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摘要 采用石蜡切片和木材三切面切片法及光学显微技术,对生长在于旱地区的5 种榆 科植物,即栓皮春榆u l m u sj a p o n i c a ( r e h d ) s a r g v a t s u b e r o s a ( t u r c z ) s d z h a o 、蒙 古黄榆u m u sm a c r o c a r p av a t m o n g o l i c al i o ue tl i 、大果榆u l m u sm a c r o c a r p ah a n c e 、 刺榆h e m i p t e l e ad a v i d i i ( h a n c e ) p l a n c h 和家榆u l m u s p u m i l al i n n 的枝材和叶进行了解 剖结构比较及抗旱性的研究。结果表明,旱生环境下,榆科植物通常表现出很多抗旱 性特征:角质层加厚、栅栏组织发达、气孔多分布于下表皮,表皮细胞膨大并且含有 黏液物质等。这些旱生植物结构的演化为五种榆颉颃干旱逆境起到了重要作用。综上 所述,本文选取与五种榆抗旱有关的演化结构作为参数,进行了方差分析和多重比较, 旨在对五种榆抗旱性大小进行客观评价。 在叶片组织结构参数与抗旱性关系分析中,选用叶片厚度、栅栏组织厚度、栅栏 组织与海绵组织厚度之比、上下表皮细胞角质化壁层厚度、上下表皮细胞厚度及主脉 导管径向直径等8 个组织结构参数作为抗旱性指标进行测定;叶柄中选用表皮细胞角 质化壁层厚度、表皮细胞厚度、木质部导管径向直径等3 种结构参数进行测定;在枝 材组织结构参数与抗旱性关系上,选用横切面木纤维壁叠加厚度、木纤维内径和早材 管孔径向直径作为抗旱性指标进行测定;所测得的数据经方差分析后导出:除主脉导 管径向直径无显著差异外,其他参数均有极显著差异,经进二步多重比较结果分析得 出:这些组织结构作为抗旱性指标,其灵敏度具有高低之分。 可作为抗旱性指标来对植物体进行抗旱性评价的高灵敏度指标为叶片厚度、栅栏 组织厚度、叶柄表皮细胞角质化壁层厚度、叶柄表皮细胞厚度和木纤维壁叠加厚度; 较高灵敏度指标为栅栏组织和海绵组织之比、叶上表皮和下表皮角质化壁层厚度、叶 柄导管孔径、木纤维内径和早材导管孔径;辅助指标为叶上、下表皮细胞厚度。 分析还得出,5 种榆抗旱性大小在叶片及叶柄和枝材组织结构参数上表现为:栓 皮春榆最强,其次是蒙古黄榆,再次为大果榆,刺榆和家榆在叶组织结构参数中是刺 榆大于家榆;在叶柄上是家榆组织参数大于刺榆:在枝材解剖结构中参数的大小表现 的不明显。至此,可通过结构上的综合分析来比较,最终得出5 种榆的抗旱性大小为: 栓皮春榆 蒙古黄榆 大果榆 刺榆 家榆。 关键词:榆科植物;叶;枝材;演化结构;颉颃干旱逆境 a b s t r a c t p a r a f f i n s e c t i o nt e c h n i q u ea n dx y l o t o m ya n do p t i c sm i c r o s c o p yw e r ea d o p t e dt o m a k es c i e n t i f i cr e s e a r c h e so na n a t o m i c a ls t r u c t u r ec o m p a r i s o na n dd r o u g h t - r e s i s t a n c ef o r t h eb r a n c h - w o o d sa n dl e a v e so ff i v ek i n d so fu l m a c e a e p l a n t sd e v e l o p i n go nd r o u g h t ya r e a , t h ef i v ek i n d so fu l m a c e a ep l a n t sw e r eu l m u s j a p o n i c a ( r e h d ) s a r g v a r s u b e r o s a ( t u r c z ) s d z h a o ,u l m u sm a c r o c a r p av a r m o n g o l i c al i o ue tl i ,u l m u sm a c r o c a r p ah a n c e , h e m i p t e l e ad a v i d i i ( h a n c e ) p l a n c h a r i du l m u sp u m i l ai a n n t h er e s u l t ss h o wt h a t u l m a c e a ep l a n t s u s u a l l yt a k eo nal o to