（生态学专业论文）几种常绿木兰科植物的抗寒性研究和抗大气污染研究.pdf

摘要：木兰科植物大多是第三纪古热带植物区系的孑遗植物和古老植物，是被子 植物中较原始的类群，云南是木兰科植物的分布中心和重要保存中心。除盖裂木 属分布外，其它各属均有分布。丰富的木兰科植物种类，是研究被予植物起源、 物种进化基础、系统发育不可缺少的珍贵材料，具有极高的科学研究价值。同时 考虑到木兰科植物的园林用途及绿化效益，有必要对木兰科植物进行抗性研究工 作。限于时间关系及具体条件，本文仅就木兰科植物幼苗的抗寒性及抗污染两方 面的生理特性进行了相关研究。 对1 3 种木兰科常绿植物幼苗的生物量变化情况进行了记录，同时就昆明的 气候特点分旱季、雨季分别测定了苗术的光合生理生态变化情况。在抗寒性研究 中，采用低温( 2 c ) 对1 2 种木兰科植物幼苗叶片分0 、4 、8 、1 2 小时进行处理， 观察叶片叶绿素荧光的变化及生理生化指标的响应。在木兰科植物幼苗抗污染性 的研究中，分室外试验和室内试验对植物进行了处理，测量了1 1 种木兰科植物 幼苗在污染环境中的光合生理生态指标的变化。在室内采用n a h s o ：，溶液 ( 5 m m o l l 。1 ) 拟合s 0 ：气体污染对植物叶片进行处理，同时测定其叶绿素荧光动 力学特征变化、相对电导率及叶绿素含量的变化。然后分析各指标对胁迫强度的 响应。 实验测定结果表明： ( 1 ) 木兰科植物植株高度、地径、叶片数的增长符合c u b i c 增长方程。对水 兰科植物在旱季和雨季的光合生理生态特性的研究表明，除多花含笑外，木兰科 植物的光合速率、气孑l 导度、蒸腾速率普遍低于雨季时的光合速率、气孔导度及 蒸腾速率。胞涮二氧化碳浓度的变化与光合速率等指标的变化趋势相反。 ( 2 ) 木兰科植物叶片栅栏组织的厚度与树种的抗寒性大小呈正相关：海绵组 织的厚度与树种抗寒性大小相关性不大：栅栏组织与海绵组织厚度比与树种抗寒 性大小呈正相关，且与罔间试验观察结果较为一致。 ( 3 ) 木兰科植物幼苗在低温胁迫处理下，其生理生化指标都有较大的变化， 而且随着植物种类的不同，其变化的幅度也有所不同。其中脯氨酸含量、可溶性 糖含量、丙二醛含量、相对电导率随低温处理时间的增加而增大，而叶绿素荧光 相关指数中，原初荧光随处理时间延长而增大；f v f o 比率及光化学效率( f v f m ) 呈下降趋势。大多数木兰科植物叶片中的脯氨酸含量都表现为增加，但有些木兰 科植物在低温胁追一段时间后，脯氨酸含量达到最高点，然后随胁迫时间增加而 降低。综合分析表明，评价木兰科植物抗寒性大小为多因素决定。可以根据木兰 科植物叶片在低温胁迫条件下的生理生化指标的变化将木兰科植物分为4 类。广 i 玉兰、深山含笑属强抗寒性树种，而山玉兰、南亚含笑、多花含笑、粗梗木莲、 绒叶含笑属抗寒性较强树种；醉香含笑、红花木莲、卵叶木莲为弱抗寒性树种： 云南拟单性木兰、香木莲为抗寒性中等树种。 - ( 4 ) 木兰科在外界大气污染存在的情况下，其光合速率和叶绿素荧光指数都 有不同程度的下降。采用n a h s o , ，溶液拟合s o ：气体污染对木兰科植物叶片进行处 理，测定其叶绿素荧光及叶绿素含量、细胞膜相对渗漏率等生理指标。研究发现， 叶绿素荧光的变化与外界大气污染存在时所呈现的变化相一致。相对电导率的测 定结果表明，在污染物存在的环境中，植物叶片的相对电导率随着处理时间的延 长而增高。叶绿素含量的测定结果表明，大气污染物能对植物叶片中的光合系统 造成伤害，尤其是对叶绿素a 含量的影响。随胁迫时间的增加，叶绿素a 、叶绿 素b 、叶绿素含量均下降。下降的幅度因植物种类及其抗性大小而异。综合分析 表明，可以将用于试验的木兰科植物幼苗按抗污染能力大小分为四类。云南拟单 性木兰、卵叶木莲、山玉兰、绒叶含笑、香木莲为强抗污染性树种；南亚含笑为 抗污染性较强树种；多花含笑、红花木莲为抗污染性较弱树种，醉香含笑、深山 含笑、粗梗木莲为抗污染性较差树种。这与浸叶法所观察的结果相一致。 实验结果支持如下结论：大气相对湿度是影响木兰科植物的光合生理生态特 征变化的重要生态因子。在低温胁迫下，木兰科植物幼苗的生理生化性状表现出 一定的变化，叶绿素荧光指标、相对电导率、脯氨酸含量、m d a 含量均能够在一 定程度上反映出植物的抗性大小。针对木兰科植物幼苗在污染环境下的光合生理 生态指标的变化，以及在n a h s o ：。溶液处理下植物叶片表现出的生理生化指标的变 化情况，可以看出，叶绿素荧光的变化能够较好地反映出植物对污染胁迫的生理 生态响应，相对电导率、叶绿素a 、叶绿素b 、叶绿素含量的变化则显示了植物 受伤害的程度。可以作为评价植物抗性强弱的指标。 