硅提高植物抗旱性的生理机制研究进展

干旱作为限制作物产量和品质的主要非生物胁迫之一,对全球社会、经济和生态造成巨大损失。在全球气候变化背景下,提高植物抗旱性的重要性日益突显。硅能够提高植物的抗旱性：外源硅的施用可以影响气孔导度,改变蒸腾速率,改善植物水分状况;通过调节气孔动力学、合成光合色素,促进光化学反应,从而改善光合作用;此外硅可通过渗透调节以平衡植物对矿质元素的吸收,以及调节抗氧化防御系统,减轻植物在干旱胁迫中的氧化损伤。总结了硅对干旱胁迫下植物水分利用、光合作用、矿质元素吸收、抗氧化系统、植物激素代谢等方面的作用及相关生理机制。建议未来从复合逆境胁迫、低硅积累植物等方面进一步揭示硅提高植物抗旱性的作用机制,从而为农林生态系统合理利用硅素来提高生产效率提供科学依据和理论基础。     

丛枝菌根对有机污染土壤的修复作用及机理

丛枝菌根(AM)是丛枝菌根真菌(AMF)与植物根系相互作用的互惠共生体,能改良土壤结构,增强植物抗性.自然界中已知的AMF有170多种,分布广泛,且可与大多数植物共生.利用AM修复有机污染土壤正成为一个崭新的研究方向.本文综述了AM对多环芳烃、酞酸脂、石油和农药等一些典型有机污染物污染土壤的修复作用.AM修复有机污染土壤的机理主要包括:AMF代谢有机污染物;AM分泌酶,降解污染物;AM影响根系分泌作用,并促进根际微生物对有机污染物的降解;AMF宿主植物吸收积累污染物.AM修复研究中,高效AMF的筛选、复合菌种效应、土壤老化、AM作用下植物对有机污染物的吸收积累等几方面仍有待于深入研究.     

丛枝菌根真菌与植物共生对植物水分关系的影响及机理

自1885年Frank首次提到菌根(mykorhiza)概念以来,大量的试验证实了丛枝菌根真菌(AMF)与植物根系之间形成具有一定结构和功能的共生体,促进植物生长并提高干旱耐受能力,在干旱生态系统中发挥重要的作用。该研究多集中在对宿主植物生理生态的影响及其机制方面,然而菌根共生对宿主植物水分吸收和信号产生、传递的影响研究少而分散,缺少系统总结。综述了最近四十多年丛枝菌根真菌与植物共生体对宿主植物干旱适应性影响研究进展,讨论了菌根共生对植物根冠通讯的影响及机理。干旱胁迫下AMF与植物共生,通过影响宿主植物一系列生理生态过程,提高宿主植物横向根压和纵向蒸腾拉力。经典的Ohm吸水模型是该方向最有代表性的研究成果,该模型揭示了菌根共生的根外菌丝具有不同于根细胞的细胞结构和水分运输性能,这为宿主植物提供一种特殊的快速吸水方式,可提高植物对土壤水分的吸收和运输能力。研究表明,AMF会影响宿主植物根冠通讯过程,如诱发信号级联反应,诱导根系尽早感知水分胁迫并产生非水力根源信号,提高宿主对干旱的耐受性。讨论了AMF在根冠通讯分子机制研究方面存在的问题及可能的解决途径,展望了AMF在干旱农业生产中的应用潜力。     

丛枝菌根真菌对双子叶植物生长和根系特征的影响:整合分析

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)帮助宿主植物吸收土壤养分和水分,促进植物的生长。研究表明,AMF可影响宿主植物根系的特征,但AMF对宿主植物的生长效应与根系特征的变化效应是否有关,目前仍不清楚。本文采用整合分析(Metaanalysis)的方法,探讨AMF对双子叶植物生长和根系特征的影响以及二者的相关性,并分析AMF的这一影响是否受土壤磷素水平(Olsen-P)的调节。结果表明:AMF显著增加双子叶植物的总生物量、地上部分和地下部分生物量;AMF增加了双子叶植物根长、根面积和根体积,但降低了比根长;AMF对植物的这些影响受土壤磷水平调节,土壤低磷和中磷水平下AMF对植物的生长效应大于土壤高磷水平下的处理,而对根系特征的影响效应在中磷水平下高于低磷和高磷水平的处理。相关性分析结果表明,AMF对双子叶植物生长的影响与对根长、根体积的影响呈显著正相关,在低磷水平下根长对AMF的响应与植物生长的响应(MGR)具有更高的正相关性。本研究结果预示,AMF对宿主植物生长的效应可能通过改变根系特征实现碳的合理分配和从土壤中获得更多的水和养分等资源。     

