Interactive effects of ozone and drought stress on plants: A review北大核心CSCD

Ground-level ozone (O3) and drought are two key factors limiting plant growth. O3 can enter into the plant tissue through the stomata, then causing the formation of reactive oxygen species (ROS) which inspires programmed cell death. Drought usually induces the accumulation of ROS due to damage to antioxidant systems of plants. The effects of two kinds of stress on plants are similar due to the accumulation of ROS, resulting in reduced photosynthesis rate and physiological metabolism, eventually decreased plant growth and biomass. Nevertheless, O3 and drought interacts synergistically to accumulate detrimental effects or antagonistically to reduce harmful effects. Actually, it is complex interactive process between O3 and drought. On the one hand, O3 triggers stomatal sluggishness or even dysfunction, which exacerbates water transpiration of leaves, water loss from plants and further O3 phytotoxicity. On the other hand, drought induces stomatal closure, and thus protecting plants against the O3 influx and evaporation of water. However, prolonged drought could limit the uptake of CO2 and thus result in reduced plant growth. The response of plants to both O3 and drought not only depends on the occurring sequence and duration of any factor but also rely on the difference in physiological metabolism of the plant itself. The interactive effects of O3 and drought on stomatal characteristics, photosynthetic carbon mechanism, antioxidant response and growth development are reviewed in this paper and the aspects to be further studied are also suggested.     

地表臭氧浓度升高与干旱交互作用对杨树非结构性碳水化合物积累和叶根分配的短期影响

人类活动加剧和全球变化导致植物在生长季同时受到高浓度地表臭氧(O₃)和干旱的双重胁迫。为了探究两者对植物非结构性碳水化合物(TNC)积累和分配的影响, 该实验采用开顶式气室研究了2种O₃浓度(CF, 过滤空气; NF40, NF (未过滤空气) + 40 nmol·mol ^-1 O₃)和2个水分处理(对照, 充分灌溉; 干旱, 非充分灌溉)及其交互作用对杨树基因型‘546’ (Populus deltoides cv. ‘55/56’ × P. deltoides cv. ‘Imperial’)叶片和细根中TNC及其组分(葡萄糖、果糖、蔗糖、多糖、总可溶性糖和淀粉)含量的影响。结果表明: O₃浓度升高显著降低杨树叶片中淀粉和TNC的含量, 增加葡萄糖、果糖和总可溶性糖含量, 但对细根中淀粉和总可溶性糖含量的影响不显著。干旱胁迫显著增加细根中果糖和多糖含量, 降低蔗糖含量, 但对叶片中淀粉和总可溶性糖含量的影响不显著。充分灌溉下O₃浓度升高显著增加了杨树叶片多糖和总可溶性糖含量, 而干旱下O₃浓度升高显著增加了TNC含量的根叶比。该研究结果发现O₃主要影响叶片中TNC及各组分的含量, 而干旱主要影响细根中TNC及各组分的含量。从杨树叶片TNC的响应来看, 适度的水分限制有助于减缓O₃的负面伤害。     

