（生态学专业论文）水分胁迫下白榆幼苗的生理形态反应.pdf

摘要 榆树疏林是适应半干旱半湿润气候的温带典型草原和草甸草原亚地带的隐性域沙 地顶极植物群落，是防风固沙、保护沙区生态环境和周边土地资源的一种重要的植物群 落类型。近几十年来，由于榆树疏林遭到了严重的破坏，分布面积减少迅速，保护和合 理利用榆树疏林，恢复其特有的生态系统服务功能已愈来愈受到关注。本实验通过对榆 树疏林的主要建群种一白榆的幼苗在水分胁迫下，以及水分胁迫后恢复时的生长发育特 性的研究，确定自榆幼苗对水分胁迫的响应和适应对策，以期对恢复和保护榆树疏林生 态系统提供一定的理论依据。 本实验采用盆栽控水法对苗龄3 0 天的白榆幼苗进行轻度( 田间最大持水量5 0 ) 、 中度( 田间最大持水量4 0 ) 和重度( 田间最大持水量2 5 ) 的水分胁迫，控水5 周后， 将所有白榆幼苗都恢复供水到对照组( 田间最大持水量8 0 ) 的水平，然后分析了白榆 幼苗的生物量及其分配、叶片面积、叶片叶绿素含量、叶片相对含水量和饱和水分亏、 以及叶片游离脯氨酸含量的对水分胁迫和胁迫后恢复供水的响应。 实验结果表明，轻度和中度的水分胁迫对幼苗造成的影响不大，甚至会促进根系的 生长，所造成的生物量减少、叶面积和叶绿素含量的轻微下降也会在恢复供水后很快得 到恢复。而重度的水分胁迫自榆幼苗的影响较大，与对照组相比，其地上生物量下降了 4 5 3 9 ，叶面积下降了2 3 4 1 ，叶绿素含量下降了2 8 2 9 ，叶片游离脯氨酸含量上升 了6 8 9 4 ，均表现出与对照组的显著差异( _ 尸 o 0 5 ) 。 经过自榆幼苗的水分胁迫实验研究，表明，白榆幼苗在生长的初期能够表现出较强 的抗旱性，在轻度和中度水分胁迫下伤害较轻，抗旱性较强；重度的水分胁迫造成的生 物量、叶面积及叶绿素含量的显著下降，即便在水分供应恢复后也难以达到对照组水平。 所以，尽管白榆幼苗的抗旱能力较强，在白榆幼茁生长初期也应确保土壤含水量在5 以上，以确保白榆幼苗的存活和正常生长。这一结论对于退化榆树疏林的恢复具有一定 的理论指导意义。 关键诃：水分胁迫；白榆幼苗；生理反应；形态反应；榆树疏林 a b s t r a c t e l mw 0 0 d l 明d s ，ac l i m a xc o m m u n i t yw l i c ha d a i ) t e dt os e m i - 盯i dc l i f n a t ea n dd i s 仃i b u t e d 仕艟 s 蛐d l a l l di nt e m p e m t es t e p p e s ，i si r n p o r t a n tf o rw i m m m d i i l gt l l ew i n d 锄dp r o t e c 曲gt h ee 1 0 9 i c a i 蛐v i r 0 i 蚰e ma f t dc j r c u m j a c e ml a n dr e s o u r c e0 nt h es a l l d l 锄d h a w e v e r ，t l l ea r 髓o f e h nw o o d l 蛐d sg r e a u y d r e a s e d 鼬ac o n s e q u e n c eo fs e r i o u sd e s t m y i n gi nt h er e c e n ts e v c r a ld e c a d e s t h e 把f o 陀，m o r ea n dm o f e 毗e m i o nh 龋b e e no b t a i n e do np m t e c t i n g 柚d 哪i n ge l mw 0 0 d l 蚰d s ，嬲w e l l 船豫i t o r i n gi t ss p e c e c o i o g i c a l 辩i c e 胁c d o n t 1 1 i ss t u d yo b s e r v e dt | l e 掣_ 0 w t l l 删t so fu 砌淞p 姗f 缸s 髓d l i n gu n d e rw 龇e r 蚰量s sa n d 出er e c o v e r ya f t e rw a t e rs t m s s ，锄dd e t c r m i n e dt h er c s p o n s e st 0w a t e rs t r e s s 鞠dt 1 1 e 耐印诅t i o n s 饥n e g i e so fu 砌驸p 埘”f 肠s e e d l i n g 1a n e m p f e dt op r o v i d es 哪et l l e o r e t i c a le v i d e n c ef b rm er c c a v e f y a n dp r o t e 州n go f t h ee l mw o o d l 明d se c o l o g i c a ls y s t e m u p 啪订矗s e e d l l n g sw e f ei n c u b a t c di