几种植物光合及有机酸特征及其在喀斯特逆境检测中的应用

摘要

环境胁迫下，植物通过自身调节适应环境，形成了多种适应性机制，如光合作用机制，无机营养利用机制，碳酸酐酶作用机制等等。其中植物根系分泌的有机酸组成和含量的变化也是植物应对环境胁迫的一种重要的适应性机制。根系分泌的有机酸主要来源于光合作用固定的碳，其通过一系列复杂的生物化学作用，直接影响根际区域养分的获取，重金属的解毒和微生物活性等根际活动，从而影响植物的生长发育状况。因此，根系分泌的有机酸在植物逆境生理中起着至关重要的作用。
　　本文选择了喀斯特适生植物构树和诸葛菜作为研究对象，以非适生植物桑树和油菜作为对照，设置人工模拟喀斯特环境（高pH，高浓度重碳酸盐，低营养，干旱）的实验，研究了逆境条件下四种植物的光合响应特征，以及有机酸累积和根系有机酸的分泌特征，阐明了其响应机制以及根系分泌有机酸的来源;探讨了长期胁迫下四种植物的光合特征及根系有机酸的分泌特征，为选择环境适应性植物提供了证据，提出了一种应用根系有机酸的分泌特征表达植物抗逆性的方法。本研究对于了解逆境条件下根系分泌物、光呼吸活性与植物需水和需肥量之间的关系具有重要意义，为后续研究根系分泌物对逆境生理响应特点，发掘作物自身水肥调控的潜能提供了研究基础;以期真正实现节水灌溉以及精准施肥的目的，本研究在农业工程领域为节水灌溉和精准施肥中提供了初步的研究基础。
　　本实验的研究结果如下:
　　(1)研究了四种植物的光合响应特征。测定了不同锌(含锌(0.02 mM)，缺锌(0 mM))与碳酸氢根离子（0 mM和10mM碳酸氢根离子））交互处理下四种植物的生长参数、光合参数、叶绿素荧光参数和叶绿素含量，结果表明不同植物对锌与碳酸氢根离子处理下的光合响应模式不同。其中，构树的光合碳代谢及无机碳利用能力最强。构树对缺锌、高碳酸氢根离子以及两者交互逆境适应性最强;诸葛菜和桑树次之;油菜的PSⅡ光反应中心受到的破坏最大，其适应能力也最弱。
　　(2)研究了四种植物有机酸的分配、转运和根系有机酸的分泌特征。在人工模拟缺锌和高浓度碳酸氢根离子逆境下，测定植物器官（根、茎、叶）以及根系分泌的有机酸含量，分析植物有机酸的分配、转运和分泌特征。结果表明，叶片是植物体有机酸的主要产生区域，根、茎、叶以及根系分泌的有机酸的来源不同。叶片中的有机酸主要来源于三羧酸循环和乙醛酸循环，而其他器官以及根系分泌的有机酸主要来源于三羧酸循环。在有机酸形成、分配、转运和分泌的过程中，草酸和柠檬酸受到的影响最大。
