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研究意大利苍耳对干旱的形态及生理响应的影响
发布时间:2019-05-15

 摘要

  本研究以入侵植物意大利苍耳(Xanthium italicum)为试验材料,采用 PEG-6000模拟干旱法研究意大利苍耳种子对干旱胁迫(5%、10%、15%、20%、25%)的萌发特性、幼苗生长以及生理响应;采用盆栽控水法,设置四个水分梯度,分别为正常供水(田间持水量的 85%-80%)、轻度干旱(70%-65%)、中度干旱(50%-55%)、重度干旱(40%-35%),对其不同生长时期的生理生化指标、光合生理指标、叶绿素荧光指标以及生长指标进行测定,研究意大利苍耳对干旱的形态及生理响应,旨为入侵植物入侵机理的研究提供科学依据。研究的主要结果如下:

  1.意大利苍耳种子萌发对 PEG 胁迫响应与胁迫程度有关。随 PEG 胁迫浓度增加,意大利苍耳种子萌发和幼苗生长受到显着抑制,其中下胚轴对 PEG 胁迫的反应最敏感;复萌试验表明意大利苍耳种子对 PEG 胁迫具有较强的抵抗性。在意大利苍耳幼苗受到 PEG 胁迫时,子叶、下胚轴和初生根均会启动渗透调节物质来维持膜系统的渗透压,但启动的抗氧化酶活性不相同,这也导致了其受伤害程度的不同。

  2.意大利苍耳对干旱胁迫的生理响应与干旱胁迫程度及干旱胁迫持续时间有关。不同生长时期,随干旱胁迫加重,意大利苍耳膜系统受到伤害程度不同,其中营养期中度干旱 MDA 含量显着高于 CK,而重度干旱 MDA 含量则相对降低,意大利苍耳主要是通过积累大量可溶性蛋白和游离脯氨酸来调节细胞渗透压,抵御干旱;但启动的抗氧化酶活性机制各不同。随生长期的延长,不同干旱胁迫下,膜系统受伤害程度不同,繁殖期最为严重。意大利苍耳主要通过维持较高的游离脯氨酸含量和 POD 活性来维持膜系统渗透压平衡和分解有毒物质,抵御伤害,且随干旱胁迫加重,抵抗性越强。

  3.不同生长时期,意大利苍耳对干旱胁迫光合响应不同。营养期,各个处理下叶绿素含量、光合指标、Fo、Fm、Fv/Fm、Fv 以及 Fv/Fo 均无明显变化,中度和重度处理下 Yiled、ETR 和 qP 显着高于 CK,说明营养期干旱胁迫下意大利苍耳叶绿体结构未受到破坏,且电子传递增强,能够保持一定的光合能力;繁殖期,随干旱胁迫加重,意大利苍耳 Chla 含量、Chlb 含量、Chl(a+b)含量、Pn、WUE和 Ls 均呈逐渐上升趋势,重度干旱下 Chla 含量、Chlb 含量、Pn、WUE 和 Ls 均显着高于 CK,Chla/Chlb 和荧光指标无明显变化,说明繁殖期干旱胁迫下意大利苍耳叶绿素结构未受到破坏,并且其含量升高,导致光合能力也逐渐增强,表明意大利苍耳对干旱胁迫具有一定的抵抗能力。随生长期的延长,各个干旱下意大利苍耳叶绿素含量、Fo、Fm 和 Fv 无明显变化,重度处理下 Pn 显着高于营养期,Yiled、ETR 和 qN 显着降低,表明重度干旱下意大利苍耳具有一定自我保护能力,能够维持较高的光合能力,来抵抗干旱胁迫。

  4.意大利苍耳在繁殖期对干旱胁迫在营养构件水平上具有一定的形态可塑性和生物量分配策略。随干旱胁迫加重,意大利苍耳茎、叶和根构件数量特征均显着下降。但其各自的生物量分配、比叶面积以及根冠比无明显变化,且重度处理下意大利苍耳未出现任何死亡和叶子变黄等现象,说明在干旱胁迫下意大利苍耳能够正常进行生长发育,具有一定的抵御干旱的能力。

  综上所述,意大利苍耳种子萌发对 PEG 胁迫较为敏感,幼苗生长受到一定的限制,但意大利苍耳植株在生长过程中,主要通过启动渗透调节物质和抗氧化酶活性以及增强光合能力,来抵抗干旱胁迫对其造成的影响,在干旱地区也能很好的适应生长和扩散。

  关键词:意大利苍耳,干旱胁迫,种子萌发,生理指标,光合指标,形态指标

意大利苍耳

Abstract

  In this study, an invasive plant, Xanthium italicum, was used as a test material,using PEG-6000 simulated drought method to study the germination characteristics,seedling growth and physiological response of Xanthium italicum seeds to droughtstress (5%, 10%, 15%, 20%, 25%); Then, using potted water-control, set four moisturegradients, the normal water supply (85%-80% of water holding capacity in field), milddrought (70%-65%), moderate drought (50%-55%) and severe drought (40%-35%)were measured for physiological index, photosynthetic index, chlorophyll fluorescenceindex and growth index in different growth periods, to study the morphological andphysiological responses of the drought in Xanthium italicum, the aim is to providescientific basis for the study of invasive plant invasion mechanism. The main results ofthe study are as follows:

  1. The seed germination of Xanthium italicum was related to the degree of stressresponse to PEG stress. With the increasing concentration of PEG stress, thegermination and seedling growth of Xanthium italicum seeds were inhibitedsignificantly, and the hypocotyl was the most sensitive to PEG stress. Resurgence testshowed that Xanthium italicum seeds have strong resistance to PEG stress. When theseed of Xanthium italicum was under PEG stress, the cotyledons, hypocotyl and primaryroots all start osmotic regulators to maintain osmotic pressure in the membrane system,but the activation of antioxidant enzymes is not the same, which also leads to thedifferent injury degree.

