种子休眠与萌发的分子生物学的研究进展

休眠与萌发是植物种子对环境变化的适应特征,受许多基因调控和环境因子的影响.利用数量遗传学方法(如QTL分析)和突变等手段已对休眠和萌发特性进行了深入的遗传学研究.近些年来,随着分子生物学的快速发展,种子休眠和萌发研究已经深入到分子水平.分子生物学技术的运用,特别是基因表达、基因组测序和以双向凝胶电泳及质谱分析为技术基础的蛋白质组学分析,已成为研究种子休眠和萌发的新工具和新方向.本文主要就利用分子生物学方法研究种子休眠与萌发的进展给予简要综述.     

青藏高原东缘主要针叶树种叶片碳氮磷化学计量分布格局及其驱动因素

理解植物叶片化学计量特征及其驱动因素对认识植物种群分布规律及预测植物对环境变化响应具有重要意义。该研究采集了青藏高原东缘针叶林84个样点共29种主要针叶树种叶片, 探讨该区域常绿针叶树种叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征和分布格局及其驱动因素。结果表明: (1)在科和属水平上, 不同针叶树种叶片C、N含量和C:N差异显著; 叶片N:P < 14, 表明该区域针叶树种主要受N限制。(2)叶片N、P含量在环境梯度上表现出一致的分布规律: 均呈现出随纬度和海拔增加而显著降低, 随年平均气温(MAT)和年降水量(MAP)增加而显著增加的趋势; 而叶片C含量与纬度、海拔、MAT和MAP均未表现出显著相关性。(3)叶片C:N、C:P呈现出与N、P含量变化相反的分布格局: 均随纬度和海拔增加而显著增加, 随MAT和MAP增加而显著降低; 而叶片N:P与海拔、MAT和MAP均无显著相关性。(4)进一步分析表明, 叶片C、N、P含量及其化学计量比的主要驱动因素不尽相同。具体而言: 土壤特性是叶片C含量和N:P变异的主要驱动因子, 而叶片N、P含量和C:N、C:P的变异主要由气候因素决定。总之, 该区域针叶树种叶片化学计量沿环境梯度的变异规律有力地支持了温度生物地球化学假说, 在一定程度上丰富了对环境变化下植物叶片化学计量分布格局及其驱动机制的认识。     

夜间增温和施氮对川西亚高山针叶林土壤有效氮和微生物特性的短期影响

开展亚高山针叶林典型林地土壤有效氮和微生物特性对气候变化的响应研究, 对预测未来气候变化背景下亚高山针叶林生态系统C、N的源/汇功能具有重要意义。该文采用红外辐射加热器模拟增温结合外施氮肥的方法, 研究了川西亚高山针叶林下土壤化学特性、有效氮含量以及微生物生物量对夜间增温和施氮的短期响应。结果表明: 在模拟增温试验期间(2009年4月-2010年4月), 空气平均温度和5 cm土壤平均温度分别比对照提高了1.93和4.19 ℃, 增温幅度分别以夏季和冬季最为显著。增温对土壤pH值、有机碳、全氮和微生物生物量无显著影响。增温在试验前期降低了土壤NH₄ ⁺-N含量, 增加了NO₃ ^--N含量, 其影响程度随着增温时间的延长而下降。施氮显著增加了有效氮和微生物生物量氮, 降低了土壤pH值, 使土壤表现出明显的酸化现象。与单独的增温和施氮处理相比, 增温和施氮联合处理对林下土壤的有效氮和微生物特性有显著的交互作用, 显著增加了土壤的有机碳、有效氮及土壤微生物生物量氮含量, 并导致土壤进一步酸化。结果说明, 川西亚高山针叶林的土壤有效氮和微生物特性对土壤氮素状况的变化反应敏感, 而林下土壤有效氮和微生物特性对单独的温度升高表现出一定的适应性, 但更对增温和施氮双因素结合处理反应敏感且表现出不同的响应方式。因此, 该区域在未来全球变化下的氮沉降状况及气候变化的多因素协同效应值得长期深入的探讨。     

不同林龄云杉人工林的根系分泌物与土壤微生物

采用野外原位收集方法,对川西米亚罗林区不同林龄(9、13、31年)的粗枝云杉人工林根系分泌物和土壤微生物进行了研究.结果表明:不同林龄粗枝云杉人工林根系的单位质量、长度、面积及根尖分泌速率存在显著差异,表现为9年生云杉林的分泌速率显著大于13年生和31年生云杉林.13年生云杉林的根系活力显著小于9年生和31年生云杉林.不同林龄粗枝云杉人工林的根际土、非根际土微生物量碳(MBC)和氮(MBN)存在显著差异,根际土表现为31年生13年生9年生,非根际土为13年生31年生9年生.随林龄的增加,粗枝云杉的根际土细菌、真菌、放线菌磷脂脂肪酸含量及总量呈现出高-低-高的变化趋势,而非根际土细菌、真菌磷脂脂肪酸含量、总量及真菌/细菌呈低-高-低的趋势.粗枝云杉根系对土壤MBC、MBN及功能群磷脂脂肪酸含量具有正根际效应.     

