（生态学专业论文）羊草多糖的分析及其对羊草盐碱耐受性的影响.pdf

! i ：；，1 l寸 -jil 泞r o 、 叫jj一 一 一 ? i - 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：动! 茑 e l 期：b l d 一= f 6 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期： 递! 列 止l 上l 铀 电话： 邮编： i ，j i ， ，- i i_一 1 一_ 气 、 1 摘要 植物光合作用的主要产物是碳水化合物。碳水化合物是细胞骨架的一种主要 成分，并且是植物生长过程中重要的营养物质，植物生长时经常需要淀粉、蔗糖、 麦芽糖、葡萄糖或半乳糖等作为碳源。同时，碳水化合物也是一类合适的溶质， 一些小分子的碳水化合物极易溶于水中并且在浓度很高时也是无毒性的，这样就 提高了很多植物对冷冻胁迫的抗性。小分子碳水化合物，如蔗糖和一些寡糖被证 明是种有效的冷冻保护剂。可溶性碳水化合物对细胞无毒，对代谢没有抑制作用， 所以可溶性碳水化合物的积累在一定范围内可以维持盐胁迫下细胞正常的膨压 和细胞正常的代谢功能。此外，有些开花植物储存果聚糖作为储藏性碳水化合物， 在逆境条件下，这些储存的碳水化合物可以确保植物体生长所需要的碳和能量的 供应，在环境变好时，又可以促进植物快速发芽和生长生殖。碳水化合物在植物 体的生长发育过程中起着重要的作用。 羊草( l e y m u sc h i n e n s i s ( t r i n ) t z v e l ) 是禾本科赖草属多年生根茎型禾草。 羊草具有生产力高、耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱、适口性强等生物生态学特性，是 欧亚大陆草原带东缘的优势种，也是我国北方主要的优质牧草之一。羊草所含 营养物质丰富，在夏秋季节是家畜抓膘牧草，为内蒙古草原的主要牧草资源。 根据叶片颜色的不同，天然生境中的羊草可以分为灰绿型和黄绿型两种生态 型。灰绿型羊草的分布范围较广，可以在森林棕色土、黑钙土、草地和p h 值大于1 2 的重度盐化土壤中生长；而黄绿型羊草只能在栗钙土和盐化程度较 轻的土壤中生长。近年来这两种生态型羊草的种间差异性研究引起了广泛的 关注，两种生态型羊草的气体交换，遗传多样性和种群地理统计都已进行了研 究。然而关于羊草体内水溶性多糖的结构及其与羊草抗逆性的关系未见报道，所 以比较研究灰绿型羊草多糖和黄绿型羊草多糖的理化性质，如单糖组成、分子量 分布、分支度和侧链取代范围等，对探讨天然生境中两种生态型羊草的盐碱耐受 机制具有重大意义。本研究的目的是从结构上特征性地阐述生长在同一草原上盐 化程度不同的土壤中的两种生态型羊草的多糖的分子量分布、单糖组成和连接方 式等，以探讨多糖结构的变化与盐碱耐受性的相关性；通过碳水化合物的比较分 析，进一步增进对两种生态型羊草种间差异的盐碱耐受性的理解。 本研究通过人工模拟条件下对羊草幼苗进行中性盐和碱性盐胁迫处理，取样 后测量处理后羊草的株高、株数、含水量和各种糖含量变化，探讨中性盐和碱性 盐胁迫处理对羊草生长发育的影响。为了深入理解糖代谢与羊草盐碱抗性之间的 关系，对天然生境中两种生态型羊草的水溶性多糖的结构也进行了比较研究，获 得以下研究成果： ，4 一、j ( 1 ) 利用总离子浓度相同的混合中性盐n a c l ：n a 2 s 0 4 = 9 ：1 ( 摩尔比) 和 混合碱性盐n a h c 0 3 ：n a 2 c 0 3 = 9 - 1 ( 摩尔比) ，分别对羊草幼苗进行胁迫处理。 每组内又各设有6 个浓度，分别是6 0 、1 2 0 、1 8 0 、2 4 0 、3 0 0 和3 6 0m m 。处理 七天后收苗，测量羊草株高、株数、植株鲜重和干重，并计算含水量；分别取干 燥后羊草植株地下部分和地上部分，通过h p l c 技术检测其单糖、寡糖和多糖含 量的变化。 实验结果表明，与胁迫处理前相比，当中性盐浓度为1 2 0 m m 和1 8 0m m 时， 处理后羊革株高的涨幅要大于其在6 0m m 和2 4 0m m 时的涨幅；盐浓度为2 4 0 m m 时，处理后的羊草株高的增长幅度很小；当浓度达到3 0 0m m 和3 6 0m m 时， 与处理前相比，羊草的株高反而降低了，这是因为在此浓度下羊草的一些老叶片 已经死亡，测量的是新生幼苗的高度。碱性盐处理后，在碱性盐浓度为6 0m m 时， 处理后的羊草株高涨幅较大；用1 8 0m m 和2 4 0m m 碱性盐处理后，羊草株高涨 幅极小或没有增加；3 0 0r a m 和3 6 0m m 碱性盐处理后的羊草的株高都比未处理 前低，也是因为在此浓度下羊草的老叶片已经枯萎和死亡。由此得出，碱性盐对 羊草生长的毒害作用要大于中性盐。 当中性盐浓度从6 0m m 增加到3 0 0m m 时，中性盐胁迫处理后羊草的株数 都增加，但是增幅明显逐渐减小，在3 6 0m m 时受胁迫羊草的株数几乎没有变化。 对于碱性盐处理后的羊草来说，在盐浓度从6 0m m 到1 8 0m m 时，羊草的株数 也都增加，同样增幅是逐渐减小的；在2 4 0m m 时，碱性盐胁迫的羊草株数已经 停止增加；在3 0 0m m 和3 6 0m m 的情况下，羊草的株数都较未处理前减少，这 是因为在这两个浓度下，已经有部分羊草彻底死亡，死亡的植株没有计算在总株 数内。此结果同样证明碱性盐胁迫对羊草生长的毒害作用要大于中性盐。 对于中性盐胁迫，随着盐浓度从低到高( 从6 0m m 到3 6 0m m ) ，羊草体内 的含水量逐渐降低，但降幅较小。而对于碱性盐浓度从6 0 孟m 到3 0 0m m 时， 碱性盐处理后的羊草体内的含水量也逐渐降低，但降低的幅度要远远大于中性盐 胁迫；在碱性盐浓度为3 6 0m m 时，处理后的羊草体内的含水量达到最低值，此 时很多羊草秧苗已经死亡。 中性盐、碱性盐胁迫处理后，取干燥的羊草植株的地上和地下部分，分别使 用h p l c 技术测定其糖含量，并计算出各种糖的百分含量。结果表明，胁迫处理 后，不论是中性盐处理还是碱性盐处理的羊草植株的地上、地下部分中，多糖的 变化趋势都较为明显，而蔗糖、葡萄糖和果糖的变化很小，说明多糖在羊草的抗 逆性中可能起着一定的作用。 ( 2 ) 提取了灰绿型羊草和黄绿型羊草中水溶性的多糖，分别将其分离为中性 糖和酸性糖两部分，并对其进单糖组成分析。