为探究三个抗旱性不同的甘蔗品种['中蔗9号'(ZZ9),抗旱性强;'中蔗2号'(ZZ2),抗旱性弱;'新台糖22号'(Xintaitang22),抗旱性居中]在不同干旱胁迫环境下萌发早期种茎根和芽萌发的差异,试验采用水培法用不同浓度梯度PEG-6000[CK、10％(w/v)和20％(w/v)]模拟干旱胁迫连续培养12 d后采集根系和芽的萌发数量、根和芽的生物量、根系的形态特征及生理指标数据.研究结果显示,抗旱性强的品种'中蔗9号'根系的形态指标(根总长、根面积、根体积和根直径等)均显著高于'中蔗2号'和'新台糖22号'的.随着PEG-6000胁迫程度加深,'中蔗2号'的根系脱落率显著高于'中蔗9号'的,在高浓度PEG-6000(20％)胁迫下,随时间的延长'中蔗2号'的根系数量急剧下降,而'中蔗9号'的根系数量呈现上升趋势,说明'中蔗9号'的根点在高浓度PEG-6000模拟干旱胁迫下仍能保持生活力,并从休眠状态复苏而继续萌发.'中蔗9号'的根茎粗壮,根系生物量最多,芽体生物量最少,而'中蔗2号'反之,根系生物量最少,芽体生物量最多.在高浓度PEG-6000胁迫下,'中蔗2号'和'新台糖22号'的SOD、POD的酶活性均下降,而'中蔗9号'的处于持续上升趋势,此时'中蔗9号'根系的脯氨酸含量亦极显著(240％)上升.在PEG-6000模拟干旱胁迫下,甘蔗种茎根芽萌发的上述特征与大田抗旱表型观察结果相吻合.本研究结果为快速筛选抗旱甘蔗品种提供了参考依据.

藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)营养丰富且抗逆性较强.本研究以M059(胚根生长快)和M024(胚根生长慢)两种藜麦种质材料为研究对象,采用PEG-6000模拟干旱胁迫,观察种子表型的解剖结构,对发芽种子进行糖含量测定,并对正常水处理和干旱处理的材料进行转录组测序.种子表型及糖含量测定结果显示:与正常水处理相比,15％PEG-6000处理24h后M059和M024胚根长度分别降低68.65％和71.43％;在正常水处理条件下,M059的可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖和果糖含量较M024 高 18.58％、97.84％、70.54％和 32.77％;在 15％PEG-6000 处理 24 h后,M024 的蔗糖含量比M059 高 23.01％,M059 的可溶性总糖和葡萄糖含量比M024分别高7.26％和25.00％.韦恩图分析结果表明,C1vsD1、C2vsD2、C1vsC2和D1vsD2比较组中共有差异表达基因211个,特异性差异表达基因分别为132个、1270个、578个和914个.GO富集分析表明,与干旱胁迫下藜麦种子糖代谢的分子响应密切相关的GO通路有5条.KEGG富集分析表明,与干旱胁迫下藜麦种子糖代谢密切相关的代谢途径有3条.根据差异表达基因的功能注释,有 10 个差异表达基因(LOC110702784_AGAL2、LOC110719866_INV1、LOC110717843_TPPJ、LOC29490_CELB、LOC110719843_bg1x、LOC110689796_SUS1、LOC110690728_MAN6、LOC110729879_HK2、LOC110712726_EGLC、LOC110734349FK7)与糖代谢相关,且这10个差异表达基因的qRT-PCR验证结果与转录组结果一致.本研究结果将对深入解析藜麦响应干旱的分子调控机制提供参考.

