为了解植物群落水分利用过程对生境异质性的适应,2021年4-9月测定乌兰布和沙漠沙丘和戈壁沙冬青群落不同灌木的木质部水和潜在水源(各层土壤水或地下水)的δD和δ18O值,通过MixSIAR模型量化不同潜在水源的贡献比例,明确各水分来源的季节动态.结果表明:早春大雨后4月和5月沙丘的沙冬青和旱蒿对10～25 cm 土壤水利用较多,黑沙蒿主要利用10～200 cm 土壤水;6-8月干旱时,沙冬青对100～200 cm 土壤水和地下水的利用增加,旱蒿和黑沙蒿对50～200 cm 土壤水的利用增加;9月中雨后沙冬青对各层土壤水和地下水的利用比例类似,旱蒿和黑沙蒿对10～50 cm 土壤水的利用增加.戈壁的沙冬青和泡泡刺4月和5月对各层土壤水的利用比例类似,6-8月和9月它们分别主要利用50～150 cm和10～50 cm土壤水;刺旋花则分别主要利用10～50 cm(4-5月)、25～150 cm(6-8月)和10～25 cm 土壤水(9月).两个沙冬青群落不同灌木的水分利用过程存在季节差异.干旱时,沙丘的沙冬青能够利用深层土壤水和部分地下水,而戈壁的沙冬青仅依赖深层土壤水,对降雨更加敏感.

乌兰布和沙漠东北段的防护林是保护东部河套平原农业生产的重要生态屏障,由于对人工造林研究缺乏重视,许多防护林体系中的林分有一定的衰退趋势.研究乡土树种人工栽培后的生态适应性,是指导人工防护林建设和可持续经营的重要举措.为了深入探究乌兰布和沙漠乡土树种人工栽培后的生态适应性,本文以 3种乡 土树种沙冬青(Ammopiptathus mongolicus)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)和蒙古扁桃(Prunus mongoli-ca)为研究对象,通过测定功能性叶片表皮形态、解剖结构、生理指标,结合当地气象数据,阐释3种植物对沙漠环境的适应机制.结果表明:3种植物分别以不同方式适应沙漠环境.沙冬青通过增大叶面积来增加受光面积、提高光合效率,利用密集的表皮毛和发达的角质层强化叶片机械防御能力,降低强光灼伤及水分蒸腾,维持细胞水分平衡,从而降低细胞膜脂过氧化.蒙古扁桃叶片簇生,通过增加叶片数量增加受光面积、提高光合效率,通过卷曲叶片躲避强光灼伤,通过特化气孔位置(将气孔全部分布于叶片下表面),利用发达的维管束、丰富的黏液细胞和晶体结构来降低水分蒸腾,维持细胞水分平衡,从而降低细胞膜脂过氧化.霸王叶片呈圆柱状条形结构,通过降低风阻,降低叶片遭受风沙流危害的概率,通过生理代谢调节提高叶片抗氧化物酶活性和渗透调节物质含量,维持细胞水分和活性氧代谢平衡.这些发现揭示了 3种植物在应对荒漠环境时所采取的不同的适应策略,为乌兰布和沙漠东北部乡土树种的引种驯化提供了新思路.

无定型碳酸钙对植物生长具有重要意义,草原-荒漠过渡区主要建群植物体内无定型碳酸钙含量特征目前尚不明确.本文测定了宁夏哈巴湖国家级自然保护区和宁夏吴忠市红寺堡区主要植物叶片碳酸钙含量.结果表明:草本植物碳酸钙含量之间有显著差异,而灌木碳酸钙含量之间没有差异显著;对于草本植物,演替初期建群植物沙蓬(Agriophyllum squarrosum)和猪毛菜(Salsola collina)、演替中期建群植物赖草(Aneu-rolepidium dasystachys)和白草(Pennisetum centrasiaticum)、演替后期建群植物长芒草(Stipa bungeana)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa),随进展演替,不同演替阶段植物碳酸钙含量逐渐降低;典型草原演替后期建群种体内碳酸钙含量显著高于荒漠草原演替后期建群种;油蒿(Artemisia ordosica)幼龄阶段叶片碳酸钙含量显著高于成龄和老龄阶段,沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)和紫穗槐(Amorpha fruticose)3种豆科灌木不同冠层部位叶片碳酸钙含量之间差异不显著.草原-荒漠过渡区不同演替阶段草本植物体内碳酸钙含量的显著变化是植物长期适应环境的结果.