外来入侵植物的根系觅养行为研究进展

土壤养分分布具有高度空间异质性, 植物的根系觅养行为是其对土壤养分异质性的一种适应。不同植物为了适应养分异质性会产生不同的根系觅养行为, 通过调整自身的根系觅养范围、觅养精度和觅养速度来更好地吸收利用土壤中的养分。外来植物与本地植物的竞争是决定其成功入侵的重要因素, 土壤养分等环境因素会影响它们之间的竞争关系。近年来, 外来入侵植物的觅养行为逐渐受到人们的关注, 关于入侵植物根系觅养行为的研究成果陆续出现: (1)总体来看, 外来入侵植物具有较强的根系觅养能力, 但根系觅养范围与觅养精度之间的权衡关系还不确定; (2)营养异质性会影响入侵植物与本地植物之间的竞争, 反过来, 二者之间的竞争也会影响根系觅养行为对营养异质性的响应; (3)丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)能够提高入侵植物的根系觅养能力, 外来植物入侵能够改变入侵植物对AMF的偏好性, 形成AMF对入侵的正反馈作用, 而本地植物与AMF的相互作用也会影响入侵植物的竞争力。未来还应加强营养异质环境下种间竞争和AMF共生对入侵植物根系觅养行为的影响机制研究, 以及全球变化背景下入侵植物根系觅养行为的变化与机制方面的研究, 可以更深入地认识外来植物的觅养行为在其成功入侵中的作用, 并为利用营养调控来防控入侵植物提供理论依据。     

湿地植物与丛枝菌根真菌(AMF)相互关系的研究进展

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是湿地植物主要共生菌之一,在湿地生态系统中具有重要的作用.本文就近年来AMF对湿地植物的营养物质吸收、生长发育、抗逆境胁迫和抗污染能力等的作用,湿地植物、水分、季节、土壤理化性质因素对根际AMF的多样性、侵染能力、空间分布、生长发育、孢子密度的影响,以及植物与AMF之间相互作用关系的研究进展进行综述.     

丛枝菌根真菌根外菌丝跨膜H~+和Ca~(2+)流对干旱胁迫的响应

丛枝菌根真菌(AMF)能够和大多数陆地植物形成共生体系,对于植物生长发育和适应各种逆境胁迫具有重要作用。很多研究表明干旱胁迫下AMF能够促进宿主植物对水分的吸收从而增强植物抗旱能力,但目前针对AMF根外菌丝响应水分胁迫的生理变化以及AMF与宿主植物逆境信号交流的研究并不多。该研究利用AMF Rhizophagus irregularis和胡萝卜(Daucus carota var. sativa)毛状根双重无菌培养体系获得纯净根外菌丝,向培养基添加聚乙二醇(PEG)模拟干旱胁迫,运用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM-EDS)观察干旱胁迫对AMF根外菌丝形态的影响,同时采用非损伤微测技术(NMT)观测根外菌丝跨膜H+和Ca~(2+)离子流变化。结果发现,PEG处理1h后菌丝尖端和侧面发生H+外流和强烈的Ca~(2+)内流,荧光探针分析也显示菌丝胞内pH值显著上升、Ca~(2+)浓度增加; PEG处理24 h后菌丝形态发生明显变化,培养基pH值降低, P、Ca、Fe等元素在菌丝际积累。这些试验结果表明,干旱胁迫下AMF根外菌丝跨膜H+和Ca~(2+)流发生变化,促进了菌丝与环境之间的物质交换。菌丝酸化生长环境有利于养分吸收,并促进AMF与宿主植物之间的信号交流以增强植物的耐旱性。     

玉米根系水流导度差异及其与解剖结构的关系

在人工气候室水培条件下,从单根水平研究了不同水分条件下玉米根系水流导度的基因型差异及解剖结构之间的关系.结果表明,抗旱性的杂交种户单四号具有水流导度上的杂种优势现象,不抗旱的父本803根系水流导度最低,3个品种根系水流导度大小为F₁代户单四号＞母本天四＞父本803;水分胁迫普遍降低了根系直径、导管直径和皮层厚度.同时,玉米品种根系的解剖结构和根系水流导度有关,正常水分条件下,根系导管直径与3个玉米品种的根系水流导度呈正相关,胁迫条件下则呈负相关.无论是在胁迫还是正常水分条件下,根系皮层厚度占根系直径的比例与根系水流导度都呈负相关,说明根系皮层是根系吸收水分的主要阻力部位.     