  2. The physiological response of Xanthium italicum to drought stress is related tothe degree of drought stress and the duration of drought stress. In different growthperiods, with the increase of drought stress, the damage degree of Xanthium italicummembrane system is different, among which the content of MDA in the nutrient periodis significantly higher than CK, while the MDA content of severe drought is relativelylower, Xanthium italicum mainly through the accumulation of a large number of solubleprotein and free proline to regulate cell osmotic pressure, to resist drought; But the activation mechanism of antioxidant enzymes is different. With the increase of thegrowth periods, the damage degree of membrane system was different under differentdrought stress, and the reproductive period was the most serious. Xanthium italicummainly maintains high free proline content and POD activity to maintain the membranesystem osmotic pressure balance and decomposition of toxic substances, to resistdamage, and increase with the drought stress, the stronger resistance.

  3. In different growth periods, the photosynthetic response of Xanthium italicum todrought stress is different. During the nutrition period, there was no significant changein chlorophyll content, photosynthetic index, Fo、Fm、Fv/Fm、Fv and Fv/Fo undervarious treatments, and Yiled、ETR and qP were significantly higher than CK undermoderate and severe treatment, indicating that the chloroplast structure of Xanthiumitalicum was not destroyed under drought stress during the nutrient period, and theelectron transfer was enhanced. Able to maintain a certain photosynthetic ability, breeding period, with the increase of drought stress, the Chla content, Chlb content, Chl(a+b)content, Pn、WUE and Ls of Xanthium italicum all showed a gradual upwardtrend, under severe drought Chla content, Chlb content, Pn 、 WUE and Ls weresignificantly higher than CK, There was no significant change in Chla/Chlb andfluorescence index, which indicated that the chlorophyll structure of Xanthium italicumwas not destroyed under drought stress during breeding period, and its content increased, which led to the gradual enhancement of photosynthetic ability, which showed that ofXanthium italicum had certain resistance to drought stress. With the prolongation of thegrowing period, there was no significant change in chlorophyll content, Fo、Fm and Fvof Xanthium italicum under various droughts, the Pn was significantly higher than thatof nutrition during severe treatment, and Yiled、ETR and qN significantly decreased, indicating that Xanthium italicum had certain self-protection ability and could maintainhigh photosynthetic ability under severe drought to resist drought stress.

  4. During the breeding period, Xanthium italicum has certain morphologicalplasticity and biomass distribution strategies in the level of nutritional components todrought stress. With the aggravation of drought stress, the number of stem, leaf and rootcomponents of Xanthium italicum was significantly decreased, inhibiting the growth ofXanthium italicum, and the most significant inhibition under severe drought. However, the distribution of biomass, SLA and the root/shoot ratio did not change significantly, and no death and yellowing of leaves were found in Xanthium italicum under severe treatment, indicating that under drought stress, Xanthium italicum can develop normally, and has certain ability to resist drought.

  To sum up, the seed germination of Xanthium italicum is sensitive to PEG stress, seedling growth is limited, but in the growth process, Xanthium italicum mainly throughthe initiation of osmotic regulation of substances and antioxidant enzyme activity andenhance photosynthetic capacity, to resist the impact of drought stress on it, it can alsobe well adapted to growth and diffusion in arid areas.

  Keywords: Xanthium italicum, drought stress, seed germination, physiologicalindex, photosynthetic index, morphological index

目录

  第1章引言

  1.1国内外入侵植物研究进展

  早在19世纪关于生物入侵的研究开始萌芽,但当时并未得到重视,直到1958年英国学者CharlesElton在其着作《TheEcologyofInvasionsbyAnimalsandPlants》中将“生物入侵”进行定义,引起许多学者关注[1]。2002年我国学者万方浩等人对其定义进行更全面的诠释,即生物入侵指的是某种生物通过自然或是人为的方式,由原产地入侵到另一个新生境下,并对当地的物种、生产以及人类健康造成严重伤害以及经济上的大量损失的过程[2]。对此,我们必须明白何为外来种?何又为入侵种?顾名思义,外来种是与本地种相对而言的,所以外来种指的是出现在其(过去或现在的)自然分布范围及扩散潜力以外的物种、亚种或以下的分类单元,包括其所有可能存活、继而繁殖的部分、配子或繁殖体[3]。然而并非所有的外来种都是入侵种,某些物种在达到一个新生境后,能够进行持续繁殖并建立种群,但并未进行大范围的扩散,也未对当地群落造成明显的变化,即未造成入侵和伤害,我们将其称之为归化种,而只有那些对当地生态系统、经济和人类身体健康造成危害的物种才称之为入侵种[4]。其中入侵种主要由植物、动物和微生物三大种类所构成,外来植物造成的入侵就称之为植物入侵,而该类型的植物,我们就称之为入侵植物。

  1.1.1入侵植物入侵机理的研究进展

  研究表明,一种植物能够成功入侵,不仅与其自身的生物学特性(形态、生理、遗传等)有关,还与其入侵环境的生物和一些非生物的因素相关[5-6]。随着人们全球植物入侵的严重性,对其入侵机理的研究势在必行,近50年来,关于入侵植物的研究主要包涵入侵植物的生物生态学特性、入侵机制和本地生态系统的可入侵性三方面,对此提出了一些相关的假说,主要集中表现为这三个方面的内容[7]。一是关于入侵植物自身生物特性,二是关于入侵植物与当地植物之间的相互作用,三是关于新生境的可入侵性,对此,科学家们在研究过程中提出了几十种假说,某种程度上较好的解释了入侵植物在入侵过程中所表现的入侵机理[8-10]。

  (一)关于入侵植物自身生物特性关于入侵植物自身内在优势的研究,国外开展较早,也较为成熟。早在1859年,Darwin在其着作《物种起源》中就曾谈到植物入侵历史是其内在优势的是一种体现[11];1974年Baker在关于入侵植物为何能够成功入侵的原因研究中,提出了“理想杂草特征”假说,认为入侵植物自身的内在优势性状及其组合能够直接决定了此种植物在群落中的具体的覆盖度以及扩散范围[12];2000年Sax和Brown则着重强调了某些入侵种在其原产地就为优势种,具有一定的优势性状[13];2007年Hufbauer和Torchin通过将入侵种与本地种二者进行相对比,发现与入侵环境的本地种相比,入侵种具有一些特定的内在优势特征,能够使其在环境适应、资源获取和种群扩张等各方面具有更好的体现和竞争优势,进而能够成功入侵,此即“内禀优势假说”[14]。对此,2004年美国学者Sutherland在研究近两万种植物的10种生活史特征发现,与本地植物相比,入侵植物更多表现为多年生、自交不亲和或是雌雄同株[15]。研究喜旱莲子草(Alternantheraphiloxeroides)、薇甘菊(Mikaniamicrantha)和圆形南蛇藤(Celastruskusanoi)等一些入侵植物发现,均具有较为宽广的生态幅优势[16-18]。Thompson研究大米草(Spartinaanglica)发现,它自身具有较强的耐受性,能够在海水或是低洼的海湾中成功建立种群,并且在滩涂中进行快速的扩散[19]。