nt h ep o t sa n dm 鲫a g e dm ew a t e rg i v e nt om e ma f i e rt l l e s e e d n n g sw e r e3 0d a y so l d - nt l l i se x p e r i m e n t t h e 仃它a 抽e n 协i n c l u d e dm el i g h tw a l e rs 枉e s s ( 5 0 n e l d c a p 蹰埘) ，也em e d i u mw 8 t e rs t 佗s s ( 4 0 f i e l dc 印i t y ) ，t h eh e 雹吖w 8 t 盯s 竹镐s ( 2 s n e l dc 婶a c 姆) a n d 也e c o n t r o l ( 8 0 f i e l dc 印a c i l y ) a f i e rf i v ew e e k s 圩l a t m e n 协a l ls e e d | h l g sw e r ep m v i d e dw a t e r 如m ec o n n d i t h eb i o m 舔so f t h es e e d l i n 铲，l e a f a r e a ，c h l o r o p h y l lc o n t e f 屯阳l a t i v ew a 土e rc o n t e n to f t h el e a v e s ，s a t 叫鼬e d w a t e rd e _ f i c k n c ym l dd i s s o c i 日：c e dp r o l i n ec o n e n tw e r em e a s u f e d t h er e s u l 协s h o w e dm a tup “m 妇s e e d l i n g s “b i t 葩s 订o n gd r o u g h tt o l e 哪c ea tm ee a d ys t a g eo f d e v e i o p m e m l i g h t 蛐dm e d i u mw a t e rs t r e s si i l f l u e n c e ds e e d l i n g 掣口w 血w i t h o u ts i g f i i f i c 趾td i 丘e 他n c e ， e v o np m m o t 酣r o o tg r d 叭h t h ed e c r e a s eo fb i o m a 鹋，l e a fa r e a 锄dc h l o r o p h y nc o n t e n tr e c o v e 他dq u i c l 【l y a n 船l es e e d l i n 祭w e 他t r t e dm es 锄e 拈t | i ec o n t r o la l n l o u g i l ，h e a 、，yw a 土e rs h s s 仃e 咖e mg 他砒l y 疆k t e ds d i i n gg r o 、v t l l ，w 曲4 5 3 9 d e c r e 如eo f a b o v e 铲。啪db i o m a 鹪，2 3 4 l o f l e a f 辨a ，2 8 2 9 o f c h l o r o p h y l lc o n l e n tc o m p a r e dt oc o n 订0 ls e e d l i n g s w h i l el e a f d i s s o c i a t e dp r o l i n ec o n 钯mi n 哪嘲d6 8 9 4 c o m p a r e dw i t hc o n t m ls e e d l i i l g s ，w i ms i g f l 讯c a l i td i 船坤n c e ( p o 0 5 、 a l lt 1 1 er e s u l 忸s h o w 酣t l l a tu p “m f ks d l i n g se x h i b i t e ds 打o i l gd r o u g h tt o i e m n c ea tt i l ee 州ys 协g e o fd e v e l o p m e n t l i g h ta n dm e d i u mw a t e rs n s si i l f l u e n c e ds d l i n g 罂d w m 、v i t i l o u ts i g l l i f i c 锄td i 行b r e n c e t h e d e c r e 晒e o f b i o m s ，l e a f a r e a 锄d c h l o r o p h y c o n t e n t i i l d u c 。