Effects of drought-rewatering-drought on photosynthesis and growth of maize

Aims Our objective was to investigate the responses of maize photosynthesis and growth to repeated drought.Methods Maize seedlings were exposed to different soil water deficit for three weeks, then rewatering for one week, and again to different water deficit for three weeks, to examine the effects of repeated drought on photosynthesis and growth.Important findings After the first water deficit treatments, under severe drought, plant height, total leaf area of individual plant, shoot and root biomass declined significantly, also transpiration rate (T_r), stomatal conductance (G_s), intercellular CO₂ concentration (C_i), net photosynthetic rate (P_n), maximum net photosynthetic rate (A_max), but light compensation point and dark respiration rate increased significantly. Under medium drought, plant height, leaf area, and shoot biomass decreased significantly, but root biomass did not vary, hence, the ratio of roots to shoots (R/S) increased. Moreover, plants did not show significant differences in photosynthetic parameters. After rewatering, photosynthesis and growth rate of plants previously exposed to water deficit could recover to the levels of well-watered plants, but plant height and leaf area did not recover to the levels of the control. When maize were subjected to recurrent drought, plants pre-exposed to medium drought showed no significant difference in plant height, biomass, and photosynthetic parameters, but a significant decrease in leaf area, compared to plants only exposed to second medium drought. Plants pre-exposed to severe drought had significantly higher T_r, G_s, C_i, P_n, A_max, and, apparent quantum yield but significantly lower plant height, leaf area, and biomass than plants without previous exposure. These results indicated that the first severe drought significantly reduced photosynthetic capacity and maize growth, rewatering could recover photosynthesis and growth rate to the levels of well-watered plants, but could not eliminate the adverse influence of the first drought on growth. The first medium drought could stimulate the growth of maize root system and significantly increased R/S, which can enhance maize drought resistance to subsequent repeated drought, and maintain the total biomass in the control level; the first severe drought could enhance maize drought resistance to subsequent repeated drought in the aspect of photosynthesis, but could not compensate for the adverse effect of early drought on plant growth. Hence, in practice, drought hardening should be limited in the level of medium drought, and avoiding severe drought.     

Progress in the effects of elevated ground-level ozone on terrestrial ecosystems

浓度不断升高的地表臭氧(O₃)已成为全球性环境问题, 中国也不例外。目前, 高浓度O₃对叶片光合气体交换、植物生长或生物量的影响已备受关注, 但有关O₃对生态系统层次的研究还相对稀缺且存在较大的不确定性。该文梳理了近40年来地表O₃浓度及其影响相关领域的发展趋势和研究热点, 回顾了地表O₃浓度升高对植物影响的研究手段和评估方法, 综述了地表O₃浓度升高对陆地生态系统影响方面取得的重要进展, 主要包括植物应对O₃胁迫的响应机制、地表O₃对粮食产量和作物品质、生态系统固碳能力、群落结构和地下过程的影响及地表O₃污染区域风险; 此外, 针对目前研究的不足, 对未来研究进行了展望。建议利用先进的完全开放式O₃熏蒸系统模拟O₃浓度升高对生态系统影响的同时加强对地下生态过程的研究, 开展O₃与其他环境因子的复合作用研究; 关注O₃污染对粮食安全的影响; 开展联网研究, 建立统一评价体系; 探索减缓地表O₃污染的生态防控措施; 以期为地表O₃污染生态效应领域的发展提供助力。     

Impacts of elevated carbon dioxide concentration on terrestrial ecosystems: problems and prospective

理解生态系统对过去、现在和未来CO₂浓度变化的响应,对于在生态进化的时间尺度上认识和预测全球变化的后果至关重要。过去三十多年来CO₂浓度升高相关的科学问题主要集中在对植物生长和生产力的影响, 碳氮周转, 生态系统渐进式氮限制(PNL)形成, 与其他胁迫因子(O₃污染、氮沉降、升温、干旱)之间的交互作用等方面。尽管生态学家在数据累积、基础理论上取得了一定进展, 但是仍然存在较大不确定性和大量未知有待解决。该文探究了近30年来CO₂浓度升高对陆地生态系统影响研究的国际研究进展、重点领域及热点, 回顾了CO₂浓度升高对植物影响的模拟实验研究发展, 重点论述了CO₂浓度升高对粮食产量及品质、碳固定、水分利用效率、生态系统氮利用和土壤微生物响应等国际前沿动态研究中存在的主要问题与不足, 在此基础上展望了未来研究中值得关注的前沿研究方向。     

Effects of dew on eco-physiological traits and leaf structures of Leymus chinensis and Agropyron cristatum grown under drought stress