  同时还有许多研究表明,入侵植物比本地植物具有更更高的资源利用效率,能够高效地利用光照,获得的最大的光合效率[20],这样相对较强的光捕获能力和较低的生物量建成成本能够使得入侵植物快速生长繁殖,并更快的占据一定的生存空间和资源[21],对此,宋莉英在研究薇甘菊、三裂叶蟛蜞菊(Wedeliatrilobata)和五爪金龙(Ipomoeacairica)三种入侵植物中都得到了验证[22]。在研究入侵植物内禀优势特征过程中,人们注意到为什么一些同源种系内某些种能够成功入侵,而其他则不行,研究证明发现这与入侵种自身的遗传学特征有一定的联系[23]。1991年Husband和Barrett研究发现,在植物入侵的第一阶段,入侵植物会因奠基者效应使其繁殖、生长以及传粉等收到抑制,出现遗传漂变的现象,致使植物种群内的遗传变异相对降低,而种群间的遗传分化则相对升高[24]。而在入侵植物建群结束后,其遗传多样性能够有利于对各种环境的适应。研究还表明入侵植物与当地植物相比,其遗传组成和结构上都会出现显着的差异,从而进行一系列的适应性进化[25]。Lavergne和Molofsky研究表明,具有较高遗传多样性的入侵植物,能够合成更多较强入侵力的新基因型[26],但Xu等人研究表明,某些入侵植物的遗传多样性相对较低[27],即遗传多样性与入侵力二者没有直接的关系。我国对入侵植物研究中所利用的分子标记技术取得较好的成果:段惠和黄文坤等人利用AFLP技术对紫茎泽兰(Eupatoriumadenophora)研究发现其具有较高的遗传多样性[28-29]。之后SSR和ISSR技术的出现,为入侵植物的入侵机理研究提供了更便利的方法和突破性进展。李钧敏和Ye先后对薇甘菊和飞机草(Eupatoriumodoratum)利用ISSR技术研究发现,分别具有相对较高和较低对的遗传多样性[30-31],更加证明了这与其入侵力并未有必然的联系。

  (二)关于入侵植物与当地植物之间的相互作用在此方面研究中,具有代表性的有Darwin曾提出的“天敌解脱假说”,但当时只是单纯用于解释入侵种达到一个新生境后会广泛分布,甚至多于原产地的这一现象[11];之后,许多学者对此理论进行了完善和扩充,在2002年Keane和Crawley将此假说进行了较为全面的定义,即当入侵植物达到一个新生境中后,脱离了原产地一些天敌的自然控制作用,且本地植物的专性天敌也未出现任何寄主转移现象,以此同时,入侵地的一些光谱天敌对本地植物的影响明显高于入侵种,继而出现竞争释放,最终导致入侵植物的分布范围越来越大[32]。其中德国学者Ebeling等人对大叶醉鱼草(Buddlejadavidii)的研究[33],和我国学者Wang和Qing等人对互花米草(Spartinaalterniflora)的研究均能够很好地验证此项假说[34-35]。此外,2009年我国研究学者冯玉龙曾提出了“氮分配进化假说”,取得突破性进展,表明了入侵植物再无天敌情况下,会将其氮多分配与光合作用,从而致使外来入侵植物的光合效率显着高于本地种,最终造成入侵植物的疯长[36],之后在飞机草的研究中也得到了验证[37]。2000年开始美国蒙大拿大学Callaway教授带领其研究学者对铺散矢车菊(Centaureadifusa)进行对比研究,发现化感作用的存在,从而在此基础上,提出了“新武器假说”,表明了入侵植物能够分泌一些化学物质,对入侵地的植物动物或是微生物等造成抑制作用,阻碍其正常生长[38]。除了对矢车菊的研究之外,Bais等人从斑点矢车菊(Centaureamaculosa)的根系中也分离出化感物质,并再对其分子机理也进行了研究[39-40]。研究发现,菊科中的许多入侵杂草都能够对本地植物造成严重的化感作用,其中紫茎泽兰就是一种具有代表性植物,早在1981年Tripathi等人就对其进行了研究,并发现其根部会分泌一些化感物质,抑制周围植物的生长,目前已经分离出其化感物质,主要为9-羰基-10,11-去氢泽兰酮[41],这也是造成大范围动物呼吸和消化系统疾病的主要原因[42]。研究马樱丹(Lantanacamara)和胜红蓟(Ageratumconyzoides)也发现其不仅能够对本地植物造成化感作用,还能对哺乳动物造成毒害作用,还能抑制昆虫的取食和繁殖等行为[43-44]。通过此种行为,入侵植物就能在新生境中占据一定的竞争优势,从而达到成功定殖、建群并扩张的目的。

  (三)关于新生境的可入侵性Darwin曾提出了“物种多样性阻抗假说”,认为物种多样性与植物入侵力呈负相关,也就说,物种多样性较低的生态系统往往容易被入侵种成功入侵[11]。之后Elton进一步完善并提出了“空余生态位假说”,认为入侵植物能够成功入侵的主要原因是其正好占据了入侵地的空余生态位,但这一假说主要适用于植物入侵过程中的传入阶段。与之相关的还有“生态系统干扰假说”,此项假说最早是由Baker所提出的,认为在自然或是人为的干扰下,本地生态系统中会出现很多本地植物无法适应被干扰后的新生境,从而导致种群数量减少甚至是灭绝,而与此同时,某些外来种就能很好的适应环境的变化而成功入侵。与前一种假说相同,此项假说主要关注于入侵过程的早期阶段。随着研究的深入,学者们发现新生境的可利用资源是入侵成功是否的重点,直到2000年Davis提出了“资源机遇假说”,认为入侵地具备了一些入侵种所必需的资源(水分、光照、营养等),且基本上不被当地种所利用,若是此种情况下就能成功造成入侵[45]。而且此项假说也是主要针对入侵植物所提出的。李博等人对互花米草入侵机制进行研究,发现除了其自身的内禀优势特征之外,更重要的原因是其入侵生态系统中的本地种相对单一,并出现了较为频繁的人为干扰和生境变化,从而互花米草能够较为顺利的成功定殖和扩张[46]。在最初凤眼莲(Eichhorniacrassipes)肆意泛滥,人们发现它能够疯狂生长主要与水体中的氮和磷的含量有密切的关系,所以,在它能够在人为干扰后出现严重富营养化的水体成功入侵并进行大范围扩散[47]。

