毛乌素沙地油蒿和赖草光系统Ⅱ对环境波动的适应性研究

论文摘要

干旱半干旱区植被经常受强光、高温、干旱等环境胁迫的影响,其适应环境波动的生理过程和适应机制了解有限。光系统Ⅱ叶绿素荧光参数因其对环境波动的高度敏感性,经常被视为探究植物适应环境胁迫的重要手段。本研究以宁夏盐池县毛乌素沙地南缘典型沙生植物油蒿（Artemisia ordosica）和赖草（Leymussecalinus）为研究对象,通过对2015-2016年其光系统Ⅱ叶绿素荧光参数与相关环境因子的原位连续监测与定期观测,分析两种植物光系统Ⅱ荧光特性在短期（昼夜）和长期（季节）尺度上对环境波动的响应规律,探究油蒿和赖草对波动环境的生理适应机制及差异。主要研究结果如下:（1）油蒿和赖草光系统Ⅱ荧光参数的日、季节变化特征基本一致。实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）的日变化近似“U”型,正午取得最小值;非光化学淬灭（NPQ）的日动态变化趋势与ΦPSⅡ相反,在正午取得最大值。油蒿和赖草均存在夜间热耗散,NPQ的变化范围为0-0.5。两物种最大光化学量子产量（Fv/Fm）、ΦPSⅡ与NPQ值表现为春秋低夏季高。在春夏季,部分Fv/Fm值低于健康值的下线（0.73）。（2）油蒿和赖草光系统Ⅱ对光合有效辐射（PAR）波动的适应机制:①两种植物光系统Ⅱ对PAR短期适应机制相同,通过增加热耗散和减少光系统Ⅱ反应中心开放的比例来避免高光抑制。但两物种适应机制的敏感性不同,PAR升高,油蒿的反应中心较敏感,而赖草的热耗散机制较敏感。表现为油蒿的ΦPSⅡ-PAR拟合斜率大于赖草;而赖草的NPQ-PAR拟合斜率大于油蒿。②两种植物光系统Ⅱ对PAR变化的长期适应机制差异不显著。PAR升高,两物种均通过提高热耗散避免光抑制,但油蒿进行热耗散的同时,能保持较高的光能转化效率（较高的Fv/Fm和ΦPSⅡ）,为光合过程提供能量。而赖草在高光强时容易受到的光抑制和损伤,表现为Fv/Fm降低至0.5,光合原初反应中心受损。（3）油蒿和赖草光系统Ⅱ对空气温度（Ta）波动的适应机制。①两种植物光系统Ⅱ适应Ta的短期机制相同。两种植物通过生理反应的时间滞后机制,在高温时保持较高的光能利用率来避免其光系统Ⅱ受到短期的高温胁迫。表现为在日变化上,油蒿和赖草的ΦPSⅡ和NPQ的最值与Ta的峰值均存在时间滞后效应（2-3 h）。当Ta达到日最大值时,两物种的ΦPSⅡ值较高。②两种植物光系统Ⅱ对Ta变化的长期适应机制存在差异。Ta较高时,油蒿通过较高的热耗散和光能转化效率适应高温,维持光合作用的能量供应;而赖草通过关闭光系统Ⅱ反应中心、减少热耗散和光能转化效率,适应高温。具体表现为在季节变化上,油蒿Fv/Fm值均比较稳定;而当Ta>21℃时,赖草的Fv/Fm、ΦPSⅡ和NPQ均降低,与油蒿的差异显著。表明赖草光系统Ⅱ能量转换机构的热稳定性较差,抗高温能力劣于油蒿。（4）油蒿和赖草光系统Ⅱ对土壤水分（VWC）波动的适应机制:①油蒿和赖草对VWC变化的短期适应机制相同,通过热耗散机制耗散过剩的能量,但赖草光系统Ⅱ对干旱的耐受能力较弱,因为其被动热耗散的比例较高。表现为在降雨及恢复阶段,油蒿和赖草非调节性能量耗散（ΦNO）的变化是白天高晚上低。在干旱阶段,赖ΦNO在凌晨显著升高白天降低,且Fv/Fm低于0.73。相比油蒿（Fv/Fm始终高于0.73）,赖草光系统Ⅱ更易受到干旱的胁迫。②油蒿和赖草对VWC变化的长期适应机制存在差异。油蒿通过高光能转化效率和热耗散适应土壤水分的季节变化;而赖草主要通过减少热耗散和关闭反应中心适应低或高土壤水分状况。表现为油蒿光系统Ⅱ对土壤水分的耐受能力较强,Fv/Fm相NPQ随土壤水分变化没有显著地增加或降低;而赖草有明显的水分胁迫阈值,当VWC<0.08或>0.14 m3·m-3时,Fv/Fm和NPQ均降低。总之,油蒿和赖草作为典型的沙生植物对环境波动具有良好的抗逆性。两物种光系统Ⅱ对光强、温度和土壤水分等环境波动的适应机制在短期和长期尺度上不同。两物种通过热耗散机制和时间滞后机制来适应环境因子的短期波动。长期尺度上,油嵩通过较高的光能转换效率和热耗散机制适应温度和土壤水分的波动;而赖草通过抑制光系统Ⅱ活性,减少热耗散适应环境波动,存在明显的温度和土壤水分的胁迫阈值。从两种植物光系统Ⅱ生理适应的角度,建议在生态恢复前期选择油蒿为主要固沙植被,而赖草在未来气候变化中可能会受到环境胁迫,并进一步影响油蒿和赖草群落的结构。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴雅娟

导师: 查天山

关键词: 环境波动,沙生植物,光系统,适应机制,原位监测

来源: 北京林业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 北京林业大学

基金: 国家自然科学基金项目“典型灌木光化学效率对环境波动的生理可塑性”(31270755)

分类号: Q948

DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.000059

总页数: 125

文件大小: 12069K

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