d b y h e a 、，w a t e rs 缸屯s sc o u l d n ，tr e c a v e r a f i e rt h es d n g sw e r et n 舭dt h es a i i l ea st h ec o n t m l t h e r e f o ，t h es o 1w 砷盱c o n t e n ts t 坶u i db ea b a v e 5 a tt h ee 刚ys t a g et o n s u r et 1 1 en o 咖a lg m w mo fu p “m 订口s e e d l i n g ，a l t h o u 曲up ”聃订口s 忧d l i n gh 鹊 s 仃o n gd r o u g h tt o l e 啪c e i ( e yw o r d s ：w 咖rs 打e s s ；踟”埘p 绷池s e e d l i n g ；p h y s i o l o g i c a lr e s p o n 卵；如o l p h o l o g i c a l 阳s p o n s e ： e l mw o o d l a n d s 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在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：亟! l 鳖鱼日期：土神6 f 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：越 日期：迎：6 学位论文作者毕业后去向：， 工作单位： 拯缝鲢猛毽挫i 的电话 通讯地址： 邮编 引言 生态系统退化是由于人为或者自然因素，而造成的生态系统生物生产力的下降、结 构的简单他以及功能的丧失。由于人口和技术能力增加而导致生态系统退化的现象在垒 世界范围内有增无减，尤其在经济发展中国家更为严重。生态系统退化不仅带来了本身 的生态问题，还诱发了其他严重的环境问题，如洪z k 泛滥、荒漠化扩大、沙尘暴频次加 大、水土流失、病虫害爆发、山体滑坡、泥石流、干旱化严重等【1 。生态系统的退化是 生态系统运动的一种形式，是由生态基质、内在的动能因素和外在干扰共同作用的结果， 自然因素和人为干扰是生态系统退化的两大驱动力。自然因素主要包括地质、地貌、气 候因素和水文因素等，人为因素往往叠加在自然因子之上，对生态退化起着加速和主导 的作用，人为因素主要包括人口增长、农业活动、工业与城市化活动、政治与战争、贫 困、文化与旅游等口】。在停止人类活动干预下，多数退化生态系统都可以自我恢复，并 最终达到最优化的气候顶极群落p 】。但实际情况表明，在人口众多的地区，人们总是要 开发和利用各种生态系统资源，因此不可能把所有退化生态系统部采取停止人类活动这 种封禁途径柬控制其继续退化，这就需要对部分退化生态系统和部分自然生态系统进行 人为的改造重建，使其能朝着能为人类的生存和生活提供更多更好的物质产品方向来发 展。 植被在生态系统中扮演着重要的角色。绿色植物是食物链营养级的基盘。植物作为 生产者，具有能量固定、转化和贮存、调节区域环境的功能是维持生态系统平衡的杠 杆，生态系统中的消费者和分解者是直接或间接依赖生产者为生的1 4 j 。相对无机环境而 言，植被是有生命物质，而对于动物和人类而言，它又作为一个环境要素。可见，植被 具有双重作用，植物是生态系统中最基本和墁关键的生物成分。植被退化势必导致整个 生态系统的瓦解和崩溃，它是生态系统退化的重要标志。 植物群落中的优势种对群落的结构和群落环境的形成有明显控制作用，它们通常是 那些个体数量多、投影盖度大、生物量大、体积较大、生活能力较强，即优势度较大的 种。群落的不同层次可以有各自的优势种，建群种即为优势层的优势种。建群种对整个 群落具有控制性影响，如果把群落中的建群种去除，必然导致群落性质和环境的变化， 但若把非优势种去除，只会发生较小的或不显著的变化。所以，建群种的退化是导致生 态系统退化的重要原因。 影响植物生长的因素很多，除了植物本身的基因因素以外，植物生长的环境中的生 态因子也有至关重要的作用。生态因子按自然属性可划分为5 类：气候因子、土壤因子、 地形因子、生物因子、人为因子。各种因子叠加在一起，影响着植物的生长发育进程1 4 j 。 其中，水分状况是重要的影响因子之一。水分是植物体的重要组成部分它几乎参与了 植物所有的生理生化过程。就世界范围来看，在限制植物充分实现其遗传潜力所能达到 的产量的各种环境胁迫因子中，水分胁迫是最为常见的，世界上不仅约有1 3 的干旱半 的产量的各种环境胁迫因子中，水分胁迫是最为常见的，世界上不仅约有1 3 的干旱半 干旱地区由于水分极为短缺限制了植物达到的最大生产量，而且其余的大部分地区也常 常由于周期性或者难以预期的干旱而在不同程度上抑制了植物的生长【5 l 。因此，对植物 的水分生理研究对研究植被乃至生态系统的退化以及恢复和保护都有着至关重要的意 义。本研究就榆树疏林群落的主要建群种自榆在幼苗期对水分胁迫的生理形态反应做了 初步研究。 