　　(3)研究了四种植物光合参数和叶绿素荧光参数的动态变化特征。在人工模拟不同锌(含锌(0.02 mM)，缺锌(0 mM))与碳酸氢根离子（0mM，1mM，5mM，10mM碳酸氢根离子））交互处理的逆境下，随着处理时间的变化，四种植物的光合作用、叶绿素荧光参数及叶绿素含量的变化趋势均不同。四种植物都能适应低浓度碳酸氢根离子(1，5mM)的环境。对缺锌和高碳酸氢根离子(10mM)环境的长期适应能力，构树和诸葛菜强于桑树和油菜。
　　(4)研究了四种植物根系分泌有机酸的动态变化特征。在人工模拟不同锌(含锌(0.02 mM)，缺锌(0 mM))与碳酸氢根离子（0 mM，1mM，5mM，10mM碳酸氢根离子））交互处理的逆境下，随着处理时间的增加，根系分泌的草酸、柠檬酸、苹果酸、丁二酸和酒石酸的含量都增加。含锌的情况下，所有的碳酸氢根离子处理都促进了四种植物根系有机酸的分泌，同一时期下，5，10 mM碳酸氢根离子处理的植物根系分泌的有机酸含量较高，尤其是草酸，柠檬酸和苹果酸;缺锌的情况下，随着处理时间的增加，碳酸氢根离子并未显著抑制四种植物根系有机酸的分泌。
　　(5)研究了植物根系有机酸的磷提取成本特征，并提出了一种利用磷提取成本表达植物抗缺磷能力的方法。测定了缺磷逆境下四种植物根系分泌的草酸，柠檬酸和苹果酸含量。建立草酸、柠檬酸和苹果酸的标准溶液与根系土壤磷提取的模型，从而得到植物根系分泌的有机酸对根际土壤磷提取的能力。并结合根系分泌的草酸、柠檬酸和苹果酸的有机碳摩尔损失量，提出了根系分泌的有机酸对根际土壤磷提取成本(Pex-cost)的概念，并将该概念应用于表征植物抗缺磷逆境的能力，结果表明四种植物磷提取成本为诸葛菜≈构树＜桑树＜油菜，这说明诸葛菜和构树抗缺磷能力较强。
　　(6)建立植物叶片的叶绿素荧光参数与根系分泌的有机酸之间的联系。在缺磷处理下，植物叶片的叶绿素荧光参数(Fo，Fv/Fm)与根系分泌苹果酸的含量具有线性关系，确定了利用根系分泌苹果酸表达植物抗逆性的方法;并将该方法应用于植物抗旱性的表达，结果表明构树和诸葛菜的抗旱性强于桑树和油菜。
　　综上所述，我们主要探讨了模拟喀斯特逆境下，长期处理和短期处理对不同植物的光合响应特征及根系有机酸的分泌特征，分析了根系分泌有机酸的来源。并提出了利用根系分泌的有机酸特征表达植物抗缺磷逆境能力和抗干旱能力的方法，为抗逆性植物的选择提供了强有力的证据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 喀斯特适生植物概述

