（植物学专业论文）铝胁迫对喀西茄和车前生理生态特征的影响.pdf

摘要 铝胁迫对喀西茄( 勋肠刀钇珑砌傩切刀甜聊) 和车前( 尸砌掘印 伽砌疗c 口) 生理生态特征的影响 植物学专业硕士研究生李蕴 指导教师肖宜安教授何平教授胡文海副教授 摘要 本研究以入侵草本植物喀西茄( 肋正册柳l 砌珊而册l 册) 和土著种草本植物车前( 尸加以g d 础泐比口) 为对象，研究了不同铝浓度及胁迫时间对两物种生长特征、生理特性、生殖特性等 的影响，比较了两者的耐铝性差异，探讨了入侵植物抗铝的生理机制，主要研究结果如下： 1 ) 低浓度的铝处理( a l l o o ) 对喀西茄和车前的生长无显著影响。高浓度铝处理( a 1 2 咖) 使植株叶片脱落、叶面积减小、生物量下降；喀西茄的株高、基径均受到了不同程度的明显 抑制，植株生长几乎完全停滞。与车前相比，喀西茄具有耐受较高浓度铝的能力。 2 ) 低浓度铝处理对喀西茄和车前的各种生理指标均无明显影响。高浓度铝胁迫使喀西 茄和车前叶片质膜透性增大、m d a 含量增加；喀西茄的脯氨酸含量显著增加，车前的脯氨 酸含量则先升高后下降；两者的可溶性糖含量先升高后下降；喀西茄的可溶性蛋白先上升后 下降。当a l ”的浓度达到5 0 0 i i k ；l 以上时，喀西茄和车前体内s o d 、c a t 、p o d 酶的活性均 有所提高，表明此时植物为避免遭受伤害已作出适应性反应，启动了自身的保护酶系统。 铝胁迫下，喀西茄细胞膜损伤程度没有车前严重。喀西茄在铝胁迫条件下脯氨酸的含量 增加比车前更为显著，并且喀西茄可溶性糖下降没有车前的显著。喀西茄的s o d 酶含量的增 加比车前略为显著。入侵植物喀西茄能通过体内的生理保护机制来减少所受到的胁迫，表现 出比土著植物车前更为耐铝的生理特性。 3 ) 铝胁迫影响喀西茄和车前的光合作用、光响应曲线及荧光参数。铝胁迫导致车前的 叶绿素含量和类胡萝卜素含量均下降，而喀西茄的叶绿素下降、类胡萝卜素先上升后下降。 铝胁迫使两者的净光合速率( p n ) 、气孔导度( g s ) 、蒸腾速率( t r ) 、和水分利用效率( 、m 厄) 都呈现减小趋势，而胞间c 0 2 浓度( c i ) 则呈增加的趋势。低浓度的铝处理导致车前的光饱 西南大学硕士学位论文 和光合速率( a m a x ) 、表观量子效率( a q e ) 、暗呼吸( r d a y ) 和光饱和点( l s p ) 升高，却 只引起喀西茄光饱和点( l s p ) 升高。随着a l 浓度增加，两物种的光饱和光合速率( a ! i l 戤) 、 表观量子效率( a q e ) 、光饱和点( l s p ) 则均呈现降低趋势，而暗呼吸( r d a y ) 、光补偿点 ( l c p ) 则出现增加趋势。低浓度的铝在一定程度上促进喀西茄叶片光合作用，而高浓度铝 胁迫则严重抑制其光合作用，并引起叶绿素荧光参数呈下降趋势。 a 1 5 0 0 对车前净光合速率的影响要明显大于对喀西茄的影响，尤其是对光合光响应参数的 影响，a 1 5 处理下，车前的a m a ) 【、a q e 、l s p 都出现了明显的下降，而喀西茄却无明显影 响。入侵植物喀西茄能通过其光合保护机制来减少胁迫，表现出更耐铝的光合特性。 4 ) a 1 2 咖处理导致植物不能开花，a l 姗处理使喀西茄和车前开花期推迟，终花日提前， 整个花期的持续时间缩短，并且还严重降低了不同时期的开花数目、抽穗数目、穗长。铝胁 迫下，两物种在生殖特性上没有明显差异。 