[目的]探究花生ASR基因家族特性及其在干旱和盐胁迫响应中的作用,为培育花生抗旱抗盐新品种提供潜在基因位点.[方法]通过生物信息学方法在全基因组水平鉴定花生ASR家族并分析其基本特性,借助转录组数据分析其在200 mmol/L NaCl及模拟干旱PEG处理后的表达变化.[结果](1)鉴定到7个花生ASR基因,pI为5.34～6.98,蛋白脂肪系数为23.77～56.84,GRAVY值均为负值,表明这7个蛋白均是亲水性蛋白;(2)AhASR3与AhASR7基因表达模式相似,转录水平较高,基因结构及蛋白结构域和保守基序的位置和数量较相似,motif 5、6、9仅存在于AhASR3与AhASR7蛋白中;(3)AhASR1、AhASR5及AhASR2的启动子区域有干旱诱导MYB转录因子的结合位点,发现AhASR1、AhASR2及AhASR4的启动子区有ABA响应元件;(4)AhASR2、AhASR3及AhASR7在200 mmol/L NaCl处理后根部出现较明显转录上调;(5)AhASR1、AhASR3、AhASR4及AhASR7分别在PEG处理4 h和8 h后,转录水平出现2倍以上上调.[结论]花生ASR家族蛋白均为亲水性蛋白,各成员之间既有保守结构域也有特异性序列,大部分成员启动子区都具有干旱响应相关元件,并受到盐处理以及模拟干旱处理的诱导表达,可作为耐盐耐旱花生品种培育的重要候选基因.

植物生长调节剂5-羟色胺(5-HT,5-hydroxy-tryptamine)已应用于农业生产,以提升作物抗旱性,然而其转录水平的分子机制尚不清楚.本研究通过转录组测序、内源激素水平和抗氧化酶活性的综合评价,探讨模拟干旱胁迫下蜡杨梅幼苗响应外源5-羟色胺的生理和分子影响机制.结果表明,50μmol/L的5-HT处理显著提高了蜡杨梅根系中脱落酸和茉莉酸含量,而100 μmol/L的5-HT处理的结果则刚好相反.50 μmol/L的5-HT处理诱导丙二醛含量和超氧化物歧化酶活性显著升高,而过氧化氢含量则显著降低.基于上述两种浓度水平的5-羟色胺处理基因集富集分析结果表明,差异表达基因集主要包括抗氧化酶活性、氧化还原酶活性、生长素和赤霉素介导信号传导、细胞壁生物合成、木聚糖生物合成、果胶代谢、次生代谢物生物合成、苯丙烷和半乳糖醛酸代谢等.与抗氧化酶活性及激素代谢相关的差异表达基因主要为PER、LAC、DHAR和PIN等.通过加权基因共表达网络分析发现8个共表达基因模块与5-羟色胺及干旱胁迫显著相关,其中枢纽基因KAB1218346.1(LOX3)、KAB1219593.1(WRKY53)和KAB1217691.1(CZF1)主要参与激素代谢和转录调控,上述关键基因及其分子调控机制将是今后研究的重要对象.

植物功能性状之间的关系是反映植物在资源获取和资源保守策略之间权衡的有力指标.喀斯特是全球最脆弱的陆地生态系统之一,其中的植被长期遭受干旱的胁迫,对极端天气和极端降水高度敏感.在降雨极端化的背景下,喀斯特地区植物生态策略的变化还不得而知.以西南喀斯特弃耕地演替初期群落中12种草本植物为对象,通过保持年降水量不变,人为控制单次降水量以及降水频率,以自然降雨为对照组(CK),设置中雨频率增强处理组(T10),大雨频率增强处理组(T25)和暴雨频率增强处理组(T50)3个处理组.模拟在全球变化导致的降雨极端化情境下,研究植物根茎叶功能性状的响应特征及经济型谱之间的关系.主要结果如下:(1)根茎叶的功能性状对降雨极端化的响应不同,其中根的理论导水率随着降雨极端化增强而增加,而茎和叶的理论导水率仅在T25增加,根茎叶三种器官中对降雨极端化最敏感的是茎;(2)根茎叶各器官均有自身稳定的"快-慢"经济型谱.降雨极端化仅T50的植物会选择介于资源获取和资源保守策略之间稳定的经济型谱;(3)不同植物器官之间的经济型谱的协调并不一致,其中茎根经济型谱之间的相关系数在三个处理组中均变大,而叶根经济型谱之间的相关系数仅在T25变大,叶茎经济型谱之间的相关系数仅在T10变大.总之,喀斯特弃耕地演替初期群落中草本植物的根茎叶有自身稳定的经济型谱,降雨极端化导致了以根茎叶经济型谱所反映的植物地上和地下资源保存和获取策略的解耦;本研究中的植物最容易发生功能性状变异的器官是茎.本研究提高了对植物不同器官各功能性状之间关系和植物地上与地下部分关联性的理解,揭示了植物不同器官的"快-慢"植物经济型谱以及由此反映的植物适应能力的差异和功能策略的多样性,促进了对植物资源获取与环境响应策略的深入认识,为预测未来气候变化背景下喀斯特弃耕地草本植物的适应趋势和响应策略提供了新见解.

