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.

以荒漠优势植物红砂2年生苗木为试材,采用盆栽试验和开顶式CO2控制气室模拟CO2浓度变化(350μmol/mol和700μ,mol/mol)研究了红砂生物量分配及碳氮特征对降水变化减少30％、减少15％、自然降水、增加15％和增加30％(-30％、-15％、0、15％、30％)的响应.结果表明:(1)CO2浓度上升显著性的促进红砂地上茎叶和地下的根生物量,降雨量增加或减少也显著性的促进或抑制了这一作用;CO2倍增时,红砂的地上生物量在降水增加30％时平均增加了61.28％(P＜0.05),而根生物量在降水增加或减少30％时均分别增加了84％(30％)和3.21％(-30％),这种响应导致红砂根冠比在降水减少时大于降雨量增加时,CO2倍增显著地抑制了这一作用.(2)CO2浓度上升显著性地促进了红砂根、茎、叶中的碳含量,显著性地抑制了红砂根、茎、叶中氮含量,降雨量增加或减少也显著性的促进或抑制了这一作用;这种响应导致红砂根、茎、叶的C/N在降雨减少30％时增加80.22％(根)、103.02％(茎)和199.88％(叶)(P＜0.05),在降雨增加30％时增加24.99％(根)、30.27％(茎0)和104.45％(叶)(P＜0.05),CO2浓度倍增显著性地促进了这一作用.(3)以上结果表明,未来全球CO2浓度升高时,在降雨量增加地区红砂因充足的碳源和水分而得以恢复;在降雨减少的地区,CO2的升高对降雨减少造成的干旱胁迫有一定的补偿作用,红砂则以较高的根冠比来维持其在荒漠生态系统中地位.

于2015年7月在甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区采集膜果麻黄(Ephedra przewalskii)、红砂(Reaumuria songarica)、合头草(Sympegma regelii)、泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)和珍珠猪毛菜(Salsola passerina)5种典型荒漠植物根际土壤样品,利用磷脂脂肪酸(PLFA)法结合Sherlock微生物鉴定系统分析了土壤微生物群落结构.结果表明,5种荒漠植物根际土壤微生物磷脂脂肪酸种类和组成差异显著,其中表征革兰氏阳性菌的18∶0 iso、16∶0 iso和17∶1 iso ω9c分别为红砂、珍珠猪毛菜特有表征放线菌的18∶1 ω7c 10-methyl仅在珍珠猪毛菜根际存在.总PLFAs、真菌、放线菌和真菌/细菌在珍珠猪毛菜中显著最高,革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌在膜果麻黄和珍珠猪毛菜根际显著高于其他植物,AM真菌在合头草根际有最高值.结构方程模型分析表明,与植物相比,土壤因子对微生物群落结构影响更为显著,其中易提取球囊霉素对放线菌有显著影响,土壤碱解氮是革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的主要影响因子.同时,土壤微生物群落结构可用于检测不同荒漠植物根际微环境土壤退化状况.

植物种间相互作用及其对环境胁迫的响应一直是物种共存和生物多样性维持研究的一个热点,从地下根系入手来探讨混生群落植物种间关系及其对环境胁迫响应的研究少见报道.该文以荒漠草原区(灵武)、典型荒漠区(张掖)和极端荒漠区(酒泉)3个不同生境条件下单生与混生红砂(Reaumuria soongarica)和珍珠猪毛菜(Salsola passerina)为实验材料,采用分层取样法对其垂直根系参数进行测定和分析,探讨了两种植物根系分布对混生及荒漠环境梯度的响应.结果表明:同一生境条件下,混生红砂和珍珠猪毛菜比根长和比表面积均高于单生,说明红砂、珍珠猪毛菜混生后其根系相互作用关系表现为互惠,促进了植株对土壤养分和水分的吸收.不同生境条件下,同一生长方式的红砂根系分布深度均大于珍珠猪毛菜,且根系消弱系数也普遍高于珍珠猪毛菜,说明二者在不同生境条件下占据不同生态位,红砂表现为深根性,根系位于土壤深层,珍珠猪毛菜表现为浅根性,根系分布于土壤浅层.随着荒漠环境胁迫增强,单生和混生红砂与珍珠猪毛菜的比根长和比表面积均呈现出极端荒漠区＞典型荒漠区＞草原荒漠区的规律,且生境越干旱,混生群落根系分离越明显;单生与混生红砂根系消弱系数也逐渐增大,在极端干旱区达到最大值,珍珠猪毛菜变化不大,表明红砂-珍珠猪毛菜混生群落根系生态位分离随荒漠环境胁迫增强而加大,验证了环境胁迫梯度假说.可见“地上聚生,地下分离”的混生方式可能是红砂-珍珠猪毛菜混生群落适应干旱胁迫环境的生长策略.