枝干光合作用广泛存在于荒漠生态系统的木本植物中,增加了荒漠植物固碳能力.本研究以同一生境下胡杨、新疆杨、灰杨、梭梭、红果沙拐枣、头状沙拐枣、沙冬青7种荒漠木本植物为对象,采用Li-6400XT便携式光合仪结合特制光合叶室(P-Chamber),监测不同植物的枝干、叶片光合特征,分析枝干光合速率及其与叶片光合的关系,并对枝干功能性状指标[含水量、干物质含量、叶绿素含量、水势、非结构碳水化合物(NSC)等]进行测定,确定影响枝干光合的主要因素.结果表明:7种植物的枝干光合速率为0.72～1.71μmol·m-2·s-1,其中最大的为灰杨,最小的为梭梭,可抵消枝干呼吸释放CO2的57％～83％;7种植物的叶片光合速率为12.80～22.54 μmol·mr-2·s-1,其中梭梭和沙冬青叶片光合速率显著低于其他5种荒漠植物;枝干光合速率与叶片光合速率存在显著正相关关系;枝干水分利用效率是叶片水分利用效率的2.2～7.7倍;枝干叶绿素含量、NSC含量、枝干呼吸速率及叶片光合速率是影响枝干光合的主要因素.

采用便携式调制叶绿素荧光仪(Mini-PAM),于2015年生长季节对6种固沙树种:沙柳(Salix psammophila C.Wang et Ch.Y.Yang)、黄柳(Salix gordejevii Y.L.Chang et Sky.)、沙枣(Elaeagnus angustifoliaL.)、掌裂草葡萄(Ampelopsis aconitifolia var.glabra Diels)、紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)和沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus(Maxim.ex Kom.) S.H.Cheng)叶片叶绿素荧光动力学参数的日变化进行了测定,探讨其对土壤水分胁迫的响应.结果显示:量子产量(Yield)、相对光合电子传递速率(ETR)、最大量子产量(Fv/Fm)和非光化学淬灭系数(NPQ)的日变化呈单峰型,Yield、ETR和Fv/Fm值随着土壤体积含水量的降低而降低,NPQ随着土壤体积含水量的降低而增加,这意味着叶绿素荧光动力学参数可作为抗逆性评价的指标.Fv/Fm值变化量对土壤水分变化响应最为敏感,6种树种呈现沙冬青＞沙柳＞黄柳＞掌裂草葡萄＞紫穗槐＞沙枣的趋势,即旱生树种对土壤水分变化最为敏感,其次是中生或湿生树种.

于2015年7月在内蒙古乌海、磴口2个样地选取蒙古沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)及其伴生植物为研究对象,分别采集0-20 cm和20-40 cm土层根围土样,利用高通量测序方法分析了不同植物AM真菌群落结构和物种多样性,发掘新物种,为补充和完善AM真菌分类体系提供依据.试验共分离鉴定3纲5目6科9属89个AM真菌OTU,属包括Glomus,Funneliformis,Diversispora,Claroideoglomus,Rhizophagus,Septoglomus,Scutellospora,Ambispora和Paraglomus.与形态学研究结果相比,高通量鉴定结果在属水平上更丰富.同一土层不同样地,蒙古沙冬青AM真菌丰度和多样性指数高于伴生植物;同一土层不同植物,AM真菌丰度和多样性指数表现为磴口高于乌海;同一植物不同样地,AM真菌ACE指数和Chao1指数20-40 cm土层高于0-20 cm土层,Simpson指数和Shannon指数0-20 cm土层高于20-40cm土层.RDA分析表明,AM真菌ACE指数和Chao1指数与土壤碱解N显著正相关,与酸性磷酸酶显著负相关;Simpson指数和Shannon指数与碱性磷酸酶显著正相关,与pH显著负相关.结果表明,蒙古沙冬青AM真菌物种多样性高于伴生植物,同一样地,寄主植物与土壤深度共同作用对AM真菌群落组成有显著影响.