fc h a r a c t e r i s t i c so fd r o u g h t - r e s i s t a n c eu n d e r d r o u g h t yc i r c u m s t a n c e s :t h ec u t i c l eg e t st h i c k ,p a l i s a d ep a r e n c h y m a st u r nd e v e l o p e d , s t o m a sa r en u m e r o u sa n dd i s t r i b u t eo nn e t h e re p i d e r m i s ,s o m ee p i d e r m i sc e l l sd i l a t ea n d c o n t a i nv i s c o u s n e s se t c s t r u c t u r a le v o l v e m e n to ft h e s ex e r o p h i l sp u t st h ei m p o r t a n c eo n f i v ek i n d so fu l m a c e a ep l a n t se q u a l l ym a t c h i n gw i t hd r o u g h t ya d v e r s i t y a b o v ea l l ,t h e p a p e rs e l e c t st h es t r u c t u r e sw h i c hr e l a t et od r o u g h t - 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r e s i s t a n c eg u i d el i n et om a k em e a s u r e ;i nl e a f s t a l k s ,c u t i c u l a rl a y e rt h i c k n e s so f e p i d e r m i sc e l la n de p i d e r m i sc e l l t h i c k n e s sa n dr a d i a ld i a m e t e ro fx y l e mv e s s e lw e r e c h o s e nt ob es c a l e d ;i nb r a n c h w o o d s ,i ts e l e c t e dw o o df i b e rw a l lt h i c k n e s s ,w o o df i b e r i n n e rd i a m e t e r , a n dv e s s e lp o r er a d i a ld i a m e t e ro fe a r l yw o o do nt r a n s v e r s es e c t i o na s d r o u g h t r e s i s t a n c eg u i d el i n et os u r v e y ;b yv a r i a n c ea n a l y s i s ,t h er e s u l tr e v e a l st h a ta l l k i n d so fs t r u c t u r a l p a r a m e t e r sh a v em i g h t yd i s c r e p a n c ye x c e p t c o s t a t ev e s s e lr a d i a l d i a m e t e rt h a ti sn o tr e m a r k a b l ed i f f e r e n c e ,t h e nb ym u l t i p l ec o m p a r i s o n ,i tc a nb ek n o w n t h a ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft i s s u er e g a r d i n ga sd r o u g h t - r e s i s t a n c eg u i d el i n e s ,t h e i ra c u i t y h a v eh i g h l o wd i f f e r e n c e t h eh i g h e s ta c u i t yg u i d el i n e so fd r o u g h t r e s i s t a n c ea r el e a fb l a d et h i c k n e s s ,p a l i s a d e p a r e n c h y m at h i c k n