关键词：铝胁迫生长特征生理特性生殖特性喀西茄( 勋肠玎绷唧砌珊死聊材聊) 车前( 胁疗旭g d 傩砌玎阳) a b s 仃a c t e f f e c to fa l u m i n u ms t r e s so np h y s i o l o g i c a la n d e c o l o g i c a l c h a m c t e r i s t i c so f 勋伽甜聊砌傩加甜聊a n d 胁聆却傩切记口 c a n d i d a t e ：l i m s u p e r v i s o r ：p r 0 x i a o 一a np r 0 h ep i n g a s s o c i a t ep r o h uw - e n h a j a b s t r a c t t h ep r i m eo 场e c t i v eo f 廿l ep 阳s 锄t i i l v e s t i g a t i i st 0o b s e r y e 塘e 妇融c t o fv 撕。啉 c o 删i o 璐o fa l 啪劬ma l gw i t hd i 舵r e n td u m t i o n s0 n舭 i n v 舔i v ep l 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f t t m t i o fa l u m i n u m 锄d 丛 w e l l 嬲i n c r e a s e d 饥：a n n 如td a y s t h ec 伽t 钮lo fp l i mi l ll h el 韶fo fs 扰册a 铆肋缎切7 埘z 矗螂 s i g n i f i c a m l ya l o n g 阿i t ht 量l ei n c 陀弱e da l 啪i n 啪c o n c e 椭哪i o n 锄dp l o n g e d e n td u r a l i o n p 砌，唧傩溉，0 nm e0 t h e rh 锄dh a dl l i 曲p r o l i mc o m e n ta th i g l lc o n c e 劬瞰i o fa l 啪i l l 啪 b u ts i 印i f i c 锄t l yd e c r e 硒e dw 岫t i l ei n c 聆弱i n gd u 豫t i o no f 仃e a l n l e n t s i m i l 砌y ，n 他s o l u b l e 鲫g 甜 c o n t e 鹏鹊c e n d sw 池s h o np e r i o do f仃e a ：虹i l e n tw i t hh i g ha l 啪i n 啪c o n c e n 仃锨i 锄dd e 9 嘣池 田o n 删t hi n c 代舔i n gt i m e 骱m ea i 啪i n i 啪c o n c e n 仃a t i e x c e e d s5 0 0 m g ，l ，t h ea c t i v 时o f s o d ，p o d 锄dc a tw 啪i 1 1 c r e 嬲e d ，w h i c h 砌i c a 泐n l a tt h ep l 锄th a di n i t i a t e dt h ep 雠昭so f t o l e 啪c ea g a i n s ts 昀s sc o n d i t i 0 i l sb y u p g r a d i n gi t sp 玎0 t e c t i v ee 舵y m es y s 钯m m 两南大学硕士学位论文 u n d e ra ls t i e s ss i t u a t i o i l s 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ec u n ，e ，蜘e a n l l e n tw i n l1 0 wc 伽c 即枷i o no fa l 啪i n u m m a d ea m a 墨a q e ，r d a y 锄dl s po f 砌崛弘甜细嘲豫i n c 陀舔e d 柚ds od o 懿l s po f & 玑聊z 行 砌傩i 铆姗1 w i t hi n c 代a s i n go fa lc o n c 锄仃e a t i o n ，a m a ) 【，a q e ，l s po f肋切伽竹肋珊切，绷 s h o w e dd e s c e i l d i