1 水分生理生态国内外研究现状 由于植物节水生理机制的重要性，节水植物的生物学基础研究在国际上受到普遍 重视，2 0 世纪7 0 年代的工作主要对植物与环境的基本能量与物质交换过程及其对水分 亏缺的反应有了基本认识；8 0 年代在继续进行基础过程的研究外，面向植物生产，在节 水灌溉的技术方面取得进展；9 0 年代，随着荧光测定技术、膜片钳技术、细胞压力探针、 碳稳定性同位素等技术的发展，植物生理节水生物学在研究领域的深度和广度拓展，如 稳定性碳同位素测定技术为快速、大量长时期监测植物、群体、群落的水分利用效率提 供了技术可能；膜片钳技术在研究植物气孔运动、细胞器间的离子运输、逆境信号传递 等方面具有广阔的应用前景；叶绿素a 荧光测定技术为准确了解植物光合机构的运转状 况提供了极为方便的探针。 1 1 植物的抗旱性 植物的抗旱性是指植物在水分胁迫条件下，体内细胞在结构、生理及生化上发生一 系列适应性改变后，最终在植株形态和产景的集中表现。或是说植物在干旱条件下的生 存能力，以及在干早解除后迅速恢复的能力，这种能力是一种复合性状。由于长期自然 选择的结果，植物可通过不同的途径来抵抗和适应干旱胁迫，这些反应和适应方式( 或 途径) 很早就被人们给予高度重视。l e v i t t ( 1 9 7 2 ) 把抗旱性定义为：抗旱性= 逃避干旱 + 耐早性，并把植物适应干旱的方式分为逃避干旱( 主要指沙漠短生植物及其它少数植 物) 、避免干旱( 高水势避早) 、忍耐干旱( 低水势耐旱) 3 种类型嘲。在此基础上，t u m e r ( 1 9 8 6 ) 把植物的耐旱方式分为逃避干旱、高水势下耐旱、低水势下耐早3 个类型，并 且认为高水势下耐旱的机理是组织脱水，而不是避免干掣”。 湘m e r ( 1 9 7 9 ) 也认为l e v i t t 图1 植物耐早性机理( t u m e r 1 9 8 6 ) 2 辫锾 溅徽默 龌 粉 粉 肝 羹 黼 桫 旱， 旱0 耐水 耐胁 一一 一一 所提到的避免干旱并不准确，因为这类植物并不逃避干旱，而是具有耐早的各种适应途 径；高水势耐旱的机理实际上是通过延迟脱水的作用来实现的，所以他认为干旱地区得 以存活的植物适应分为避免的种类，耐旱的种类( 又分为延迟脱水和忍耐脱水两类) 。 t u m e r ( 1 9 8 6 ) 和李吉跃( 1 9 9 1 ) 分别对植物耐旱性作了详细的论述阳1 ( 见图1 ) 。 1 2 植物抗旱机制 一种植物在特定地区的抗早性表现是由自身的生理抗性和结构特点以及生长发育 进程的节奏与气候因素变化相配合的程度决定的。植物可以通过不同途径来抵抗或适应 干旱，总的来说可分为避早和耐旱两种【6 】。植物避开干旱的形式是多种多样的，主要有： ( 1 ) 通过节水来保水，如气孔关闭，根的适应性生长和形态，c a m 型以及c 4 植物型 的光合作用等；( 2 ) 加快吸水，如较大的输导组织和非输导组织之比，高的根冠比，低 渗透势的根系等【6 9 1 。植物耐旱的主要机制是渗透调节。高水势下，耐旱是通过减少失水 或维持吸水达到的，低水势下耐早的途径是维持膨压或者是耐脱水或干化。其中耐干化 的耐旱性是以降低产量为代价的。 1 2 1 加强水分的吸收 一般土壤干旱时，表层含水量迅速下降，而下层土壤含水量相对比较稳定，因此增 加根系的深度和密度可吸收更多的水分，为了保持从土壤中吸收水分，抗旱性强的植物 具有根系生长迅速，扩展范围既深又广的特点，增加了与土壤的接触面积和吸收面积。 除此之外，植物根系适应干旱的方式是多方面的，比如具有强吸收能力的细根，高的根 冠比、根系的低渗透势、根内水流动的垂直和横向阻力变化等等。另外，加大输导组织 和非输导组织之比也有利于植物加强水分的吸收。 1 2 _ 2 减少水分的损失 植物减少水分损失主要通过3 条途径来实现。一是增加气孔阻力( 鼬) 和角质层阻 力( r e ) 。由于气孔关闭，大大降低了蒸腾，因而有利于植物保持水分平衡，但r s 的增 加对光合产物的累积却不太有利f 1 0 】。二是降低叶片对太阳辐射的吸收，这主要由于叶片 的反射特性及叶片运动决定。叶片的卷曲、萎蔫以及角度和方位的改变都会降低对光能 的吸收。许多植物的叶表面都具有柔毛、蜡质和盐分结晶物等均能降低叶面对太阳辐射 的吸收。三是减少蒸腾面积。蒸腾叶面积减少有两层含意，即由于干旱胁迫使衰老致死 脱落而引起的叶面积的大幅度减少。因此，叶面积的下降对植物在极端干旱环境下的适 应有重要意义。另外，细胞壁的加厚、根的适应性的生长和形态，c 舢型以及c 4 植物 型的光合作用等都可帮助植物保水。 1 2 3 维持膨压 当植物组织含水量下降时，植物仍能保持一定的膨压对维持生长以及其它生理功能 都是致关重要的。植物这种保持一定的膨压就成为一种重要的耐旱机理。在低水势下植 物保持膨压主要由两个途径来实现，一是渗透调节。可通过细胞内水分减少，细胞体积 变小和细胞内溶质增加等3 条途径来实现。渗透调节的主要作用是在水分胁迫下保持细 胞的膨压维持细胞的伸展推迟萎蔫和气孔关闭维持一定的光合作用，从而避免和减少 光合器官受到光抑制作用。但是渗透调节仍有一定的局限性，即非普遍性( 并非所有的 植物都具有渗透调节作用) 、暂时性( 如果缺水土壤中充分灌水，植物本来具有的渗透 调节能力在随即而来的下一次干旱中消失) 和有限性( 植物的渗透调节能力是有定限 度的，并受水分胁迫程度发展速度和其他环境条件的影响，通常水分亏缺发展迅速或严 重时，渗透调节能力变小或消失) l l “。