鹽芥重要生長發(fā)育期的生理生態(tài)機(jī)制研究.pdf

1、鹽生植物在其整個(gè)生長發(fā)育內(nèi)會面臨許多外界環(huán)境變化，如：土壤鹽度和季節(jié)更替帶來的光照、溫度和水分的變化。鹽生植物能否在重要生長發(fā)育期（如：種子萌發(fā)和開花繁殖期）適應(yīng)這些外部環(huán)境的變化，直接決定著其種群生存和分布。本文針對鹽生植物模式材料鹽芥在重要生長發(fā)育期對外界環(huán)境的生理生態(tài)適應(yīng)性及機(jī)制進(jìn)行研究，旨在探究鹽芥在重要生長發(fā)育對外界環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制，為闡明其分布和生存機(jī)理提供依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：
　　在鹽脅迫條件下種子能否萌發(fā)及高鹽條

2、件不能萌發(fā)的種子在足夠降雨后能否萌發(fā)直接決定該物種能否在鹽堿地形成群落及完成生活史。為此，通過與擬南芥的對比實(shí)驗(yàn)，用不同濃度鹽脅迫對鹽芥種子進(jìn)行處理，探討鹽芥種子萌發(fā)期和幼苗生長期的耐鹽機(jī)制。實(shí)驗(yàn)采用培養(yǎng)皿法，鹽芥和擬南芥種子分別用0、30、60、90、120、200、300、400和500 mmol L-1 NaCl處理液處理，處理后分別春化10天，取出觀察其種子萌發(fā)情況，萌發(fā)的幼苗7天后測定生理指標(biāo)。結(jié)果表明，NaCl處理對鹽芥和擬

3、南芥種子萌發(fā)均有一定的抑制作用。擬南芥和鹽芥在萌發(fā)的最初兩天在各個(gè) NaCl濃度的脅迫下，萌發(fā)率都在緩慢增加，3天后萌發(fā)趨于穩(wěn)定。30 mmol L-1 NaCl對擬南芥的種子萌發(fā)沒有影響。在較高鹽脅迫濃度，擬南芥和鹽芥的萌發(fā)受到顯著抑制，鹽芥種子萌發(fā)受抑程度強(qiáng)于擬南芥。30、60、90和120 mmol L-1NaCl脅迫7天時(shí)，擬南芥種子的萌發(fā)率分別為對照的100％、99%、77%和28%，鹽芥的種子萌發(fā)率分別為對照的91%、68%

4、、26%和0%。當(dāng)NaCl濃度超過200 mmol/L，鹽芥和擬南芥種子的萌發(fā)率均為0。但是，在高濃度NaCl處理抑制的鹽芥種子在鹽脅迫解除后比擬南芥種子表現(xiàn)出較好的萌發(fā)，與對照相比，在200、300、400、500 mmol L-1 NaCl脅迫下鹽芥種子萌發(fā)恢復(fù)率分別為105%、104%、106%和99%，但擬南芥在相同濃度的NaCl脅迫下種子萌發(fā)恢復(fù)率分別為94%、84%、82%、54%。可見鹽脅迫促進(jìn)了鹽芥種子在鹽脅迫解除后的萌

5、發(fā)能力，而擬南芥在高鹽脅迫下，種子萌發(fā)恢復(fù)率低說明發(fā)生了擬南芥種子在高鹽脅迫下受到了一定程度的離子毒害。
　　在幼苗生長階段，鹽芥的幼苗比擬南芥表現(xiàn)出較好的耐鹽性，幼苗長勢好，根長、干鮮重、色素含量、脯氨酸含量和K+/Na+均高于擬南芥，MDA積累少。這些結(jié)果表明：鹽芥在種子萌發(fā)和幼苗生長期對鹽脅迫表現(xiàn)出了較強(qiáng)的適應(yīng)機(jī)制，這是鹽芥能夠在鹽堿地存活并形成群落的原因之一。
　　耐逆模式植物-鹽芥是十字花科植物，自然條件下在秋天萌

6、發(fā)，以蓮座狀幼苗度過冬季并完成春化作用，春天接受長日照完成光周期誘導(dǎo)并開花結(jié)果。但是，對于鹽芥春化作用所需天數(shù)及個(gè)體發(fā)育階段及光周期誘導(dǎo)參數(shù)了解很少，這極大地限制了對鹽芥耐逆分子機(jī)理的研究。本實(shí)驗(yàn)對山東生態(tài)型鹽芥種子春化和光周期進(jìn)行了系統(tǒng)研究，旨在縮短鹽芥春化和開花的時(shí)間，獲得實(shí)驗(yàn)室條件完成生活史的最短時(shí)間，以方便對鹽芥耐逆機(jī)理的研究。種子春化采用培養(yǎng)皿恒定4℃冰箱處理法，將準(zhǔn)備好的鹽芥種子，在實(shí)驗(yàn)室充分吸水后，置于4℃冰箱中，使種子春