夜间增温和施肥对川西亚高山针叶林两种树苗根际效应的影响

开展植物根际效应对全球变化响应的研究是深入认识根际微生态系统中植物根系与土壤微生物相互作用过程及机制的关键。以川西亚高山针叶林两种主要树种幼苗--云杉(Picea asperata)和岷江冷杉(Abies faxoniana)为研究材料,采用红外辐射模拟增温和外施NH₄NO₃氮肥的方法,研究了夜间增温和施肥对两种幼苗根际效应的影响。结果表明:红外辐射增温导致气温增加了1.62 ℃,土壤5 cm和10 cm层月均温度显著增加了2.89 ℃和3.10℃。增温和施肥处理对两种幼苗不同参数根际效应的影响各不相同,表现为不同程度的正根际效应、负根际效应或者无影响。增温使云杉幼苗根际与非根际土SMB-C含量均显著增加(分别为42.28%和31.02%),非根际土有机碳含量降低了7.03%;而增温对两种幼苗土壤肥力因素根际效应的影响总体并不显著,增温仅对云杉全氮有显著的负根际效应(79.43%),而岷江冷杉通过根际土全氮和SMB-N含量的增加,其根际效应大小在增温处理下显著增强。施肥处理和两因子的联合作用显著提高了两种幼苗的NO^-₃-N、NH⁺₄-N和云杉非根际土SMB-N含量,并使岷江冷杉NH⁺₄-N表现出正根际效应,而云杉SMB-N表现出明显的负根际效应(120.80%和253.06%)。这种响应差异可能与不同植物种类地下碳分配及其植物根系所吸收的养分有关,从而赋予了不同植物种类在未来全球变化背景下可能具有不同的适应力和竞争优势,并进一步对亚高山针叶林地下过程及其早期更新产生潜在影响。     

连续三年夜间增温和施氮对云杉外生菌根及菌根真菌多样性的影响

以西南亚高山针叶林建群种粗枝云杉(Picea asperata)为研究对象,采用红外加热模拟增温结合外施氮肥(NH₄NO₃ 25 g N m^-2 a^-1)的方法,研究连续3a夜间增温和施肥对云杉幼苗外生菌根侵染率、土壤外生菌根真菌生物量及其群落多样性的影响。结果表明:夜间增温对云杉外生菌根侵染率的影响具有季节性及根级差异。夜间增温对春季(2011年5月)云杉1级根,夏季(2011年7月)和秋季(2010年10月)云杉2级根侵染率影响显著。除2011年7月1级根外,施氮对云杉1、2级根侵染率无显著影响。夜间增温对土壤中外生菌根真菌的生物量和群落多样性无显著影响,施氮及增温与施氮联合处理使土壤中外生菌根真菌生物量显著降低,但却提高了外生菌根真菌群落的多样性。这说明云杉幼苗外生菌根侵染率对温度较敏感,土壤外生菌根真菌生物量及其群落多样性对施氮较敏感。这为进一步研究该区域亚高山针叶林地下过程对全球气候变化的响应机制提供了科学依据。     

Effects of simulated exudate C:N stoichiometry on dynamics of carbon and microbial community composition in a subalpine coniferous forest of western Sichuan,China

 目前有关森林根系分泌物及其诱导的土壤生态学效应研究主要关注根系碳(C)源输入, 而极少关注根系分泌物氮(N)源输入及其伴随的C:N化学计量特征对土壤过程和功能的影响, 极大地限制了我们对森林根系-土壤-微生物互作机制的深入认识。该研究以川西亚高山天然林和云杉(Picea asperata)人工林土壤为对象, 模拟配制不同C:N化学计量特征(只有N、C:N = 10、C:N = 50、C:N = 100和只有C处理)的根系分泌物溶液进行人工添加试验, 以探究根系分泌物化学计量特征对两种林分土壤碳动态及其微生物群落结构的影响差异。结果表明: 模拟根系分泌物C添加总体促进了两种林分土壤有机质分解激发效应而降低了土壤总碳(TC)含量, 而N添加在一定程度上缓和了两种林分土壤TC含量的降低幅度, 且C添加导致天然林土壤TC含量的降低幅度明显低于土壤N有效性更低的人工林。几种根系分泌物添加处理对两种林分土壤活性和惰性碳库的影响无明显规律。另外, 根系分泌物C添加总体降低了天然林土壤微生物总磷脂脂肪酸(PLFA)含量和细菌、放线菌、真菌PLFA含量, 而总体增加人工林土壤微生物PLFA总量和细菌、放线菌、真菌PLFA含量, 并诱导两种林分土壤微生物群落结构(细菌:真菌相对丰度)也发生了各自不同的变化。上述结果表明森林根系分泌物N源输入和土壤N有效性共同调控根系C源输入对土壤有机质分解激发效应的方向和幅度。研究结果为深入揭示典型森林根系分泌物化学计量特征对土壤生物化学循环过程的调控机制提供了一定的理论依据。     