  造成外来植物在新生境下成功入侵的原因并非单一一种,因此,以上任一一种假说并不能完全解释植物入侵普遍的入侵过程[48],具体是哪种因素起主导作用也很难做出明确的判断,所以我们还需要将多个假说联合进行验证解释[49]。一般情况先一种外来植物进入到一新生境后能够的成功入侵的原因之一,在于其种子具有较强的繁殖力,能快速产生大量的后代、种子易传播、寿命长以及具有休眠期等特点[50]。研究表明,美洲商陆(PhytolaccaAmericana)和剑叶金鸡菊(Coreopsislanceolata)等一些入侵植物既能进行有性繁殖,也能进行克隆繁殖,且结实量大[51-52]。对银胶菊(Partheniumhysterophorus)研究发现,它具有很强的无性繁殖能力,可以通过其根和茎等不同部位进行大量繁殖,这也是无法将其彻底根除的原因之一,最终造成短期内暴发成灾的后果[53]。杨逢建等人比较研究发现,与非入侵植物相对比,入侵植物的传播方式更加多式多样,种子形态也更易传播。如入侵植物薇甘菊、飞机草和紫茎泽兰均具冠毛、种子轻小,豚草(Ambrosiaartemisiifolia)和三裂叶豚草(Ambrosiatrifida)具钩刺,假苍耳种子较小等特征,均易被自然或是人为有意、无意地传播[54]。张丽坤等人研究紫茎泽兰发现,它不仅种子形态上比本地植物更具传播的优势,还具有显着的萌发优势[55]。研究统计发现,全球危害性极大的入侵植物主要集中在菊科、苋科以及禾本科,而它们共同的特征在于其千粒重均比较小[56-58]。如银胶菊单株可结实7500~10000粒,而其千粒重为0.74~0.76g[59]。危害性极强的薇甘菊和加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)的千粒重也仅为0.0880~0.1020g和0.07g[60-61]。Hamilton等学者对澳大利东部近150种的外来植物进行调查统计研究,发现造成此地入侵植物成功入侵的原因之一其种子均较小[62]。但Cadotte等学者展开相关研究,发现入侵植物的6种子大小与其成功入侵并无显着性关系[63]。

  事实上,入侵植物的种子成熟期通常相对时间较短,大多都不需要进行特殊处理就能直接萌发,而适应能力很强,在多种生境下都能顺利萌发。少花蒺藜草(Cenchruspauciflorus)对温度、pH、土壤水分和土埋深度均具有较宽的适应范围,温度在15~40℃、pH在2~12、土壤水分在1.0%~2.5%和在沙土0~15cm深度均可顺利萌发[64]。野茼蒿(Crassocephalumcrepidioides)种子几乎无休眠期,不仅能够在成熟后就进行萌发,而且其萌发率高达100%,对温度、pH和土壤水分也具有较强的适应能力,温度在15~30℃、pH在4~10和土壤水分在5%环境下也能进行萌发,且萌发率均高于60%[65]。入侵植物的种子也可以在土壤中多年存活,不腐坏,一旦有适宜的条件,就可萌发。狼尾草(Pennisetumalopecuroides)种子的休眠期长达5个月,但在埋藏在土壤后,在休眠2个月后就能萌发[66]。因此,植物种子的生物特性与其入侵力有着一定的联系,通过对入侵植物种子的研究,可以为其入侵成因提供理论依据。

  1.1.2入侵植物危害及防控研究进展

  关于入侵植物的定义,2009年万方浩等人对其进行了重新诠释,重点强调其危害性,即指的是给农业、林业、草原、湿地、淡水和海洋等不同生态系统带来的危害与威胁的有害植物[67]。显而易见,目前关于入侵植物的研究,就不得不谈到它所带来的危害作用。我国地域辽阔,生态类型多样化,所包含的入侵植物种类繁多,覆盖范围较广,从而造成的危害也相对比较严重。入侵植物最直接的危害就是对当地生态环境的破坏。一旦外来入侵植物成功定殖并形成单一的优势群落,就会直接破坏当地的生态结构,导致当地的植物多样性降低甚至丧失。研究入侵植物互花米草、喜旱莲子草和紫茎泽兰过程中,均发现其可以通过改变当地的生境,对本地种的生长显着抑制,成为单一优势种,给当地生态系统带来严重破坏[46,68-69]。随之而来的就是入侵植物给农、林、牧、渔等行业带来了巨大的经济损失和严重的伤害。典型的有紫茎泽兰,在其成功入侵新生境后,会不断扩散并占领大量的农田、林地和草地等,直接造成畜牧业的减产,年均损失高达9.89亿元[70]。凤眼莲和喜旱莲子草等一些水生植物入侵后,堵塞航道,严重影响水上交通、供电等,而且据统计,每年仅用于打捞这些入侵植物的人工费就超过1亿元[71]。除此之外,入侵植物还对严重威胁着人类的身体健康,典型代表就是豚草属植物,每年因它引起的“枯草热”给全世界很多国家人们的健康都带来了极大的危害,体质弱者甚至很容易出现一些并发症而导致死亡[72]。因此,面对如此巨大的危害,如何正确有效地进行预防和控制才是重中之重。