关键词：木兰科植物，光合生理生态，抗寒性，抗污染性 a b s t r a c t ：m a g n o l i a c e a ei s af a m i l yo ff a m o u sf l o w e r i n go r n a m e n t a lw o o d yp l a n t s w h i c he x i s ti nt h ew o r l df o ra l o n g t i m e i ti sak i n do f o r i g i n a lp l a n ta m o n gt h ef l o r a p l a n t s i nc h i n a ，i td i s p e r s e si nt h er r e aw h i c h c e n t e ri ny m a n a np r o v i n c e d u et ot h e l l i g ha d v a n t a g eo fm a g n o l i ai nt h eu s eo fi m p r o v i n gt h es t a n d a r do fe n v i r o n m e n t t h e s t u d ya b o u tt h es t r e s st o l e r a n c eo f t h ep l a n t sa ta b o v ef r e e z i n gt e m p e r a t u r ea n di nt h e p o l l u t e de n v i r o n m e n t h a v eb e e nc a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y 1 2 m a g n o l i a sa n d 11 m a g n o l i a sh a v eb e e nu s e d i nt h e e x p e r i m e n t f o rc o l d t o l e r a n c et e s ta n d p o l l u t i o nr e s i s t a n c et e s tr e s p e c t i v e l y b e f o r ei t ，w eh a v em e a s u r e dt h e b i o m a s so ft h e13m a g n o l i a sa n dt h ep h o t o s y n t h e t i cc h a r a c t e r i s t i c si n ，d r o u g h ts e a s o n a n di nw e ts e a s o nr e s p e c t i v e l y t h et h i c k n e s so ft h ep a l i s a d em e s o p h y l la n dt h es p o n g y p a r e n c h y m aw e r em e a s u r e da st h ei n d i c e sf o rw i n t e rh a r d i n e s st e s t t h el e a v e so f1 3 m a g n o l i a sh a v eb e e n u s e dt ot e s tt h ev a r i a t i o no f t h ec h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ea n dt h e p h y s i o l o g yp a r a m e t e m a ta b o v ef r e e z i n gt e m p e r a t u r eo fd i f f e r e n tt i m e i nt h es t u d yo f a i rp o l l u t i o nr e s i s t a n c ei nm a g n o l i a s ，11 m a g n o l i a s h a v eb e e nu s e dt ot e s tt h ec h a n g eo f t h e p h o t o s y n t h e t i c c h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t i nt h ec o n t r o l l e d e n v i r o n m e n t ，t h em o d u l es 0 2a i rp o l l u t i o nc o n d u c t e db yt h e5 r e t o o l l 。n a i - i s 0 3 s o l u t i o nw e r eu s e dt ot e s tt h er e s i s t a n c eo f m a g n o l i a st oa i rp o l l u t i o n t h er e s u l t sg a i n e di nt h i st r i a la r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ei n d i c e so fm a g n o l i ai nl e a v e s ，s t e r nh e i g h ta n db a s a ls t e m d i a m e t e r i ti so b s e r v e dt h a tt h et e n d e n c yo ft h e s ep a r a m e t e r sa r ec o r r e l a t e dw