e s s ,c u t i c u l a rl a y e rt h i c k n e s so fl e a f s t a l ke p i d e r m i sc e l l ,l e a f s t a l k e p i d e r m i sc e l lt h i c k n e s s ,a n dw o o df i b e rw a l lt h i c k n e s s ;h i g h e ra c u i t yg u i d el i n e sa r et h e r a t i oo fp a l i s a d ep a r e n c h y m at h i c k n e s st os p o n g yp a r e n c h y m at h i c k n e s s ,c u t i c u l a rl a y e r t h i c k n e s so fu p p e ra n dn e t h e re p i d e r m i sc e l lo fl e a fb l a d e ,l e a f s t a l kx y l e mv e s s e lr a d i a l d i a m e t e r , t r e s sw o o df i b e ri n n e rd i a m e t e r , a n dr a d i a ld i a m e t e ro fe a r l yw o o dv e s s e lp o r e ; a c c e s s o r i a lg u i d el i n ea r eu p p e ra n dn e t h e re p i d e r m i sc e l lt h i c k n e s so fl e a fb l a d e s t r u c t u r e sc o m p a r e da n dd a t aa n a l y z e da t l a s t s h o w t h a td r o u g h t r e s i s t a n c e m a g n i t u d eo ff i v eu l m a c e a ep l a n t so nl e a v e sa n db r a n c h w o o d si s u j a p o n i c a ( r e h d ) s a r g v a r os u b e r o s a ( t u r c z ) s d z h a o um a c r o c a r p av a r m o n g o l i c al i o ue t l i u m a c r o c a r p ah a n c e 且d a v i d i i ( h a n c e ) p l a n c h up u m i l al i n n k e y w o r d s :u l m a c e a ep l a n t ;l e a v e s ;b r a n c h w o o d s ;e v o l u t i o n o f s t r u c t u r e ; d r o u g h t r e s i s t a n c e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得东北师范大学或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:越。整 日期: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定,即:东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘,允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:电塾馑薹 日 期:超墨:墨 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 指导教师签名: 日期: 电话: 邮编: 东北师范大学硕士学位论文 引言 一、干旱与沙漠化进程 干旱与土地沙漠化进程的急剧加快,使大量的植被遭受破坏,生物多样性锐减, 生态景观发生明显变化,人类赖以生存的环境受到严重威胁,生产生活受到很大影响。 以内蒙古为例,它曾是最重要的畜牧基地,横跨东西数千里,可如今西部的额济纳早 已因水源日益短缺而挣扎在生死线上;昔日“风吹草低见牛羊的美丽大草原,因大 面积开垦,生态环境恶化,土地贫瘠,导致沙化,十年九旱,乌盟有2 0 多个村已丧 失生存条件:科尔沁草原沙漠化的发展以奈曼旗为例,5 0 年代末期沙漠化土地占全 旗面积的3 9 3 ,到7 0 年代中期发展到占6 5 6 n 1 。 