二是增加细胞弹性。随着组织含水量和水势的下 降，高弹性的组织比低弹性的组织具有更大的维持膨压的能力 1 2 】。由于组织细胞弹性可 以决定相应压力势的变化，因而在植物抗旱性评价中占有重要的地位。 1 2 4 原生质忍耐脱水 植物忍受和适应极度干旱胁迫的能力主要决定于原生质体忍耐脱水的能力，树种间 的差异很大1 引。这种能力称之为耐干性( d e s i c c a t i o nt o l e m n c e ) 。细胞脱水导致伤害的机 理，目前有4 种假说，既机械伤害假说、蛋白质聚合假说、自由基假说、超微结构的破 坏和修复假说14 1 。 1 _ 2 。5 代谢产物的积累 在水分胁迫下，植物通过许多生理生化代谢途径在低水势下忍耐脱水、以保持或吸 收水分，保护叶绿体功能和维持体内离子平衡。这种生理生化代谢途径的主要特征是产 生渗透物质和特定蛋白质，以控制离子、水流和去除有毒基因。下表列出了植物对水分 胁迫响应是的积累的产物及其功能【1 5 1 6 】。 由表1 可以看出，积累的代谢产物主要用于植物细胞的渗透调节，另一种可能的功 能是作为“亲和性溶质”替代水参与其生化反应。此外，“亲和性溶质”能与脂类或蛋白关 联，防止膜分离、蛋白质分解及酶失活，以增强植物的耐早能力。 表l 水分胁迫响应代谢产物积累及其功能( b o b n e r c j e n m ，1 9 9 6 ) 1 3 植物抗旱性的研究方法 1 3 1 干旱处理方法 4 要鉴定植物的抗旱性，首先要给植物创造一个适当的干早胁迫环境，然后选择适当 的指标来区分植物间的抗旱性差异，目前主要有以下几种干旱处理方法。 田间实验法 将供试品种在不同地区的旱地上栽种，以自然降水造成干旱胁迫，直接按照植物生 长状况来评价其抗旱性。此方法简便易行，既真实地反映了植物在不同地区的生长情况， 又有产量指标，结果很有说服力，是目前育种工作者选择抗旱性品种的主要方式。但受 环境影响大，重复性较差。 人工气候室法 在能控制温度、湿度和光照的人工气候室内，通过控制土壤含水量造成土壤干旱和 控制空气湿度造成大气干早，研究不同生育期内水分胁迫对生长发育、生理生化过程或 产量的影响来鉴定植物抗旱性。此方法结果可靠，重复性好，但设备投资大，而且人工 气候室与大田环境差异可能带来实验误差。 土壤干旱胁迫法 通过控制箍栽植物的土壤含水量而造成植株水分胁迫来鉴定植物抗旱性。( 1 ) 苗期 反复干旱法。三叶期进行干旱处理，在5 0 幼苗达到永久萎蔫时浇水使苗恢复，再干旱 处理使之萎蔫，重复2 3 次。以最后存活苗的百分率评价品种苗期抗旱性【 】；( 2 ) 土壤 干旱法。从拔节初期开始控水至成熟，盆土含水量用称重法控制，将干旱处理分为对照、 轻度干旱、中度干旱、严重干早4 种水分胁迫梯度【l7 1 ；( 3 ) 土壤缓慢干旱法。灌浆期用 人为称重控水的方法，按土壤含水量每日减少7 1 0 的脱水速率，经7 1 0 天降至严重干 旱【l8 】。土壤干旱胁迫法简便易行，结果可靠。缺点是，结果说明的是个体而非群体，但 在育种选择抗旱品系中很有意义。 高渗溶液法 用不同浓度的高渗溶液对种子萌发或苗期生长进行处理，造成作物的生理干旱，观 察种子萌发率和植株能否正常生长发育，并结合测定一些指标来鉴定植物抗旱性。常用 的渗透物质有聚乙二醇和甘露斟。 大气干早法 主要是模拟自然界中的大气干旱环境。一般采用将植物栽至能控制温度的干旱室 中，施以干燥的空气或叶面喷施化学干燥剂来造成大气干早环境；或将水培植株根系暴 露到空气中不同时间造成不同强度水分胁迫1 2 0 】。 1 3 2 抗旱性评价指标 在抗旱性品种选育过程中，一个重要的问题是依据什么性状进行选择，什么样的性 状可用于指示抗旱能力的强弱。植物的抗旱指标应具有遗传稳定性及可靠性，遗传稳定 性是指所用指标受环境影响的程度，如指标的遗传力，需要依据一定的遗传交配设计加 以估计：而可靠性是指指标与抗早能力的关联程度。在不考虑其它的育种目标时，理想 的抗旱性指标应该是遗传上稳定，指示抗旱性能准确的性状。下面列举一些植物形态、 解剖、生理生化等抗旱性指标1 2 l 】。 r 根系指标( 根重、根数、根长、根，茎比、根系伸展速率等) 形态指标叶子特征指标( 叶子大小、叶片厚度、绒毛、蜡被、气孔频率等 | 木质部压力势( ) ( 1 ) p ) l 维管束排列、导管直径 ，净光合速率 l 蒸腾强度 l 水分状况指标( 水势、叶片相对含水量、叶片脱水速率、耐化学脱水性) i 渗透调节能力 生理指标 叶片膨压 l 细胞弹性膜量 l 光合作用 l 叶绿素荧光强度、冠层温度、气孔扩散阻力 、根冠中平衡石淀粉水解速率 标腰勰 r 生长量( 高度、胸径等) 生长指标_ 产量( 材积等) l 生物量( 各部分生物量、总生物量) 黼标罴器 l 多性状选择效率( m s e ) 1 4 存在的问题和展望 到目前为止，改良植物的抗旱性是一个应用前景广阔但研究比较薄弱的环节，尽管 许多研究者从各方面做了大量工作，对植物抗旱性机理进行了有益的探索，但由于对各 种生理变化之间的内在联系深入研究的还不够，还不能确定起主导作用的变化过程是什 么，哪种生理反应最先开始，并由这些反应导致了其它的生理变化。