i t l lt h e c u b i c e q u a t i o n i t i sa l s oo b s e r v e dt h a tt h e r ei ss o m ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e p h o t o s y n t h e t i cr a t e ，t r a n s p i r a t i o nr a t e ，i n t e m a l c a r b o nd i o x i d ec o n c e n t r a t i o na n d s t o m a t a lc o n d u c t i v i t yi n d r o u g h ts e a s o na n dr a i ns e a s o n t h er e s u l t sa b o u tt h e c h a n g e o fc c o p h y s i o l o g yc h a r a c t e r i s t i c si nt h ec o l d e n v i r o n m e n t ( 2 c ) s h o w e dt h a t ： ( 1 ) t h ee c o p h y s i o l o g yi n d i c e so ft h em a g n o l i a sh a v et h er e g u l a rc h a n g ea ta b o v e f r e e z i n gt e m p e r a t u r e i t v a r i e s d i f f e r e n t l ya c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tp l a n t sa n dt h e d i f f e r e n tl e a v e sf r o mt h es a n l es p e c i e s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h es y n t h e s i sa n a l y s i s ，t h ei n d i c e so f c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ep l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i r s tc o m p o n e n te q u a t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no f p r o l i n e ，s u g a r a n dm d a a r ea l s of o u n dc r i t i c a li nd e t e r m i n i n gt h ew i n t e rh a r d i n e s so ft h em a g n o l i a s w ec a nd r a ws u c hac o n c l u s i o nt h a tt h ew i n t e rh a r d i n e s si sd e t e r m i n e db ys e v e r a l e l e m e n t sa n dn o tb ya s i n g l eo n e w i t ht h ep r o c e d u r eo f c l u s t e ri ns p s s ，w ec a nd i v i d e t h em a g n o l i a si n t of i v eg r o u p s t h ee f f e c t so fa i rp o l l u t i o no nt h el e a v e so f m a g n o l i a h a v ea l s ob e e ns t u d i e d t h e n e tp h o t o s y n t h e t i cr a t e ，t h et r a n s p i r a t i o nr a t ea n dt h es t o m a t a lc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e d i i i w h i l et h ei m e r r u a lc a r b o nd i o x i d ei n c r e a s e d t h e e c o p h y s i o l o g y c h a r a c t e r i s t i c s r e s e m b l e dt h o s ev a r i a t i o ni nl e a v e so f m a g n o l i au n d e rl o w t e m p e r a t u r e ( 1 ) i nt h ep o l l u t e de n v i r o n m e n gt h ep h o t o s y