Aims To investigate the effects of dew on plants, we conducted the experiment to determine the physiological characteristics and leaf structures of Leymus chinensis and Agropyron cristatum in response to increasing dew under drought stress.Methods Four treatments (no dew, three times dew and five times dew per week under drought stress, and well-watering) were designed to examine leaf relative water content, water potential, net photosynthetic rate, water use efficiency, biomass, and leaf structures of L. chinensis and A. cristatum. Important findings There was a significant increase in the relative water content and water potential by simulated dew increase for two plants species under drought stress (p < 0.05). For A. cristatum, simulated dew increase significantly enhanced the net photosynthetic rate, stomatal conductance, and transpiration rate of plants under drought stress (p < 0.05). On the other hand, there was no significant difference in the stomatal conductance and transpiration rate for L. chinensis among treatments. Simulated dew increase improved the aboveground biomass and root biomass of two species. The ratio of yellow leaves to the total leaves was decreased by simulated dew increase for two species. Dew increase also protected leaf structures against the drought stress, suggesting that the dew increase can slow down the death process of leaves resulted from drought stress. Therefore, the study demonstrated that dew increased the available water for the leaves of L. chinensis and A. cristatum grown in the drought stress and thus had positive effects on the photosynthesis, water physiology and plant development.     

Effects of elevated ozone and nitrogen addition on leaf nitrogen metabolism in poplar

臭氧和氮添加对杨树叶片氮代谢的影响 臭氧(O₃)污染和氮(N)沉降/施肥都能同时影响植物的生长。然而，几乎没有研究探究O₃和N添加对植物叶片N代谢过程的复合影响。本研究在开顶式气室(OTC)中对杨树进行了为期95 d的熏蒸实验，包括两个O₃水平(NF，环境O₃水平；NF60，NF + 60 ppb O₃)和4个N处理(N0，没有N添加；N50，N0 + 50 kg N ha⁻¹ yr⁻¹；N100，N0 + 100 kg N ha⁻¹ yr⁻¹；N200，N0 + 200 kg N ha⁻¹ yr⁻¹)。测定了与叶片N代谢相关的一些指标，包括叶片N代谢酶的活性、总叶片N浓度、NO₃⁻-N浓度、NH₄⁺-N浓度、总氨基酸浓度(TAA)、总可溶性糖的浓度(TSP)。研究结果表明，相对于NF，在8月份NF60处理显著刺激了硝酸还原酶(NR)的活性，使其升高了47.2%。当平均所有的N处理和两次取样时间时，NF60处理下谷氨酰胺酶(GS)的活性比NF处理下的高57.3%。但是O₃处理并没有显著影响TSP浓度，并且在8月也没有降低TAA的浓度。相对N0，高的N添加处理(N200)显著增加了杨树叶片的饱和光合速率(A_sat) 24%，并且分 别在8和9月增加了总叶片N浓度70.3%和43.3%。但是在8月份，N200处理下光合N利用效率比N0的低26.1%。这表明N添加导致的A_sat和叶片总的N浓度的升高是不匹配的，高N处理下，叶片中一些剩余的N没有被用于优化植物碳的同化。同时，也发现高N添加显著刺激了叶片N代谢过程，叶片中的NO₃⁻-N浓度、NH₄⁺-N浓度、TAA浓度、NR和GS活性都显著升高。然而，O₃和N添加对杨树叶片所有N代谢相关的指标都没有交互影响。这些结果将有助于更好地了解在高O₃污染和N沉降/施肥下植物的N代谢过程以及生物地球化学循环过程。     

丛枝菌根真菌对杨树生长、气孔和木质部微观结构的影响

植物气孔与木质部导管及纤维的功能直接关系着植物的水分利用, 进而影响植物的生长。为研究丛枝菌根真菌(AMF)对杨树抗旱性的影响, 采用温室盆栽的方法, 研究两种水分条件下, 接种根内球囊霉(Rhizophagus irregularis)对速生杨107 Populus × canadensis (P. nigra × P. deltoides) ‘Neva’气孔及木质部微观结构的影响。结果表明: AMF的侵染显著提高了杨树幼苗地上和地下部分生物量, 对叶片气孔长度、茎部导管细胞直径和纤维细胞长度也有促进作用。AMF对生物量和导管细胞直径的增加幅度表现出干旱条件下>正常水分条件下, 而对气孔长度的提高幅度表现出干旱条件下<正常水分条件下。正常水分条件下, AMF增加了杨树叶片的气孔密度, 减小了纤维细胞直径, 对相对水分饱和亏缺无影响; 干旱条件下, AMF增加了纤维细胞直径, 降低了相对水分饱和亏缺, 对气孔密度无影响。综上所述, 干旱条件下, AMF对导管水分传输能力的促进作用明显增加, 而对气孔蒸腾能力的促进作用有所减少, 从而更利于杨树在遭遇干旱时保持水分, 减少干旱对菌根杨树造成的水分亏缺, 提高菌根杨树对干旱的耐受性。     