  从上个世纪五十年代开始,国际上建立期了一些公约和协议,发挥着很重要的作用,比如1951年建立的《国际植物保护公约》、1992年建立的《生物多样性公约》、1998年建立的《预防引入外来入侵种》以及2000年建立的《IUCN预防外来入侵物种所造成的生物多样性丧失指南》等等,这些公约都要求每个缔约国能够对入侵植物的防治进展工作[3]。其中美国发展的较为完善,目前而言,已经颁布了37部相关法律,并且建立了一个专门的国家入侵物种委员会,进行指导和协调管理等相关工作[73]。EwaldW等研究学者建立入侵植物风险评估系统,即将所入侵的植物进行科学评估,分为风险系数高、中、低三大类别,提前做好预防工作,将入侵可能性降低[74]。我国目前还未制定出专门针对入侵种的法规或是相关的条例,但也已经颁布了一些关于检疫方面的法律和条例。与此同时,我国已经将外来物种入侵的研究设置为重点研究项目,得到了国家和科技部的资金支持。除了预防工作外,针对已经入侵的植物我们也应该相对应的进行控制和治理。目前,较为有效地防治方法有六种,除了以往的物理、化学和生物防治三种较为传统的防治方法以外,还有生态替代、群落改造以及资源开发三种新方法[75]。这六种防治方法在入侵植物的防治工作中均取得一定的显着效果,但也存在一些不足,比如物理防治消耗成本太高,还未能做到彻底根除;化学防治在治理的同时也亦对环境造成污染等问题;生物防治则缺乏一定的可控性;生态替代是目前防治工作的重点,但其只能对入侵物种进行适当的抑制,而非彻底根除;群落改造更是耗时耗力,见效慢,推广难[76]。但也有许多成功的案例。1964年,美国学者Vogt将莲草直胸跳甲(Agasicleshygrophila)引入美国,对水生型的空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)进行防治,并获得了良好的结果。1986年我国学者将莲草直胸跳甲引进,并在我国空心莲子草的生物防治上取得了显着效果,这也是我国目前最成功的杂草生物防治项目[77]。还有之后对豚草和凤眼莲生物防治也取得了一定的控制效果[78-79]。目前生态替代也取得了一些突破性进展,我国学者龙忠富和张正文等人研究发现百喜草(Paspalumnotatum)和皇竹草(Pennisetumsinese)对入侵植物紫茎泽兰具有明显的替代作用[80-81];2014年,韩建华等人研究发现高丹草(SorghumSudanense)等四种一年生牧草对黄顶菊均具有较强的替代作用[82];2016年,陈振忠等人研究表明红树林对互花米草具有较强的替代优势,能够通过生物替代进行有效地治理工作[83]。研究薇甘菊发现,群落改造能够彻底治理其危害,但仅局限于宜林地,而且消耗的成本较高[84],因此,关于入侵植物的防控工作仍需进一步研究。

  1.1.3入侵植物对干旱胁迫响应机理研究进展

  水分是植物生长过程中不可或缺的重要因子之一。随全球气候变暖,土壤旱问题越来越严重,植物生长也随之发生变化。

  (一)入侵植物表型可塑性对干旱胁迫的响应面对不同生存环境,植物在其生长发育过程中会直接调节自身的生长形态以适应环境的变化,在入侵定殖和扩散过程中起到很重要的作用,这就是表型可塑性[85]。因此,观察同一种植物发现在不同生境中其形态和生长都存在着很多大差异。其中植物的叶片和根系是植物进行自我调节的重要两个器官。Poorter和Markesteijn对研究发现干旱条件下一般植物会出现叶片卷曲等萎蔫现象[86],一些比较耐旱的植物则通常会表现出改变其叶片的结构以适应干旱胁迫,比如叶片度增加、面积减小、气孔密度增加等降低水分的流失[87]。对入侵植物加拿大一枝黄花和五爪金龙研究表明,对干旱具有较强的表型可塑性,主要表现在随土壤含水量减少,其叶面积、叶生物量比及比叶面积呈下降趋势,而根生物量比和根冠比则逐渐升高[88-89]。对入侵植物三叶鬼针草(Bidenspilosa)与其本地植物金盏盘(Bidensbiternata)进行对比试验研究,发现三叶鬼针草的株高、叶面积和生物量明显高于金盏银盘,表现为较强的表型可塑性[90]。Yamauchi在研究植物根系对干旱胁迫的表型可塑性时,认为干旱会同时抑制根系和地上部分的生长[91],而与之不同的是,Xin等学者则认为干旱条件下会促进根系生长,抑制地上部分生长,即植物的根冠比增加,从而升高水分利用率[92]。1965年Bradshaw就对此进行了定义,即指的是同一个基因型处于不同生境下而表现出的不同的表型特性[93]。说明表型可塑性并非只是指环境所引起的表型的变异,大量研究表明,它具有一定的遗传基础,会受到自然选择的作用,发生适应性进化[94-95]。Maron等学者对贯叶连翘(Hypericumperforatum)入侵地和原产地两个种群的大小、繁殖力和叶面积进行比较且利用AFLP标记技术研究,发现其入侵地和原产地两个种群具有显着的遗传差异性,而无明显形态差异[96]。随着人们对入侵植物的重视和研究的不断深入,本世纪初我国也相继展开了关于入侵植物表型可塑性的研究。2005年许凯扬等人研究入侵植物喜旱莲子草对土壤水分、养分以及光照的表现可塑性反应,结果表明面对不同环境,喜旱莲子草具有一定的表型可塑性,并且能够通过对其各器官的生物量优化配置,实现对环境的适应[97-99]。之后,很多研究学者对危害严重的入侵植物紫茎泽兰[100-102]、加拿大一枝黄花[103-104]、三裂叶豚草[105]和飞机草[106]等进行了表型可塑性研究,并探讨了其与之入侵性的相关性。