n t h e t i cr a t e ，t h et r a n s p i r a t i o nr a t e ，t h e i n t e r n a lc a r b o nd i o x i d ec o n c e n 仃a t i o na n dt h es t o m a t a lc o n d u c t i v i t yw e r er e c o r d e dw i 血 t h el i 6 4 0 0 n l cr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e s ei n d i c e sv a r i e dw i t ht h ee n h a n c e m e n to ft h e p o l l u t i o n i tm e a n st h a t t h e s ei n d i c e sd e g r a d e d 、i 血t h ep r o l o n go ft h et i m eu n d e r p o l l m i o n s t r e s s ( 2 ) a st h ec e l lm e m b r a n el e a k a g er a t ea n dt h ei n i t i a lf l u o r e s c e n c ei n c r e a s e d ，t h e c h a n g e si na b o v e i n d i c e sw e r em o r es i g n i f i c a n ti nt h el i q u o r w l l e nt h em o d u l es 0 2a n d d i o x i d es t r e s s e sw e r ec o n d u c t e db yt r e a t i n gt h el e a v e so fm a g n o l i a sw i t l l5 r e t o o l l 。 n a h s 0 3 ，t h es a m ep r o n o u n c e dv a r i a t i o no fc h l o r o p h y l laf l u o r e s c e n c e ，i n c r e a s ei nc e l l m e m b r a n el e a k a g er a t ea n dd e g r a d a t i o no fc h l o r o p h y l lw e r eo b s e r v e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ed e c r e a s ei np h o t o s y s t e ma c t i v i t yo f c h l o r o p l a s ta n d t h ei n t e g r a ls t a t eo f t h ec e l lm e m b r a n es y s t e mw e ec o n s i s t e n tw i 也t h ee n h a n c e m e n ts e e nd u et oa g g r e g a t e a i rp o l l u t i o ni nd i f f e r e n te x p e r i m e n t a ls i t ea n dd i f f e r e n ts p e c i e s ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h es y n t h e s i sa n a l y s i s ，t h e1l m a g n o l i a c e a es e e d l i n g su s e di nt h e t r i a lh a v eb e e ns e p a r a t e di n t of o u rg r o u p s ，a n dt h ec l a s s i f i c a t i o nr e s e m b l e dt h er e s u l t si n t h ef o r m e re x p e r i m e n t ， t h ec o n c l u s i o nw e r es u p p o s e db yt h e e x p e r i m e n t sc o n s i s to f ( 1 ) t h er e l a t i v e h u m i d i t yi s o n et h ec r i t i c a le l e m e n t sw h i c ha f f e c tt h ep h o t o s y n t h e t i ce c o p h y s i o l o g y c h a r a c t e r i s t i c s g r e a t l y ( 2 ) t h ee c o p h y s i o l o g y i n d i c e s e s p e c i a l l y t h e