据统计,干旱区约为全球总土地面积的3 6 ,占耕地总面积的4 2 9 9 6 ;我国干旱、 半干旱区占国土总面积的4 7 ,约为耕地面积的5 1 嘲;我国沙漠化范围为3 3 1 万k m , 沙漠化土地2 6 2 2 万k m ,加上极端干旱区2 5 3 万k m 2 ,生态脆弱区极为广大,从西部 国境一直分布到东部的科尔沁沙地口,。 干旱胁迫下,树木的抗旱性强弱有所不同,提高树木抗旱性,选择抗旱性强的树 种,在干旱与半干旱地区进行合理栽种,是治理生态与经济发展行之有效的一种方法。 因此,研究树木的抗旱性结构与生理,了解树木的抗旱性机制,采取多种抗旱植树措 施,可以有效地抵御干旱胁迫,提高树木成活率,改善生态环境和降低土地沙漠化进 程,促进我国经济与生态建设同步协调发展。 二、树木的抗旱性结构研究 ( 一) 叶 叶片是植物对外界环境感受最为灵敏的器官,它的外部形态和解剖结构与树木的 抗旱性关系最为密切。有些旱生植物的叶肉质化h 1 ,形成肉质叶,以减少水分蒸发面, 它比一般叶的厚度大得多,因此肉质叶与同体积的一般叶相比,具有较小的表面面积, 所以其水分蒸发量较同体积的一般叶的水分蒸发量要小些;有些旱生植物叶的边缘下 卷,下卷的边缘使叶的下表面好像是位于一种凹陷中,这与气孔的下陷具有类似的作 用,也可以减少水分自气孔的蒸发;很多旱生植物的叶片强烈地缩小,形成刺形( 如 仙人掌) 、针形( 如松属) 、鳞片叶( 如柏木属) 等。叶的解剖结构中,廖声熙等哺3 , 对印楝叶解剖结构与抗旱性关系初步研究,证实印楝叶具有明显旱生结构特征:较厚 的角质层、有大量贮水细胞、栅栏组织发达、叶组织细胞排列紧密、栅栏组织细胞密 度大、维管系统发达、具维管束鞘的伸展区、表皮层较厚,气孔密集、含晶体细胞分 布广,数量多。此外,气孔下陷、表皮毛发达、栅栏组织与海绵组织比值高等3 ,也 都是树木抗旱性强的标志。 ( 二) 营养枝、茎 东北师范大学硕士学位论文 营养枝、茎的某些解剖结构与树木的抗旱性也有着密切的关系。据报道,国外学 者对某些巴西树种木材解剖学的生态趋向研究得出,木纤维壁的厚度与树木生长环境 中的湿度相关;在比较潮湿的环境中,树木的木纤维壁较薄,而树木中较厚木纤维壁 的生成则与比较干旱的环境联系在一起:射线组织组成的变异并未发现这种倾向h 1 。 李广毅等3 对灰毛滨藜的茎的解剖结构观察发现,灰毛滨藜具有多轮异常的维管束, 在干旱条件下使物质运输较通常结构下更加畅通。孟庆辉等呻1 ,对4 个品种扶芳藤茎 解剖结构及其与抗旱性的关系研究中在所观测的4 个扶芳藤品种中,宽瓣扶芳藤的茎 表皮角质层最厚,抗旱能力也最强,其次是红脉扶芳藤,然后是紫红扶芳藤和金边扶 芳藤。 ( 三) 根 根系形态指标也常用来衡量植物抗旱性的关系。干旱可提高根冠比n 们、一年生 根导管总面积根茎面积比、导管面积木质部面积比、木质部面积韧皮部面积比n u 。 三、树木的抗旱性生理研究 ( 一) 光合作用 树木生长与结实所需物质和能量的9 0 9 5 来自光合作用,只有5 1 0 来自根部 吸收n 嬲。光合作用受树种内部生理状况和外界因子限制,并随环境的变化而呈现规律。 在干旱、半干旱区,水分胁迫是影响植物光合作用的最主要因子。目前的研究有,通 过植物气体交换特点来研究植物的光合特性、水分利用率与环境的关系n 3 1 们,植物光 合特性和水分利用率对光照强度的关系研究n 1 。孙跃强等昭,通过对土壤水分光辐 射和白榆生理因子影响的研究中得出,白榆叶片的r 水分利用率在较低时 大约 0 1 5 0 0p m o l ( m s ) ,随,的增强而增大,当,进一步增强,白榆的r 和水分利用 率呈下降趋势;而白榆叶片的l 在无水分胁迫情况下,始终随,的增强而增大。通 过6 个土壤梯度水分的比较得出:随土壤水分增加,白榆p 矗、b 和水分利用率的变 化趋势先增大后减小。在土壤含水量为5 3 4 一2 1 7 6 时,白榆的光饱和点为7 5 0 1 5 4 2 z m o l ( m 2 s ) ,光补偿点为8 5 3 5 , u m o l ( m 2 s ) ,由光饱和点对应最大净光合速率为 1 2 8 1 2 8 0 # m 0 1 ( c 0 2 ) ( m 2 s ) 。 ( 二) 蒸腾作用 由于植物种属、年龄、发育时期、生长状况、着生部位的不同及外界环境条件变 化,植物的蒸腾作用也发生相应的变化,并且变化幅度较宽。因此很难用蒸腾速率定 量分析植物的耗水和需水。蒸腾强度尽管不是衡量植物抗旱性的直接指标,但数值的 高低,从一个侧面反映了植物适应环境能力的大小。李吉跃【2 2 l 对太行山区主要造林 树种蒸腾强度的研究表明,无论在供水良好还是在干旱的条件下,树木的蒸腾作用都 有明显的日变化规律,树木受到干旱胁迫时,蒸腾作用的最大值提前到达,受害越严 重,日变幅越小。 2 东北师范大学硕士学位论文 ( 三) 水分参数 植物体内水分状况指标测定,通过p - v 曲线来实现,它能反映植物内部的水分 组成、潜在的组织最大渗透势和对水分胁迫的反馈调节能力及忍耐能力。