陆地生态系统凋落物分解对全球气候变暖的响应

陆地生态系统凋落物分解是全球碳收支的一个重要组成部分, 主要受气候、凋落物质量和土壤生物群落的综合控制。科学家们普遍认为全球气候变化将对陆地生态系统凋落物分解产生复杂而深远的影响。该文结合凋落物分解试验的常用方法——缩微试验、原位模拟实验和自然环境梯度实验, 归纳现有研究结果, 意在揭示全球气候变化对陆地生态系统凋落物分解的直接影响(温度对凋落物分解速率的影响)和间接影响(温度对凋落物质量、土壤微生物群落及植被型的影响)的普遍规律。各种研究方法都表明: 在水分条件理想的情况下, 温度升高往往能加快凋落物的分解速率; 原位模拟实验中, 凋落物分解速率因物种、增温方法和地理方位而异; 全球气候变化能改变凋落物质量, 但可能不会在短期内影响凋落物的分解速率; 凋落物质量和可分解性的种间差异远大于增温所引发的表型响应差异, 那么, 气候变化所引发的植物群落结构和物种组成的变化将对陆地生态系统凋落物分解产生更强烈的影响; 土壤生物群落如何响应全球气候变化, 进而怎样影响凋落物分解过程, 这些都还存在着极大的不确定性。     

基于叶片和土壤酶化学计量的川西亚高山岷江冷杉林养分限制海拔变化规律

氮(N)和磷(P)养分有效性是制约森林生态系统林分生产力与碳汇功能的关键要素,但目前对多变环境下森林生态系统养分限制特征还缺乏充分的科学认识。山地生态系统的气候、植被和土壤等环境因子沿海拔的垂直变化格局为深入认识森林养分限制及其驱动因素提供了天然的实验平台。该研究以青藏高原东缘典型的川西亚高山针叶林——岷江冷杉(Abies faxoniana)林为研究对象,通过沿巴朗山2 850–3 200m海拔梯度的多点取样,从植物叶片N、P养分含量、化学计量变化和地下微生物胞外酶化学计量学的角度,分析了海拔梯度下该区域森林养分限制特征变化规律及其主要驱动因素。结果表明:1)随海拔升高,叶片N、P含量降低而N:P由12.33升高至15.00,表明随海拔升高该区域针叶林叶片生长由N限制转化为N-P共同限制,且P限制随海拔升高而表现出增强趋势;2)矢量模型分析发现不同海拔下根际土壤微生物胞外酶化学计量矢量角度均>45°,且随海拔升高呈上升趋势,表明该区域微生物受P限制,且海拔越高土壤微生物P限制越强;3)进一步通过Pearson相关分析和路径分析表明,海拔引起的气温变化是驱动岷江冷杉林生态系统养分...     

增温对川西亚高山针叶林内不同光环境下红桦和岷江冷杉幼苗生长和生理的影响

 川西亚高山针叶林是青藏高原东部高寒林区的重要组成部分, 也是研究全球变化对森林生态系统影响的重要森林类型。开展亚高山针叶林不同树种对气候变暖响应差异的研究, 可为预测未来气候变暖背景下亚高山针叶林植被组成和森林动态提供科学依据。我们以川西亚高山针叶林两种主要树种——红桦(Betula albo-sinensis)和岷江冷杉(Abies faxoniana)为研究材料, 采用开顶式增温法(Open-top chamber, OTC)模拟气候变暖, 研究了增温对全光条件和林下低光环境中(约为全光的10%)生长的红桦和岷江冷杉幼苗生长和生理的影响。在人工林环境下, OTC使增温框内平均气温和地表温度分别升高了0.51和0.33 ℃; 而在林外空地处, OTC使二者分别升高了0.69和0.41 ℃。研究结果显示, 增温总体上促进了两种幼苗的生长和生理过程, 并促使幼苗将更多的生物量投入到其同化部位——叶, 使幼苗的根冠比(R/S)显著降低。增温通过增加叶片的光合色素含量和表观量子效率等光合参数, 促进了幼苗的光合过程和生长。然而, 增温对两种幼苗生长和生理的影响效果与植物种类及其所处的光环境有关。增温仅在林外全光条件下显著影响红桦幼苗的生长和生理过程。岷江冷杉幼苗对增温的响应与红桦相反, 即增温仅在林下低光环境下对岷江冷杉幼苗的生长和生理过程有明显促进作用。这种响应差异可能赋予这两种植物在未来气候变暖背景下面对外界环境变化时具有不同的适应能力和竞争优势, 从而对亚高山针叶林生态系统物种组成和森林动态产生潜在影响。