[00115089]植物干旱适应能力进化与形成研究

课题来源与背景： 我国北方地区降水少,多变、干旱频发,生态环境极度脆弱,植物在维持当地生态平衡发挥着重要的作用。深入认识植物的叶结构功能,气孔行为和水力适应机制对指导当地植被恢复具有重要意义。在国家自然科学基金《被子植物适应内蒙古和新疆北部降水分配模式的气孔调控类型、气孔气孔行为及水分利用策略》资助下,项目开展了相关研究。 研究目的与意义： 项目拟以被子植物为研究对象,以干旱胁迫和复水为研究手段,揭示被子植物适应内蒙古和新疆北部降水分配模式的气孔调控类型,基于气孔调控类型形成的气孔行为和水分利用策略。旨在深入认识被子植物适应两类降水分配模式的水分利用策略分异基础,完善进化过程中维管束植物抗旱性形成的理论体系。 主要论点与论据： 石松类、蕨类植物没有形成ABA诱导气孔关闭的信号通路;然而,裸子和木本被子植物具有完整的ABA诱导气孔关闭的信号通路。该研究认为ABA诱导气孔关闭的信号通路沿维管束植物类群演变“从无到有”“渐进”式进化,最终在树木中形成。遇干旱胁迫,石松类和蕨类植物的气孔对ABA不敏感,气孔仅随水势的下降同步关闭,伴随着光合速率随气孔的关闭同步降低,导致植物水分利用效率（光合速率/气孔导度）维持不变;而裸子和木本被子植物叶ABA含量迅速累积,诱导“过开放”的气孔（气孔开度大于最大光合速率所需）迅速关闭以减少蒸腾,但“过开放”气孔的关闭对光合的抑制甚微,促使植物的水分利用效率大幅提升,证实水分利用效率的提升沿维管束植物类群演变“由弱到强”“渐进”式进化。以我国从南到北沿降水递减分布,发现木本植物适应干旱生境的特征为：干旱生境分布种对水力优先分配,兼具增强的叶水导安全性和有效性来适应干旱生境;增强的叶水导安全性取决于其较高的叶外木质部水导安全性,后者又取决于较低的叶膨压损失点（πtlp）;增强的叶水导有效性取决于其较高的叶脉密度（VLA）、叶容（C*FT）和叶中脉木质部面积与叶面积之比（A）;但增强的叶水导有效性没有提升光合速率,植物的水力光合供给比显著增强。以“内蒙古”降水模式和“新疆北部”降水模式下分布的锦鸡儿属植物为木本植物模式种,发现旱后复水条件下,植物气孔开放缓慢。另外,干旱胁迫下“内蒙古”降水模式下的分布种乙烯释放速率低,复水后恢复快,气孔开放迅速;而“新疆北部”降水模式下的分布种与之相反,其气孔开放缓慢。 创见与创新： 1)研究认为沿维管束植物演变,气孔关闭提升水分利用效率的功能不具有保守性;从蕨类植物到裸子和木本被子植物,水分利用效率的提升“由弱到强”进化,这是不同进化类型植物竞争、依次替代的关键机制所在,是树木在陆地森林植被中占据“霸主”位置的基础。 2)研究发现干旱地区分布种具有优先分配的水力传导系统和显著提升的水力光合供给比,认为这些特征在缓冲旱生生境中VPD的剧烈变化、降低叶温、减轻木质部负压、避免栓塞和高效利用突发降雨等方面具有重要意义。 3)我们认为乙烯限制气孔的开放在木本植物中具有普适性,从而影响着植物的潜在分布,这是对现有理论的重要创新,是对旱后复水条件下植物气孔开放机理进行揭示做出的重要贡献。 社会经济效益,存在问题： 研究结果是对植物适应干旱生境水力策略的重要完善和拓宽,在从提高水力供给方向对树木进行定向育种,提升其干旱适应能力方面有重要应用价值。由于“内蒙古”和“新疆北部”降水模式下分布种恢复能力存在差异,我们建议在西北地区林地植被的恢复重建中,既要考虑植物的干旱抵抗力,也要考虑其旱后复水条件下的恢复力来选择物种。 历年获奖情况：无。