臭氧胁迫对植物主要生理功能的影响

近年来,由于光化学反应的臭氧前体增加,全球植物受对流层臭氧(O3)胁迫的程度越来越严重。臭氧污染被认为是造成东欧、西欧和整个美国的大片森林衰退和枯死的主要原因。臭氧胁迫严重影响植物叶片对光能的利用,通过气孔限制和非气孔限制,导致其光合速率的降低,影响光合产物的产量。臭氧对植物的影响与植物体内代谢物质的积聚量紧密联系。臭氧胁迫引发植物的各种防御保护机制,刺激抗氧化系统,影响膜系统,改变其体内碳和矿质养分的吸收并引起它们的重新分配,诱导其基因表达的深层变化。为了适应臭氧胁迫环境,植物通过生理生化机制的调节来保证其生命活动。如细胞通过调节渗透物质的含量来保持渗透势的平衡;细胞内各种抗氧化酶活性增加,以清除自由基,避免或者减轻细胞受到伤害;改变代谢途径以保持能量储备和降低代谢速率。可见,生态环境对生物进化具有重要影响。这个观点将在臭氧胁迫对植物生理的影响中得到证实,也是生物进化论的另一种证据。综述了臭氧对光合生理、呼吸代谢、抗氧化系统、膜系统、矿质养分的吸收和分配与分子生理等主要生理功能的影响,并提出臭氧胁迫对植物生理影响的今后研究方向与未来研究热点是:(1)加强在植物个体和群落水平上臭氧胁迫对植物生理影响的研究;(2)臭氧影响下植物的基因调控和相关信号传递网络系统的机理;(3)通过分子标记、基因图谱、基因组学和转基因技术等方法研究选育适应臭氧胁迫环境的植物;(4)尽可能在接近自然条件的环境中开展研究;(5)臭氧胁迫对亚热带和热带森林及其树种主要生理功能影响的研究;(6)建立模型评估臭氧对植物的影响。     

臭氧与干旱对植物复合影响的研究进展

地表臭氧(O_3)浓度和干旱频率的持续增加成为限制植物生长的重要因素。O_3通过气孔扩散进入植物组织内部,产生并积累活性氧(ROS)自由基,促发细胞程序性死亡。干旱破坏植物抗氧化系统对ROS的解毒和修复功能,导致ROS累积。两种胁迫对植物的影响都是积累ROS并引发氧化胁迫,使植物的光合作用和生理代谢机能受到限制,最终阻碍植物生长,导致生物量降低。然而,O_3和干旱胁迫对植物的复合效应可能是协同加重植物损伤,也可能是拮抗减轻植物伤害,二者的交互影响存在复杂的作用过程。一方面,O_3引起气孔响应滞后甚至失灵,使植物对于两种胁迫的响应变得迟钝,进而加重植物的蒸散失水和O_3毒害。另一方面,干旱使植物气孔关闭,从而降低对O_3的吸收量和水分蒸发,但长期干旱限制CO2的吸收,最终导致植物的生长受限。植物的响应过程不仅取决于两种胁迫作用的先后次序和持续时间,而且受到植物本身生理代谢差异的影响。该文结合国内外研究,从气孔、光合碳代谢、抗氧化系统和生长发育等方面阐述了O_3和干旱胁迫对植物代谢调节和生长发育的复合影响,并提出了未来研究的发展方向。     

臭氧与其他环境因子对植物的交互作用

随着城市化进程加速,近几十年来全球范围内对流层的臭氧(O3)浓度持续增加,臭氧对植物的影响引起广泛关注。植物受到臭氧胁迫后,生理生化和形态上出现一系列变化。但臭氧对植物的影响受大气、土壤和光照条件的影响很大。全球气候变化和极端气候常态化使得臭氧和环境因子的交互作用大大增加,因此,臭氧和其他环境因子交互作用的实验条件更接近自然环境条件。这些交互作用很大程度上取决于植物种类、臭氧浓度、胁迫时间、植物对这些环境因子的敏感性以及具体的气候条件。本文综述了臭氧与二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、酸雨、氮(N)素、干旱、光照和紫外辐射(UV-B)的交互作用对植物的影响,探讨了臭氧与其他环境因子对植物的交互作用机理,并提出未来的研究热点是臭氧与其他环境因子交互作用对植物地下部分及根际影响、植物根系及其功能变化与根际过程相互影响的机制研究,不同气候条件下,各种类型森林对臭氧和其他环境因子交互作用的响应,臭氧与气候、大气和重金属污染物的交互作用,与低温等逆境的交互作用对植物的影响,从而找出逆境状态下生物进化的若干规律,为合理筛选抗臭氧污染的植物提供参考,对于改善生态环境具有重要意义。     

