:

相对生长速率

DW₁：

最初的总生物量

DW₂：

最后的总生物量

感谢邹凌丽女士提供的植物材料样本信息，感谢刘艳教授提供的物种鉴定信息。我们也感谢施普林格Nature投稿编辑Riya Mondal推荐我们的手稿。

本研究得到国家自然科学基金（31560089, 41867054）、中国国家重点研究项目（2019YFC0507503）、中国中国广西自然科学基金（2018GXNFAA28、110 8）、中国广西重点科研项目（贵科AB16380250）、中国桂林科技重点项目等支持。（20180101-2）。没有一个资助机构在研究设计、数据收集、分析和解释以及手稿准备中发挥任何作用。

隶属关系

1. 广西植物园自治区和中国科学院广西植物园岩溶地域植物养护及恢复生态学重点实验室，桂林，P.R.中国

   廖建雄，蒋倩文，莫玲，濮高忠，张邓

2. 桂林理工大学旅游与园林学院(植物与生态工程学院)，桂林

   廖建雄，梁丹

贡献

JXL完成了大部分的实验并撰写了手稿。DYL帮助测量和分析数据。QWJ、LM和DZ从田间采集植物和土壤。GZP帮助设计了这些实验。所有作者都已阅读并批准了最终稿。

通讯作者

通信剑Xiong廖。

伦理批准和同意参与

母株和根区土壤分三种铁线蕨目前研究中的物种是从公共土地获得的，桂林政府的权限获得。这些植物的盆栽试验，包括它们的田间收集，在桂林植物园进行，他们遵守了中国的国家指导方针和濒危野生动物群和植物群的贸易公约。

同意出版物

不适用。

利益争夺

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

出版商的注意

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