1．2 植物体有机酸概述

1．2．1 有机酸基本知识

1．2．2 根系分泌物中的有机酸

1．3 喀斯特土壤特征对植物生长和根系有机酸分泌特征的影响

1．3．1 岩溶干旱

1．3．2 磷缺乏

1．3．3 锌缺乏

1．3．4 高重碳酸盐

1．4 光合作用和叶绿素荧光特征在植物逆境生理研究中的应用

1．4．1 光合作用的国内外研究现状

1．4．2 叶绿素荧光技术的国内外研究现状

1．5 植物逆境生理检测方法

1．5．1 叶片观察法

1．5．2 红外线气体分析法

1．5．3 叶绿素荧光动力学技术分析法

1．5．4 植物理化实验指标分析法

1．6 本研究的目的和意义

1．7 本研究的主要内容

1．8 本研究的技术路线

第二章 Zn胁迫和HCO3-处理下植物的光合特征

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料与培养方法

2．1．2 光合参数的测定方法

2．1．3 叶绿素荧光参数的测定方法

2．1．4 叶绿素相对含量及生物量的测定方法

2．1．5 生长和光合、叶绿素荧光参数的变化特征

2．1．6 植物对高浓度碳酸氢根或缺锌处理抗逆性的评价标准

2．2 结果与分析

2．2．1 不同处理下四种植物的生物量及叶绿素含量的变化

2．2．2 不同处理下四种植物的光合参数和叶绿素荧光参数的变化

2．3 讨论

2．3．1 锌缺乏和碳酸氢根离子处理对植物生长的影响

2．3．2 不同植物对碳酸氢根离子的响应

2．3．3 不同植物对缺锌的响应

2．4 小结

第三章 Zn胁迫和HCO3-处理下植物体内有机酸分配、转运和分泌

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料与培养方法

3．1．2 植物器官(根、茎、叶)有机酸的提取方法

3．1．3 根系分泌物中有机酸的分离纯化

3．1．4 植物器官及根系分泌物中有机酸的分析

3．2 结果与分析

3．2．1 分析方法的精确性及标准曲线的绘制

3．2．2 不同处理下两种桑科植物器官及根系分泌物中有机酸的变化

3．2．3 不同处理下两种十字花科植物器官及根系分泌物中有机酸的变化

3．3 讨论

3．3．1 缺锌和碳酸氢根离子处理下不同植物有机酸累积的响应

3．3．2 缺锌和碳酸氢根离子处理下不同植物根系有机酸分泌的响应

3．3．3 植物体内有机酸的产生和转运

3．4 小结

第四章 Zn胁迫和HCO3-处理下植物光合特征的动态变化

4．1 材料与方法

4．1．1 实验材料与培养方法

4．1．2 叶绿素荧光参数的测定

4．1．3 叶绿素相对含量的测定

4．1．4 光合参数的测定

4．2 结果与分析

4．2．1 锌胁迫和HCO3-处理对构树和桑树光合系统的影响

4．2．2 锌胁迫和HCO3-处理对诸葛菜和油菜光合系统的影响

4．3 讨论

4．3．1 Zn和HCO3-处理下构树和桑树的光合特征

4．3．2 Zn和HCO3-处理下诸葛菜和油菜的光合特征

4．4 小结

第五章 Zn胁迫和HCO3-处理下植物根系分泌有机酸的动态变化

5．1 材料与方法

5．1．1 实验材料与培养方法

5．1．2 根系分泌物中有机酸收集、提取和分离纯化

5．1．3 根系分泌有机酸的测定

5．2 结果与分析

5．2．1 构树和桑树根系分泌物中有机酸的动态变化

5．2．2 诸葛菜和油菜根系分泌物中有机酸的动态变化

5．3 讨论

5．3．1 Zn和HCO3-处理下构树和桑树根系分泌有机酸的特征

5．3．2 Zn和HCO3-处理下诸葛菜和油菜根系分泌有机酸的特征

5．4 小结

第六章 缺磷胁迫下根系分泌的有机酸对根际土壤磷提取成本的特征

6．1 材料与方法

6．1．1 实验材料与培养方法

6．1．2 根系分泌有机酸的收集与测定

6．1．3 根际土壤样品的收集

6．1．4 建立有机酸标准溶液与根际土壤磷的模型

6．1．5 根系分泌有机酸对磷提取能力的计算

6．1．6 根系分泌有机酸碳损失量的增加比

6．1．7 根系分泌有机酸对磷提取的成本

6．2 结果与分析

6．2．1 根际土壤的理化性质

6．2．2 根系分泌有机酸的含量

6．2．3 有机酸标准溶液与根际土壤磷的模型

6．2．4 根系分泌有机酸的磷提取增加比(IPPEX)的动态变化

6．2．5 根系分泌有机酸的有机碳损失增加比(LOC)的动态变化

6．2．6 根系分泌有机酸的磷提取成本(Pex-cost)的动态变化

6．3 讨论

6．3．1 根系分泌有机酸的磷提取效应

6．3．2 磷缺乏下根系分泌有机酸的磷提取的响应特征

6．3．3 磷缺乏下根系分泌有机酸的磷提取的经济性

6．4 小结

第七章 利用根系分泌的苹果酸表征植物抗缺磷及抗干旱的方法

7．1 材料与方法

7．1．1 实验材料与培养方法

7．1．2 缺磷处理下植物根系有机酸的分离、纯化与测定方法

7．1．3 缺磷处理下叶绿素荧光的测定

7．1．4 干旱胁迫下根系分泌有机酸的收集与测定

7．1．5 干旱胁迫下抗干旱能力的表达

7．2 结果与讨论

7．2．1 磷处理下根系分泌的苹果酸与叶绿素荧光之间的相关性

7．2．2 有机酸的分泌与植物抗干旱能力的表达

7．3 小结

第八章 研究工作总结与展望

8．1 研究工作总结与结论

8．2 本研究的创新点

8．3 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文

主要参与课题