肉桂醇脱氢酶(CAD)作为植物次生代谢尤其是木质素生物合成过程的关键酶,在调控植物生长发育和抵御生物/非生物胁迫等过程中发挥关键作用.蒙古冰草(即沙芦草(Agropyron mongolicum))耐旱耐寒,在我国北方荒漠草原区域广泛分布.为探讨CAD基因在蒙古冰草木质素合成和非生物胁迫抗性中的作用,从蒙古冰草全长转录组数据中筛选并克隆到1个CAD基因,序列长度1 083 bp,命名为AmCAD.该基因编码361个氨基酸残基,同源序列比对发现蛋白质序列保守区域含有2个Zn2+结合基序和NADP(H)辅因子结合基序,属于典型的CAD蛋白,且三维结构与AtCAD5相似.AmCAD在茎秆中高表达,对AmCAD重组蛋白的酶学性质分析表明,该蛋白对不同肉桂醛类底物均具有很强的催化能力,其中对松柏醛和芥子醛的底物亲和力更强.用不同浓度甘露醇模拟干旱胁迫,蒙古冰草AmCAD基因表达受到显著诱导.研究结果表明,AmCAD在蒙古冰草木质素合成和干旱胁迫抗性中发挥重要作用,可为提高蒙古冰草品质和抗逆性分子育种提供有价值的基因资源.

荒漠草原区人工灌丛生态系统的总初级生产力(GPP)和蒸散(ET)如何响应全球气候变化,不仅是全球变化生态学研究的核心问题,也关乎干旱半干旱风沙区生态建设的可持续性.利用参数优化后的生物群区生物地球化学循环(Biome-BGC)模型和气象环境驱动数据,考虑不同气候变化情景和未来趋势,模拟了盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统GPP和ET对气候变化的响应.结果表明:(1)增温会显著抑制生态系统的GPP,大幅度的增温(3℃)会导致GPP急剧下降,但增温对ET的抑制作用非常微弱;(2)降水是限制ET变化的重要因素,相对于增温诱发干旱胁迫所引起的ET小幅下降,降水多寡则更直接地控制着生态系统的ET大小;(3)中国西北地区未来气候的"暖湿化"趋势和大气CO2浓度升高会对荒漠草原区人工灌丛生态系统产生综合驱动效应,增强陆地和大气间的碳水交换通量.研究成果可为干旱半干旱区应对全球变化及指导地方政府制定生态保护修复政策提供科学依据.