韦小丽等 【2 3 1 ,应用卜- v 曲线技术研究4 个榆科树种的水分参数随季节和年龄的变化,阐明4 个树种p - - v 曲线参数变化在其耐旱性形成中的作用,得出4 个树种对水分亏缺的适 应机制可归结为:随组织含水量或水势降低,潜在的细胞浓度增加,组织细胞忍耐高 渗透压的能力逐步增强,渗透调节能力增大,细胞壁弹性增加,维持膨压能力和原生 质忍耐脱水能力增强。坐标综合评定的结果表明,4 个树种的抗旱能力从大到小的顺 序是:青檀 榔榆 白榆 朴树。 ( 四) 渗透调节 耐旱植物在干旱条件下,显著地积累一些低分子量的代谢物,使细胞维持较高的 细胞质渗透压,有利于植物在干旱条件下的水分吸收。通常积累的代谢物包括脯氨酸、 甜菜碱、葡萄糖、甘露糖醇、山梨醇、海藻糖、果聚糖、脱落酸等。脯氨酸具亲水性 强、水合能力高等特点。汤章城发现,脯氨酸含量与梭梭水势下降呈负相关关系1 2 4 j 。 徐东翔等报道,植物体内脯氨酸的积累可增加体内束缚水含量,增大束缚水自由水 值,降低植物渗透势及水势,以增加植物抗脱水力【2 5 1 。王霞等发现,水分胁迫过程 中,柽柳脯氨酸含量增加,且中后期脯氨酸含量最大,本末期脯氨酸积累呈急剧降低 变化f 2 6 ,2 7 1 。甜菜碱具有保持细胞与外界环境的渗透平衡和稳定复合蛋白四级结构, 从而提高植物对干旱胁迫的适应性。因此,n o m u r a 等( 1 9 9 8 ) 认为:在受到干旱胁 迫的细胞中,甜菜碱似乎是起到一种低分子量分子伴侣的作用,稳定r u b p 羧化酶的 构象并使其处于功能状态,部分抵消了干旱的胁迫。甜菜碱在叶绿体中合成,作为一 种渗透调节物质,在植物受到环境胁迫时在细胞内积累降低渗透势,还能作为一种保 护物质具有极为重要的“非渗透调节功能,维持生物大分子的结构和完整性,维持 其正常的生理功能,解除高浓度盐对酶活性的毒害和保护呼吸酶及能量代谢过程团】, 还能影响细胞内离子的分布1 2 9 j 。葡萄糖、甘露糖醇、山梨醇、海藻糖、果聚糖等可 溶性糖也是植物干旱胁迫时的主要渗透调节物质,这些糖在植物体内除了起渗透调节 外,还在植物蛋白质稳定性维持方面起重要作用。其中,葡萄糖是主要渗透调节物质, 约6 0 的渗透调节归于可溶性碳水化合物的调节。据报道,干旱或渗透胁迫下,沙 冬青a m m o p ip t a n t h u sm o n g o l i c u s 、梭梭、柠条、柽柳植物体内可溶性糖的积累显著 增加【3 0 。3 2 】。可见,干旱胁迫下,植物体内可溶性糖的积累,可降低其体内渗透势;以 维持植物体正常生长的水分需要。脱落酸( a b a ) 是植物五大类激素之一,大量的试验 表明:当植物处于干旱、低温、盐碱、环境污染等不利环境下,植物体内脱落酸大量 增加。脱落酸的增加,使植物对不利环境产生抗性。尤其是脱落酸的增加和气孔的关 闭一致【3 3 】,这对植物抗旱是非常有利的,在同一干旱胁迫,随着干旱时间的增加, a b a 浓度逐渐升高,林木气孔导度与气孔开放率均下降i 列;最抗旱的树种具有最低 的a b a 浓度和最高的气孔导度p 引。 3 东北师范大学硕士学位论文 ( 五) 活性氧清除 植物体内的活性氧清除系统主要包括超氧歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶( p o d ) 、过 氧化氢酶( a 邺和抗坏血酸( a s a ) 等。它们协同抵抗干旱胁迫诱导的氧化伤害,而单一 的抗氧化酶或抗氧化物不足以防御这种氧化胁迫。在干旱情况下,s o d 、c a t 和p o d 的活性升高。陈由强等【3 6 】在对芒果的研究中发现,在轻度和中度水分胁迫时,s o d 、 c a t 和p o d 活性均随胁迫的增强而提高;在重度水分胁迫时,s o d 、c a t 和p o d 活性均出现了下降的趋势。胡景江等【3 7 】对元宝枫、夏新莉等1 3 8 】对樟子松的研究中也 出现类似的结果。 ( 六) l e a 蛋白 晚期胚胎发生丰富蛋白( t h el a t e e m b r y o g e n s i s a b u n d a n tp r o t e i n s ,l e a 蛋白) 是 一类保护生物大分子及膜结构的蛋白质,在干旱过程中对植物能起一定的保护作用, 使植物能够在水分亏缺时,保持细胞膜系统及生物大分子免受破坏。特别是在极端干 旱的情况下,被诱导出的l e a 蛋白对植物所起的保护作用显得更为突出。目前推测 l e a 蛋白可能有以下三方面的作用:( 1 ) 作为脱水保护剂。由于l e a 蛋白在结构上富 含不带电荷的亲水氨基酸,它们既可能像脯氨酸作用一样,通过与细胞内的其它蛋白 发生相互作用,使其结构保持稳定,又可能给细胞内的束缚水提供了一个结合衬质, 从而使细胞结构在脱水中不致遭受更大的破坏。( 2 ) 作为一种调节蛋白而参与植物渗 透调节。