[目的]考察密旋链霉菌Act12发酵液对石油胁迫下紫花苜蓿幼苗生长及生理特性的影响,探讨其缓解石油胁迫的作用机制.[方法]以'中苜3号'紫花苜蓿为供试植物,采用盆栽试验,考察质量分数3％(W/W)石油胁迫和不同浓度(0、1％、10％和100％)Act12发酵液处理下紫花苜蓿幼苗生长、根系构型、光合特性、渗透调节物质含量和抗氧化能力等指标的变化.[结果]相较于对照组(CK),3％石油胁迫显著抑制了幼苗的光合作用和生物量,同时增加了丙二醛(MDA)的积累,降低了可溶性糖和可溶性蛋白含量,改变了超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性.中低浓度(1％和10％)的发酵液处理可以有效缓解石油胁迫对紫花苜蓿幼苗的毒害,并以10％的Act12发酵液效果最佳;与不施用Act12发酵液处理相比,10％Act12发酵液处理幼苗的株高、地上部干质量、地下部干质量、茎耐受指数、根耐受指数、总根长、根表面积、根体积和根尖数均显著增加,地上部分和地下部分MDA含量分别降低了 42.49％和56.45％,可溶性糖含量分别增加了 79.25％和89.83％,可溶性蛋白含量分别增加了 167.63％和256.15％,根系SOD和POD活性分别提升了 35.81％和57.33％.[结论]中低浓度密旋链霉菌Act12发酵液能有效增强石油胁迫下紫花苜蓿幼苗的抗氧化酶活性和渗透调节能力,降低MDA含量,提高光合作用能力,增加生物量,有效缓解石油胁迫对幼苗生长的抑制.

褪黑素(melatonin,MT)与其他传统五大类激素相比,其鉴定仅有 20 多年的历史,是一种新兴植物激素,是有机体中具有多种生理功能的多效信号分子.在植物中,MT被称为植物褪黑素(phytomelatonin),它不仅调节种子萌发、根系构型、气孔运动、生物节律和开花与衰老,还通过激活抗氧化系统的活力,清除活性氧(reactive oxygen species,ROS),从而减轻胁迫造成的氧化胁迫、渗透胁迫、蛋白变性和细胞损伤,最终使植物应答生物和非生物胁迫.本文基于MT代谢及其在植物应答非生物胁迫中的最新研究进展,总结MT在植物中的合成与分解代谢,归纳逆境胁迫下MT通过直接清除ROS和/或触发信号转导途径,上调抗逆相关基因表达,继而激活渗透调节系统和抗氧化系统的活力,促进逆境蛋白和次生代谢物质的合成,稳定光合作用和碳代谢,减少ROS的积累和细胞氧化损伤,最终提高植物对高温、低温、干旱、盐渍、重金属、紫外辐射和水涝等非生物胁迫的抵抗能力.本文为理解MT的代谢、生理功能及细胞信号转导途径奠定了理论基础,并指出未来的研究方向.

植物根系对提高边坡稳定性具有重要作用.采用喷播的方式在侵蚀槽中制备模拟石质边坡,植物生长6个月后采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪扫描相结合的方法,研究了模拟边坡条件下11种常见护坡植物苗期的根系构型特征.结果表明:紫花苜蓿根系生物量最大,柠条根系生物量最小,二者主根发达,仅分布在下坡方向.沙打旺、胡枝子、紫穗槐和欧李根系生物量、总根数、总基根数、总根长、总根表面积、总根体积均较大,在上坡方向和下坡方向分布均匀,拓扑指数介于0.53-0.61之间,为叉状分枝结构,根系固土护坡能力较强,可作为边坡生态修复工程的优选植物.根系生物量与根系表面积、根体积呈现显著的线性正相关关系(R2分别为0.68和0.80),拓扑指数与根系长度、根系表面积、总根数、总基根数呈现显著的指数负相关关系(R2分别为0.82、0.68、0.87、0.86),可为植物根系构型研究提供科学依据及理论支撑.