NO在植物生长发育和环境胁迫响应中的作用

一氧化氮(NO)是具有生物活性和信号转导作用的气体活性分子,它不仅对植物的许多生命活动如种子萌发、生长和衰老等具有直接的生理调节功能,而且作为防御反应中的关键信使,参与了植物对外界环境胁迫的响应,如干旱胁迫、热胁迫、盐胁迫、UV-B辐射、臭氧胁迫、重金属胁迫、机械损伤以及植物抗病反应。NO与各种激素如乙烯、脱落酸、水杨酸、生长素和细胞分裂素等,在调节植物的生理活动与信号转导方面有明显的协同作用,通过激素起作用可能是植物内源NO作用的机理之一。探明在正常生长状况下植物内源NO对植物生长发育的调控机制及其参与信号转导的生理机制是目前研究的重点。     

盐碱胁迫下枸杞和柽柳的水力学特性和碳代谢

盐碱胁迫是全球范围内重要的非生物胁迫形式之一,但目前对植物水力学特性和碳代谢应对盐碱胁迫响应的研究还不多。本研究以耐盐碱植物枸杞（Lycium chinense Miller）和柽柳（Tamarix chinensis Lour.）为对象,测定不同盐碱程度下两种植物的枝条水势和导水损失率（PLC）、叶片光合作用和气孔导度、不同部位的非结构性碳（NSC）浓度以及植株生长情况。结果显示,重度盐碱胁迫显著降低了两种植物凌晨和正午水势、光合速率和枝条PLC,重度胁迫下柽柳的光合速率、气孔导度和枝条PLC下降程度均大于枸杞,重度盐碱胁迫下枸杞不同部位的NSC浓度均显著降低,但柽柳的地上部分NSC浓度显著增加,根部NSC浓度显著减低。两种植物有不同的应对盐碱胁迫策略,枸杞有较强的气孔调节能力,对水力结构的维持有利,但会限制碳摄取,柽柳气孔调节能力弱,水力结构易受影响,但对碳平衡维持有利。     

碳稳定同位素技术在植物水分胁迫研究中的应用

植物体的碳稳定同位素组成主要由植物本身的生物学特性决定 ,但环境胁迫对其影响也十分明显。综述了碳稳定同位素技术在研究植物水分利用效率、生物量高低及判断历史气候依据等研究领域的进展 ,阐明了植物体的 δ1 3C值对干旱、盐分及其它环境因素的变化所引起的水分胁迫的响应 ,并对碳稳定同位素对水分胁迫的响应机理进行了归纳和推断     

臭氧胁迫对水稻生长以及C、N、S元素分配的影响

采用开顶式气室(Open-top Chamber, OTC),对水稻"3694繁"(Oryza sativa L., 3694 Fan)在浙江嘉兴进行田间原位臭氧(O₃)熏气实验,研究不同臭氧浓度熏气对水稻生长以及C、N,S元素分配的影响。实验设置分4个水平:过滤大气组(CF,10 nL/L)、自然大气组(NF,40 nL/L)和两个不同浓度的臭氧处理组(O₃-1:100 nL/L; O₃-2:150 nL/L)。主要结果表明:(1)开始臭氧熏气时,各个处理组单茎水稻各组分生物量没有差异. 在熏气后期(水稻成熟期),臭氧处理使单茎水稻根、茎和穗生物量显著下降,根冠比降低,株高显著降低,表明臭氧胁迫增加水稻地上部分的干物质分配,且对株高的影响可能大于对地上生物量的影响;(2)臭氧处理使水稻根和茎C元素含量下降,叶C元素含量上升,表明臭氧胁迫提高了叶片中碳分配,而降低了根和茎的碳分配;(3)各个组分N元素含量上升和碳氮比下降;(4)茎、叶和穗S元素含量上升,可能会增强水稻抗氧化系统的作用,从而抵抗臭氧胁迫。所有实验结果表明臭氧浓度升高会对水稻生长产生严重不利影响,从而导致水稻各个组分的C、N、S元素分配格局发生改变。     