( 3 ) 通过与核酸结合而调节细胞内其他基因的表达。有些l e a 蛋白含有一些 带正电荷的保守区域,有人推测这些区域可以同核酸类物质发生结合。我国学者赵恢 武等【3 9 1 ,根据已知植物脱水素基因的保守区域设计引物,利用r t 2 p c r 法从复苏植 物厚叶旋蒴苣苔( b o e ac r a s s i f o l i ah e m s l ) 中克隆到脱水素基因b d n l ,认为该基因与 厚叶旋蒴苣苔的耐早特性有关。 四、树木的抗旱性相关基因研究 有关树木的抗旱性相关基因目前研究的还甚少,不过以拟南芥为抗旱模式植物进 行基因克隆及转基因等相关研究,已对植物的抗旱基因和抗旱性有了一定的了解,对 增强转基因植物的抗旱性有了成功的实验。 ( 一) 渗透调节基因 在干旱胁迫下,植物体内会积累大量的代谢物质,调节并维持植物细胞内外渗透 压平衡,保持体内水分,减轻或消除胁迫所造成的伤害,这些渗透调节物质主要有: 氨基酸及其衍生物,如脯氨酸、甜菜碱等;糖类,如海藻糖、果聚糖等;多元醇,如 甘露醇等;无机离子等。目前,游离脯氨酸基因、甜菜碱醛脱氢酶基因b a d h 、大肠杆 菌l 一磷酸甘露醇脱氢酶基因m i l d , 大肠杆菌6 一磷酸山梨醇脱氢酶基因g u t d , 大肠 杆菌海藻糖合成酶基因复合体0 t s b a 、酵母海藻糖合成酶基因t p s l 、乌头叶豇豆中的 一吡咯啉一5 一羧基合成酶基因1 :5c s , 乙酰脱氢酶基因b et a 、甜菜碱生物合成酶 基因c o d a 等3 具有渗透调节作用的基因已经被导入植物中,在不同程度上提高了植 4 东北师范大学硕士学位论文 物的抗旱能力。 ( - - ) 超氧化物歧化酶基因 超氧化物歧化酶( s o d ) 是植物体内第1 个清除活性氧的关键抗氧化酶,因此近 年来通过s o d 基因工程改良植物耐旱性的研究也已有若干报道。现已从植物中克隆 出来几种s o dc d n a 并在转基因植株中验证了s o d 活性。通过使用两种不同的转 运肽,来源于烟草上的m n s o d 既可在苜蓿的叶绿体中又可在线粒体中表达。 m c k e r s i e 【4 5 】等将烟草中的m n s o dc d n a 导入苜蓿后,发现转基因苜蓿的抗旱性明 显提高。经过3 年的大田试验研究表明,抗氧化胁迫对适应大田环境是很重要的, 并证明转基因苜蓿中m n s o d 的表达能通过调控叶绿素荧光、电解质渗漏和茎尖再 生来减弱水分亏缺的伤害,从而增强了苜蓿的抗旱性。 ( 三) l e a 蛋白基因 l e a 蛋白多种多样,但是,不同来源的l e a 蛋白具有高度保守的氨基酸序列是 其的一个重要特征。l e a 蛋白是在种子发育后期产生的一些小分子特异多肽,大量实 验f 4 “9 】证明l e a 蛋白的存在和过量表达可以提高植物的耐旱能力。尽管目前的研究 多在大麦,水稻和拟南芥等植物中,但在树木的抗旱中l e a 蛋白基因的克隆,转化 和表达也是有潜在的应用价值的。 ( 四) 耐旱相关基因的转录因子 对植物在干旱逆境下表达基因的启动子的研究表明,不同干旱相关基因的启动子 往往含有相同的顺势元件,显示受到相同的反式作用因子的调控。这为我们提供了另 外一条提高植物耐早性的途径。这方面的工作近年来已有报道。刘强等将来自拟南芥 的干旱诱导性基因r d 2 9 5 0 】的两个转录因子转入拟南芥后发现拟南芥的耐旱性有很 大的提高【5 。某些植物抗逆性调节基因的超量表达在一定程度上提高了植物的抗逆 能力,但同时植物的生长也受到强烈的抑制,在表型上表现出不同程度的变异。转化 需要翻译后修饰的转录因子基因用以提高植物抗旱性对植物生长影响较小。在非胁迫 条件下,c a m v 3 5 s :d r e b 2 a 转化植株与对照植株相比,只表现出轻微的生长抑制 现象【5 1 1 。使用诱导型启动子也可以使转基因植物在获得干旱抗性的同时,又不影响 正常的生长发育1 5 z j 。 五、研究意义 干旱是威胁人类生存与发展的最大环境压力之一,也是影响干旱区树木分布和生 长的主要限制因子。我国早地面积分布广大,并且由于灌溉方法和保护措施不当,干 旱及沙漠化仍有扩大的趋势,干旱和土壤沙化业已成为一个世界性的资源问题和生态 问题,并还在成为危及人类生存的重大资源与环境问题,因此开发利用干旱地区土壤, 改善干旱区生态环境是我国乃至全世界当前所面临的重大挑战。对旱地及沙地的开发 利用主要采取了两种措施:一是进行土壤改良,二是寻找、培育和筛选抗旱植物品种, 5 东北师范大学硕士学位论文 进行生态治理【1 】。前者消耗大量的人力、物力、财力,加上淡水资源缺乏,因此改良 土壤受到很大的限制,而筛选抗旱植物品种,耗资少,成本低,见效快,具有广阔的 前景。 