O3浓度升高和UV-B辐射增强对大豆叶片叶绿素含量和活性氧代谢的影响

以大豆栽培品种铁丰29为试验材料,利用开顶式气室研究O₃浓度升高和UV B辐射增强复合胁迫对大豆叶片叶绿素(Chl)含量、膜脂过氧化程度、活性氧产生速率、抗氧化酶活性和籽粒产量的影响.结果表明： 在大豆整个生育期内,与对照相比,O₃和UV-B单一胁迫及其复合胁迫下的大豆叶片Chl(a+b)、Chl a和Chl b含量均呈下降趋势;相对电导率、丙二醛含量增大,活性氧产生速率和H₂O₂含量增加,超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性下降,产量降低.O₃和UV-B复合胁迫加剧了大豆叶片膜脂过氧化程度,促进大豆体内活性氧自由基的产生,使大豆抗氧化能力减弱,叶绿素含量降低,对大豆表现为协同效应.O₃胁迫对大豆叶片的影响与复合胁迫更相近,其原因可能是在复合胁迫中臭氧起主要作用.     

Effects of drought stress on photosynthesis,growth and root structure of transgenic PtPIP2;8 poplar 84K (Populus alba × P. glandulosa)

为研究水通道蛋白PtPIP2;8基因功能, 了解其不同表达水平的转基因84K杨(Populus alba × P. glandulossa)应对干旱胁迫的响应, 该文以转PtPIP2;8 84K杨抑制表达株系(抑制表达)、野生型(WT)和转PtPIP2;8 84K杨超表达株系(超表达)为试验材料, 测定PtPIP2;8表达水平、根系导度、光响应曲线、气体交换参数、生长及根系形态指标。结果显示: (1) WT植株PtPIP2;8仅在根系表达; 超表达植株PtPIP2;8除在根部显著表达外, 在茎和叶片中也显著表达; 抑制表达植株PtPIP2;8仅在根部有微量表达, 表达量分别是WT和超表达植株的1/20和1/80。(2)根系结构分析发现, 超表达植株总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数显著低于WT和抑制表达植株, 根系导水率显著高于WT和抑制表达植株, 表明PtPIP2;8参与了植物根系水分运输, 提高了水分运输效率。(3)正常水分条件下, 抑制表达植株苗高、叶面积显著低于WT和超表达植株, 根冠比显著高于WT和超表达植株。干旱胁迫后, 抑制表达植株净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)下降幅度小, 仍能维持较高的P_n。气体交换参数显示抑制表达植株P_n、G_s日变化为“单峰”型, 属气孔因素引起的净光合速率下降;WT和超表达植株P_n、G_s日变化为“双峰”型, 干旱胁迫后, 抑制表达植株P_n略微下降, WT和超表达植株P_n均下降, 尤其是13:00、15:00下降显著, 表明WT和超表达植株对干旱胁迫更加敏感, 干旱对其影响更大。(4)干旱胁迫后, 抑制表达植株相对生长速率、总生物量降低的最少, 根冠比最高; 总根表面积、总根体积、总根尖数显著高于WT植株。表明PtPIP2;8直接参与水分运输并提高水分运输效率, 其转化影响了植株根系发育和生长。超表达植株根系发育的下降和叶面积的增大减弱了它的抗旱性, 而抑制表达植株矮小, 降低的叶面积, 增加的根系生长和根冠比提高了它的抗旱能力。从研究结果来看, 水通道蛋白提高了水分跨膜运输效率, 而非水通道蛋白导水机制对干旱有较强的耐受性。     