植物种群的空间分布格局及关联性是研究种群扩散、群落演替及生物与环境因子相互作用的重要手段.该研究以甘肃省皋兰县老虎台干旱荒漠区的主要物种——红砂(Reaumuria songarica)和西北针茅(Stipa sareptana var.krylovii)为对象,采用Ripley K函数分析了不同坡向红砂和西北针茅种群的点格局特征及其关联性,以揭示干旱荒漠区植物演替过程中优势种群之间的竞争关系和生存繁衍策略.结果表明:(1)红砂和西北针茅在4个坡向上的分布格局具有显著差异性,随着坡向由西北坡向南坡的转变,红砂种群的株数、盖度及重要值先增加后降低,西北针茅种群则不断增加;西北坡向上,红砂种群的空间格局在0～2.1 m尺度上呈聚集分布,随着尺度的增加聚集强度减弱并趋向于随机分布,而西北针茅种群在整个尺度内均呈聚集分布;西坡坡向上,在整个研究尺度内,红砂种群表现为随机分布,而西北针茅种群表现为聚集分布;西南坡向上,红砂种群在0～3.7 m尺度上表现为聚集分布,3.7～5 m的尺度上表现为随机分布,西北针茅种群在0～1 m及4.2～5 m尺度上表现为随机分布,1～4.2m尺度上表现为聚集分布;南坡坡向上,在整个研究尺度内,红砂种群表现为聚集分布,西北针茅种群表现为随机分布.(2)在西北坡与西坡坡向上,红砂和西北针茅种群的空间关联性在小尺度上均表现为负相关关系,随着研究尺度的增大,种间关联度均趋向于不相关;在西南坡与南坡坡向上,两物种在整个尺度范围内均表现为无关联性.

探究盐胁迫对红砂种子萌发及萌发后生长和生理生化指标的影响,为解析红砂萌发期耐盐机制及后续研究提供数据支撑.以盐生植物红砂种子为试验材料,NaCl溶液模拟盐胁迫,研究不同浓度NaCl(0、50、100、150、200、300和400 mmol/L)处理下,红砂种子萌发及萌发后根长、株高、生理生化指标的变化趋势.结果显示:(1)与对照相比,50 mmol/L处理的红砂萌发率升高,植株根长、株高显著增加;随着处理浓度的升高,红砂的萌发时间推迟,萌发率减少,盐害率增加,根长、株高下降显著.当盐浓度增加到400 mmol/L时,红砂不能萌发,但仍保持萌发活力,400 mmol/L胁迫35 d的未萌发种子经复萌处理后,相对萌发率为105.43％.(2)随着NaCl浓度的增加,红砂中的丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)含量显著增加,过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性呈现不同程度的增加.(3)分别以相对萌发率、植株全长下降到对照的50％ 为标准,确定红砂的萌发耐盐阈值为273 mmol/L,最适盐浓度为45.78 mmol/L;萌发后生长耐盐阈值为388.19 mmol/L,生长最适盐浓度为50.59 mmol/L.红砂可在胁迫环境下长期保持萌发活力,待萌发条件适宜时,可快速集中大量萌发;红砂生长阈值浓度大于萌发阈值浓度,说明萌发期是其在盐胁迫下完成生活史的关键时期;随着盐浓度的增加,红砂的生长受到不同程度的抑制,植株在一定胁迫程度内可通过提高POD、SOD活性清除MDA,增加Pro含量从而减少胁迫危害,以维持正常的生理代谢.

黄酮类物质代谢在植物抵御和适应紫外线B(UV-B)辐射变化过程中扮演重要角色.花青素作为类黄酮的一种,具有重要的药用价值和营养价值,UV-B辐射增强会诱导其合成.本文总结了近年来UV-B辐射诱导植物花青素合成的研究结果,对UV-B辐射对花青素合成的苯丙氨酸代谢、类黄酮代谢和花青素代谢阶段的影响进行归纳,发现UV-B辐射通过诱导植物结构基因和调节基因的表达调控花青素的合成.在UVR8受体接收UV-B信号后,转录因子MYB、bHLH、WD40激活PAL、CHI、CHS、F3H、DFR、ANS、UFGT等结构基因的表达.UV-B诱导拟南芥、甘蓝、水稻、红砂、莴苣、茄子、葡萄等植物中结构基因和调节基因的表达上升,促进花青素苷合成.通过研究UV-B辐射对植物花青素含量以及代谢途径的影响,为花色素的研究和开发提供新思路.