榆科( u t m a c e a e ) 植物尤其是其中的榆属( u l m u s ) 植物,全世界约4 0 余种,分布 于北半球在我国,榆属树种非常丰富,遍及全国,共有2 0 余种它们喜光,根深, 耐景,耐盐碱,适应性强,木材坚韧,耐朽力强,是优良速生的用材树种和干旱地区、 盐碱地造林的优良树种;其树皮富含纤维及黏液;叶、皮及果可食,可以进行多用途 综合开发 本研究对干旱地区5 种榆科植物进行解剖结构研究,对不同品种的抗旱性指标进 行筛选,并比较品种抗旱性的强弱。在基础研究上,通过对抗旱品种进行抗旱指标的 筛选和比较抗旱性的强弱,为筛选优良抗旱树种奠定结构解剖学基础,并可通过掌握 他们优良的抗旱指标,利用结构植物学技术来探讨基因及遗传水平上的抗旱可能性, 丰富抗旱基因库和分子水平抗旱机制的研究理论;在实际应用中,通过筛选抗旱树种, 能提高旱区植树造林的成功性,并降低造林成本,从而改善旱区恶劣环境,为控制沙 漠化进程和治理生态环境作出应有贡献。 6 东北师范大学硕士学位论文 材料与方法 一、实验材料与采集地地理概况 蒙古黄榆u l m u sm s c y o c a r p 8h a n c ev a r m o n g o l i c al i o ue tl i ,采自吉林省 向海乡:采样区位于向海自然保护区,地处松辽平原边缘、科尔沁草原东部,即自城 市通榆县西北7 0 k i n 处的向海乡,地理位置介于北纬4 4 。5 07 - 4 5 。1 97 和东经1 2 2 。0 57 1 2 2 。3 57 之间。向海自然保护区的地貌以沙化和盐渍化的平原为主,多固定 沙丘,沼泽湿地和湖泊分布其间,综合自然区划属中温带草甸草原地带东北平原中部 区,海拔高度1 5 6 - 1 9 2 m 。该区为中温带半干旱大陆性季风气候,四季分明,雨热同 期,光照、温度及降水等受季节影响明显,春季干旱多大风,夏季炎热多雨,秋季温 暖多晴天,冬季寒冷少雪。年均温5 1 ,1 月平均温度- 1 6 。c ,7 月平均温度2 4 , 极端最低温度- 3 4 1 ,极端最高温度3 8 9 c ;i o 。c 积温30 1 1 7 c ,无霜期1 4 0 天。年平均降水量4 0 8 2 m m ,相对湿度5 8 。 栓皮春榆u l m u sj a p o n i c a ( r e h d ) s a r g v a t s u b e r o s a ( t u r c z ) s d z h a o 、 大果榆u l m u sm h c r o c h r p hh a n c e 、家榆u l m u sp u m y l al i n n ,均采自吉林省长岭县: 采样区位于吉林省长岭种马场东北师范大学松嫩草地生态试验站,其地理位置为北纬 4 4 。3 07 - 4 4 。4 5 ,东经1 2 3 。3 1 一1 2 4 。1 07 。该地区属松嫩平原南部较低洼的 冲积平原,海拔高度在1 3 7 8 1 4 4 8 m 之间。该地区属于半干旱温带季风气候,具典 型的大陆性气候特点:春季干旱少雨风大,夏季温暖潮湿多雨,秋季温和雨量适中, 冬季寒冷干旱有风。年平均气温为4 9 ;年温差大,达3 9 6 c ;i o 。c 的积温在 2 5 4 5 9 - 3 3 7 4 9 c 之间变动,无霜期1 3 6 1 6 3 天。年平均降水量为4 7 0 唧,多集中在 5 - 9 月,约占年降雨量的8 6 。年蒸发量为1 6 0 0 2 m m ,约为年降雨量的三倍多。 刺榆h e m i p t e e ad a v l d i i ( h a n c e ) p l a n c h ,采自内蒙古自治区吉尔嘎朗镇:采 样区位于科左后旗吉尔嘎朗镇天然红刺榆分布带,其地理位置在东经1 2 1 。3 17 至 1 2 3 。4 37 ,北纬4 2 04 07 至4 3 。4 2 之间。该区以沙地沙丘为主要特征,呈现由 西南向东北的岗状沙丘,再向东南冲积平原倾斜的地形,海拔1 0 0 - 2 8 5 m 。该区地处 中温带亚湿润边缘地区,属温带大陆性季风气候,光温充足,雨热同期。年平均气温 5 8 c ,1 月最冷,月平均气温在零下1 5 1 ,7 月最热,平均气温在2 3 8 ,年 极端最低气温出现在东部地区零下3 3 9 c ,年极端最高气温在3 6 2 c ;1 0 的年 平均积温为3 0 3 2 - - 3 1 6 8 ,无霜期平均为1 4 8 天。年平均降水量4 8 1 毫米,6 8 月降 雨量占7 0 。 二、实验方法 ( 一) 石蜡制片法 采用石蜡制片法制作永久封片,然后在光学显微镜下观察并摄影,其主要步骤如 下: 7 东北师范大学硕士学位论文 1 取材 叶片:选取当年萌发的枝条的第5 片,经中脉切成4 m m 6 r a m 大小的块,叶柄: 选取当年萌发的枝条的第5 片叶的叶柄。 2 固定 将截取的叶片和叶柄放入f 从( 甲醛:冰乙酸:乙醇( 5 0 ) 按照1 :1 :1 8 的 比例配制) 中固定,固定时间应不少于4 8 小时。 