c h l o r o p h y l l a f l u o r e s c e n c ec a ni n d i c a t et h ed j i f f e r e n c eo ft h ew i n t e rh a r d i n e s sa n dt h ea i rp o l l u t i o n r e s i s t a n c ea m o n gm a g n o l i a si nt h ee x p e r i m e n t s ( 3 ) w i 也t h ed i f f e r e n c eo ft h ev a r i a t i o n o ft h e e e o p h y s i o l o g yp a r a m e t e r s i nt h e e x p e r i m e n t ，t h em a g n o l i a s u s e di nt h e e x p e r i m e n tc a nb ec a t e g o r i z e di n t od i f f e r e n tg r o u p st os h o wt h ed i f f e r e n c eo fr e s i s t a n c e t ot h es t r e s so u t s i d e k e yw o r d s ：m a g n o l i a c e a e , p h o t o s y n t h e t i ce c o p h y s i o l o g y ，w i n t e rh a r d i n e s s ， a i rp o l l u t i o nr e s i s t a n c e f v 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：鍪塑日期：乏艘垒：茬 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后。允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：整丝导师签名：签名：整兰毡导师签名： 蟑日期：笙! 型 1 研究背景 1 研究背景 1 1 植物抗性机理 在农林业生产过程中，经常会遇到不良的环境条件，如水分缺少或过多，产生早 害或涝害，温度太低或过高，就产生寒害或热害；土壤中的盐碱成分过多，就产生盐 害或碱害；工业和交通运输中排放烟雾、污水等，引起烟害、酸害及土壤污染等。这 些不良的环境统称为逆境，逆境可以使植物发生各种生理障碍。 植物受到外界胁迫时，会表现出一定的抵抗能力，我们称之为植物的抗性。植物 的抗性会在代谢过程及生理生化特性的变化上表现出来。概括起来，有这样一些方面： 1 原生质透性：原生质透性反映植物抗性差异上是比较敏感的，在冷、冻、旱、涝、 盐、热、大气污染等伤害等方面，都表现出原生质透性的破坏，大量电解质和非电解 质溶质渗漏出来，组织的相对透性比对照增加3 1 2 倍。胁迫程度越大，原生质膜透性 伤害越大“1 。2 水分状况：植物在环境胁迫下，水分状况的变化是比较明显。，具体表 现为植物的吸水量降低，蒸腾量减少，但由于蒸腾仍大于吸水，植物组织的含水量降 低“1 ，持水力增高，同时发生萎蔫现象。3 矿质营养：低温与干旱都直接抑制根系的 呼吸与吸收作用，影响矿质离子在体内传导。随着温度的降低和干旱程度加重，有些 元素的缺乏症状也会随之发生。营养物质尤其是碳水化合物的贮备和含糖量增加是植 物抗寒和抗旱性的重要内因。因此施用适当的氮磷钾肥及微量元素，都能增加植物的 抗寒性和抗旱性。4 光合能力：在环境胁迫下，植物表现出光合速率的下降。在于旱 条件下，植株叶片因失水而造成生理干旱，气孔开度减小甚至关闭，直接导致植株光 合速率明显降低。随着叶片失水的增多，气孔关闭，二氧化碳供应减少，光合作用不 断下降”“。在盐碱条件下生长的小麦，叶片光合强度比对照降低3 6 - 5 2 ，不仅是 单位叶面积的光合强度降低，而且净同化速率也随着盐分浓度的增加，成比例的下降。 高温胁迫导致水稻净光合速率下降”1 。二氧化硫处理植物时，光合强度也明显地降低。 而且随二氧化硫浓度和处理时间的增加，相应的降低更多。植物在不同抗性反应中， 都表现出光合强度的下降，这是由于气孔阻力增加，光合结构功能受损，叶绿体结构 破坏，叶绿素含量减少等因素所致。4 呼吸作用：在胁迫环境中，植物的呼吸作用的 变化表现为两种类型，是当植物受到环境胁迫时，呼吸强度下降；二是当植物受到 环境胁迫时，呼吸作用先出现短时间的上升而后降低，但当植物受到环境胁迫时，呼 吸作用明显增强，并能维持相当长的的时期，植物受害严重接近死亡时，呼吸作用才 几种常绿木兰科植物的抗寒性研究和抗大气污染研究 会下降。环境胁迫对植物呼吸作用的影响，除冷害、旱害和病害。在受害初期有不同 程度的增强外，呼吸作用都是降低的，在氧化磷酸化作用上也表现出解偶联反应，因 此a t p 的形成与能量供应明显降低，从而影晌到植物的生长。5 代谢过程：碳水化合 物与蛋白质代谢植物抗性生理物质代谢研究中的重要研究部分。