NaCl处理下两种引进红树的光合及抗氧化防御能力

在长期盐胁迫(28天, NaCl浓度从100 mmol·L^-1升至400 mmol·L^-1)下, 比较研究了引进的无瓣海桑(Sonneratia apetala)和拉关木(Laguncularia racemosa)幼苗叶片的气体交换、叶绿素含量、最大光化学效率(F_v/F_m)、O₂^-_· 产生速率以及抗氧化酶的活性, 探讨了两种红树幼苗光合、抗氧化防御能力的差异与耐盐性的关系。结果显示: NaCl处理没有明显地影响两种红树幼苗的生长, 表明盐生植物对盐环境的适应性, 但两种红树的生理反应对NaCl处理存在较大的差异。在实验的第28天(苗木的NaCl累计处理浓度递增到400 mmol·L^-1)时, 与对照相比, 无瓣海桑叶片的净光合速率、水分利用效率增加, 气孔导度、蒸腾速率和胞间CO₂浓度/大气CO₂浓度(C_i/C_a)相应降低; 然而, 拉关木叶的净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率均回落到对照的水平, 而气孔导度和C_i/C_a均增加, 表明同样的NaCl浓度处理对拉关木叶的净光合速率影响大于无瓣海桑。在NaCl处理期间, 无瓣海桑F_v/F_m一直保持在0.8以上, 而拉关木的F_v/F_m为0.75以下, 说明无瓣海桑具有高于拉关木的潜在最大光合能力。在实验的第7天(NaCl浓度为100 mmol·L^-1)和14天(苗木的NaCl累计处理浓度递增到200 mmol·L^-1)时, 两种红树O₂^-_· 产生速率迅速增加, 在实验的第28天(苗木的NaCl累计处理浓度递增到400 mmol·L^-1)时, 无瓣海桑O₂^-_· 产生速率是对照的5.3倍, 差异极显著, 此时, 拉关木叶中O₂^-_· 产生速率已降低到低于对照的水平。盐处理诱导了两种红树叶中抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、过氧化物酶(POD))活性增加, 但拉关木增加的幅度大于无瓣海桑, 表明拉关木能响应盐胁迫并上调抗氧化酶活性, 降低盐诱导的膜脂过氧化, 提高耐盐的能力, 无瓣海桑通过提高水分利用效率来保持体内的水分, 同时, 保持PSII的最大光化学量子产量, 使得无瓣海桑在高盐处理时仍能保持高于对照水平的光合速率。     

杜仲叶片干旱胁迫响应相关差异蛋白的筛选与鉴定

为研究干旱胁迫下杜仲幼苗生理生化及分子响应机制,利用盆栽试验,通过持续（3、6、9、12、15 d）干旱胁迫处理和复水处理,研究杜仲幼苗的生理响应特性。同时,通过研究对照与处理15 d后的杜仲幼苗差异蛋白质组,分析杜仲幼苗对干旱胁迫的分子响应机制。结果表明,随着干旱处理时间的延长,杜仲叶片的水分饱和亏逐渐增加;光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度均逐渐减小;SOD、POD、CAT活性呈先上升后降低的趋势;丙二醛含量则呈现先上升,然后下降,最后又上升的变化特点;脯氨酸和可溶性糖含量的变化趋势与SOD等活性变化一致,前期上升,后期下降。在复水后,杜仲叶片的所有指标均有所恢复,但未达到干旱处理之前的水平。表明干旱胁迫影响了杜仲叶片的正常生长代谢。通过对干旱处理15 d后杜仲叶片总蛋白进行双向电泳分离和MALDI-TOF-TOF生物质谱鉴定,成功鉴定出36个差异表达蛋白,其中22个上调表达,14个下调表达。对36个差异蛋白进行功能分析发现,这些差异蛋白主要涉及信号传导、光合作用、碳代谢、能量代谢、次级代谢物合成、抗氧化保护酶、氨基酸代谢和蛋白质代谢。推测杜仲为适应干旱胁迫,首先是感应干旱胁迫信号,并传导至细胞内,影响杜仲叶片中光合作用、次级代谢物合成和蛋白质的生物合成;同时,通过过氧化物保护酶的作用,将过多活性氧加以清除;另一方面,则是通过增强糖酵解,磷酸戊糖途径,产生能量供杜仲正常生长所需。从生理机制来看,杜仲叶片同过增加胞内脯氨酸、可溶性糖含量,降低胞内渗透势,减少叶片中水分损失,与氨基酸合成和糖代谢相关蛋白的表达量上升的结果一致。     