实验结果表明，灰绿型羊草中性糖 和酸性糖中的甘露糖含量都要高于黄绿型羊草的中性糖和酸性糖，而葡萄糖含量 i i l ， 一 、 j 卜 r 唧 1 ， 则都要低于黄绿型羊草的中性糖和酸性糖，这说明甘露糖和葡萄糖与羊草的盐碱 耐受性有关。 ( 3 ) 纯化了两种生态型羊草中性糖，并对纯化后的黄绿型羊草中性糖 ( h u a n g - n 6 b ) 和灰绿型羊草中性糖( h u i - n 6 b ) 进行1 3 c - n m r 分析。结果发 现，这两种中性糖主要都是由五种单糖组成，分别是葡萄糖，半乳糖，阿拉伯糖， 甘露糖和木糖。h u a n g - n 6 b 中的5 种糖残基主要以4 位连接为主，6 位羟基没 有取代，并且整个结构中有3 - 5 个糖存在甲氧基结构，该糖中没有还原末端， 末端的糖残基存在甲苷。其中，g l c 以1 ，4 连接为主，g a j 为a g a l ，并且是3 位连接，x y l 为2 位连接。h u i - n 6 b 中的5 种单糖残基的连接方式与h u a n g - n 6 b 的基本一致，但是h u i - n 6 b 中存在还原末端( 3 t g a l 和1 3 - g l c ，c 1 归属为9 7 0 1 p p m ，此糖中6 位取代增加。与h u a n g - n 6 b 相比，此中性糖中增加了6 2 8 5 、6 6 5 3 和7 8 4 0p p m 三个峰，归属于a m a n 的c 6 ，c 4 和c 3 ，并且是1 ，4 连接的 a m a n p 。 本研究在人工模拟条件下对羊草幼苗进行混合盐、碱胁迫处理，发现碱性盐 对羊草株高、株数和含水量的影响较大，说明碱性盐的毒害作用要大于中性盐。 胁迫处理后的羊草也对其各种糖的含量进行了测定，结果表明，混合中性盐、碱 性盐处理后，羊草植株地上、地下部分的多糖对胁迫的反应较为明显，而其它单 寡糖的变化不大。对灰绿型羊草和黄绿型羊草可溶性多糖结构的比较分析结果显 示，无论是在中性糖还是在酸性糖的单糖组成中，灰绿型羊草中的甘露糖含量都 要高于黄绿型羊草，而灰绿型羊草中的葡萄糖含量则都要低于黄绿型羊草。进一 步对纯化后的两种生态型羊草的中性糖结构进行比较分析，结果显示，1 3 c - n m r 谱图中灰绿型羊草中性糖较黄绿型羊草中性糖明显多出( i t m a n p 的位移峰，与单 糖组成的结果一致。这些结果表明羊草多糖中的葡糖糖和甘露糖与羊草的盐碱耐 受性有一定的关系。本研究对羊草多糖结构与其盐碱耐受性的关系进行了分析， 实验结果对羊草及其它耐盐植物的育种和推广有重要作用。 关键词：羊草；生态型；盐胁迫；多糖；多糖分级 l j a b s t r a c t l e y m u sc h i n e n s 括( t r i n ) t z v e li sap e r e n n i a lr h i z o m a t o u sg - r a m i n e a eg r a s s ，i t p o s s e s s e ss o m eb i o l o g i c a lc h a r a c t e rs u c ha sh i g hp r o d u c t i v i t y , r e s i s t a n c et od r o u g h t a n ds a l ts t r e s s ，a n di ti sd o m i n a n ts p e c i ei nt h ee a s to fe u r a s i as t e p p ez o n e i ti sa l s o o n eo ft h em a j o rf m eq u a l i t yf o r a g eg r a s si nt h en o r t ho fc h i n a l c h i n e n s i sh a s m u c hn u t r i e n ts u b s t a n c e ，a n di tc a np r o m o t et h eg r o w t ho fd o m e s t i ca n i m a l si n s u m m e ra n da u t u m n , s oi ti st h ef u n d a m e n t a lf o r a g eg r a s si nm o n g o l i a np l a t e a u t h e r ea r et w oe c o t y p e sf o rl c h i n e n s 话a c c o r d i n gt ol e a fc o l o u r ，t h eg r a yg r e e nt y p e ( g o ) a n dt h ey e l l o wg r e e nt y p e ( y g ) t h eg gt y p e i sd i s t r i b u t e di na i le x t e n s i v e r a n g eo fe n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gc h e m o z e ms o i l ，f o r e s t b r o w ns o i l ， m e a d o wa n dh a r s hs a l i n es o i l ，w h e r es o i lp hc a nb em o r et h a n12 ；w h i l et h ey gt y p e c a no n l yf o u n do nm i l ds a l i n em e a d o w 如dc h e s t n u t s o i l 1 1 1 ei n t r a - s p e c i f i c d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w ot y p e sh a v er e c e i v e dm u c ha t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，a n d t h eg e o g r a p h i cd e m o g r a p h y ，g a se x c h a n g