在胁迫环境中，植物 的物质代谢都表现出了较为一致的变化趋势，在低温、干旱及涝害等抗性方面，表现 出淀粉水解作用的加强，植物器官中可溶性糖、游离脯氨酸含量、抗性蛋白含量以及 膜脂过氧化产物( m d a ) 的含量都表现为一定量的增加。同时细胞内各种酶的活性也 会相应受到影响。如s o d 、p o d 、c a t 等酶的活性在胁迫环境中表现为活性下降”1 。6 抗性基因及抗性蛋白：由于分子生物学、细胞生物学和遗传学的发展，植物生理学进 入了一个新的发展阶段。人们已经可以在细胞水平、分子水平上认识植物生理活动的 基本规律。各种抗性基因及抗性蛋白的发现及运用。将使植物抗性生理的研究提高到 一个新的水平。 1 2 木兰科植物的研究状况 木兰科( m a g n o l i a c e a e ) 植物大多是第三纪古热带植物区系的孑遗植物和古老植 物，是被子植物中较原始的类群。全世界有木兰科植物共1 6 个属2 5 0 余种，其中中 国有1 2 属1 0 8 种一亚种”3 。云南是木兰科植物的分布中心和重要的保存中心。除盖 裂木属( t a l a u m a ) 没有分布外，其它各属均有分布，约9 0 余种。如此丰富的木兰科 植物种类，是研究被子植物起源、系统发育不可缺少的珍贵材料，是研究物种进化的 基础，科学研究价值极高。 木兰科植物虽不是构成森林群落的主要建群种或优势种，但却是重要的伴生树 种，维持生态系统稳定的关键种，它们的丢失将会间接引起许多物种的丢失，从而影 响群落的稳定性。因此木兰科植物在森林生态系统平衡中起着重要作用。 木兰科是一个种类繁多，种质资源极为丰富的科。但由于环境的变迁和人为的干扰使 其中不少物种己处于稀有，渐危和濒危的状态“。成为被子植物中受威胁种类最多的 科。 由于木兰科植物特有的地位和科研价值，已经引起了国内大多数学者和广大园林 工作者的重视。对其生长量，木材结构，分类、基因序列测定、其药用成分及其繁殖 进? i r - f 深入的研究“”“3 “。引”3 。木兰科植物这个古老的树种有望得到进步的开发 和研究。 l 研究背景 作为一种珍贵的用材树种，木兰科树种在造林工作中也得到了广泛的关注“”“”， 对木兰科植物进行抗性研究也就变成了较为紧迫的任务。对木兰科植物进行抗旱性研 究，筛选出抗旱性较强的品种，可以为造林工作中木兰科树种的运用提供理论依据。 当前，木兰科树种的抗寒性工作已引起了广大园林工作者的重视。对木兰科植物的抗 寒性进行研究。可以对木兰科树种的引种工作提供理论依据，从而避免不必要的损失 和引种工作的盲目性。也为木兰科树种的保护和利用提供了可行的途径。但就目前的 研究进展来看，对木兰科植物的抗寒性工作的研究的相关报道较少。谢庭味等对木兰 科植物的叶片解剖结构与植物抗寒性的关系进行了研究“。同时，施福成等人也对几 种木兰科植物的电导率的变化进行了研究1 。可以说，对木兰科植物的抗寒性研究， 与其它经济苗木相比，还是处于较为落后的阶段。 由于木兰科植物的景观绿化效应，木兰科植物已经被大多数城市广为运用。如马 褂木已经在上海、南京等地作为一种重要的行道树而受到广大群众的喜爱。当前，日 趋成熟的城市绿化理论要求增加常绿树种在城市绿化树种的比重。而木兰科树种中相 当部分的常绿种可以满足这种要求。较好的抗病虫害能力，使木兰科树种在城市绿化 中成为广大园林工作者的首选“。因此，木兰科树种的抗寒能力以及抗污染能力的研 究，对木兰科树种这种珍贵的古老植物的保护和利用具有重大经济价值和生态意义。 1 3 植物的抗寒性研究进展 植物的生长发育受到外界各种不良因素的影响尤其是低温是限制林木生长发育 主要因素之一。研究植物的抗寒性，为提高植物在低温条件下的存活率以及城市绿化 中合适绿化品种的引进提供了重要的理论依据。植物的抗寒性是长期系统生长发育所 形成的，表现出相对的遗传稳定性，低温环境影响其生长发育，引起一系列生理生化 的变化。因此，不同植物种类对低温的反应，必然在生理生化上反应出来。当| j i ，有 关的抗寒性研究工作主要集中在农作物和重要的经济苗木上。如香蕉o “、海岛棉“、 柁果。3 1 、辣椒。”、小麦。“、青杨”。、红豆杉。”等。研究范围包括比较不同植物的抗 寒性大小啪1 、低温胁迫对植物的伤害”3 、植物对低温胁迫的适应及抗性机理。”3 等方面 内容。研究方法集中于利用野外的自然条件下的低温胁迫和室内的模拟低温胁迫两 种，用于反映植物受到低温胁迫伤害的指标可以大致分为四大类：第一类，主要是反 映植物生长的形念指标，如生物量、植物各个部分的形态变化“1 以及叶片形态解剖结 构的差异( 角质层厚度、表皮、气孔频度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度及栅栏组织 几种常绿木兰科植物的抗寒性研究和抗大气污染研究 海绵组织) “”等。第二类，反映植物低温胁迫时的光合能力。”1 、呼吸能力以及水分 平衡等生理生态指标的变化及破坏情况等。如与光合能力相关的叶绿体的结构、叶绿 素荧光动态特征。、光合生理生态指标、色素含量m 1 的变化、自由基代谢的变化情况， 与水分平衡相关的自由水、束缚水含量等：第三类，反映植物细胞膜受伤害的一些指 标，如低温半致死温度，细胞膜的膜脂过氧化产物丙二醛( m d a ) 含量1 、细胞膜保护酶 系统的超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶( p o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 等活性o ”1 ，以及 反映细胞膜选择透性受损的电解渗透率大小。”