干旱-复水-再干旱处理对玉米光合能力和生长的影响

为了探求玉米(Zea mays)光合作用和生长对重复干旱的响应机制, 采用盆栽试验, 分别测定了不同程度土壤干旱处理3周时、随后复水1周时以及再次不同程度干旱处理3周时玉米幼苗光合参数和生长的变化。第一次土壤干旱处理后, 重度干旱处理显著降低玉米株高、单株总叶面积、地上部分及根系生物量以及叶片的蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)、净光合速率(P_n)和最大净光合速率(A_max), 但显著提高光补偿点和暗呼吸速率; 中度干旱处理同样显著降低玉米株高、叶面积和地上部分生物量, 但对根系生物量无影响, 因而根冠比增大, 对上述光合参数的负效应也不具有显著性。复水可使前期经受中度和重度干旱处理的玉米植株的光合能力和生长速率恢复到正常水分条件下生长的植株的水平, 但株高和叶面积没有恢复到对照水平。当玉米再次经受水分亏缺处理时, 与只遭受第二次中度或重度干旱处理的植株相比, 经历过前期中度干旱处理的植株的株高、生物量和光合参数没有显著变化, 但叶面积显著下降; 经历过前期重度干旱处理植株的T_r、G_s、C_i、P_n、A_max和表观量子效率显著升高, 而株高、叶面积和生物量显著降低。综上所述, 第一次重度干旱处理显著降低玉米叶片的光合能力和生长, 复水可使光合能力和生长速率恢复到正常水分条件下生长植株的水平, 但不能消除前期干旱对生长产生的不利影响。前期中度干旱可以刺激玉米根系的生长和显著提高根冠比, 有利于提高对二次干旱的抵抗能力, 并使总的生物量保持在对照水平, 而前期重度干旱处理虽然在光合作用上能提高植株对二次干旱的抵御能力, 但不能弥补前期干旱处理对生长的不利影响。因此, 在生产实践中, 如果进行抗旱锻炼, 应限制在中度干旱水平, 避免重度干旱。     

四种常见树木叶片光合模型关键参数对臭氧浓度升高的响应

随着城市化进程的加快, 臭氧(O₃)已经成为中国夏季首要大气污染物。已有研究表明O₃通过气孔进入叶片显著抑制光合作用, 影响陆地生态系统碳水循环过程。但是O₃浓度升高对植物光合和气孔导度模型关键参数影响的研究仍然缺乏。该研究利用开顶式气室, 设置两个O₃处理(CF, 过滤空气; E-O₃, 未过滤空气+ 60 nmol·mol^-1 O₃), 选用4种常见的树木(茶(Camellia sinensis)、复叶槭(Acer negundo)、栾树(Koelreuteria paniculata)和蒙古栎(Quercus mongolica)), 通过测定叶片气体交换参数, 探究O₃浓度升高对植物光合和气孔导度模型关键参数的影响。结果表明: O₃浓度升高显著降低了4种植物的饱和光合速率和光合生化模型参数叶肉导度, 但是O₃对光合生化模型参数最大羧化速率和最大电子传递速率的负效应在不同树种间存在差异。此外, 不同植物气孔导度对O₃的响应也存在差异。通过对最优化气孔导度模型进行参数化, 结果表明O₃显著提高了蒙古栎和复叶槭的斜率参数(g₁), 并显著增加了茶的气孔导度模型截距参数(g₀), 但降低了复叶槭的g₀。在不同O₃处理下4种树木的内源水分利用效率与g₁呈显著线性负相关关系。综上所述, O₃浓度升高显著影响光合生化和气孔导度模型关键参数。     