水位脉动、干湿交替是影响消落区植物群落分布和土壤稳定性的关键环境驱动力,消落区植物群落是影响土壤团聚体稳定的重要因素,研究消落区植物群落结构和功能性状对土壤团聚体稳定性的影响有助于预测消落区植物演替过程和揭示其对岸带稳定的影响机制.本文总结了国内外相关研究,综述了植物群落对干湿交替环境的响应,同时基于植物功能性状对干湿交替的响应重点阐述了其对土壤团聚体粒径稳定性的影响.未来研究应该重点关注根系构型性状和根际微生物性状对土壤团聚体的影响,并加强消落区不同胁迫强度和演替阶段植物群落组成、地上-地下性状对土壤团聚体稳定性的研究,进而探究水位脉动条件下植物群落对土壤团聚体稳定的影响机制,为消落区生态调节、生态恢复提供理论支撑.

为揭示氯盐胁迫下氮素对西瓜根系的调节机制和提供西瓜氯毒害调控理论依据,以西瓜为供试作物,采用土培试验,研究不同施氮量(0,0.1,0.15,0.2,0.25 g/kg)对氯盐胁迫下西瓜根系的影响,并应用主成分分析法对各施氮量下根系生长情况进行综合评价.结果表明,(1)与不施氮相比,施氮0.15 g/kg处理可使西瓜根系生物量、干物质累积量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、根系活力分别显著提高58.83％、20.83％、98.33％、70.37％和29.44％,丙二醛含量显著降低40.30％,同时使总根长、总根表面积、根尖数、分枝数分别显著增加103.42％、46.41％、64.44％、87.80％,总根体积和总根系直径分别减少23.05％和40.15％.(2)在本试验氯盐胁迫条件下,施氮0.14～0.17 g/kg时西瓜具有较理想的根系构型和较高的根系活力.(3)根系分枝数、根系活力、总根体积、根尖数可作为氯盐胁迫下氮素对西瓜根系生长影响的综合评价指标,各施氮水平对氯盐胁迫的缓解效果表现为0.15 g/kg＞0.20 g/kg＞0.10 g/kg＞0.25 g/kg.可见,在氯盐胁迫下,适量施氮有助于西瓜建立良好的根系构型,提高根系渗透物质含量,降低细胞渗透势,减少根系丙二醛含量,维持较强的根系活力,增加根系生物量和干物质,缓解高浓度氯盐对西瓜生长的抑制作用.

根系分叉数和连接长度影响着植物根系的空间分布和资源获取,二者的权衡关系有助于深层次的理解植物根系构型的生态适应性.在祁连山北坡高寒退化草地,设置未退化(T1)、轻度退化(T2)、中度退化(T3)和重度退化(T4)4个退化梯度样地,采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪相结合的方法,研究了星毛委陵菜(Potentilla acaulis)根系分叉数和连接长度之间的关系.结果表明:随着天然草地退化程度的加剧,草地群落的密度、高度、盖度、地上生物量和土壤含水量逐渐减小,土壤紧实度不断增大,星毛委陵菜种群的密度、高度、盖度、地上和地下生物量、根冠比和根系连接长度逐渐增大,分叉数呈相反的变化趋势;不同退化草地星毛委陵菜根系分叉数与连接长度之间的相关性存在差异(P＜ 0.05),在未退化(T1)和重度退化(T4)草地星毛委陵菜根系分叉数和连接长度之间存在极显著的负相关关系(P＜0.01),在轻度退化(T2)和中度退化(T3)草地二者之间存在显著的负相关关系(P＜0.05).随着天然草地的退化,星毛委陵菜选择减小根系分叉数和增大根系连接长度的构型构建模式,反映了植物不同功能性状间生物量分配的权衡机制.