  (二)入侵植物生理生化特性对干旱胁迫的响应通常在干旱胁迫条件下,入侵植物的生理生化特性也会随之发生相应改变。对于植物的抗旱性是植物长时间处于干旱条件下而发生基因改变的结果,既与其自身结构相关,也与植物体内的生理生化活动相关[107]。植物细胞膜作为调节和控制其细胞内外物质进行运输和交换的重要结构,其细胞膜透性常常作为评价植物对逆境响应的重要指标之一。其中丙二醛(MDA)就是膜脂过氧化所产生的代表性物质,其含量代表了细胞膜膜脂过氧化程度,即植物细胞受伤害程度[108],由于MDA大量的产生,对植物细胞膜产生严重伤害,导致细胞膜透性受到破坏,从而致使细胞内的电解质大量外渗,相对电导率就会升高,所以MDA和相对电导率二者是评价植物在逆境下受害程度的重要指标[109]。对入侵植物假臭草(Praxelisclematidea)和三裂叶豚草研究,发现随干旱胁迫程度加重,其MDA含量和相对电导率均呈显着上升趋势,表明其对干旱胁迫的响应比较敏感[110-111]。

  而一旦植物受到干旱胁迫的伤害,自身会通过调节渗透调节物质来抵御伤害。渗透调节是植物进行抗逆的一种重要方式,主要通过降低其渗透势来完成[112]。1973年Hsiao将其重新定义:指当植物处于水分胁迫条件下,其生长会受到一定的抑制作用,为了适应逆境,通过降低其细胞内的渗透势的方式[113]。其中可溶性蛋白、游离脯氨酸和可溶性糖是其主要的渗透调节物质。脯氨酸的主要作用就是稳定生物大分子,所以当形成一定的脯氨酸积累后,就能稳定其细胞结构和功能,以免受到破坏,还能降低其受害程度,除此之外,还能够起到降低活性氧物质含量的作用[114]。研究苜蓿(Medicagosativa)发现随干旱胁迫增强,其可溶性蛋白含量呈先升后降趋势,且抗旱性强的品种能够通过诱导出更多的干旱诱导蛋白量表达,从而适应干旱环境[115]。对月见草(Oenotheraerythrosepala)研究,发现随干旱迫增强和胁迫时间延长,植物体内的游离脯氨酸含量逐渐增加[116-117]。说明不同侵植物对干旱胁迫均具有一定的抵御能力,避免其受到伤害,适应力强。正常情况下,植物体内的活性氧自由基的产生和清除是相对平衡的,而当植物处于逆境胁迫时,自身就会产生大量的活性氧,比如·O2、·OH等,若是不及时进行清除,植物就会受到严重的伤害,所以在植物体内同时也存在着抗氧化的防御系统(SOD、POD、CAT),来保护其免于毒害[118]。其中SOD主要作用是将活性氧直接分解成O2和H2O2形式,再由POD和CAT将其彻底地分解清除,即到防止膜脂过氧化的目的[119]。但不同植物体内存在的抗氧化酶活性协同机制不同。李永强等人入侵植物野茼蒿研究,发现它主要通过SOD和CAT协同作用,来消除活性氧的毒害以适应干旱环境而进行生长[120]。

  (三)入侵植物光合特性对干旱胁迫的响应研究发现,植物在干旱处理下其光合作用比较敏感,主要通过净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和水分利用率(WUE)等相关指标来体现的[121]。一般情况下,植物处于干旱胁迫下时其光合作用也会相对减弱,光合速率下降[122]。葛结林等人对入侵植物加拿大一枝黄花研究,发现随土壤含水量的降低,其光合速率也逐渐下降,光适应范围逐渐变小,表现出较强的抗旱能力[88]。通常情况下,造成植物光合作用发生变化的有气孔限制和非气孔限制两种情况,前者是指干旱胁迫下植物Gs下降,导致大气中的CO2进入植物细胞受到限制,从而Ci降低,最终致使Pn下降;后者是指Ci升高,而植物叶肉细胞的光合活性受到限制,导致Pn下降[120]。所以判断二者的标准是植物Ci和Ls的变化方向,其中重点依据Ci的变化来判断,当Pn下降的同时,Ci下降,Ls升高,则表明是气孔因素引起的;若Pn下降同时,Ci升高或是不变,Ls下降,则表明是非气孔因素引起的[123]。有研究表明一般轻度干旱胁迫下引起光合作用降低的因素是前者[124],而重度干旱则是后者[125]。

  对小花月见草(Oenotheraparviflora)进行持续干旱处理,发现轻度和中度干旱处理下,引起光合速率下降的主要原因是气孔因素,重度和极度干旱处理下,则为非气孔因素[126]。除此之外,还与干旱胁迫的时间和植物种类有关[117-128]。气孔限制的原因是将叶片自身的局部或是所有的气孔进行关闭,降低蒸腾速率和体内水分的流失,同时CO2浓度也随之降低,最终导致光合速率降低;而非气孔限制的原因是干旱胁迫致使植物叶片的叶绿体结构遭到破坏,叶绿素含量降低,从而导致光合作用降低[129]。而造成叶绿素含量降低的主要原因是植物体内有毒物质活性氧以及MDA大量积累,导致合成叶绿素的蛋白受到破坏,从而致使叶绿素含量下降[130]。但大量研究发现,干旱胁迫下植物叶绿素的变化不一。有的随干旱程度加重,其叶绿素呈逐渐显着下降趋势,有的呈先升后降趋势,还有的显着上升趋势[111,128,131]。有研究者指出,导致以上结果不一的原因,可能与植物自身品种、干旱胁迫时间及程度有关[132]。目前,研究叶片的光合作用,除了考虑其光合参数以外,还会将其叶绿素荧光参数相结合进行研究。1834年Brewster首次发现了叶绿素荧光现象;百年之后,1931年,Kautsky和Hirsch直接肉眼观察到了叶绿素荧光诱导现象,并得出了荧光强度变化与CO2固定成负相关等一些重要的结论;之后,人们开始对其进行了一系列深入的研究,逐步形成了一套较为完善的荧光诱导理论,在光合研究中得到了广泛的应用,也取得了大量良好的研究成果。与光合参数的“表观性”相对比,叶绿素荧光参数突出的特点在于其具有“内在性”,因此通过对干旱处理下植物叶片叶绿素荧光动力学进行测定,能够更加具体分析出干旱胁迫对其叶片光合结构的影响[133]。