1 和膜脂组成变化等。第四类，反映植物 代谢生理过程变化的代谢中间或最终产物。通常作为代谢和渗透调节物质而影晌着植 物的抗寒性。如可溶性糖含量、可溶性蛋白质、游离氨基酸特别是游离脯氨酸含量。” “、不饱和脂肪酸的不饱和程度“等，有机大分子物质和无机小分子，如c a ”，k + ，h 含量等“。以上各类指标中，除了第一类指标需要进行长期的观察、记录和统计后， 才能得出比较可信的规律外，其他指标相对来说对低温胁迫比较敏感，但对不同的植 物以及不同的胁迫情形，它们的敏感度、准确性以及变化规律差别较大。 近年来，随着植物生理、细胞和分子生物学理论和方法的日益完善，植物冷驯化 和抗寒分子机理的研究取得了显著的进展，植物抗寒基因工程也随之得以广泛开展。 dm h a a g e n s o n 等人对紫花苜蓿的落叶特性及其抗寒性的相关性做了研究。指出紫花 苜蓿的冬季存活率与其收获方式有关，而其落叶特性并没有诱导相关抗寒性基因的产 生。i s k e n d e r t i r y a k i 等人对高梁的纯种及杂种的萌芽情况和苗木抗寒性进行比较， 从而分析了基因型的变动情况对植物种子在低温下的萌发和和生长的相关性o 。 c r y s t a lcm i t c h e l l 等利用d n a 探针技术检查了四倍体燕麦草染色体变异程度，分析 了不同地域的几种燕麦草的染色体核型的差异。以期能够提高燕麦的抗寒能力“。当 前，随着分子标记技术的成熟和发展“，将为植物的抗寒性研究工作开辟出一片新领 域。 综上所述，当前的研究工作仍局限于经济作物和重要的经济苗木的相关研究，应 当结合当前生物多样性保护的大趋势，将抗性研究工作与植物资源的保护利用以及可 持续发展联系起来。此外，当前的研究工作和一些先进的分子生物学技术结合力度不 够，如抗性基因的诱导产生及表达、抗性产物的产生机理、优良抗性基因的筛选等方 面的工作仍有待发展。同时，抗寒性研究工作应当结合当前人们对环境目益提高的要 求，结合园林绿化工作，为优良品种的引进提供理论支持。 1 4 植物的抗污染研究进展 4 1 研究背景 世界卫生组织把空气中存在的一些如s o 。、n o ，、0 ，、碳氢化合物等物质以及由它 们转化成的二次污染物，当它们的浓度和作用时间达到足以引起动植物和人体健康或 使建筑物等物品受到损伤时，称之为大气污染。对植物影响较大的较普遍的大气污染 物有硫氧化物，氮氧化物，臭氧、氟氢化物等有害气体及烟尘、粉尘等颗粒物。酸雨 也是大气污染的一种表现。 当空气中的污染物浓度超过了植物的忍耐限度，就可以使植物的细胞，组织和器 官受到伤害，影响正常的生理功能，生长发育受至4 阻碍。研究大气污染物对植物的伤 害机理和植物对大气污染物表现出的抗性，可以为优良品种的选育及提高植物抗污染 能力提供依据和可行手段。因此，研究植物对大气污染物的抗性具有重大的经济价值 和生态意义。 当前有关大气污染物的研究主要集中在经济作物及城市绿化苗木上，如蚕豆“”、 菠菜“”、菜豆“、小麦、水稻5 “、龙眼。”、悬铃木。3 1 、马尾松“”等。研究的范围主 要包括大气污染物对植物造成的伤害。“、大气污染物对植物伤害的机理”3 、植物的抗 污染能力研究”“、植物的抗污机理、植物对大气污染的适应及协同进化以及抗污染 模式的相关研究”等。常见的研究方法主要包括调查野外污染环境中植物表现和污染 环境中的栽培实验。野外调查的内容主要包括：1 植物群落中植物种类的数量变化、 存活情况及生长状况；2 植物叶片的伤害症状及伤害程度；3 植物生长状况( 生物量 的测定) ；4 其它指标( 如叶绿素含量、气孔交换行为、叶绿素荧光及电导率的变化 等) 。而栽培实验又可以根据栽培方式的不同，分为：1 笳栽试验；2 地栽试验：3 人工熏气试验；4 浸叶法“”等。其中人工熏气试验是目前运用最广的实验方法，广泛 用于良种筛选及植物的抗性评价。 大气污染物中对植物影响较大的是二氧化硫( s o ：) 、氟化物、氧化剂和乙烯( c ：乩) 。 氮氧化物也会伤害植物，但毒性较小。氯、氨和氯化氢等虽会对植物产生毒害，但一般 是由于事故泄漏引起的，为害范围也不大呻1 。目前对大气污染物研究的较多的是s o ：、 n o x 、0 。及乙烯对植物的伤害以及植物所表现出的抗性。在大气污染物存在的情况下， 植物的生长发育必定会受到一定的影响，而这些影响可以在生理生化指标上反映出 来。目前用于衡量大气污染对植物的危害咀及植物胁迫能力大小的相关指标主要分为 五类：第一类是以植物的生物量的变化，如根、茎、叶的形态变化等来作为评价指标。 jcl e e 等人运用开顶式熏气罩研究了在人工熏气条件下不同浓度的0 j 对植物长势的 影响，发现随着0 ，浓度的升高，植物的株高、地径都有不同程度的降低，而且叶片的衰 老速率明显加快”“。g e r a l djh o l m e s 等的研究表明，西瓜在移植到收获期间，伤害 几种常绿木兰科植物的抗寒性研究和抗大气污染研究 水平与时间呈显著负相关，而果实大小，果实形状、果实甜度在试验期间保持不变或 差异不显著1 。