以喀斯特峰丛洼地不同植被恢复阶段灌丛、次生林、原生林为研究对象,采用全挖法分析了各阶段4个优势种的根系构型参数,探讨该特殊生境条件下植物根系构型的差异性、相似性以及资源合理高效的利用方式.结果表明:(1)各个植被恢复阶段优势种拓扑指数T I均趋向于0.5,呈叉状分支结构,并表现为次生林(0.57)>原生林(0.49)>灌丛(0.46),有利于根系在贫瘠且浅薄的土壤环境中拓展生存空间.(2)3种植被恢复阶段优势种的根系平均连接长度在34.29 cm以上,平均为37.01 cm,增加连接长度对植物在养分贫瘠的喀斯特土壤环境的生存有利.(3)次生林根系分支率低于灌丛和原生林,这是不同植被恢复阶段优势种对环境所采取的不同适应策略.(4) 3种植被恢复阶段优势种根系的横截面积比均符合Leonardo da Vinci法则,且不随直径的变化而变化.(5)3种植被恢复阶段优势种在土壤养分、水分获取及土壤空间拓展方面没有显著差异性.研究认为,在喀斯特峰丛洼地异质性很强的生境下,3种植被恢复阶段优势种的根系均为叉状分支结构,且均以较长的连接长度和较低的分支率策略适应其特殊的生态环境.

根系分形结构影响根系的分布格局,是植物根系与胁迫生境相互适应的结果.采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪相结合的方法,按照垂穗披碱草种群密度设置Ⅰ(500-700株/m2)、Ⅱ(300-500株/m2)、Ⅲ(100-300株/m2)3个密度梯度,研究了尕海湿地不同密度条件下垂穗披碱草(Elymus nutans)的根系分形结构.结果表明:随着垂穗披碱草种群密度的降低,湿地群落的高度、盖度、地上生物量及根系分形维数呈逐渐减小趋势,地下生物量与分形丰度逐渐增大;垂穗披碱草根系分形维数与分形丰度在高密度(Ⅰ)样地和低密度(Ⅲ)样地均呈极显著负相关关系(P＜0.01),在中密度(Ⅱ)样地呈显著负相关关系(P＜0.05),垂穗披碱草根系分形维数和分形丰度存在着“此消彼长”的权衡关系.在高密度湿地群落垂穗披碱草倾向于密集型根系构型构建模式,在低密度湿地群落选择扩散型的根系生长模式,体现了密度制约下高寒湿地植物种群应对资源多重竞争的生态适应机制.

通过设置不同放牧处理(羊单牧、牛单牧、牛羊混合放牧和不放牧),研究土壤氮素和优势种克氏针茅根系构型对不同放牧方式的响应.结果表明:放牧14个月后(约2个生长季),牛单牧和牛羊混合放牧显著提高了10～ 20 cm土层土壤全氮含量,其中牛单牧提高了硝态氮含量,而牛羊混合放牧则以提高有机氮为主;不放牧区的克氏针茅地上生物量显著高于羊单牧、牛单牧和混合放牧区,而地下生物量差异不显著;在放牧处理14个月后,克氏针茅6项根系构型参数5项没有差异,但根系径级分级显示,不放牧区根系直径为2.5～3.5及4.0～4.5 mm的根系长度、体积和表面积显著高于其他放牧区.整体上看,放牧处理14个月,土壤和优势种植物的根系构型参数变化尚不明显,有待于继续观测.

毛状根的构型是影响其生长速度和生物量积累的重要因素,为了规模化培养金铁锁毛状根,进一步解决金铁锁资源短缺问题,该研究以金铁锁毛状根为材料,通过改变培养基类型、碳源及碳源浓度,观察和分析了毛状根的生长状态,找出影响毛状根构型的因素.结果表明:最适合金铁锁毛状根生长的培养基为B5+蔗糖30 g·L-1,金铁锁毛状根主根长而粗壮,一级、二级侧根生长量大,根系表面积较大,生长效果最佳.经液体悬浮培养验证,测定毛状根的生长量,与在固体培养基培养的毛状根生长状态基本一致.通过该项研究,优化了培养基中营养成分的配比,实现了金铁锁毛状根的快速生长和生物量的积累.