鹽芥重要生長發育期的生理生態機制研究.pdf

1、鹽生植物在其整個生長發育內會面臨許多外界環境變化，如：土壤鹽度和季節更替帶來的光照、溫度和水分的變化。鹽生植物能否在重要生長發育期（如：種子萌發和開花繁殖期）適應這些外部環境的變化，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育期對外界環境的生理生態適應性及機制進行研究，旨在探究鹽芥在重要生長發育對外界環境的適應機制，為闡明其分布和生存機理提供依據。主要研究結果如下：
　　在鹽脅迫條件下種子能否萌發及高鹽條

2、件不能萌發的種子在足夠降雨后能否萌發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驗，用不同濃度鹽脅迫對鹽芥種子進行處理，探討鹽芥種子萌發期和幼苗生長期的耐鹽機制。實驗采用培養皿法，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情況，萌發的幼苗7天后測定生理指標。結果表明，NaCl處理對鹽芥和擬

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

4、、26%和0%。當NaCl濃度超過200 mmol/L，鹽芥和擬南芥種子的萌發率均為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出較好的萌發，與對照相比，在200、300、400、500 mmol L-1 NaCl脅迫下鹽芥種子萌發恢復率分別為105%、104%、106%和99%，但擬南芥在相同濃度的NaCl脅迫下種子萌發恢復率分別為94%、84%、82%、54%?？梢婝}脅迫促進了鹽芥種子在鹽脅迫解除后的萌

5、發能力，而擬南芥在高鹽脅迫下，種子萌發恢復率低說明發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。這些結果表明：鹽芥在種子萌發和幼苗生長期對鹽脅迫表現出了較強的適應機制，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，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并開花結果。但是，對于鹽芥春化作用所需天數及個體發育階段及光周期誘導參數了解很少，這極大地限制了對鹽芥耐逆分子機理的研究。本實驗對山東生態型鹽芥種子春化和光周期進行了系統研究，旨在縮短鹽芥春化和開花的時間，獲得實驗室條件完成生活史的最短時間，以方便對鹽芥耐逆機理的研究。種子春化采用培養皿恒定4℃冰箱處理法，將準備好的鹽芥種子，在實驗室充分吸水后，置于4℃冰箱中，使種子春

7、化的時間分別為：0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30天，處理結束后，將春化后的種子置于擬南芥培養箱中培養觀察種子萌發情況，7天后將萌發幼苗移栽于盆中培養觀察其開花情況。結果表明，鹽芥種子春化促進了鹽芥種子的萌發，隨著種子春化時間的延長，鹽芥種子萌發率逐漸升高，種子春化30天，鹽芥種子萌發率為90%。萌發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

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

9、LC（開花抑制基因）的表達有關。鹽芥種子未經春化，ThFLC的表達量為100%，隨著種子春化時間的延長，鹽芥相應植株內ThFLC的表達量逐漸減少，當鹽芥種子春化30天時，ThFLC的表達量為24.3%。經過30天種子春化處理的鹽芥植株在擬南芥培養箱的恒定溫度、濕度和光照下，分別進行7、8、9、10、11、12、13、14小時的光照長度處理，結果表明：經過種子春化的鹽芥鹽芥種子經過30天春化長出植株在光周期為9到14小時，能夠開花。如果光

10、周期小于8小時，鹽芥則不開花。隨著光周期的延長，鹽芥開花的時間縮短，開花數量和單株干鮮重增加。在14小時的光周期下，鹽芥植株開花數量和單株干鮮重達到最大值。這些結果表明鹽芥為典型的長日照植物，至少需要9小時的光周期才能開花。這些結果極大地方便了人們對鹽芥分子機理的研究。其次，這些結果還表明鹽芥對春化和對光周期的要求，與其對生存環境的適應有關。
　　山東生態型鹽芥在黃河三角洲鹽堿地在秋天萌發，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。這個季節正是降雨少、溫度回升快及返鹽高峰期。鹽芥為什么在這一時期完成其生活史，其生理生態機理是什么？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的離子含量和某些生理生態指標變化的研究，揭示鹽芥耐鹽的生理生態基礎。結果表明，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，與土壤水分含量呈負相關。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。鹽芥植株內這些離子的累積與其生長發育階段有很大關系，離子的累積也有利于其進行滲透調節作用。在生長發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物質。鹽芥的生理生態指標變化表明，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，鹽芥表現出一定的受害癥狀， MDA累積，葉綠素含量低，但是其植株內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，起到一定的滲透調節和保護作用。這些結果表明，鹽芥植株組織中可溶性物質含量與春天溫度有關，是其適應低溫和高鹽的機制之一。
　　人們對鹽芥耐鹽性進行了深入研究，可以在200 mmolL-1NaCl處理條件完成生活史，其耐鹽機理主要是把過多的鹽區域化到液泡中，這種特性與重金屬超

14、富集植物有類似的機理，而黃河三角洲土壤近年來重金屬污染日趨嚴重，作為自然生長該地區鹽堿地的植物是否具有重金屬超富集特性及耐重金屬機理值得研究，這些結果對于利用鹽芥對遭受重金屬污染的鹽堿地進行修復具有重要意義。我們通過盆栽試驗，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特性。結果表明，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污染土壤的修復具有一定的潛力，但不適宜用于Cu和Pb污染土壤的修復。

16、
　　本論文主要創新點：
　　1.通過與擬南芥的比較研究發現，雖然鹽芥種子萌發受到高濃度鹽的強烈抑制，但能夠在鹽脅迫緩解時迅速且整齊萌發，甚至超過無鹽脅迫時的萌發率。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，表現出良好的生長勢。這些結果表明鹽芥在種子萌發和幼苗生長期比擬南芥表現出較好的對鹽的適應性。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。研究結果表明種子春化促進了鹽芥種子的萌發，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，一直處于營養生長階段，種子春化22-40天，鹽芥開花率可達100%。種子春化縮短了植株的開花時間，降低了開花抑制基因ThFLC的表達。山東生態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。山東生態型鹽芥種子經過充分的春化后，只有在光照時間大于9小時

18、的光周期下才能開花。而且隨著光照時間的延長，鹽芥開花數目增加，植株干重增大，開花時間縮短。當光周期為14小時，鹽芥植株的干重和開花數達到最大值，開花時間最短。這些結果表明鹽芥為典型的長日照植物，其臨界日長為9小時。鹽芥對春化和對光周期的要求，與其對生存環境的適應有關。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理的研究。
　　3.自然生境下鹽芥植株內離子含量、可溶性有機物、MDA和葉綠素含量的變化與生長階段、土壤中的

19、離子含量、降水量等外界環境變化有關。通過對鹽芥生理生態的季節性研究結果表明：對鹽芥生理生態起主要作用的是植物本身的生長發育階段，其次是環境溫度及土壤鹽度等環境因子。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的適應來得以生存并形成群落。
　　4.在土壤Cd、Cu和Pb污染環境下，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