植物水淹适应与碳水化合物的相关性

水淹会对陆生植物存活造成本质影响, 特别是完全水淹对陆生植物的影响更为明显。水淹对陆生植物最为主要的影响是氧气不足, 这主要是由氧气在水中的扩散速率较低引起的。同时, 在水淹胁迫下植物对光和CO₂的获取都会受到限制。所有这些因素都将引起植物生物量减少, 最终导致受淹植物死亡。碳水化合物是植物的能量来源, 与植物在水淹胁迫下存活与否有着密切联系。植物水淹适应性与碳水化合物的相关性主要体现在两大方面: 在生理形态层面, 植物通过伸长生长或抑制伸长生长、地上和地下部分碳水化合物的分配比例不同来应对水淹胁迫; 在另一个层面, 植物通过改变激素、酶和基因的表达, 调整碳水化合物的代谢方式, 从而适应水淹环境。该文结合国内外研究现状, 通过对植物在水淹胁迫下生理形态、激素、酶及基因表达诸方面的变化来认识水淹耐受性与碳水化合物的关系, 并就今后的研究方向提出几点建议。     

紫外线-B辐射对植物DNA及蛋白质的影响

大气平流层中的臭氧衰减,导致太阳辐射中的紫外辐射量有明显的增加,其中UV-B辐射对植物会产生不同程度的影响。分子生态学理论认为,UV-B辐射对植物造成的损伤,首先伤害植物的生物大分子,即进行光化学修饰。本文就臭氧衰减对生态环境和植物的影响途径进行了讨论,重点论述了UV-B辐射对植物蛋白质合成的抑制和DNA的损伤修复途径。并应用分子生物学技术研究植物对UV-B辐射的抗性机理和DNA修复技术的前景进行了展望。     

6种草本植物对干旱胁迫和CO2浓度升高交互作用的生长响应

以CO2浓度升高为主要标志的全球气候变化及由其引起的极端气候变化对陆地生态系统产生了重要的影响。利用步入式CO2生长室模拟研究了CO2浓度变化(400和700μL/L)和干旱胁迫(水分充足CK:100%FC(田间持水量);中度干旱MS:40%FC;重度干旱SS:20%FC)的交互作用对草本植物网果酸模(Rumex chalepensis)、野豌豆(Vicia sepium)、泥胡菜(Hemmistepta lyrata)、风轮菜(Clinopodium chinense)、藜(Chenopodium album)和玉米石(Sedum album)生长特性的影响。结果表明:CO2浓度升高总体上刺激了网果酸模、野豌豆、泥胡菜、风轮菜和藜这5种C3植物在任何水分条件下的生长,也刺激了玉米石在水分条件较好下的生长;干旱胁迫总体上抑制了所有6种植物的生长,但中度干旱胁迫有刺激CAM植物玉米石生长的趋势。CO2浓度升高能否缓解干旱的负面影响具有明显的种间差异:CO2浓度升高减缓了干旱胁迫对泥胡菜和风轮菜的负面影响,这种缓解作用在网果酸模和野豌豆中显著降低,对藜没有明显的促进作用,对干旱下的玉米石的生长却起到了抑制作用。CO2浓度升高总体上增加了根质量分数和干物质含量;干旱胁迫明显提高了6种草本植物的根生物量的分配比例,降低了干物质含量;但CO2浓度升高和干旱胁迫的交互作用可导致不同的物种产生不同的响应,说明植物能够通过调节生物量分配和植株本身的水分含量保持能力来适应CO2浓度和干旱胁迫的交互影响,这种调节能力取决于植物在碳的吸收和水分散失之间的平衡"trade-off"。研究结果有助于增进草本植物对未来气候变化的适应性理解,为评估和预测全球气候和水文变化对植物的生理生态影响提供理论依据。     

采煤沉陷裂缝区土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光的响应

采煤塌陷引起的土壤环境因子的变化对矿区植物生长的影响越来越受到人们的关注,快速叶绿素荧光诱导动力学分析技术被称为植物受胁迫状态的有效探针,能够快速获取胁迫下光系统II光化学活性和电子传递的信息。研究采煤塌陷裂缝区植物叶片叶绿素荧光的变化是揭示煤炭开采塌陷胁迫对植物个体生长影响的关键环节,能为大尺度下采煤沉陷区植物损伤机理研究提供基础。对于黄土高原半干旱矿区,土壤水分无疑是植物生长最重要的限制因素,而植物叶片叶绿素荧光变化采煤塌陷影响下土壤含水量变化的响应如何尚不清楚。为了弄清采煤沉陷裂缝影响下土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光响应的影响,选取神东煤田大柳塔矿区52302工作面为实验场地,在分析了采煤塌陷裂缝对土壤含水量的影响的基础上,以生态修复物种柠条为研究对象,对采煤塌陷裂缝区不同土壤含水量下柠条叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线进行监测。结果显示:(1)由于煤炭井工开采在地表形成大量裂缝,破坏了土体结构,增加了土壤水分的蒸发面,加速了土壤水的散失。土壤水分含量随着与裂缝之间距离的增加而增加,从距离裂缝0 cm到300 cm,土壤平均含水量从5.63%增加到15.07%;(2)裂缝区土壤水分降低,柠条受到干旱胁迫程度加重,叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线由O—J—I—P变形为O—K—J—I—P曲线。干旱胁迫通过干扰柠条叶片PSII电子供体侧、受体侧以及电子传递链的功能,严重的损害了柠条叶片光合机构的正常功能。     