  目前,在干旱胁迫对入侵植物光合作用的影响中,此项技术已经得到了广泛的应用。如李立辉等人对初花期的紫花苜蓿(Medicagosativa)进行抗旱性研究,发现其叶绿素荧光参数会随干旱程度加重而发生变化,表现为初始荧光(Fo)值显着上升,φPSⅡ、ETR和Fv/Fm则呈下降趋势,Fv/Fo呈先升后降趋势,重度干旱处理下变化的幅度相对较大[134]。宋莉英等人对入侵种三裂叶蟛蜞菊和其本地种蟛蜞菊(Wedeliachinensis)进行对比研究,发现干旱胁迫后前者Fv/Fm显着下降,Yield、ETR以及qP均下降明显,复水后,前者又能够快速恢复正常,与后者无明显差异,从而三裂叶蟛蜞菊的光合机构较蟛蜞菊少受不可逆的伤害,并能在解除胁迫后迅速恢复[135]。陈明林等人对铜锤草(Oxaliscorymbosa)和其本地种酢浆草(Oxaliscorniculata)的研究也有相似的结果[136]。入侵植物较强的光合能力也是促进其成功入侵的原因之一,利用叶绿素荧光技术研究表明与本地种相比,入侵种具有较强的光合竞争能力,也促使入侵植物在新生境有限的资源和生存空间中表现出更强的竞争优势[137]。因此,对入侵植物的光合参数和叶绿素荧光参数进行相关的测定,有助于我们了解其具体的入侵机制并对其潜在的入侵力竞争进行相关评价

  1.1.4意大利苍耳研究现状

  意大利苍耳属于菊科苍耳属的一年生草本植物,以种子进行繁殖,且具有较强的繁殖力,在野外生长的意大利苍耳株高能生长到2m左右,单株可结1400多粒种子,茎直立,叶互生,总苞呈长圆形、密生倒钩刺、且刺中下部有大量白色透明的毛和短腺毛,易附着在人类、动物和一些包装物上进行远距离传播[138]。研究发现意大利苍耳原产地为北美洲,后在欧洲、亚洲、南美洲以及澳大利亚等国家广泛分布,1991年在我国北京首次被发现[139],随后在河北、山东、辽宁、新疆以及广东等地[140-144]均有发现有大量的分布。由于其具有较强的生存适应能力,极易形成单优势种群落,与农作物争夺光照和生存空间,导致其入侵的生境和周围的农业受到严重的危害,直接造成农作物减产;而且意大利苍耳果苞上的倒钩刺会粘挂在羊毛上,从而导致羊毛大量减产;此外,其幼苗具有毒性,猪、牛等牲畜误食易出现中毒现象,因此在1997年我国就将其列为入境检疫性杂草[145]。对于其防控措施,目前还未有特别有效地方法,可以对其采取化学防除、人工拔除、生物替代等普遍的方式进行防控[146]。1958年美国学者Michelini展开了对意大利苍耳生长发育中间隔期指数的研究,从而来解释其生长发育过程中生理和形态学的变化[147];欧洲一些学者对意大利苍耳的研究主要集中在化学成分和病理的分析上,如1993年保加利亚Tsankova等学者对意大利苍耳叶片的化学成分进行分析,并发现了叶片中的甲醇粗提物具有抗菌性和细胞毒性[148],之后法国学者Andreani等人利用气相色谱、气相色谱-质谱联用技术对意大利苍耳挥发油的化学成分进行了分析[149-150]。Kovács等人研究对意大利苍耳根、茎、叶和花四个营养器官中的细胞毒性进行了比较,发现叶片中的正己烷相对癌细胞的抑制作用最强,并对其分离得出成分为倍半萜内酯[151]。2004年Casini研究发现意大利苍耳对玉米具有显着的化感作用,根部尤为明显[152];2012年韩国学者Lee等人通过研究利用根际细菌促进意大利苍耳生长的方法,以期其在贫瘠、湖滨土地上能够成功生长,从而恢复良好的植被状态[153]。

  2013年S?rbu等人对意大利苍耳地上的营养器官的解剖组织学特征进行评价,研究其分类上的特征性[154]。2015年Georgescu等人对意大利苍耳种子萌发与幼苗生长与其原生境的关系进行研究,发现从沙地采集的瘦果发芽最快,且其胚轴和子叶最高[155]。在国内,车晋滇、刘慧圆、杜珍珠以及李楠等研究者主要对意大利苍耳生物学特征进行了研究[138,142-143,145],其中吴冬等人对意大利苍耳种子的二形性特点进行分析,表明这是其自身存在的一种生态对策,为其入侵提供有利的条件[156]。王瑞和迪丽达尔·亚森江等人对意大利苍耳分布进行深入研究,表明除青海、西藏、新疆南部和内蒙古北部地区以外的地区都属于其适生区[157-158]。邰凤姣等人研究了意大利苍耳对土壤微生物群落、酶活性及其养分的影响,表明意大利苍耳能够对土壤中微生物群落、酶活性及其养分进行改变,以保证其正常生长和继续扩散[159];此外他们还对对意大利苍耳的化感作用进行研究,发现其根、茎、叶三部分均具有较强的化感效应,其中叶效果最强[160]。李乔等人通过意大利苍耳与本地植物狗尾草进行对比研究,发现意大利苍耳能够显着改变土壤养分的供求平衡,从而增强其资源竞争优势[161]。

  最近两年,主要集中在对意大利苍耳种子越冬、种子萌发、传粉以及重金属胁迫生长[162-165]等方面。目前关于意大利苍耳对干旱胁迫生态适应性的研究还未见报道。1.2研究目的与意义植物生长发育过程中,水分因子起到至关重要的作用,水分过多或是水分不足都容易影响植物正常生长,不同植物也有着不同的适合其生长的最佳土壤含水量。往往入侵植物对水分的适应更加宽广,能够较强的适应各种环境并进行扩散。本文主要以入侵植物意大利苍耳为材料,从PEG-6000模拟干旱和土壤干旱两方面研究其生理生化指标、光合指标、叶绿素荧光指标以及生长指标的变化,从而探究意大利苍耳对干旱胁迫的生理生态适应机制,阐明意大利苍耳成功入侵并迅速扩散的机理。

  1.3研究内容与技术路线

  1.3.1研究内容本试验研究内容包括:

  (1)PEG-6000模拟干旱对意大利苍耳种子萌发的影响;

  (2)干旱胁迫对意大利苍耳不同时期生理生化指标的影响;