特别是通过认识植 物的抗旱机理，改变其遗传基础，提高抗旱性方面，仍处于探索阶段。从改良植物的抗 旱性出发，从分子水平上阐明植物抗翠性的物质基础及其生理功能，从而通过基因工程 手段进行抗旱基因重组，以创造抗旱新类型，并用这种基因的表达形式确定抗旱指标是 当前研究的一个热点【捌。随着分子生物学的飞速发展，可望通过分子标记技术在抗旱鉴 定方法上有所突破。 2 榆树疏林概况 榆树( 矾坍埘口“州池) 疏林是榆树分布的一种特殊形式，是适应半干旱半湿润气候 6 的温带典型草原和草甸草原亚地带的隐性域沙地顶级植物群落，在我国主要分布于松辽 平原和内蒙古高原的小腾格里沙地【2 3 ，2 4 1 。在榆树疏林中，榆树是以稀疏状态镶嵌在草原 中，所以榆树疏林不形成真正的森林环境，而是表现出明显的草原化特征【2 5 j 。其主要分 布于固定沙丘垄岗地上，并与沙生蒿类半灌木植被、沙生灌从和沙生草原形成沙地植被 复合体瞄i 。榆树疏林是一种古老的、持续期最长的原生植被，具有极强的适应性、稳定 性、抗干扰能力和恢复能力，且生物产量高，是防风固沙、保护沙区生态环境和周边土 地资源的一种重要的植物群落类型。榆树疏林还是沙生植物的物种和基因资源库，并为 草原野生动物提供避难所和栖息地【2 4 ，2 6 1 。 3 研究目的与意义 在我省西部的松嫩沙地上，榆树疏林是植被演替的顶极群落，也是最适合当地气候 条件的生态群落【2 ”。但近几十年来，榆树疏林遭到了严重的破坏，分布厩积大大减少， 种类和结构也发生了变化。所以，保护和合理利用榆树疏林，恢复其特有的生态系统服 务功能已愈来愈受到关注。目前，国内外有关榆树的研究主要集中在对种质资源，以及 保存、杂交育种、抗病性和混交造林等的研究上。 本实验通过对榆树疏林的主要建群种一白榆的幼苗在水分胁迫下以及水分胁迫后 恢复时的生长发育特性进行研究，确定白榆幼苗对水分胁迫的响应和适应对策，从而对 恢复和保护榆树疏林生态系统提供一些理论依据。 7 研究方法 1 实验地及实验材料 实验于东北师范大学校园内的温室中进行。实验材料为2 0 0 5 年当年生白榆种子( 采 于吉林省长岭县腰井子种马场境内东北师范大学松嫩草地生态研究站) ，育苗3 0 天后， 选择长势良好、均匀的幼苗移至口径为2 0 哪，深1 8 c m 的塑料花盆中，每盆3 株。花盆 中基质为3 k g 的壤土与河沙的1 ：1 比例的混合物，以确保足够的营养和良好的透气性。 移栽时平均苗高约1 2 c m ，6 - 8 片真叶。 2 水分胁迫方法 实验采用盆栽控水法，人工模拟水分胁迫。水分胁迫设为4 个水分梯度：对照( 田 间最大持水量8 0 ) ，轻度水分胁迫( 田间最大持水量5 0 ) ，中度水分胁迫( 田问最 大持水量4 0 ) 和重度水分胁迫( 田间最大持水量2 5 ) 。实验期间每天用称重法调控 土壤含水量，每隔7 天取一次样，取样5 次后将四组样都恢复到对照组的控水量，再取 3 次样。 表2 水分胁迫梯度表 组别水分梯度 对照组( c k ) 轻度水分胁迫( l w ) 中度水分胁迫( m w ) 重度水分胁迫( h w ) 田间最大持水量8 0 田间最大持水量5 0 田间最大持水量4 0 田间最大持水量2 5 3 指标测定方法 3 1 叶面积 量出各片叶的长度( 从叶基到叶尖，不含叶柄) 和叶宽( 叶片上与主脉垂直方向上 的最宽处) ，求出长与宽的乘积。将各片叶用经典的方格法测得的面积除以这片叶的长 宽积，算得面积与长宽积之比，即“系数”，以5 0 片叶的系数的平均值为该品种的“系数”， 记为c ，将各片叶的长宽积乘以c ，即得到各叶以系数法估测的叶面积f 2 舯。 3 2 相对含水量( r w c ) 取鲜叶，称其鲜重，然后在蒸馏水中浸泡2 4 h 后称其饱和鲜重。最后，将其在1 1 0 下烘干，称其干重【2 9 1 。 相对含水量= ( 鲜重一千重) ( 饱和鲜重一干重) l o o 8 3 3 饱和水分亏( w s d ) 饱和水分亏= 1 一相对含水量( ) 3 4 叶绿素含量 采用分光光度法：取新鲜叶片o 0 5 9 ，剪碎，放入5 m l 乙醇溶液中，室温浸泡3 6 h 。 利用紫外分光光度计再6 6 3 i l l t l 、6 4 5 姗下测定其紫外吸收值。利用公式计算总叶绿素 ( c a + b ) 的浓度。其中c a + b 为叶绿素浓度( m g l ) ，v 为提取液总体积( m 1 ) ，a 为叶 片鲜重( g ) 。 c a + b ( m g ，l ) = 2 0 - 3 0 d “5 + 8 0 4 0 d 6 6 3 叶绿素含量( m g 幢) = c v 1 0 a 1 0 0 0 【1 8 】 3 5 脯氨酸含量的测定 采用茚三酮法：取新鲜叶片o 1 0 1 5 9 ，剪碎，放入小离心管中。然后，加入l m l 的3 磺基水杨酸，静止4 h ，提纯。吸取提取液0 5 m l 于试管中，再加入l m l 冰乙酸和 1 m 1 2 5 的酸性茚三酮溶液( 以3 ：2 的冰乙酸和6 m o l l 磷酸为溶液进行配制) 于沸水 浴中显色6 0 m m ，静止冷却。