i l gt e n d e n c y ，锄dt h ec l l a r l g eo f 脚孤dl c p o f 勋伽姗砌鲫砌棚c 蛐d i n g t e n d e n c y i td e m o m t m l et h a tt h ep h o t o s y n t h e s i so f & ) z 口栉l 册嗣妇缸玎z 册c o u l db ep r o m o t e db y l o wc o n c e 肋眦i o no fa l u m i n i u m ，w h i l eh i 曲c o n c e 劬眦i o no fa l u m i n 啪c o u l dw e a k e ns e r i o 惦1 y t h ec h l o p h y l ln u o r e s c e n p 锄m e t 盯w e 他舱d u c e db yt l l es n e s so fa l 啪i n 岫 u n d e rm e5 0 0 m 鲫a l ”仃e a l n l e 咄t l l ei n f l u e n c eo fp h o t o r e s p o n c u r 锄dp 嬲吼咖r0 n 尸加罐d 砸妇彻w 嬲f o 吼dt 0b eg r c 咖rm 觚砌幻秒甜刎妇t h ea m 馘a q e ，l s po f 只锄f q g d 珊蛔村妇r e d u c e ds i 印砺c 柚t l yu n d e rt t l a tc o i 磺：i l 昀t i o n h 0 w e v e r 舭w 鹊c h 锄g e i n 勋砌删肋甜蛔瑚竹1 1 圮f e s u l t ss h o w e dt l l a t 也ei n v 觞i v ep l 锄t 勋加a 胧肋傩切l 姗lc o u l d 舱d u c es n e s sn l r o u g ht h em e c h a n i s mo fp h o t o s y i l t l l e s i sd e f e 舾e 勋切l 聊砌娜泐2 z 册s h o w e dm o 陀 r 船i s t i v et o w a r da li n 邪p e c to fp h o t o s y n t h e s i sc h 撇r i s t i c s 4 ) t h ep l 觚tr e p 硼u c t i v e 鲫砌1w 勰i 1 1 l l i b b dh n e m i v e l yb ym ea l 啪i n 帆咖s s u n d e rm e 2 0 0 0 i i 刚a l 抖蛐锄t t l l et 、v op l 锄t sc o u l dn o tb 1 0 0 mw l l i l eu n d e r 恤8 0 0 m g la 1 3 十慨a 缸i l e 鸭 龇n o w e r i n g 姆、糯d e l a y c d t h ew h o l ep m c e 鼹励u c e dm en o w e rn 岫毗m es p 龇 蝴b e r t h es p 妇l e n g t l l w 罄删l y d 他豳e d k e yw o r d s ：a l 岫i n u ms t r e 鳃，勋砌l 矗魄肋船切l 绷， p h y s i o l o g yc h 啪c t e r i s 如s ，陀p r 0 h d u c t i v ec h 撒c t c r i s t i c s i v 独创性声明 学位论文题目：堡丛垫殖喳酉蕴狸主煎生堡生查挂堑鲍受! 自 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：誉夏 签字日期：2 d 。