环境胁迫下植物MAPK多叠级联响应

植物MAP(mitogen-activated protein)激酶涉及植物的生长发育、对内源和外界环境刺激的反应.MAP激酶能将胞外感受器引起的刺激传递到胞内引起细胞的反应.拟南芥(Arabidopsis thaliana)作为模式植物,其全部的MAP激酶已经列出并进行了分类.根据已分类的拟南芥MAP激酶家族,已经分离出大量的MAP激酶基因,并将它们进行分类,发现它们大多能被包括病原、创伤、温度、干旱、盐、渗透、紫外线辐射、臭氧和活性氧等胁迫刺激激活.通过研究在不同环境胁迫下的功能和信号路径,发现植物MAP激酶信号传递系统是复杂且相互交错的.需要开发一些新的工具和策略去阐明MAPK信号传递路径,以及如何利用MAPK系统去改善农作物对生物和非生物胁迫的抗性.     

内生真菌提高植物抵御盐胁迫的研究进展

土壤盐渍化日趋严重,盐害已成为植物生产中严重的生境胁迫。因此,土壤盐渍化问题的研究成为近年来的热点。盐胁迫主要造成植物对土壤水分和养分吸收障碍。研究发现,植物内生真菌能在盐胁迫下促进植物对土壤养分和水分的吸收,缓解盐胁迫带来的伤害,从而提高植物生物量,维持植物生长和群体结构。本文从提高植物抵御盐胁迫的内生真菌的发掘、内生真菌对植物抵御盐胁迫的影响以及内生真菌的研究前景和目前存在的相关问题进行探讨和综述,期望能为发现和利用协助植物抵御盐害的微生物资源提供参考和依据。     

外源甜菜碱对干旱/盐胁迫下的小麦幼苗生长和光合功能的改善

本文用甜菜碱溶液浸种,研究了外源甜菜碱对干旱/盐胁迫下的小麦幼苗的生长状况和叶片光合转能的影响。结果表明,外源甜菜碱能使干旱/盐胁迫下的小麦幼苗地上部和根部的干重和含水量增加,使叶片叶绿素a荧光诱导动力学参数Fv/Fo, Fv/Fm和qP增高,qN降低,说明外源甜菜碱有利于植物对光能的捕获和转换,明显促进植物生长,降低干旱/盐胁迫对植物的抑制作用。     

不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对水稻光合作用、物质生产和产量的影响

近地层臭氧浓度升高使水稻生长受抑进而使产量下降,但这种影响是否因不同栽培条件而异尚不清楚。2011年依托先进的稻田臭氧FACE(Free Air gas Concentration Enrichment)技术平台,以汕优63为供试材料,臭氧设置大气臭氧浓度(Ambient)和高臭氧浓度(比Ambient高50%),秧苗素质设置弱苗(移栽时无分蘖)和壮苗(移栽时带两个分蘖),移栽密度设置低密度(16穴/m2)、中密度(24穴/m2)和高密度(32穴/m2),研究不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对水稻生长和产量的影响。结果表明:高浓度臭氧使水稻结实期叶片SPAD值、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率明显下降,但胞间CO2浓度和叶温无显著变化。高浓度臭氧对水稻拔节前物质生产量没有影响,但使拔节至抽穗期、抽穗至成熟期物质生产量平均分别降低13%和29%,进而使成熟期生物产量和籽粒产量均显著下降。方差分析表明,臭氧与秧苗素质间没有互作效应,但臭氧与移栽密度的互作对最终产量的影响达显著水平。以上结果表明,臭氧胁迫使水稻生长后期光合受阻,导致物质生产和产量显著下降;适当增加移栽密度可能会减少臭氧胁迫下水稻产量的损失。     