内生真菌与宿主植物协同调控砷胁迫作用机制研究进展

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)和深色有隔内生真菌(dark septate endophytes, DSE)是植物根系中最主要的两大类内生真菌,均可与植物根系形成菌根共生体,在促进植物生长,提高重金属等胁迫抗性方面发挥着重要作用。砷(arsenic, As)及砷化合物具有较强的毒性,可在植物中富集,造成生物链毒害。本团队一直致力于内生真菌与药用植物生长、活性物质合成,砷吸收、积累关系的研究,并取得了一定的进展。结合团队现有研究和前人研究成果,本文分析归纳了砷胁迫条件下,AMF定殖对宿主植物生长和砷吸收、积累的影响;详细阐述了砷胁迫条件下,宿主植物生理活动、抗氧化系统、激素水平、转录水平响应AMF调控的变化。其后,从宿主植物细胞内、外两个方面总结内生真菌与宿主植物协同调控砷胁迫的作用机制,归纳为“生长稀释效应”“菌丝隔离”“螯合过滤”“菌根固定化(mycorrhizal immobilization)”“转运体抑制效应”“生物转化作用”和“保宿主、降氧化”等7项作用机制,并绘制了不同机制之间的作用关系图。DSE-宿主植物调控砷胁迫的研究相...     

丛枝菌根真菌与氮添加对不同根形态基因型水稻氮吸收的影响

植物主要依赖自身根系从土壤中获取矿质养分; 具有不同根形态的植物对于养分的吸收能力存在差异。丛枝菌根真菌(AMF)能与陆地植物根系形成共生关系, 帮助植物吸收矿质养分。但是, AMF对于植物根系养分吸收的促进效应是否会受根形态的影响还鲜有研究。该研究选取4种不同根形态基因型水稻(根毛缺陷突变体rhl1、侧根缺陷突变体iaa11、不定根缺失突变体arl1和野生型Kas)为研究对象, 设置2种施氮水平处理(低氮: 20 mg·kg^-1氨氮; 高氮: 100 mg·kg^-1氨氮), 利用稳定同位素¹⁵N示踪标记技术, 探究AMF和氮添加对不同根形态植物氮吸收的影响。研究结果发现, 相比低氮处理, 高氮处理下, rhl1、Kas、iaa11与arl1的茎叶¹⁵N浓度分别提高了60%、72%、128%与118%, 说明氮添加显著促进了水稻氮吸收, 且iaa11与arl1对氮添加的响应更强烈。在低氮水平下, AMF对rhl1、Kas、iaa11与arl1氮吸收的平均效应值分别为17%、31%、42%、51%, 表明AMF对于植物氮吸收的促进效应受根形态影响, iaa11与arl1对AMF的响应明显高于Kas与rhl1; 相较于低氮水平, 高氮水平下AMF对于不同根形态水稻氮吸收的促进效应都会显著降低, 表明氮添加削弱了AMF对植物氮吸收的促进效应。该研究阐明了4种不同根形态基因型水稻氮养分吸收存在显著差异, 其中氮吸收能力较弱的基因型水稻对AMF的响应更强, 该结果补充了植物与AMF在养分吸收上存在功能互补的控制实验证据。     

Suitability of Drought-Preconditioning Techniques in Mediterranean Climate

Abstract Arid and semiarid ecosystems in the Mediterranean are under high risk of desertification. Revegetation with native well‐adapted evergreen shrubs is desirable, but techniques for successful establishment of these species are not fully developed. Transplant shock is a key hurdle to plantation success. The application of a drought‐preconditioning treatment during the last months of nursery culture is a potential technique for reducing transplant shock. This technique has been widely applied in boreal habitats and humid temperate areas. Three representative Mediterranean species (Pistacia lentiscus, Quercus coccifera, and Juniperus oxycedrus seedlings) were exposed to classic drought‐preconditioning treatment consisting of reductions in the watering regime. The effects of preconditioning on seedling quality were assessed by cell water relationships (pressure–volume curves), minimal transpiration, leaf capacitance, chlorophyll fluorescence, and gas exchange. Moreover, seedlings were exposed to transplant shock (intense drought period) during which water potential (predawn and midday) and maximal photochemical efficiency were evaluated to establish seedling performance. Results showed that preconditioning did not affect cell water relationships and minimal transpiration in any of the three species. Preconditioned seedlings of P. lentiscus maintained higher water content during desiccating conditions as a consequence of an increase in leaf water content at full turgor. These changes allowed plants to maintain higher net CO₂ assimilation rates and an elevated photosystem II status, facilitating an increase in drought survival. Preconditioning improved the performance of Q. coccifera and J. oxycedrus seedlings, but these two species were much less responsive than P. lentiscus seedlings. Finally, results suggest that sensitivity to drought preconditioning may be related to drought tolerance or avoidance strategy of each species. Drought‐related strategies should be considered to optimize management scale preconditioning.     