7、化的時(shí)間分別為：0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30天，處理結(jié)束后，將春化后的種子置于擬南芥培養(yǎng)箱中培養(yǎng)觀察種子萌發(fā)情況，7天后將萌發(fā)幼苗移栽于盆中培養(yǎng)觀察其開花情況。結(jié)果表明，鹽芥種子春化促進(jìn)了鹽芥種子的萌發(fā)，隨著種子春化時(shí)間的延長，鹽芥種子萌發(fā)率逐漸升高，種子春化30天，鹽芥種子萌發(fā)率為90%。萌發(fā)的種子定植于盆觀察到鹽芥種子春化后，可以開花，說明鹽芥種子具有春化的能力。鹽芥種子春化時(shí)

8、間小于6天時(shí)，鹽芥不開花，一直處于營養(yǎng)生殖狀態(tài)。鹽芥種子春化時(shí)間6-22天，鹽芥開花植株數(shù)隨著春化時(shí)間的增加呈S曲線上升，鹽芥種子春化時(shí)間22-40天，鹽芥開花植株數(shù)恒為100%。開花鹽芥植株第一朵花開放時(shí)間被鹽芥種子春化時(shí)間縮短，鹽芥種子春化時(shí)間越長，鹽芥植株第一朵花開時(shí)間越短。鹽芥種子春化時(shí)間30-40天，鹽芥植株第一朵花開放時(shí)間在春化結(jié)束后的第29天。種子經(jīng)過30天的春化處理，開花最理想。種子春化能夠促進(jìn)鹽芥開花，與其抑制 ThF

9、LC（開花抑制基因）的表達(dá)有關(guān)。鹽芥種子未經(jīng)春化，ThFLC的表達(dá)量為100%，隨著種子春化時(shí)間的延長，鹽芥相應(yīng)植株內(nèi)ThFLC的表達(dá)量逐漸減少，當(dāng)鹽芥種子春化30天時(shí)，ThFLC的表達(dá)量為24.3%。經(jīng)過30天種子春化處理的鹽芥植株在擬南芥培養(yǎng)箱的恒定溫度、濕度和光照下，分別進(jìn)行7、8、9、10、11、12、13、14小時(shí)的光照長度處理，結(jié)果表明：經(jīng)過種子春化的鹽芥鹽芥種子經(jīng)過30天春化長出植株在光周期為9到14小時(shí)，能夠開花。如果光

10、周期小于8小時(shí)，鹽芥則不開花。隨著光周期的延長，鹽芥開花的時(shí)間縮短，開花數(shù)量和單株干鮮重增加。在14小時(shí)的光周期下，鹽芥植株開花數(shù)量和單株干鮮重達(dá)到最大值。這些結(jié)果表明鹽芥為典型的長日照植物，至少需要9小時(shí)的光周期才能開花。這些結(jié)果極大地方便了人們對鹽芥分子機(jī)理的研究。其次，這些結(jié)果還表明鹽芥對春化和對光周期的要求，與其對生存環(huán)境的適應(yīng)有關(guān)。
　　山東生態(tài)型鹽芥在黃河三角洲鹽堿地在秋天萌發(fā)，以蓮座狀幼苗度過冬季，三月份開始返青生長

11、、抽薹開花，五月份種子成熟。這個(gè)季節(jié)正是降雨少、溫度回升快及返鹽高峰期。鹽芥為什么在這一時(shí)期完成其生活史，其生理生態(tài)機(jī)理是什么？值得深入研究。我們通過2012年一月至五月對在黃河三角洲鹽堿地自然生長鹽芥植株內(nèi)的離子含量和某些生理生態(tài)指標(biāo)變化的研究，揭示鹽芥耐鹽的生理生態(tài)基礎(chǔ)。結(jié)果表明，土壤中Na+、Ca2+和Cl-含量從2012年一月至五月呈逐漸上升趨勢，與氣溫的上升正相關(guān)，與土壤水分含量呈負(fù)相關(guān)。說明氣溫和土壤含水量是影響土壤中Na+

12、、Ca2+和Cl-濃度的主要原因。在氣溫較低的一月和二月鹽芥地上部分 Na+離子含量最高，隨著植物的生長發(fā)育，整體呈下降趨勢，而 K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-則呈上升趨勢，尤其是 Cl-上升更為明顯。鹽芥植株內(nèi)這些離子的累積與其生長發(fā)育階段有很大關(guān)系，離子的累積也有利于其進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)作用。在生長發(fā)育中后期根部呈下降趨勢，可能是由于根部向地上部輸送較多的營養(yǎng)物質(zhì)。鹽芥的生理生態(tài)指標(biāo)變化表明，鹽芥的生長受低溫的影響要大于受土

13、壤鹽度變化的影響。在氣溫較低的一月和二月，鹽芥表現(xiàn)出一定的受害癥狀， MDA累積，葉綠素含量低，但是其植株內(nèi)較高的脯氨酸和可溶性糖含量使鹽芥在低溫條件下免受傷害，起到一定的滲透調(diào)節(jié)和保護(hù)作用。這些結(jié)果表明，鹽芥植株組織中可溶性物質(zhì)含量與春天溫度有關(guān)，是其適應(yīng)低溫和高鹽的機(jī)制之一。
　　人們對鹽芥耐鹽性進(jìn)行了深入研究，可以在200 mmolL-1NaCl處理?xiàng)l件完成生活史，其耐鹽機(jī)理主要是把過多的鹽區(qū)域化到液泡中，這種特性與重金屬超