非结构性碳水化合物(NSC)在植物体内的含量及分配对植物生长和存活至关重要.开展氮沉降和降雨变化对幼苗NSC影响的研究,为揭示干旱导致幼苗死亡机理及预测气候变化背景下幼苗自然更新及培育提供依据.本研究以1年生红砂幼苗为对象,测定了不同降雨(降雨减少(W-)、自然降水(W)和降雨增多(W+))和氮添加(N0(0 g N·m-2·a-1)、N1(4.6 g N·m-2·a-1)、N2(9.2 g N·m-2·a-1)、N3(13.8 g N·m-2·a-1))条件下红砂幼苗各器官NSC及其组分含量.结果 表明:红砂幼苗各器官NSC含量为28.8～71.8mg·g-1,叶片含量最高,茎含量最低.氮添加和降雨变化对红砂幼苗叶片和根系淀粉及总NSC含量有显著影响,而对茎无显著影响.各降雨条件下,氮添加均促进了红砂幼苗叶片淀粉和总NSC累积,在降雨增加30％的条件下氮的促进效应更显著,中高氮(N2和N3)叶片淀粉与总NSC含量显著高于低氮水平(N1和N0);在低氮降雨减少30％(N1W-)处理下,红砂叶片淀粉和NSC含量最小,而根系淀粉和NSC含量最大,即低氮干旱胁迫下红砂可通过NSC在不同器官的重新分配来适应胁迫环境.在自然降雨和降雨增加30％情况下,根系淀粉和NSC的含量随氮添加的增加而减小,且中高氮处理(N2和N3)显著低于对照(N0).可见,叶片是红砂NSC的源,氮添加会促进红砂幼苗叶片NSC的累积,且这种促进效应与水分紧密相关,在降水增加情况下其效应更显著;而过量的氮添加会抑制根系NSC含量的积累,在低氮干旱胁迫下红砂也可通过叶片NSC向根系转移来适应逆境胁迫.

以荒漠Cs植物红砂(Reaumuria soongarica)和C4植物珍珠(Salsola passerina)为材料,在西北干旱荒漠区沿自然降水梯度,对不同降水条件下单生和混生红砂与珍珠根、茎、叶器官碳、氮、磷化学计量指标进行测定,分析其在不同生境下化学计量特征对种间关系及环境胁迫的响应规律.结果 表明:(1)随干旱胁迫程度增加(降水量的减少),红砂各器官C含量平均升高7.73％,N、P含量分别平均降低6.20％、10.61％;珍珠各器官C含量平均升高7.36％,N、P含量分别平均降低5.93％、14.03％.两种植物叶片C含量升高表明其光合速率较低,生长缓慢,但对外界不利环境的防御能力增强,能更好地适应干旱环境.(2)干旱胁迫改变了红砂和珍珠的N、P含量在各器官的分配模式,两种植物N、P含量在叶部高于根部,在根、叶中N/P明显高于茎,表明两种植物不同器官受到的养分限制不同.(3)红砂各器官C、N、P含量高于珍珠,说明红砂防御能力较强,生长速率高,对资源的竞争和利用能力较珍珠强;珍珠C/N和C/P均高于红砂,表明珍珠比红砂有较强的碳同化能力和较高的营养利用效率.(4)在干旱胁迫条件下,红砂和珍珠均表现为碳素积累、氮磷素限制的格局,它们对于氮和磷的养分利用不活跃,受到氮和磷养分的限制较为均衡.

以乌拉特荒漠草原红砂(Reaumuria soongorica)灌丛林地作为研究样地,分别于2018年春季、夏季和秋季,利用国际通用的陷阱诱捕法,调查了地面节肢动物群落季节动态分布特征及其与环境因子间的关系.结果 显示:(1)3个季节内共捕获地面节肢动物560只,隶属于10目23科.其中,春季优势类群为拟步甲科,夏季为拟步甲科和蚁科,秋季为拟步甲科,其个体数分别占总个体数的51.54％、59.11％和64.88％;常见类群春季和夏季均有8类,秋季有10类,其个体数分别占总个体数的43.08％,37.33％和32.68％;稀有类群春季有7类,夏季有6类,秋季有3类,其个体数分别占总个体数的5.38％、3.56％和2.44％.(2)3个季节内生物量占比超过10％的地面节肢动物类群仅有拟步甲科,春季、夏季和秋季其分别占群落总生物量的88.59％、72.56％和80.90％;1％-10％的地面节肢动物类群生物量,春季、夏季和秋季其分别占群落总生物量的9.76％、25.51％和17.78％;小于1％的地面节肢动物类群生物量,春季、夏季和秋季其分别占群落总生物量的1.62％、1.94％和1.32％.(3)随季节变化,地面节肢动物的密度、类群数、Shannon-Wiener指数和Simpson指数均存在显著差异性(P＜0.05),表现为夏季显著高于春季或秋季.(4) RDA和Spearman相关分析结果表明,降雨量、气温、土壤含水量、土壤pH和电导率及土壤粒径组成是地面节肢动物季节分布的重要影响因素.研究表明,随着季节更替乌拉特荒漠草原红砂灌丛林地地面节肢动物群落组成季节分布差异性较大,夏季地面节肢动物多样性较高,而且不同类型环境因子对于地面节肢动物的个体数分布影响不同.