第二类是植物体在污染环境下，植物体内的一些与渗透调节相关的物 质如脯氨酸、糖、可溶性蛋白质的含量亦会相应增加或降低，增加或降低的幅度因 植物种和胁迫强度不同而不同。杨玉珍在氟化物对植物的影响研究中，发现植物受大 气氟化物污染后，植物组织中还原糖含量上升、蔗糖含量及可溶性搪总量均下降，叶 汁p h 值下降。蔗糖含量及叶 i _ t p h 值下降幅度与植物抗氟性呈负相关可以作为植物抗 氟能力强弱的指标“。另据相关研究，发现植物脯氨酸含量随伤害程度的增加而降低， 因此，脯氨酸含量也可以在一定程度上反映植物受伤害的程度“。第三类是植物在污 染环境中，植物体光合能力的变化。如jg a r t y 等人”。在研究中发现，植物在大气 污染如二氧化硫和氮氧化物以及臭氧存在的情况下，植物体的光合畿力下降，同时叶 绿体受到破坏、叶绿素的含量相应下降。类似的结果在a n nm a r i eo d a s z - a l b r i g t s e n 等人的研究也有观察到1 。第三类是在大气污染环境中，植物因抗性不同而表现出一 些次生代谢物质的释放量不同。刘愚等研究了小麦幼苗在= 氧化硫胁迫下，植物中乙 烯和乙烷含量增加。可以把它们作为伤害和抗性的定量指标。另据报道”，某些植物， 如太阳花在污染加剧的情况下，次生代谢物甲苯的含量增加。第四类是反映植物细胞 膜透性变化的一些指标，如电导率，k + 外渗量在胁迫加剧时相应增大。据余叔文等研 究表明，植物在遭受s 0 ：气体伤害时，细胞质膜受到损伤，引起差别透性破坏，离子 外渗，特别是k 外渗增加，此后逐渐显现可见伤害症状。第五类是随外界污染的增 加，植物体内的一些氧化酶的活性及其表达相应增加相关联的基因得到表达和加强 ”从而抗污染能力得到加强，此外，在污染环境中，植物体内激素水平的变化、激 素对减轻污染物对植物体的伤害的机制以及裙关基因的表达与转导也是当前抗污染 研究工作中的热点。这是近年来，随着分子生物学快速发展；各学科之间相互融合， 抗性植物生理学研究开拓的块新领域， 我国对大气污染物对植物影琦句的研究是从7 0 年代开始的。最早期主要是对楂物 症状学的研究，经过2 0 多年的发展，在大气污染物的植物伤害症状、伤害机理、对生 理生化指标的影响等方霭获得了长足的进展。尤其是关于s o 。对植物影响的研究现在 已比较成熟，但总体来看，仍有问题尚待解决。特别是如何将分子生物学的研究成果 与抗性植物生理学相结合，将抗性植物生理学的研究范畴与生物多样性保护以及与城 市园林绿化工作紧密联系起来，将是抗性植物生理学今后工作的重点。 6 2 材料与方法 2 材料与方法 2 1 实验材料 所用实验苗木除少量扦插苗( 香木莲) 外，其余均为一年生实生苗。种源分别来自 文山，怒江，以及西南林学院内。苗木全部在西南林学院大棚内培养，实验期间，棚 内日平均气温为2 3 ，棚内空气相对湿度为4 6 。为便于比较与观察，所有茁木均 用塑料盆( 2 6 x 1 8 c m ) 为容器，培养土为腐殖土与红心土按1 ：l 比例混合，每盆施用 n p k 复合肥( t r i a b o n ) 1 3 9 。每天傍晚时对苗木浇水，保证苗木水分供应充足。 2 2 实验方法 ( 1 ) 基本情况测定 我们从2 0 0 2 年1 月一2 0 0 3 年8 月，以1 3 种木兰科植物的幼苗作为研究材料，对 木兰科植物的幼苗进行了地径、株高、叶片数等生物量指数的连续观察。 为了比较昆明旱季、雨季环境因子对木兰科植物光合生理生态特性的影响，以4 月作为昆明旱季的代表月份，以7 月作为雨季的代表月份，采用美国生产的l i - 6 4 0 0 便携式光合测定系统( h i 一6 4 0 0 ，u s a ) ，选择该月中旬的晴朗无云天气，测定木兰科植 物光合生理生态特性的变化。 ( 2 ) 抗寒性研究 实验分两部分进行，一部分于室外进行观测。在昆明一年中最低温时对木兰科植 物的幼苗进行抗性评定。根据受害程度的不同，可以将木兰科植物分为6 个等级，其 分类标准为：1 全株死亡。2 顶芽死亡，叶片全部枯死，但仍有少量幼苗存活。3 顶 芽死亡，但叶片仍有保存，且能在生长季节很快恢复。4 顶芽保存，侧芽部分枯死， 叶片大部分枯死。5 顶芽保存，侧芽保存完好，但叶片有少量枯死。6 植株保存完好。 另一部分在室内进行，对其进行人为低温处理( 2 ) ，经0 、4 、8 、1 2 小时处理 后，分次测定相应生理指标，每处理设三次重复( 叶绿素荧光测定设5 次重复) 。根 据其生理指标的不同，得出其相应的抗性等级。 ( 3 ) 抗污染性研究 7 几种常绿术兰科植物的抗寒性研究和抗大气污染研究 实验分室外实验和室内实验两部分进行。以西南林学院( 污染较轻地区) 为对照， 选择城市大气污染严重的地区，于2 0 0 3 年4 月1 1 日至1 4 日期间，采用l i - 6 4 0 0 便 携式光合测定系统( l i 一6 4 0 0 ，u s a ) 测定苗木在不同污染状况下光合生理生态特征的变 化。同期采用采用植物效能计( p e a ，u k ) 测定叶绿素荧光的变化。 室内实验：采用一定浓度的n a h s o ，溶液( 5 m m o l l 1 ) 拟合s o ：气体污染，对几种 常见的常绿木兰科植物的幼苗叶片进行处理并观察其受害情况。同时测定处理后叶片 相对电导率、叶绿素含量及叶绿