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来自 关于科技 2019-09-23 07:01 的文章
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成都生物所在桤木抗旱生理生态机制研究中获进

大熊猫被誉为“活化石”和“中国国宝”,是世界上生物多样性保护的旗舰物种,分布在四川、陕西和甘肃等省,而四川是其主要分布区,其主要食物为箭竹。箭竹作为一种浅根系植物,对水分需求较高,极易受干旱环境的影响。在干旱年份常会出现箭竹出笋少或不出笋以及竹叶脱落甚至提早开花死亡的现象。因此,一旦干旱强度大、持续时间长,将严重影响箭竹生长发育,更使国宝大熊猫面临缺食危机。此外,干旱也会显著降低土壤磷素的有效性。磷作为植物生长所需重要营养元素之一,在糖代谢、能量代谢等方面都起着重要作用,被认为是限制植物生长发育的最重要元素。因此,施磷可提高植物对干旱环境条件的适应能力。然而,在我国干旱频率和强度日益增加的今天,特别是最近几年我国西南地区屡屡发生严重的干旱灾害,造成了难以估量的损失,但有关箭竹对干旱逆境响应及调控机制的研究却鲜见报道,因而值得深入研究。

桤木(Alnus cremastogyne)属桦木科桤木属,我国特有种,分布于贵州北部、陕西南部、甘肃东南部,在四川各地普遍分布。生于海拔500-3000米的山坡或岸边的林中,在海拔1500米地带可成纯林。桤木喜光,喜水湿,多生于河滩低洼湿地,生长快,为固氮植物,是重要的造林和药用树种。在全球气候变暖的背景下,干旱胁迫对桤木的生长构成严重威胁,有研究认为桤木对干旱胁迫十分敏感,具有较低的抵抗短期干旱的潜力。然而,短期试验不能证实其对长时间干旱胁迫的充分反应。在长期的干旱压力下,植物可以发展出在短期胁迫下不同的适应策略。目前,尚缺乏较长时间的干旱如何影响桤木生长和生理代谢的知识,也无磷肥添加对桤木抗旱性影响的研究报道。因此研究桤木对长期干旱的响应机制、应对策略及保护措施对桤木的保育十分关键。

中国科学院成都生物研究所地下生态学学科组博士研究生刘成刚在研究员潘开文、副研究员王彦杰的指导下,以青川箭竹为研究材料,从物质代谢方面研究了青川箭竹碳氮代谢对不同程度干旱胁迫的响应及磷对其调控机制。研究表明:长期严重干旱胁迫下,青川箭竹叶片中淀粉酶活力增加,进而加速了淀粉的降解;青川箭竹叶片中蔗糖酶活力增加的同时,蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活力也增加,使得蔗糖含量未受干旱影响。干旱胁迫增加了青川箭竹叶片中硝酸还原酶活力,进而增加了其硝酸盐的含量,而且也激活了其谷氨酰胺合成酶 /谷氨酸合成酶循环(GS/GOGAT循环),结果促进了铵的同化;干旱胁迫下青川箭竹叶片中可溶性蛋白的水解加速,引起氨基酸的积累。短期干旱胁迫下青川箭竹叶片中膜脂过氧化与其淀粉和脯氨酸的含量以及长期干旱胁迫下青川箭竹叶片中MDA与其可溶性糖、非结构性碳水化合物和脯氨酸的含量呈显著正相关。因此,在不同的强度和持续时间的干旱胁迫下,青川箭竹不仅能不同地调节其碳氮代谢来改善渗透调节能力,也能通过其碳氮代谢过程中不同代谢物来减少膜脂过氧化。与此同时,磷添加显著增加了干旱胁迫下青川箭竹叶片的光合作用和相对生长速率,以及糖代谢过程中关键酶的活力,进而伴随着叶片中蔗糖含量的下降。然而,磷添加却减缓了干旱胁迫下青川箭竹叶片氮代谢过程中关键酶活力,进而减慢了硝酸盐的还原和铵的同化。所以,磷添加能促进干旱胁迫下青川箭竹的光合作用和蔗糖代谢,减慢其氮代谢,改变干旱胁迫下青川箭竹的相对生长率,进而减轻干旱对青川箭竹的伤害。

中国科学院成都生物研究所来自巴基斯坦的博士研究生Akash Tariq在博士生导师潘开文的指导下,研究了外源磷添加调控桤木抗氧化和渗透调节作用,进而缓解干旱胁迫的作用机制。研究表明,干旱胁迫严重影响了桤木的生长和代谢,表现为:根茎叶生物量、叶面积、基径、株高、净光合速率、叶片相对含水量、光合色素含量及抗氧化作用降低,脂质过氧化水平上升。然而,叶面积的降低和渗透调节物质含量的增加是桤木避旱性和耐受策略的表现。磷添加显著增加干旱胁迫下桤木幼苗的叶片相对含水量和净光合速率,提高抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性,积累渗透调节物质和可溶性蛋白,降低脂质过氧化水平。但是,磷添加对无干旱处理下的桤木幼苗生长几乎无影响。

该系列研究结果不仅对提高箭竹的抗旱性、产量及品质具有指导意义,也可为大熊猫栖息地保护和林竹生产实践提供理论依据。该研究得到国家自然科学基金的资助,相关结果发表在TreesPlant Physiology and Biochemistry等刊物上。

该研究显示,桤木对干旱胁迫十分敏感,磷添加可以缓解干旱胁迫的负面影响。但是,磷添加不是通过改变桤木的形态特征和水分的有效性来增强其抗旱性的,而是通过改善桤木生理生化代谢(如抗氧化和渗透潜能)水平来提高桤木的抗旱性。结果表明,在应对未来持续增加的干旱胁迫下,合理施用磷肥能够增强桤木幼苗的抗旱性,对维持其生长发育至关重要。研究结果对桤木苗木培育和管理具有十分重要的指导意义。

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该研究获得国家重点研发计划(Grant Nos. 2016YFC0502101,2015BAD07B050304)、国家自然科学基金(Grant Nos. 31370632,31500517)和CAS-TWAS的资助。近日以Phosphorous fertilization alleviates drought effects on Alnus cremastogyne by regulating its antioxidant and osmotic potential 为题在线发表于国际期刊《科学报告》(Scientific Reports,。

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论文链接

成都生物所揭示大熊猫主食箭竹碳氮代谢对干旱胁迫的响应机制

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桤木人工林

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桤木果实

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桤木幼苗

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磷添加降低了干旱对桤木的氧化伤害

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