蒿叶猪毛菜光合碳同化途径的适应性进化研究

摘要

全球气候变化加剧了干旱地区自然植被的退化，间接引起土地的裸露与沙化，选择具有较强抗旱性的植物来提高植被覆盖度是当前遏制土地沙化的有效策略。国内外通过对植物抗旱性的研究（涵盖植物形态、生理和分子层面）筛选抗性植物，但多以揭示适应水分亏缺的代谢特征为主，不能从本质上阐明植物抗旱的机理。在干旱驱动下植物光合途径由C3向C4进化过程中，同化器官解剖结构特征、光合关键酶活性及其分布和表达以及光合速率、稳定碳同位素分馏值等指标发生相应的变化。因此从光合途径转变的角度切入植物抗旱机理的研究成为一个理论创新突破口。
　　为了深入研究旱生C3植物发展C4途径适应干旱的机理，我们选取广泛分布在我国西北各大荒漠区藜科猪毛菜属中沿自然干旱区分布的三个试验点的C3种蒿叶猪毛菜作为研究对象，以C3-C4种松叶猪毛菜和C4种木本猪毛菜为对照，通过分子层面的光合关键酶及其基因的表达水平分析、结构层面的蒿叶猪毛菜同化器官解剖结构观察、生理层面的光合关键酶活性测定和气体交换参数的测定，以及生态层面对稳定碳同位素δ13C值等固碳效率的研究证实蒿叶猪毛菜通过光合途径的转变来应对干旱加剧的环境，为揭示C3植物通过发展C4途径提高干旱适应性，达到在荒漠区存活和扩张的目的提供试验依据。
　　论文主要研究结果如下:
　　(1)通过对光合关键酶基因进行荧光定量PCR分析，显示3个试验点的蒿叶猪毛菜pepc和rbcL的表达量随干旱加剧而升高，且pepc的升高极显著(P＜0.001)，尽管低于C3-C4中间种松叶猪毛菜及C4种木本猪毛菜pepc和rbcL的表达量;Western blotting结果显示蒿叶猪毛菜光合关键酶PEPC和Rubisco的表达量随干旱加剧逐渐增加，且PEPC表达量增加极显著(P＜0.001);NAD-ME表达下调;PEPCK表达量变化不显著(P＞0.05);NADP-ME没有在蒿叶猪毛菜中检测到表达量。
　　(2)对3个试验点蒿叶猪毛菜叶片表皮结构观察发现随干旱加剧表皮细胞特化为表皮毛的程度及密度变大，气孔密度增加，开度减小，表皮蜡质更加丰富;对叶片的解剖结构观察发现:随干旱加剧，叶脉密度显著增加(P＜0.001)，贮水组织面积变大;散在的小维管束数目增多，维管束及维管束鞘细胞面积变大，鞘细胞与叶肉细胞的面积之比逐渐增大;维管束鞘细胞中叶绿体和线粒体与维管束鞘细胞的面积之比提高。说明蒿叶猪毛菜正在逐渐发展并完善与C4途径相适应的结构特征。
　　(3)通过测定气体交换参数及观察光合产物发现:3个随干旱加剧试验点的蒿叶猪毛菜净光合速率逐渐增大，胞间CO2浓度减小，水分利用效率逐渐增大;维管束鞘细胞中淀粉粒数目逐渐增多。说明C3植物蒿叶猪毛菜通过发展C4途径在愈加干旱环境下光合固碳功能加强。
　　(4)通过测定稳定碳同位素δ13C值发现:木本猪毛菜是典型的C4植物(δ13C值为-10.29％)，蒿叶猪毛菜随干旱加剧向C4植物的δ13C值愈加靠近(P＜0.001)，这也是蒿叶猪毛菜通过发展C4光合途径进而提高长期水分利用效率的一个印证。
　　综合上述研究结果得出结论:C3植物蒿叶猪毛菜通过提高C4光合关键酶及其基因的表达，发展并逐步完善与C4途径相适应的结构特征，利用C4途径进行高效碳积累是其在干旱加剧环境中的重要生存机制之一。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 光合碳同化途径研究进展

1．1．1 光合碳同化途径类型

1．1．2 光合碳同化途径的转变

1．2 猪毛菜属植物研究进展

1．2．1 猪毛菜属植物的地理分布

1．2．2 猪毛菜属植物形态特征研究

1．2．3 猪毛菜属植物解剖结构特征

1．2．4 猪毛菜属植物生理特征研究

1．2．5 猪毛菜属植物分子水平研究

1．3 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2．1 试验材料

2．1．1 植物材料

2．1．2 试验试剂配方

2．1．3 试验试剂及仪器

2．2 试验方法

2．2．1 实时荧光定量PCR

2．2．2 光合酶蛋白表达量测定

2．2．3 扫描电子显微镜制样及观察流程

2．2．4 叶脉的观察

2．2．5 徒手切片的制作与观察

2．2．6 叶片解剖结构观察

2．2．7 叶片超微结构观察

2．2．8 叶片光合产物淀粉粒的观察

2．2．9 光合酶蛋白活性测定

2．2．10 气体交换参数的测定

2．2．11 δ13C值的测定

2．2．12 统计与分析方法

3 结果与分析

3．1 光合关键酶基因及蛋白表达分析

3．1．1 光合关键酶基因相对表达量分析

3．1．2 光合关键酶蛋白相对含量分析

3．2 与C4途径相适应的结构特征分析

3．2．1 表皮特征分析

3．2．2 叶脉形态分析

3．2．3 叶片解剖结构分析

3．2．4 叶片维管束鞘细胞内含物分析

3．3 光合途径相关生理生化分析

3．3．1 光合关键酶活性分析

3．3．2 气体交换参数分析

3．4 高效固碳相关指标分析

3．4．1 维管束鞘细胞淀粉粒的观察

3．4．2 稳定碳同位素δ13C值分析

4 讨论

4．1 光合酶及其基因的表达量与干旱的关系

4．2 干旱驱动与C4途径相适应的结构特征发生变化

4．3 光合生理生化特征随干旱加剧发生的变化

4．4 光合碳同化下游相关指标与干旱的关系

5 结论与展望

5．1 研究结论

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

主要缩略词和中英文对照表

致谢

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