加入2 m l 甲苯，振荡1 5 2 0 s ，萃取；吸取甲苯层于5 2 0 n m 波长比色。 标准曲线制作方法：称取2 0 m g 脯氨酸放入5 0 0 m l 容量瓶，蒸馏水溶解后，定容之 刻度，摇匀备用。该标准贮备液为4 0 l l 。将2 5 、2 2 5 、2 0 、1 7 5 、1 5 、1 2 5 、1 0 、7 5 、 5 、2 5 、1 2 5 、0 m l 的贮备液分别稀释到5 0 m l ，制备成浓度分别为2 0 、1 8 、1 6 、1 4 、1 2 、 1 0 、8 、6 、4 、2 、l 、o 扯g m l 的标准溶液梯度。然后按照上面的实验方案进行显色，萃 取和比色口0 1 。 趔 翘 筮 k 出 蓬 点 2 5 2 1 5 0 5 0 0 5 脯氨酸含量( m g ) 图2 脯氨酸含量标准曲线 9 4 数据处理 应用统计分析软件s p s s1 2 o 的o n e - 、v a y a n o v a 和d 狮c 跚多重比较法进行不同梯 度水分胁迫下白榆幼苗各形态、生理特征参数的比较和显著性分析。 1 0 结果与分析 1 不同水分胁迫下白榆幼苗的生理形态反应 1 1 水分胁迫对白榆幼苗生物量的影响 生物量是植物获取能量能力的主要体现，对植物的发育的结构的形成具有十分重要 的影响。在生长发育中，植物总是要不断调整其生长和生物量的分配策略来适应环境变 化，在土壤水分胁迫条件下，植物通过调整生物量分配将逆境伤害降低到最小来适应环 境胁迫。 1 1 1 对地上生物量的影响 水分胁迫会使白榆幼苗的地上生物量生长受到抑制，但不同程度的水分胁迫在幼苗 成长的初期对地上生物量并无显著影响，整体还是呈现上升趋势，只在9 月2 日第五次 测量时重度水分胁迫组才表现出与对照组显著的差异( 尸 o 0 5 ) 。 图4 水分胁迫对白榆幼苗地下生物量的影响 o 2 5 0 2 蔷o 1 5 蜷 萋 o 0 5 o l23 45 水分胁迫时间( 周) 图5 水分胁迫对白榆幼苗根冠质量比的影响 - o c k 口一l w - 心- m w - o - h w 1 1 3 对生物量分配的影响 随着水分胁迫的持续，各个水分胁迫组的根冠质量比都有所增长，但重度水分胁迫组 的比值与其它组有显著的差异( p o 0 5 ) ，第五次测量值比对照组高了4 9 8 l 而轻度 和中度水分胁迫组与对照组没有明显差异( 图5 ) 。说明当水分胁迫达到重度时，对白榆 幼苗生物量的分配才有影响，且影响明显。生物量的分配比例在一定程度上能反映植物 在受到水分胁迫时的生存对策，植物在地上部分生物量降低的同时，较多地提高根的比 重，即地下生物量，这有利于缓解植物在水分胁迫下水分、养分的供求矛盾3 3 1 。所以这 种变化也可以认为是白榆幼苗在重度水分胁迫下的一种响应对策。 1 2 水分胁迫对白榆幼苗叶面积的影响 水分胁迫的前三周，各组水分胁迫下的白榆幼茁叶面积没有明显差异，从第四周起， 重度水分胁迫使白榆幼苗的叶面积明显减小，表现出与对照组的显著差异( j p 0 0 5 ) 。说 明水分胁迫对白榆幼苗的相对含水量和饱和水分亏没有明显的影响( 图7 ) 。 删0 9 蔷 缸 _ 拓0 8 罂 赶 古 0 7 0 6 o c k o l w 1 6 广一m w - o - i 霄 12345 水分胁迫时间( 周) 图7 水分胁迫对白榆幼苗叶片相对含水量的影响 1 4 水分胁迫对自榆幼苗叶绿素含量的影响 叶绿体是植物组织非常重要的细胞器，是植物进行光合作用、制造有机物质的场所。 叶绿素含量是植物对水分胁迫反应敏感性的生理指标，在水分胁迫下，叶片的叶绿素发 生降解使其含量降低，抗旱性较强的品种能维持较高的叶绿素含量。相关研究表明，随 着水分胁迫的加强，叶绿体膜系统受损加剧，膜脂过氧化产生的自由基造成叶绿体伤害 而导致叶绿素降解【3 6 7 1 。由于本实验是在白榆幼苗生长初期进行，叶片叶绿素含量正处 于积累阶段，所以四组的叶绿素含量都有所增加，但中度和重度水分胁迫组随着水分胁 追时间的延长，增长速度明显变慢，并在第4 、5 周时叶绿索含量表现出与对照和轻度 水分胁迫组的明显差异( p o 0 1 ) 。这说明中度和重度水分胁迫对白榆幼苗生长初期叶 绿素含量的积累有明显的抑制作用，而轻度的水分胁迫则无影响( 图8 ) 。 1 3 0 1 2 0 一”0 1 0 0 39 0 删8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 水分胁迫时间( 周) 图8 水分胁迫对白榆幼苗叶片叶绿素含量的影响 1 5 水分胁迫对白榆幼苗脯氨酸含量的影响 1 4 如懈媾舌 实验表明( 图9 ) ，轻度水分胁迫对白榆幼苗的脯氢酸含量没有明显的影响；中度的 水分胁迫初期，脯氨酸含量变化不大，只在第三周后略有升高，但与对照组和轻度水分 胁迫组的差异不大( p ，0 0 5 ) ；而重度的水分胁迫在第一周就使白榆幼苗的脯氨酸含量 显著升高，并随着胁迫时间的变长而逐步升高，到第五周时，重度水分胁迫组的叶片游 离脯氨酸含量已达到对照组的6 8 9 4 ，与其它组表现出明显的差异( p o 0 1 ) 。 