树木抗旱机理研究进展

干旱是树木成活与生长的重要限制因素之一。研究树木的抗旱性,有助于了解树木的干旱适应性机制,探求树木抗旱的适宜调控措施,对充分发挥森林的生态效益具有重要作用。本文从树木的水分关系、净光合速率与蒸腾速率、叶片的δ13C值、木质部导管空穴、光合机制与抗氧化保护机制、渗透调节、脱落酸和C4植物的抗旱机理及树木的抗旱基因与遗传特性(包括水通道蛋白、逆境信号转导、树木抗旱性的遗传基因工程)方面对树木抗旱机理研究进行了综述。     

胡麻种质萌发期抗旱性综合评价

为研究不同类型胡麻种质萌发期抗旱性表现,以筛选抗旱品种,为抗旱育种提供科技支撑。本研究采用不同浓度的PEG-6000高渗溶液模拟干旱胁迫的方法,对定亚17、陇亚8号和2011621080进行渗透胁迫试验,筛选适宜浓度的PEG-6000溶液。对161份不同类型的胡麻种质在萌发期进行渗透胁迫试验,考查与抗旱性相关的5个性状,并运用单项抗旱系数、综合抗旱系数、隶属函数和灰色关联度相结合的方法对种质资源的抗旱性进行综合评价。结果表明,不同浓度PEG-6000胁迫对胡麻种质的萌发均有影响,当PEG-6000的浓度在18%时,各种指标的抑制作用均显著加强,因此本研究选用18%的PEG-6000浓度模拟干旱胁迫试验;PEG-6000胁迫降低了161份胡麻种质资源的相对发芽率,抑制了幼芽的生长,种质间表现出较大差异。根据抗旱性量度值将供试种质划为5级,其中1级抗旱型2份、2级15份、3级28份、4级82份、5级34份;供试种质的抗旱性强弱与地理来源息息相关。试验结果说明选择多个性状,综合评价胡麻萌发期抗旱性是可行且准确的。     

干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响

选用耐旱性不同的3个大麦(Hordeum sativum)品种作为研究对象, 分析干旱胁迫对其叶肉细胞叶绿体、线粒体和细胞核超微结构的影响。结果表明, 3个大麦品种在非胁迫条件下其超微结构无明显差异。遭受干旱胁迫后, 不耐旱大麦品种Moroc9-75叶片细胞核中染色质的凝聚程度高, 叶绿体变形, 外被膜出现较大程度的波浪状和膨胀, 同时基粒出现弯曲、膨胀、排列混乱的现象; 线粒体外形及膜受到破坏、内部嵴部分消失等。耐旱大麦品种HS41-1叶片细胞中染色质虽出现凝聚, 但凝聚程度低; 其叶绿体及线粒体与非胁迫条件下基本相似, 多数未见明显损伤。耐旱中等的大麦品种Martin叶片超微结构的变化则介于二者之间。因此, 干旱胁迫下叶绿体外形、基粒和基质类囊体膜结构的完整性与基粒的排列次序、染色质的凝聚度和线粒体膜及嵴的完整性与大麦的耐旱性相关, 这些特性可作为评价大麦耐旱性强弱的形态结构指标。     

干旱监测指数研究

日益严重的全球化干旱问题已经成为各国科学家和政府部门共同关注的热点,它直接威胁着人类的生存环境.而干旱监测,尤其是遥感干旱监测,一直是科学界公认的难题.本文对传统的干旱监测指数如帕尔默干旱指数、作物湿度指数、标准降水指数、地表水分供应指数的优缺点进行评述;将遥感干旱监测指数分成2类,一类是基于地表反射率和发射率的干旱监测指数;另一类是基于地表水和能量平衡模型的干旱监测指数,详细介绍了这2类干旱遥感监测指数的原理、方法以及适用范围.对各种干旱监测指数存在的问题以及干旱监测的发展趋势进行了探讨.     