蒙古沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus (Maxim) Cheng.f)是中国西北荒漠区唯一的常绿阔叶灌木,具有很强的抗寒和抗旱等耐逆特性.本研究以蒙古沙冬青为研究材料,从中分离到1个编码MYB类转录因子基因,命名为AmMYB-like.该序列长度为1 678 bp,含有一个由1 557 bp组成的开放阅读框(open reading frame,ORF),编码518个氨基酸,具有R2和R3保守结构域,属于R2R3-MYB转录因子.荧光定量PCR分析结果表明,AmMYB-like在叶片中主要参与干旱胁迫应答,在根中主要参与低温及机械胁迫应答.构建了pPZP212-AmMYB-like植物表达载体,为进一步研究AmMYB-like的功能奠定了基础.

新疆沙冬青是中国荒漠地区代表性常绿阔叶植物,属于第三纪孑遗植物.其极强的逆境耐受性受到了研究者的广泛关注,但由于缺乏基因组序列,分子生物学研究水平进展缓慢.本研究对新疆沙冬青进行了基因组调查测序,共得到65 Gb大小的双端测序数据.结合基于K-mer分析和流式细胞分析的方法,预测基因组大小、杂合率和GC含量等特征,估计基因组大小为770～787 Mb.测序数据拼接构建得到contigs的N50为684 bp,总读长为0.538 Gb;进一步组装后scaffolds的N50为12.09 kb,总读长为0.602 Gb.对拼接数据进行SSR分子标记预测,共得到151858个SSR,其中二核苷酸重复单元比例最高为56.39％,在二核苷酸重复单元中,AT/TA组成形式占多数.本研究首次报道了荒漠植物新疆沙冬青的基因组特征,为后续基因组学研究提供参考.

利用RT-PCR方法,从强抗逆植物蒙古沙冬青克隆到1个受寒旱诱导的锌指蛋白基因AmRFP1.预测其编码蛋白由366个氨基酸残基组成,其中含有1个C3H2C3型锌指结构域,故属于RING-H2(C3 H2C3)型锌指蛋白.该蛋白还含有2个跨膜区,很可能定位于细胞质膜.半定量RT-PCR分析表明,在不同季节野外生长沙冬青植株嫩叶中,AmRFP1在夏季只有低水平表达,进入秋季后表达量明显增加,尤其在秋末冬初其表达量迅速增加并达到全年最高峰,但在进入最寒冷的隆冬后又回落至秋季水平并维持到翌年春季基本未变.将该基因在拟南芥中超表达,则明显降低了转基因拟南芥的抗冻性.

线粒体作为重要的细胞器,在植物进化适应过程中起着不可忽视的作用.抗旱耐寒常绿阔叶灌木沙冬青主要分布在我国西北荒漠地区,是第三纪孑遗植物,研究该植物线粒体基因组与长期进化适应的关系具有重要意义.然而,用常规的方法难以分离纯化获得沙冬青线粒体基因组DNA,限制了沙冬青线粒体功能基因组研究.该研究利用不连续蔗糖梯度密度离心和DNase I消化技术,成功获得了高纯度沙冬青线粒体DNA,该线粒体DNA的纯度和完整性满足建库的要求,为沙冬青线粒体基因组研究提供了技术支持,对其他植物线粒体基因组学研究也具有参考价值.