g 年三月力量 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 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 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保孝， 口保密期限至年月止)。 学位论文作者签名：孳蕴 导师签名：肖够 签字日期：砌8 年s 月乃日签字日期：卅年j 月多口日 第一章文献综述 1 铝胁迫研究进展 1 1 土壤酸度与铝毒 第一章文献综述 土壤酸度是世界范围内普遍存在的农业问题，它影响着全世界4 0 可耕地的 作物生产【1 1 ；据统计，全世界有3 9 5 亿2 酸性土壤，其中可耕地面积为1 7 9 亿 h l n 2 ，主要分布在热带、亚热带及温带地区。我国南方也分布着大面积的酸性土 壤，约占全国土地总面积的2 1 嘣2 1 。除了自然成土过程导致土壤酸化外，由大气 污染引起的酸沉降、农业生产中大量施用生理酸性的化学肥料、根系吸收阴阳离 子不平衡、豆科植物的连续种植等进一步加剧了土壤的酸化，使酸性土壤面积和 酸性程度进一步提高【3 j 。 铝是地壳中含量最为丰富的金属元素，仅次于氧和硅，约占地壳总量的7 1 。 在自然界中，铝通常以难溶性硅酸盐或氧化铝的形式存在，对植物没有毒害，但 当土壤p h 小麦 大麦，在铝处理6 1 8h 内，茶、小麦、大麦s o d 活力在a l o 2m m o l l 。范围内呈先升后降趋势。伊大强等对菌根菌的研究表明， 铝离子能诱导菌根菌体内s o d 的产生，使体内s o d 活性升高。s u b r a b m a n y 锄【2 7 】等 人研究表明，a l 能促进脂类的过氧化反应、过氧化物的歧化作用及过氧化物酶的 活性，但a l 会降低过氧化氢酶的活性。 1 2 6d n a 合成 、 越来越多的证据表明铝直接或间接地影响d n a 和i a 的结构和功能。一般 认为：铝主要与d n a 的磷酸基结合，增加d n a 双螺旋的刚性铝聚合体束缚了染色 质的双螺旋，导致了解链的困难，降低模板的活性【2 8 】。同时染色质被结合在d n a 铝 聚合体上集结成为低转录活性的聚合物。这样染色质经过浓缩、集结，模板活性明 显下降，抑制了根尖细胞的分裂。m i n o c l l a 等采用体外悬浮细胞法研究了铝胁迫对 e i n a 的合成、多胺及多胺生物合成酶等生物化学过程的影响，发现与d n a 合成有 关的酶活性受到抑制，如在1 0 删：1 1 0 l 铝作用1 h ，虽然细胞活性只稍有伤害，但其细 胞内的精氨酸脱羧酶、s 腺苷甲硫氨酸脱羧酶和鸟氨酸脱羧酶等活性己下降 2 0 一2 5 ，严重抑制了d n a 的合成，铝可以与d n a 结合，增加d n a 双螺旋结构的 稳定性，阻止了d n a 的复制，影响细胞的分裂【2 9 】。另有研究表明铝也可与砒妊结 合，从而影响r n a 的结构和功能。 1 3 植物的抗铝机理 3 西南人学硕士学位论文 目前国内外在对铝的植物毒性进行大量研究的同时也发现了耐a l 的植物，并 提出了许多假设，试图解释这些植物的抗性机理。因为不同植物品种对a l 耐受能力 不同，植物对a l 的抵抗能力的形成过程也相当复杂，所以铝胁迫的抗性机理也较多。 综合前人研究结果，可将植物对a l 抗性分为外部排斥机理和内部解毒机理两部分。 外部排斥主要是指生物阻止a l 离子进入生物体内或到达细胞内敏感的代谢位置，免 除其危害【3 0 】。植物对铝毒的外部排斥机理中，根系分泌物起了极其重要的作用。 常见排斥机理有：细胞壁对铝的固定；质膜对铝的选择透性；诱导产生p h 屏障； 有机螯合剂和无机磷的分泌等。内部解毒指将吸收的铝以无毒或毒性较小的化合 物形式贮存起来，以达到解铝毒的目的。其机理有：细胞内溶物质的螯合作用；液 泡的分隔化；形成铝结合蛋白；诱导耐铝酶系的形成等机理达到缓解体内铝毒的 目的【3 。 1 3 1 外部排斥机理 1 3 1 1 细胞壁对铝的固定与细胞膜对铝的选择透性 作为植物防御不良环境影响的第一道屏障，细胞壁在植物抗铝毒机理中的作 用倍受关注。