春小麦对骤旱的响应特征及其阈值分析

与缓慢发展的干旱过程不同,骤旱具有发生速度快,短期内可致害的特点。目前,关于作物骤旱致害的临界阈值及其调控机制尚不清楚。以春小麦为供试作物,通过桶栽试验,模拟研究骤旱过程中小麦受旱致害的过程特征及其控制因素。结果发现,发生骤旱时土壤含水量下降呈先快后慢的变化趋势,叶片水分和叶水势则呈先慢后快的指数变化趋势。叶片光合生理指标对土壤水分的下降存在明显的阈值响应,且不同生理指标的阈值并不完全相同,其中净光合速率与表征叶片光合能力的指标（最大羧化速率）对土壤有效含水量的响应阈值为0.4,气孔导度和蒸腾速率对土壤有效含水量的响应阈值分别为0.5和0.4。而小麦光合生理指标对叶片水分和叶水势的阈值响应并不明显。同时依据各生理指标相关和通径分析结果得出,骤旱发生时引起小麦叶片净光合速率快速降低的主导因子为非气孔因素,而并不是以往作物受旱研究中的气孔因素。本研究结果有望丰富干旱影响认知,并可为科学应对干旱提供依据。     

干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响

选用耐旱性不同的3个大麦（Hordeum sativum）品种作为研究对象,分析干旱胁迫对其叶肉细胞叶绿体、线粒体和细胞核超微结构的影响。结果表明,3个大麦品种在非胁迫条件下其超微结构无明显差异。遭受干旱胁迫后,不耐旱大麦品种Moroc9-75叶片细胞核中染色质的凝聚程度高,叶绿体变形,外被膜出现较大程度的波浪状和膨胀,同时基粒出现弯曲、膨胀、排列混乱的现象;线粒体外形及膜受到破坏、内部嵴部分消失等。耐旱大麦品种HS41-1叶片细胞中染色质虽出现凝聚,但凝聚程度低;其叶绿体及线粒体与非胁迫条件下基本相似,多数未见明显损伤。耐旱中等的大麦品种Martin叶片超微结构的变化则介于二者之间。因此,干旱胁迫下叶绿体外形、基粒和基质类囊体膜结构的完整性与基粒的排列次序、染色质的凝聚度和线粒体膜及嵴的完整性与大麦的耐旱性相关,这些特性可作为评价大麦耐旱性强弱的形态结构指标。     

燕山地区6种花灌木幼苗耐旱特性的研究

以燕山地区6种花灌木1年生扦插幼苗为材料,通过盆栽试验研究干旱胁迫对其土壤含水量、叶片脱水枯死持续时间、叶片含水量、相对水分亏缺、叶保水力、叶肉质化程度和比叶面积等的影响.结果表明:(1)水分胁迫下各花灌木幼苗枯死临界点的土壤含水量依次是蚂蚱腿子>南蛇藤>孩儿拳头>木半夏>栓翅卫矛>叶底珠.(2)叶片脱水持续时间为叶底珠>栓翅卫矛>木半夏>孩儿拳头>南蛇藤>蚂蚱腿子,其叶片脱水过程中出现的暂时萎蔫、永久萎蔫、叶片开始脱落和叶片枯萎等表征在各材料间没有一定的规律.叶片含水量在水分胁迫过程中均呈下降趋势,且叶底珠和孩儿拳头的下降幅度明显;各材料的相对水分亏缺则呈明显的上升趋势,叶底珠和孩儿拳头在对照与永久萎蔫点的RWD差值(△RWD)高于其余4种材料.(3)在叶片保水力方面,栓翅卫矛和木半夏要明显强于其余4种材料,而且南蛇藤、蚂蚱腿子和栓翅卫矛与木半夏、孩儿拳头和叶底珠相比,其叶肉质化程度高,而比叶面积低.(4)根据水分胁迫下幼苗枯死临界点的土壤含水量值,6种花灌木的耐旱能力依次为:叶底珠>栓翅卫矛>木半夏>孩儿拳头>南蛇藤>蚂蚱腿子,它们的幼苗叶片维持水分平衡能力与其耐旱性关系不明显,说明它们具有不同的耐旱机理.     

作物对缺水环境的感知及其反应

植物面对多变的缺水环境,如何来感知环境然后做出自身形态、生理生化等一系列反应。本文评述了缺水信号的感知、反应以及抗旱的方式及其抗旱的遗传学基础。     

植物耐旱的分子基础及植物耐旱基因工程的研究进展

对植物耐旱的分子基础、干旱诱导基因的表达和作用以及植物抗旱基因工程研究的进展作一概述.