狭叶坡垒(Hopea chinensis)种子为典型的顽拗性种子.为探究种子萌发对温度和水分的适应性,该研究在人工气候培养箱内设置3种温度(15、20、25℃),采用6个聚乙二醇(PEG-6000)浓度(0％、5％、10％、15％、25％和35％)模拟干旱胁迫处理,研究狭叶坡垒种子的萌发特性.结果表明:(1)温度对种子萌发具有显著影响.同一干旱胁迫浓度下,种子的萌发率、萌发势、萌发指数、胚根长、芽长和活力指数随着温度升高呈上升趋势,萌发时滞随温度升高而降低,萌发历期随温度升高而波动性上升.(2)干旱胁迫对种子萌发具有显著影响.同一温度下,种子的萌发率、萌发势、萌发指数、萌发历期、胚根长、胚芽长和活力指数随着干旱胁迫程度加重呈降低的趋势,萌发时滞随干旱胁迫程度加重而升高.(3)温度和干旱胁迫的交互作用对种子萌发具有显著影响.干旱胁迫下,不同温度条件下种子萌发的表现不同.在35％PEG-6000胁迫下,20℃和25℃时,种子萌发率分别为8.89％和15.55％,显著高于15℃(0％).综上所述,适宜种子萌发的温度为20℃和25℃,适宜幼苗早期生长最佳温度为25℃;干旱程度越大,种子萌发受到的抑制作用越强,干旱胁迫对种子萌发的影响高于温度因素,适当增温可缓解干旱胁迫对种子萌发的抑制作用.

探究干旱-复水条件下荒漠植物各器官非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrates,NSCs)的动态变化特征对揭示植物抗旱生理机制具有重要意义.以2年生复苏植物红砂为研究对象,通过盆栽称重控水法模拟干旱胁迫,设置适宜水分(AD)、轻度(MD)、中度(SD)和重度(VSD)水分胁迫,测定了干旱胁迫历时0、15、30、45、60d以及复水15 d各器官NSCs含量.结果表明:(1)干旱胁迫下NSCs随胁迫时间的增加而增加,其中,地上部分蔗糖和葡萄糖含量在60 d时达到显著水平,地下根系在30 d时达到显著水平.(2)可溶性糖在茎中升高而叶中降低(0～30d),各器官中可溶性糖转化为叶和根系的淀粉(30～45 d),叶和根系淀粉转化为各器官中可溶性糖(45～60 d).(3)复水后NSCs各组分含量在各器官中均降低,叶和茎恢复指数较粗根和细根大;在轻度胁迫下蔗糖和果糖恢复指数较大,重度下葡萄糖、可溶性糖和淀粉恢复指数较大.综上所述,干旱胁迫下红砂幼苗通过NSCs含量增加提高抗旱能力且根是干旱信号的优先感知器官,同时红砂通过调节不同时期可溶性糖和淀粉相互转化来抵御干旱胁迫,复水后红砂幼苗各器官通过不同程度恢复来修复干旱时产生的栓塞损伤,提高红砂抗旱性.

为探讨旱、盐胁迫对不同海拔、生长年限和贮藏时间的药用大黄种子萌发和幼苗生长的影响,以采自陕西汉中镇巴县的药用大黄种子为研究对象,纯净水(CK)为对照组,置于用以模拟干旱和盐胁迫的不同渗透势水平(-0.3和-0.5 MPa)的PEG和NaCl处理下,每日记录种子萌发个数并观察幼苗生长情况.结果表明:相比低和高海拔的种子,中海拔1650 m处采集的种子萌发率更高,且海拔1650和1300 m处的种子对干旱和盐胁迫的耐受力强;随着胁迫浓度的增加,干旱胁迫对药用大黄幼苗生长的抑制作用极其显著,在-0.5 MPa PEG处理下所有幼苗均死亡;不同海拔、不同生长年限及不同贮藏期的种子内源赤霉素含量无明显差异,而赤霉素浸种后种子活力和内源赤霉素浓度显著升高;室温贮藏1年的大黄种子发芽率、活力、耐盐性显著低于新采集的种子,而3年生植株种子发芽率、活力、耐盐性均高于2年生且耐旱性更强.综上可知,药用大黄种子不适宜长期室温贮藏,中海拔以及轻度盐胁迫有助于药用大黄种子萌发及幼苗生长,且3年生药用大黄种子质量高于2年生.