FACE实验技术和方法回顾及其在全球变化研究中的应用

化石燃料的燃烧和城市化进程的加快导致大气中二氧化碳(CO₂)和臭氧(O₃)浓度日益升高, 大气气体浓度的变化会对植物个体和陆地生态系统结构与功能产生影响。CO₂浓度升高增加了陆地生态系统碳汇能力, 而O₃导致作物减产和生态系统固碳损失。自由空气中气体浓度增加(FACE)系统是最接近自然的一种模拟大气气体浓度增加对生态系统影响的研究平台, 已广泛应用于各种生态系统, 为理解陆地生态系统生态过程对全球变化的响应及评估未来情景的生态风险提供了重要科学依据。该文从FACE技术特点出发, 介绍了国内外建成的大型CO₂/O₃-FACE系统, 分析了FACE系统的不同布气方式在不同生态系统研究过程中的优点与缺点, 概述了全球FACE运行的现状和取得的主要成果, 并指出了FACE系统存在的主要问题和前沿研究方向。     

CO2 enrichment, drought stress and growth of Alaska pea plants (Pisum sativum)

The interaction of CO₂ enrichment and drought on water status and growth of pea plants was investigated. Pisum sativum L. (cv. Alaska) plants were grown from seeds in growth chambers using 350 and 675 μl I1 CO₂, a photon flux density of 600 μmol M-2 S-1, a 16 h photoperiod and a temperature regime of 20/14°C. The drought treatment was started at the beginning of branch initiation and lasted for 9 or 11 days. The water status of the plants was monitored daily by measuring total leaf water potential and stomatal conductance. The total leaf water potential of well-watered plants was not affected by the CO₂ level. Under draughting conditions total leaf water potential decreased, with a slower decrease under the high CO₂ regime, due, at least in part, to reduced stomatal conductance. Upon rewatering, total leaf water potential and stomatal conductance recovered within one day. High CO₂ counteracted the reduction in height and, to some extent, leaf area that developed in low CO₂ unwatered plants. Additional CO₂ had no effect on branch number and did not prevent the complete inhibition of branch development that resulted from drought stress. Removing the drought conditions resulted in a rapid recovery of the internal water status and also a rapid recovery of most, but not all, plant growth parameters.     

不同钙浓度对宽叶雀稗幼苗的生长和抗性生理的影响

研究不同钙浓度对宽叶雀稗(Paspalum wettsteinii)幼苗生长和生理的影响, 对于揭示宽叶雀稗对不同钙浓度环境的适应机理至关重要。该研究采用盆栽砂培试验, 研究不同钙浓度(0、5、25、50、100和200 mmol·L^-1 CaCl₂)和不同处理时间(7、14、21和28天)对宽叶雀稗幼苗生长、渗透调节物质含量、抗氧化酶活性、叶绿素含量和光合参数的影响。结果表明, 随着CaCl₂浓度的增加和处理时间的延长, 宽叶雀稗幼苗株高等形态指标、生物量、渗透调节物质含量、抗氧化酶活性、叶绿素含量和光合参数呈先增后减的趋势, 低钙浓度(5-50 mmol·L^-1)环境下, 株高、叶长、叶宽、根长和生物量与对照(0 mmol·L^-1)相比均升高, 脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量、过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性提高, 丙二醛含量和胞间CO₂浓度降低、叶绿素含量增加以及净光合速率、蒸腾速率和气孔导度增强; 高钙浓度(200 mmol·L^-1)环境下, 脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量、过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性降低, 丙二醛含量和胞间CO₂浓度增加, 叶绿素含量减少以及净光合速率、蒸腾速率和气孔导度减弱。结合隶属函数分析, 低钙盐浓度(5-50 mmol·L^-1)处理对宽叶雀稗幼苗无抑制作用, 说明宽叶雀稗对低钙浓度具有一定的耐受性; 而在高钙浓度(200 mmol·L^-1)下, 宽叶雀稗幼苗通过提高自身有机渗透调节物质含量、增强酶活性、增加叶绿素含量以及增强光合作用等方式来快速调节植物生理代谢功能, 进而适应高钙浓度环境条件。     