ea n dg e n e t i cd i v e r s i t yo ft h et w ot y p e g r a s s e sh a v eb e e nw e l ld o c u m e n t e d 1 1 1 em a i np r o d u c t so fp l a n tp h o t o s y n t h e s i sa r ec a r b o h y d r a t e s c a r b o h y d r a t ei s o n eo ft h ef u n d a m e n t a lc o m p o n e n t so fc e l lb a c k b o n e ，a n di m p o r t a n t n u t r i e n t s u b s t a n c eo fp l a n tg r o w t h p l a n to f t e nu t i l i z es u c r o s e ，s t a r c h ，g a l a c t o s e ，m a l t o s ea n d g l u c o s ea sc a r b o nr e s o u r c e m e a n w h i l e ，c a r b o h y d r a t ei sa s u i t a b l es o l u t e ，s o m es m a l l s a c c h a r i d e sa r ev e r ys o l u b l ei nw a t e ra n dn o n t o x i ca th i g hc o n c e n t r a t i o n s ，i nt h i sw a y , r e s i s t a n c et oc o l ds t r e s so fs o m ep l a n t sm a yb er e i n f o r c e d s m a l lm o l e c u l a rw e i g h t c a r b o h y d r a t e ，s u c ha ss u c r o s ea n do t h e ro l i g o s a c c h a f i d e s ，i sp r o v e dt ob ee f f e c t i v e c r y o p r o t e c t a n t w a t e rs o l u b l ec a r b o h y d r a t e s a r en o n t o x i ct oc e l la n dh a v e n o i n h i b i t o r ye f f e c to nm e t a b o l i s m ，s o m o d e r a t ea c c u m u l a t i o no fw a t e r s o l u b l e c a r b o h y d r a t e sc a ne n s u r en o r m a lc e l lt u r g o ra n d m e t a b o l i s mu n d e rs a l ts t r e s s m o r e o v e r , s o m ef l o w e r i n gp l a n t ss t o r ef r u c t a n sa sr e s e r v ec a r b o h y d r a t e s ，a n dt h e s e r e s e r v ec a r b o h y d r a t e sc a ne n s u r et h ec a r b o na n de n e r g ys u p p l yf o rp l a n tg r o w t h , f u r t h e r m o r e ，t h er e s e r v ec a r b o h y d r a t e c a np r o m o t ep l a n t st os p r o u t , g r o wa n d r e p r o d u c ew h e ne n v i r o n m e n ti sw e l l 1 1 1 ec a r b o h y d r a t ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n p l a n tg r o w t ha n dd e v e l o p m e n t w h e r e a st h er e p o r t sa b o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n w a t e r - s o l u b l ep o l y s a c c h a r i d es t r u c t u r ea n dt o l e r a n c et oa b i o t i cs t r e s so fl c h i n e n s i s a r el i t t l e s oc o m p a r i s o nr e s e a r c ho np h y s i c o - e h e m i c a lp r o p e r t yo ft w oe c o t y p e c h i n e n s i s ( g ga n dg ，e g m o n o s a c c h a r i d ec o m p o s i t i o n , m o l e c u l a rw e i g h t i v i f q 一 产 l 一 l j ， l d i s t r i b u t i o n ，d e g r e eo fb r a n c h i n ga n de x t e n to fb r a n c h i n gb ys i d e c h a i ns u b s t i t u e n t s ， h a sg r e a ts i g n i f i c a n c et ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fr e s i s t a n c et os a l to ft w on a t