14、富集植物有類似的機(jī)理，而黃河三角洲土壤近年來重金屬污染日趨嚴(yán)重，作為自然生長該地區(qū)鹽堿地的植物是否具有重金屬超富集特性及耐重金屬機(jī)理值得研究，這些結(jié)果對于利用鹽芥對遭受重金屬污染的鹽堿地進(jìn)行修復(fù)具有重要意義。我們通過盆栽試驗(yàn)，比較分析了鹽芥在Cd、Cu和Pb重金屬處理下生長等生理生態(tài)特性。結(jié)果表明，隨著Cd、Cu和Pb處理濃度的升高，鹽芥的根長及干物質(zhì)重均顯著下降，MDA均顯著升高。與Cu和Pb相比， Cd處理濃度較低，但受害癥狀明顯，

15、具體表現(xiàn)為：高濃度下，葉綠素含量顯著下降，葉片黃化，MDA累積多，幼苗死亡率高等。Pb處理濃度最高，但在這三種重金屬中Pb處理的受害癥狀表現(xiàn)不明顯，說明鹽芥對 Pb具有一定的耐性。從鹽芥對三種重金屬的累積量來看，鹽芥對 Cd具有一定的累積作用，但在高濃度(130 mg kg-1)下很難存活，在Cu和Pb脅迫下能夠完成正常的生活周期，但對Cu和Pb并不累積。所以鹽芥對Cd污染土壤的修復(fù)具有一定的潛力，但不適宜用于Cu和Pb污染土壤的修復(fù)。

16、
　　本論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：
　　1.通過與擬南芥的比較研究發(fā)現(xiàn)，雖然鹽芥種子萌發(fā)受到高濃度鹽的強(qiáng)烈抑制，但能夠在鹽脅迫緩解時(shí)迅速且整齊萌發(fā)，甚至超過無鹽脅迫時(shí)的萌發(fā)率。在幼苗生長期，鹽芥幼苗在鹽脅迫下，能夠維持較高的葉綠素含量，K+/Na+和脯氨酸含量，累積較少的MDA，表現(xiàn)出良好的生長勢。這些結(jié)果表明鹽芥在種子萌發(fā)和幼苗生長期比擬南芥表現(xiàn)出較好的對鹽的適應(yīng)性。這可能是鹽芥能夠在鹽堿地存活并形成群落的原因之一。
　　2.

17、本文首次研究了種子春化和光周期對鹽芥開花的影響。研究結(jié)果表明種子春化促進(jìn)了鹽芥種子的萌發(fā)，種子春化后鹽芥能夠開花說明鹽芥具有種子春化的能力。種子春化低于6天鹽芥不能開花，一直處于營養(yǎng)生長階段，種子春化22-40天，鹽芥開花率可達(dá)100%。種子春化縮短了植株的開花時(shí)間，降低了開花抑制基因ThFLC的表達(dá)。山東生態(tài)型鹽芥的開花依賴于春化作用，對春化作用的需求是必須的，而不是兼性的。山東生態(tài)型鹽芥種子經(jīng)過充分的春化后，只有在光照時(shí)間大于9小時(shí)

18、的光周期下才能開花。而且隨著光照時(shí)間的延長，鹽芥開花數(shù)目增加，植株干重增大，開花時(shí)間縮短。當(dāng)光周期為14小時(shí)，鹽芥植株的干重和開花數(shù)達(dá)到最大值，開花時(shí)間最短。這些結(jié)果表明鹽芥為典型的長日照植物，其臨界日長為9小時(shí)。鹽芥對春化和對光周期的要求，與其對生存環(huán)境的適應(yīng)有關(guān)。對鹽芥種子春化和光周期的研究大大方便了今后對鹽芥耐逆分子機(jī)理的研究。
　　3.自然生境下鹽芥植株內(nèi)離子含量、可溶性有機(jī)物、MDA和葉綠素含量的變化與生長階段、土壤中的

19、離子含量、降水量等外界環(huán)境變化有關(guān)。通過對鹽芥生理生態(tài)的季節(jié)性研究結(jié)果表明：對鹽芥生理生態(tài)起主要作用的是植物本身的生長發(fā)育階段，其次是環(huán)境溫度及土壤鹽度等環(huán)境因子。鹽芥在黃河三角洲鹽堿地低溫、干旱和鹽度的逆境中通過生理生態(tài)的適應(yīng)來得以生存并形成群落。
　　4.在土壤Cd、Cu和Pb污染環(huán)境下，鹽芥對Cd、Cu和Pb都有吸收，其中鹽芥對Cd具有一定的累積作用，但在高濃度下(130 mg kg-1)鹽芥很難存活。鹽芥在Cu和Pb脅迫下