不同光合类型牧草对干旱-复水的光合生理响应及生长适应策略

基于干旱频率增加、强度增大这一全球降水变化背景, 探究干旱-复水条件下不同功能群(C₃和C₄)植物的光合生理响应及生长适应策略有助于预测降水格局变化条件下草地的植被组成和生态系统功能。该研究采用盆栽实验, 以松嫩草地生长的一年生C₃ (4种)和C₄ (3种)牧草为实验材料, 设置了对照、中度干旱和重度干旱3个水分处理水平, 在干旱末期及复水期对植物进行气体交换、生物量和比叶质量的测量。在干旱条件下, 各物种净光合速率和气孔导度均呈下降趋势, 水分利用效率呈上升趋势。干旱对不同植物光合指标的影响存在功能群差异, 随干旱程度的增加C₄植物逐渐丧失光合优势, 重度干旱对C₄植物净光合速率的影响较C₃植物更加明显。由于干旱条件下C₃植物光合固碳主要受气孔限制而C₄植物主要受代谢限制, 因此复水后C₄植物净光合速率恢复速度较C₃植物慢。干旱条件下, 各物种的生物量降低, 根冠比和比叶质量升高, 干旱对C₃植物各生长指标的影响均大于C₄植物; 复水处理后, C₃植物生物量随干旱强度增加呈下降趋势, 而C₄植物的生物量与对照相比无显著差异。     

Growth and physiological responses of canola (Brassica napus) to three components of global climate change: temperature, carbon dioxide and drought

Elevated CO₂ appears to be a significant factor in global warming, which will likely lead to drought conditions in many areas. Few studies have considered the interactive effects of higher CO₂, temperature and drought on plant growth and physiology. We grew canola ( Brassica napus cv. 45H72) plants under lower (22/18°C) and higher (28/24°C) temperature regimes in controlled-environment chambers at ambient (370 μmol mol⁻¹) and elevated (740 μmol mol⁻¹) CO₂ levels. One half of the plants were watered to field capacity and the other half at wilting point. In three separate experiments, we determined growth, various physiological parameters and content of abscisic acid (ABA), indole-3-acetic acid and ethylene. Drought-stressed plants grown under higher temperature at ambient CO₂ had decreased stem height and diameter, leaf number and area, dry matter, leaf area ratio, shoot/root weight ratio, net CO₂ assimilation and chlorophyll fluorescence. However, these plants had increased specific leaf weight, leaf weight ratio and chlorophyll concentration. Elevated CO₂ generally had the opposite effect, and partially reversed the inhibitory effects of higher temperature and drought on leaf dry weight accumulation. This study showed that higher temperature and drought inhibit many processes but elevated CO₂ partially mitigate some adverse effects. As expected, drought stress increased ABA but higher temperature inhibited the ability of plants to produce ABA in response to drought.     

CO2浓度倍增对红松幼苗根尖和叶解剖结构及生理功能的影响

大气CO₂浓度升高对植物的影响是目前植物生态学研究中普遍关注的问题。以往的研究主要关注植物地上部分叶解剖结构及生理功能的改变, 而对根解剖结构和生理功能变化以及根与叶变化之间潜在联系的研究较少。该文以三年生红松(Pinus koraiensis)幼苗为研究对象, 通过CO₂浓度倍增(从350 µmol·mol^-1增加到700 µmol·mol^-1)试验, 研究当年生针叶和根尖解剖结构及生理功能的变化。结果表明: (1) CO₂浓度倍增处理的红松幼苗, 气孔密度显著降低, 叶肉组织面积、木质部及韧皮部面积明显增加; (2) CO₂浓度倍增导致红松幼苗根尖直径增粗, 皮层厚度和层数显著增加, 管胞直径变小; (3)高CO₂浓度处理下, 叶气孔导度和蒸腾速率降低, 光合速率和水分利用效率提高, 同时根尖的导水率显著下降, 但管胞的抗栓塞能力显著提高。这些结果显示, 叶和根解剖结构及生理功能在CO₂浓度升高条件下具有一致的响应。未来研究中应该同时关注全球气候变化对植物地上和地下器官结构与功能的影响。