3 脱水 用乙醇作为脱水剂,经梯度浓度6 5 一7 5 一8 5 一9 5 一1 0 0 一1 0 0 逐级脱水, 每个浓度梯度脱水2 小时,1 0 0 7 , 醇时间减半,且分两次进行,第一次3 5 分钟,第 二次2 5 分钟。因为乙醇和水互溶,所以随乙醇浓度的增大,材料中的水分逐渐被乙 醇所取代。 4 透明 以二甲苯为透明剂,经2 3 无水乙醇+ 1 3 二甲苯- - 1 2 无水乙醇+ 1 2 二甲苯 - - 1 3 无水乙醇+ 2 3 二甲苯一纯二甲苯, 透明时间为1 小时。为使透明效果更好, 5 浸蜡 不断增a n - 甲苯的比例,逐级透明,每级 可以用纯二甲苯透明两次,每次1 小时。 先用低熔点的切片石蜡( 5 2 一5 4 ) 在3 0 下浸蜡2 4 小时,然后用由蜂蜡( 熔 点5 8 。c - 6 0 c ) 和低熔点切片石蜡按1 :9 的质量比融合在一起的混合石蜡在温箱中 6 0 保温、浸蜡,每3 小时换一次混合石蜡,重复进行两次,共6 小时。 6 包埋 材料浸蜡结束后马上用镊子转移到装有液态上述混合石蜡的小纸盒中,并迅速冷 却:使材料的轴性系统垂直于纸盒的底部,以便于蜡块的切修,做材料横切观察其横 截面结构。镊子在使用前应先预热,以免材料粘附在镊子上损坏材料。 7 切片 根据材料在蜡块中的位置和方向,将蜡块修成梯形,然后粘到切片机的蜡台上进 行切片。本实验采用旋转式手摇切片机,切片厚度8 一1 2 微米。 8 展片及粘片 在洁净的载玻片上均匀涂上少许蛋白甘油( 蛋自甘油用鸡蛋清和甘油按1 比1 的体积比充分搅拌混匀制成,可以用做粘附剂) ,将蜡带放入4 5 - - 5 34 c 的水浴锅中, 待蜡带展平后,用涂有蛋白甘油的载玻片将它捞起,使蜡带光面紧贴载玻片,然后在 3 5 温箱中烘干,蜡带就粘附在载玻片上了。 9 脱蜡和染色 二甲苯脱蜡后采用番红固绿复染法染色。具体步骤如下:纯二甲苯( 3 5 ,2 3 小 时) 一纯二甲苯- - 1 2 二甲苯+ 1 2 无水乙醇一无水乙醇一无水乙醇一9 5 乙醇- - 8 5 乙醇- - * 7 5 乙醇- - * 6 5 乙醇一番红染液( 1 2 小时) - - 6 5 乙醇一7 5 乙醇- - 8 5 乙醇一固 绿染液( o 3 - 0 5 分钟) - - 9 5 乙醇一无水乙醇一无水乙醇- - - 1 2 二甲苯+ 1 2 无水乙 醇一纯二甲苯一纯二甲苯。在从纯二甲苯到番红染液到固绿染再到纯二甲苯的过程 8 东北师范大学硕士学位论文 中,除特殊注明以外,每个浓度梯度溶液中停留2 3 分钟。 l o 封片及观察 用中性树胶封片后,将切片放入3 5 c 温箱中烘干。数日后可进行观察和光学显 微摄影。 ( 二) 木材三切面切片法 将实验材料切成长i c m ,宽0 5 c m ,厚0 5 c m 的小块,将小块放入水中煮沸排 气,直至木块用手挤压有水迹出现,然后用徒手切片法对材料进行横向切、纵向切和 弦向切,得到横向、径向、弦向三个方向的切片,然后用1 番红的5 0 酒精溶液染 色1 2 小时,水洗后,6 5 ,7 5 ,8 5 ,9 5 ,1 0 0 酒精逐级脱水,每个梯度两分钟, 二甲苯透明,加拿大树胶封片,光学显微镜下镜检,测量和显微摄影。 9 东北师范大学硕士学位论文 - 结- l = l 果与分析7 卜叫j1 i 一、5 种榆外部形态特征及分布 ( 一) 栓枝春榆u j a p o n i c a ( r e h d ) s a r g v a r s u b e r o s a ( t u r c z ) s d z h a o 榆科,榆属,落叶乔木,高达1 5 米,有时呈灌木状。树冠广卵圆形,树皮暗灰 色,小枝褐色,有发达的木栓质翅;芽广卵形,被短柔毛。托叶线状披针形,长卜1 5 厘米,早落,叶柄长6 - 8 毫米,密被灰白色短柔毛;叶片倒卵状椭圆形或广倒卵形, 稀为卵状椭圆形,长4 - 1 2 厘米,宽3 - 7 5 厘米,先端突尖或近尾状,基部偏斜,一 边楔形,一边耳状,表面绿色,粗糙,有稀疏短硬毛或无毛,背面带灰绿色,被短柔 毛,沿脉较密,边缘具重锯齿。花簇生于上年生枝上,花被4 裂,中部以下绿色,先 端稍带褐色,长约3 毫米,宽约2 毫米。翅果倒卵形,长1 2 一1 4 毫米,宽8 一1 0 毫米, 先端圆形,微凹。花果期4 - 5 月。喜光,耐寒,耐干旱。萌蘖力强。 分布于我国黑龙江、吉林,朝鲜。俄罗斯( 远东地区) 、日本也有分布。 ( 二) 蒙古黄榆玑m a c r o c a r p av a r m o n g o l i c al i o ue tl i 榆科,榆属,阳性落叶乔木或灌木,树高可达1 0 米以上。树皮黑褐色,浅裂; 二年生枝红褐色或黄褐色,气孔明显,光滑,常有发达的木栓质翅,幼龄树皮细裂, 老龄树皮裂沟深,裂片大而厚,表面粗糙

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