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西南岩溶地区典型植物适应岩溶高钙环境的机制

吴耿  
【摘要】:岩溶生态系统是受岩溶环境制约的生态系统。岩溶环境中的可溶岩高钙、偏碱性、土壤贫瘠、双层结构、水源漏失等特殊条件造成岩溶适生植物石生、旱生、喜钙的生态特征。研究岩溶环境典型适生植物的适应性,对丰富植物对环境的响应与适应这一科学问题的认识,以及推进岩溶地区的生态治理,特别是石漠化的治理具有重要意义。本文通过野外观测和室内栽培实验相结合的方式来研究生长在西南岩溶地区中的华南忍冬及相关岩溶适生植物来探讨其对环境的适应机制,并深入研究了华南忍冬对岩溶高钙环境适应机制,获得了以下研究结果: 1)利用微波消解结合原子吸收分光光度法对岩溶地区忍冬属植物忍冬(Lonicera japonica Thunb)和华南忍冬(Lonicera confusa)不同发育阶段的叶片中金属元素含量的变化规律进行了研究。结果表明,处于相同岩溶环境下的忍冬和华南忍冬叶片中Ca、Mg含量均较高,但同种元素在两种植物叶片中的差异较大,反映了二者对元素的选择性吸收差异;叶片发育程度不同,叶片中吸收聚集的金属元素含量也不同。整个发育过程中,叶片内各金属元素总体呈上升的趋势。 2)利用光学显微镜对常规石蜡切片法处理的生长于广西弄拉适生药材的解剖结构进行观察,并利用扫描电镜技术对四种灌木叶片表皮形态进行研究。结果表明:忍冬、华南忍冬、黄花草(Solidago decurrens Lour)下表皮均分布浓密的表皮毛,忍冬上表面中脉有少量表皮毛,黄花草上表皮分布有稀疏的星状表皮毛,忍冬、华南忍冬和黄花草的气孔位于下表皮毛间隙,这种结构可反射阳光和阻止水分蒸发,从而适应强光和水分不足的环境;瓜子金(Polygala japonica Houtt)叶片为肉质叶,上下表面均有气孔分布,并出现明显的下陷,气孔主要分布在叶片表面凹陷处,这种局部微环境有利于水分的保持;四种植物叶片表面均出现表皮细胞外壁加厚或角质化,这种结构有利于减少水分蒸腾。 3)利用环境扫描电镜技术、能谱分析技术、激光共聚焦显微镜技术和透射电镜技术研究华南忍冬对高钙环境的适应性,结果表明华南忍冬具有多种方式适应高钙环境,如,气孔排钙:华南忍冬叶片可将多于生理需求的钙通过叶片背面的气孔排出体外,这种现象在植物中首次发现;腺体储钙:通过对叶片背轴面的腺体进行能谱分析和激光共聚焦显微镜标记Ca~(2+)探针观察,表明腺体具有储存钙的重要功能;表皮毛储钙:一部分钙可以存储在华南忍冬丰富的表皮毛下部分,并随着叶片发育过程积累,这是华南忍冬适应高钙环境的另一种方式;胞间及细胞壁储钙:高钙环境下栽培的华南忍冬叶片的在发育过程中组织内部的Ca~(2+)出现了积累,而在成熟叶片中Ca~(2+)分布于细胞内壁和细胞间,这也是对高钙环境的一种响应方式。 4)生长于岩溶高钙环境下华南忍冬叶片表面不同晶型的钙盐是由气孔排出后形成;钙盐分泌出组织后,自组装成多种形态的晶体,如晶沙、球晶以及棱晶;晶体中除了含有大量的钙之外,还有一定含量的硫及其他元素,推测晶体的成核物质可能是由含硫氨基酸构成的蛋白质,这为相关钙盐的仿生矿化研究提供了一定的启示;同时也证明能谱分析技术能有效应用于植物表面的微区分析及植物分泌物的物质基础测定。 5)利用光合作用系统和蛋白质组学技术对不同钙供应水平下的华南忍冬的光合作用特征及其蛋白质组学变化进行对比研究,结果表明:石灰土栽培条件下的华南忍冬具有相对较高的净光合速率和较低的气孔导度;华南忍冬光合作用属于非气孔限制类型;石灰土栽培条件下华南忍冬叶片中的RuBisCO的含量显著高于沙土栽培材料,可以从侧面证实石灰土栽培条件下华南忍冬具有较高的净光合速率。 6)华南忍冬钙调蛋白的基因序列长度为450bp,由148个氨基酸组成,经预测表明其分子量大小为16847.67Da,等电点约为4.11。同源性分析表明,华南忍冬钙调蛋白与忍冬相似性为100%。蛋白质结构预测结果表明,华南忍冬钙调蛋白无跨膜区,主要定位在细胞质基质中,具有典型的EF-手性结构,含有四个Ca~(2+)结合位点,且蛋白质三级结构稳定。


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