u r a l l c h i n e n s i s 1 1 1 eo b j e c t i v e so ft h i sr e s e a r c ha l et os t r u c t u r a l l yc h a r a c t e r i z et h e m o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n ，s u g a rc o m p o s i t i o na n dl i n k a g ef o r mo fp o l y s a c c h a r i d e s f r o mt w ol c h i n e n s i sg r o w i n gi nd i f f e r e n ts a l i n i f i c a t i o ns o i lo ft h es a n l es t e p p ea n d d e t e r m i n ea n yc o r r e l a t i o n sb e t w e e np o l y s a c c h a r i d es 仃u c n l r ec h a n g e sa n dt o l e r a n c eo f s a l t c o m p a r i s o n so fp o l y s a c c h a r i d ec h a n g e so ft w o 三c h i n e n s i sm a yi m p r o v eo u r u n d e r s t a n d i n go fi n t r a - s p e c i f i cd i f f e r e n c e so f r e s i s t a n c et os a l tb e t w e e nt h et w ot y p e s n e u t r a la n da l k a l i n es a l ts t r e s sw e r ep e r f o r m e do ns e e d l i n g so fl c h i n e n s i s t h e h e i g h t ，n u m b e r , w a t e rc o n t e n ta n dc o n t e n to fs u g a ro ft h es e e d l i n g sw e r et e s t e da f t e r h a r v e s t i n g ，m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c eo ng r o w t ha n dd e v e l o p m e n to fl c h i n e n s i sa f t e r n e u t r a la n da l k a l i n es a l ts t r e s st r e a t m e n tw e r ed i s c u s s e d t h e nt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nc a r b o h y d r a t em e t a b o l i s ma n ds a l i n i t ya n da l k a l i n i t yt o l e r a n c eo fl c h i n e n s i s w e r ef u r t h e r u n d e r s t o o dt h r o u g ht h er e s e a r c ho nw a t e r - s o l u b l ep o l y s a c c h a r i d e s t r u c t u r eo ft w ol c h i n e n s i s w eo b t a i n e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ( 1 ) n l em i x e dn e u t r a ls a l tw a sc o m p o s e do fn a c i ：n a 2 s 0 4 = 9 ：1 ( m o l a rr a t i o ) ， a n dt h em i x e da l k a l i n es a l tc o n s i s t e do fn 枷c 0 3 ：n a 2 c 0 3 = 9 ：1 ( m o l a rr a t i o ) ，t h u s ， t o t a li o nc o n c e n t r a t i o no ft h et w og r o u pm i x t u r e sw a se q u a l ，m e a n w h i l e ，e a c hg r o u p i n c l u d e ds i xc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t ，t h e yw e r e6 0 ，12 0 ，l8 0 ，2 4 0 ，3 0 0a n d3 6 0m m h o a g l a n dn u t r i e n ts o l u t i o nw a su s e da sc o n t r 0 1 t h es t r e s se f f e c to fn e u t r a ls a l ta n d a l k a l i n es a l to nt h eg r o w t ho fl c h i n e n s i sw a si n v e s t i g a t e di nv a r i o u sp r o p o r t i o n s j 7 蚤es e e d l i n g so fl c h i n e n s i sw e r eh a r v e s t e da f t e rt r e a t i n gf o rs e v e nd a y s 7 五ep l a n t h e i g h t ，n u m b e ra n dc o n t e n 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