7 0 毛6 0 o 型5 0 斑 球 霎4 0 3 0 水分胁迫时间( 周) 图9 水分胁迫对白榆幼苗叶片游离脯氨酸含量的影响 脯氨酸是植物蛋白质的重要组成部分，当植物受到环境胁追时，植物体内游离脯氨 酸积累增加。在水分胁迫下植物游离脯氨酸大量积累是k r a l b l e 等在萎蔫的黑麦草叶片 中发现的【3 ”。从脯氨酸的作用看，不论是在物理、化学性质，还是在对微生物的作用方 面，它对植物抗旱或渗透胁迫以及胁迫解除后的恢复都是有益的。脯氨酸可以作为水分 胁迫下植物的渗透剂，参与植物的渗透调节，作为一种高亲水物质，可以防止细胞在干 旱时脱水，同时也是酶和亚细胞结构的保护剂，能清除蛋白质分解初期产生的n h 3 ，防 止其它有毒氨基酸积累【3 9 l 。还有研究表明，脯氨酸可作为植物进行呼吸的能源，为复水 后的恢复提供还原力 4 0 j 。因此不难看出脯氨酸增强植物抗旱性的重要作用。 2 水分胁迫后恢复供水时自榆幼苗的生理形态反应 2 1 生物量变化 2 1 1 地上生物量变化 取消水分胁迫后，白榆幼苗的地上生物量有了显著的升高，轻度水分胁迫及中度水 分胁迫组的地上生物量逐渐恢复，与对照组已无明显差异。而重度水分胁迫组的地上生 物量恢复不大，表现出与其它组的显著差异( 尸 0 0 5 ) ，说明在幼苗生长初期，轻度和 中度的水分胁迫对榆树幼苗地上生物量的影响在恢复供水后可以得到很快的恢复，而重 度的水分胁迫对幼苗地上生物量的影响却在短期内难以恢复( 图1 0 ) 。 图l o 恢复供水后白榆幼苗地上生物量的变化 2 1 2 地下生物量变化 恢复供水后，受到水分胁迫的各个组地下生物量增长都较快于对照组( 图1 1 ) ，这 说明在白榆幼苗生长的初期，水分胁迫会促进根系的增长，但由于水分胁迫同时又造成 植物整体生长的抑制，所以根系增长亦不明显，而当供水恢复，植物可以得到充足的水 分生长，曾受到水分胁迫的幼苗根系生长的优势就表现出来。表明包括薰度水分胁迫在 内的水分胁迫对白榆幼苗根系的生长都有一定的促进作用。重度的水分胁迫虽然可以在 胁迫时抑制幼苗的地下生物量积累，但在供水恢复后，仍可以得到恢复。 图1 1 恢复供水后白榆幼苗地下生物量的变化 2 1 3 生物量分配 受到水分胁迫的白榆幼苗在得到恢复供水后根冠质量比都有大幅度升高( 见图1 2 ) ， 轻度水分胁迫组上升了1 3 7 0 7 ，中度水分胁迫组上升了1 4 0 9 5 ，重度水分胁迫组上 1 6 升了1 1 5 7 7 。但重度水分胁迫组在恢复水分供应三周后根冠质量比仍要高于对照组 6 7 3 7 ，表现出与对照组明显的差异( 尸 o 0 1 ) 。说明白榆幼苗受到水分胁迫后，恢复 时首先是从根系的恢复开始的，受到水分胁迫时造成的根系生长优势在得到水分供应恢 复后仍在继续，而相对而言地上生物量积累恢复就比较缓慢。这种情况有助于满足能量 与物质的平衡供给，提高了白榆幼苗在干旱逆境下的竞争效率。 0 6 o 5 _ o 4 删 1 基0 3 耀 警0 2 0 1 0 恢复供水时间( 周) 图1 2 恢复供水后白榆幼苗地下地上生物量比的变化 2 2 叶面积变化 恢复供水后，白榆幼苗的叶面积变化并不明显，重度水分胁迫组的叶面积还是明显 差异于其他组( p o 0 5 ) ( 图 1 4 ) 。进一步证明白榆幼苗可以很好地维持水分吸收和蒸腾之间的平衡关系，在其内部 发生水分状况的改变以适应干旱胁迫，这对于白榆的耐旱性是十分重要的。 0 9 5 咖 * 如0 9 嚣 霉 0 8 5 0 8 1234 恢复供水时间( 周) 圈1 4 恢复供水后白榆幼苗叶片相对含水量的变化 2 4 叶绿素含量变化 进行恢复供水时白榆幼苗茁龄已经7 周，叶片叶绿索累积已经达到一定水平，所以 恢复供水后，对照组与轻度水分胁迫组的叶片叶绿素含量变化不大。而中度和重度水分 胁迫组的叶片叶绿素含量有所升高，但重度水分胁迫组升高的幅度很小，只上升了 1 2 1 8 ，仍表现出与对照组显著的差异( p o 0 5 ) ，而中度水分胁迫组上升了1 9 4 4 ( 图 1 5 ) 。说明重度的水分胁迫使叶绿体膜系统受损严重，叶绿素生成受到阻碍，这也造成 了重度水分胁迫组的光合能力下降，所以重度水分胁迫组在恢复供水后地上生物量恢复 缓慢。 1 2 0 1 0 5 9 0 7 5 6 0 l234 恢复供水时间( 周) 图1 5 恢复供水后白榆幼苗叶绿素含量的变化 2 5 游离脯氨酸含量变化 1 8 o c k - o - 帅 1 一m w - o - h w 1矗眦v蛔缸懈啭量 恢复供水后，对照组、轻度水分胁迫组和中度水分胁迫组的叶片游离脯氨酸含量都 略有升高，但变化并不明显，而重度水分胁迫组的含量持续升高( 图1 6 ) ，比恢复供水 前仍上升了2 7 5 2 ，表现出与其它组的明显差异( p o 0 5 ) 。说明白榆幼苗在受到水分 胁迫后，尽管得到水分供应恢复，细胞内仍继续积累游离脯氨酸，脯氨酸的渗透调节能 力，可能会通过抗氧化作用保护细胞免受伤害f 4 ”。 拿 童 删 玺 城 蓑 按 恢复供水时间( 周) 图1 6 恢复供水后白榆幼苗叶片游离