  (3)干旱胁迫对意大利苍耳不同时期光合生理特性的影响;

  (4)干旱胁迫对意大利苍耳营养构件数量特征及生物量分配的影响。

  1.3.2技术路线

  (1)PEG-6000模拟干旱对意大利苍耳种子萌发的影响

  (2)干旱胁迫对意大利苍耳植株形态及生理的影响:

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  第 2 章 PEG 模拟干旱对意大利苍耳种子萌发的影响
  2.1 材料与方法
  2.1.1 试验材料
  2.1.2 试验方法
  2.1.3 数据处理
  2.2 结果与分析
  2.2.1 PEG 胁迫对意大利苍耳种子萌发指标的影响
  2.2.2 PEG 胁迫对意大利苍耳幼苗生长指标的影响
  2.2.3 PEG 胁迫对意大利苍耳幼苗生理指标的影响
  2.3 本章小结

  第 3 章 干旱胁迫对意大利苍耳不同生长时期生理生化指标的影响
  3.1 材料与方法
  3.1.1 试验材料
  3.1.2 试验方法
  3.1.3 试验数据处理
  3.2 结果与分析
  3.2.1 干旱胁迫对意大利苍耳不同生长时期膜系统的影响
  3.2.2 干旱胁迫对意大利苍耳不同生长时期渗透调节物质的影响
  3.2.3 干旱胁迫对意大利苍耳不同生长时期抗氧化酶活性的影响
  3.3 本章小结

  第 4 章 干旱胁迫对意大利苍耳不同生长时期光合生理特性的影响
  4.1 材料与方法
  4.1.1 试验材料
  4.1.2 试验方法
  4.1.3 试验数据处理
  4.2 结果与分析
  4.2.1 干旱胁迫对意大利苍耳不同生长时期光合特性的影响
  4.2.2 干旱胁迫对意大利苍耳不同生长时期叶绿素含量的影响
  4.2.3 干旱胁迫对意大利苍耳不同生长时期叶绿素荧光参数的影响
  4.3 本章小结

  第 5 章 干旱胁迫对意大利苍耳营养构件数量特征及生物量分配的影响
  5.1 材料与方法
  5.1.1 试验材料
  5.1.2 试验方法
  5.1.3 试验数据处理
  5.2 结果与分析
  5.2.1 干旱胁迫对意大利苍耳营养构件数量特征的影响
  5.2.2 干旱胁迫对意大利苍耳营养构件生物量分配的影响
  5.3 本章小结

第6章主要结论和研究展望

  6.1主要结论

  本研究以意大利苍耳为研究材料,主要从PEG模拟干旱对其种子萌发、幼苗生长、幼苗的生理反应和干旱胁迫对意大利苍耳生长、生理等各方面响应着手,研究了其对干旱的生理生态适应。得到以下主要结论:

  1.意大利苍耳种子萌发对PEG胁迫响应与胁迫程度有关。随PEG胁迫浓度增加,意大利苍耳种子萌发和幼苗生长受到显着抑制,其中下胚轴对PEG胁迫的反应最敏感;复萌试验表明意大利苍耳种子对PEG胁迫具有较强的抵抗性。在意大利苍耳幼苗受到PEG胁迫时,子叶、下胚轴和初生根均会启动渗透调节物质来维持膜系统的渗透压,但启动的抗氧化酶活性不相同,这也导致了其受伤害程度的不同。

  2.意大利苍耳对干旱胁迫的生理响应与干旱胁迫程度及干旱胁迫持续时间有关。不同生长时期,随干旱胁迫加重,意大利苍耳膜系统受到伤害程度不同,其中营养期中度干旱MDA含量显着高于CK,而重度干旱MDA含量则相对降低,意大利苍耳主要是通过积累大量可溶性蛋白和游离脯氨酸来调节细胞渗透压,抵御干旱;但启动的抗氧化酶活性机制各不同。随生长期的延长,不同干旱胁迫下膜系统受伤害程度不同,繁殖期最为严重。意大利苍耳主要通过维持较高的游离脯氨酸含量和POD活性来维持膜系统渗透压平衡和分解有毒物质,抵御伤害,随干旱胁迫加重,抵抗性越强。

  3.不同生长时期,意大利苍耳对干旱胁迫光合响应不同。营养期,随干旱胁迫加重,引起Pn下降的主要原因由气孔因素向非气孔因素转换;意大利苍耳叶绿素无明显变化;轻度处理下意大利苍耳ETR显着低于CK,中度和重度处理下Yiled、ETR和qP显着高于CK,说明在营养期中度和重度处理下电子传递则相对增强。繁殖期,引起Pn下降的主要原因均是气孔因素,随干旱胁迫加重,意大利苍耳植株叶绿素含量逐渐加强,光合能力也逐渐增强。随着胁迫时间的延长,意大利苍耳叶片的叶绿素含量逐渐下降,但随干旱胁迫加重,下降幅度减少,重度处理下意大利苍耳的光合能力逐渐增强,气孔张开,水分利用增强,表明意大利苍耳具有一定的抗旱能力。

  4.意大利苍耳在繁殖期对干旱胁迫在营养构件水平上具有一定的形态可塑性和生物量分配策略。随干旱胁迫加重,意大利苍耳茎、叶和根构件数量特征均显着下降。但其各自的生物量分配、比叶面积以及根冠比无明显变化,且重度处理下意大利苍耳未出现任何死亡和叶子变黄等现象,说明在干旱胁迫下意大利苍耳能够正常进行生长发育,具有一定的抵御干旱的能力。综上所述,意大利苍耳种子萌发对PEG胁迫较为敏感,幼苗生长受到一定的限制,但意大利苍耳植株在生长过程中,主要通过启动渗透调节物质和抗氧化酶活性以及增强光合能力,来抵抗干旱胁迫对其造成的影响,在干旱地区也能很好的适应生长和扩散。

  6.2研究展望

  本实验主要从意大利苍耳形态和生理两方面来研究其对干旱胁迫的响应机制,还可对其分子调控机理进行深入研究。另外,针对干旱胁迫下入侵种意大利苍耳和土着种苍耳,从形态、生理和分子三方面进行深入研究。

  参考文献
 

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