地表臭氧和土壤水分亏缺对植物的交互效应研究进展

全球气候变暖背景下,地表臭氧浓度上升,干旱化趋势明显。本文简要介绍了地表臭氧和土壤水分亏缺对地表植被和农作物的胁迫效应,重点评述了其交互作用下自然植被和农作物的气孔响应及抗氧化响应特征,理清了土壤水分亏缺条件下臭氧对植物的伤害效应,因植物种类和小麦品种的不同而得出两种相反的结论:一种观点认为,干旱导致脱落酸增加,从而诱导气孔关闭,减轻臭氧伤害效应;而另一种观点认为,臭氧促进乙烯合成,出现气孔呆滞行为,干旱保护作用缺失。同时,综述了土壤水分亏缺条件下臭氧胁迫效应评估方法的发展,理清了开展土壤水分亏缺与臭氧交互效应评估方法的研究思路。最后,提出了加强交互效应研究的可能研究方向和途径。     

植物应对干旱胁迫的阶段性策略

干旱是影响植物生存、生长和分布的最重要的非生物胁迫之一,全球暖干化将加剧干旱胁迫.植物对干旱胁迫的响应和适应机制一直是
学术研究的热点领域.本文综述了植物应对干旱胁迫的生长和生理响应,在已有的研究结果基础上,提出了植物应对干旱胁迫的阶段性响应策略.从干旱开始到干旱致死,植物经历了干旱开始-轻度干旱-中度干旱-严重干旱-极端干旱5个阶段,分别对应着应激响应-主动适应-被动适应3种响应方式和适应机制.不同阶段中植物抗旱机制的核心任务不同.最后提出了研究植物阶段性响应策略需要解决的关键科学问题及研究方向.     

外源甜菜碱对干旱／盐胁迫下的小麦幼苗生长和光合功能的改善

本文用甜菜碱溶液浸种,研究了外源甜碱对干旱／盐胁迫下的小麦幼苗的生长状况和叶片光合转能的影响,结果表明,外源甜菜碱能使干旱／盐胁迫下的小麦幼苗地上部和根部的干重和含水量增加,使叶片叶绿素a荧光诱导动力学参数Fv/Vo,Fv/Fm和qP增高,qN降低,说明外源甜菜碱有利于植物对光能的捕获和转换,明显促进植物生长,降低干旱／盐胁迫对植物的抑制作用。     

O3浓度升高对植物活性氧代谢系统影响的研究进展

为了揭示臭氧（O3）浓度升高对植物活性氧代谢系统的影响机理,从代谢生理角度,总结了近年来国内外关于臭氧浓度升高对植物活性氧自由基代谢速率、细胞膜脂过氧化程度、抗氧化系统及生物量和产量影响的研究进展,同时,就臭氧浓度升高与二氧化碳浓度升高的复合作用对植物活性氧代谢系统的影响,及阐明二者相互作用对植物抗氧化系统影响机理的研究进行了综述。在此基础上指出在未来研究中,要在分子水平上进一步深入研究植物活性氧代谢系统对高浓度臭氧、二氧化碳复合作用的响应机理,并应加强高浓度二氧化碳对臭氧胁迫下植物抗氧化系统影响的研究,为解决如何减轻臭氧浓度升高对植物造成的氧化伤害提供基础理论依据。     

外源亚精胺对盐胁迫下马铃薯幼苗生长和生理生化特征的影响

盐胁迫是影响作物生长的主要非生物胁迫类型，引起离子毒害和渗透胁迫，导致植物生长减弱、失绿、萎蔫甚至死亡。前期研究表明，适宜浓度的外源亚精胺能够缓解盐胁迫条件下植物叶片受损伤程度，提升生物膜抵抗盐离子伤害的能力，促进植物生长。该试验采用营养液培养法，以100mmol·L-1、200mmol·L-1、300 mmol· L-1NaCl溶液模拟不同盐胁迫程度，以中度耐盐品种晋薯16号、轻度耐盐品种冀张薯12号为试材，当马铃薯脱毒幼苗长至 4～5 片真叶时，连续叶面喷施0.9mmol·L-1外援亚精胺 7 d，2次/d。分析叶面喷施外源亚精胺（Spd）对不同盐胁迫程度条件下马铃薯幼苗生长、叶片抗氧化酶活性、渗透调节物质含量的影响。结果表明：（1）叶面喷施Spd缓解了盐胁迫对幼苗生长的抑制作用，提高了叶绿素含量和根系活力，提升超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、抗坏血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)等抗氧化酶活性，以及脯氨酸、可溶性糖、氨基酸含量；（2）200 mmol· L-1NaCl胁迫条件下，Spd对“晋薯16号”缓解作用最显著。研究表明Spd通过提高马铃薯幼苗根系活力、叶绿素含量、抗氧化酶活性、渗透调节能力，提高马铃薯幼苗对盐胁迫的适应性，促进马铃薯幼苗生长。