早在19 6 7 年，c l a r k s o n 【3 2 j 就发现，进入大麦根系中的铝有8 5 一9 0 以 上存在于细胞壁组分中，进入黄秋葵胚轴细胞中的铝也有9 5 结合于细胞壁中幽j 。 而在珊瑚轮藻( c h a r a c o r a l l i n a ) 中甚至有9 9 9 9 的铝结合于细胞壁上【3 4 j 。研究发现， 由于细胞壁中羧基及磷酸基团带有大量负电荷，使a l ”易于结合在这些基团所带的 负电荷上，从而阻止舢3 + 与质膜结合或进入共质体【3 5 1 。现认为细胞壁中可与铝相结 合的组分主要是果胶质，细胞壁果胶甲基化程度在耐铝性中起重要的作用。果胶 甲基化程度高会导致其阳离子交换量降低，结合在果胶质中的a l 较少，从而减轻铝 毒害。根系分泌的大分子粘胶物质能有效络合铝离子，使铝阻滞在粘胶层中，防 止过多的铝进入根细胞，粘胶层起着阻止铝与分生组织接触的屏障机能。质膜表 面强负电性会使带正电荷的铝离子强烈结合在膜上，从而使膜结构和功能对a l 更 加敏感【3 刚。铝改变膜性质是诱导葡聚糖的合成，铝与膜的结合性质很可能与植物耐 铝特性密切相关【3 。 1 3 1 2 根际p h 值的提高 铝的溶解性在很大程度上取决于p h 值。因此维持根际周围高p h 值就能降低铝 的溶解性，由此而减轻铝毒害。林咸永等【3 8 】对耐铝性明显差异的2 个小麦基因型研 究发现，铝胁迫下耐性小麦比敏感小麦能维持较高的p h 值。进一步研究表明，耐 性小麦能维持较高p h 值可能与其在铝胁迫下对n 0 3 。的吸收速率、亲和力以及硝酸 还原酶活性较高，而对n h 4 + 的吸收速率和亲和力较低有关。植物诱导根际产生p h 第一苹文献综述 屏障可认为p h 提高，引起铝的水解和聚合反应，从而形成毒性较小的化合物。溶 解度较低的铝化合物在近中性p h 条件下，形成微溶性的舢( o h ) 3 3 h 2 0 ；在溶液 中有磷存在时形成舢( o h ) 2 h 2p 0 4 沉淀或p h 提高而产生铝的聚合反应，均降低铝 单体在溶液中的活度【3 9 】。植物诱导产生p h 变化在品种间的差异具有一定的生物学 和生态学意义。 1 3 1 3 有机酸的分泌 研究表明a 1 3 + 与小分子有机物形成螯合物后，其生物毒性大大降低，当两者达 到一定的摩尔比后，完全无毒化。具有螯合铝的物质最有可能的是有机酸如柠檬 酸、苹果酸、草酸等。自t a g a 、a 【4 0 】等首次报道不同小麦品种的抗铝性与根系苹 果酸的分泌呈正相关以来，对铝毒耐性的大量研究多集中于根系有机酸分泌的种 类和数量上。d e l h a i z e 【4 1 】等利用小麦一对近等基因系为材料研究发现，抗性基因系 分泌的苹果酸是敏感基因系的5 1 0 倍。根尖是苹酸分泌的主要部位，且此苹果酸的 分泌是由趾3 + 专一性诱导的。进一步对铝耐性不同的3 6 种小麦品种研究发现，诱 导的苹果酸分泌与抗铝性呈正相关【4 2 】。 铝毒诱导有机酸的分泌是植物的一种普遍适应机制。铝诱导有机酸的分泌有 如下原因【4 1 4 3 】：1 、铝通过直接与通道蛋白作用，改变其构型以及增加通道的开启时 间和传导；2 、铝与膜或膜表面的专一性受体相互作用，通过细胞中的一系列第二信 使改变通道的活性；3 、铝进入细胞质，直接与通道结合改变通道活性。 1 3 1 4 磷酸的分泌 研究发现，铝胁迫下，根系分泌的磷酸可在质外体、根表面或根际与a l ”形成 磷酸铝沉淀，降低舢”的活性，从而解除铝毒害。l i n d b e r g 推测，耐性糖用甜菜品 种在铝胁迫下，存在依赖于代谢磷酸盐分泌。p e 舵r s s o n 等也认为，磷含量充足的 小麦根系由于共质体中磷的分泌而有利于形成a 1 p 复合物。然而所有实验都没有从 根尖的角度去探讨磷酸盐的分泌。p e l l e t 等对4 种小麦品种( a t l 弱6 6 ，e t 3 ，e s 3 ， s c o u t 6 6 ) 根尖磷酸盐的分泌进行了研究，发现只有a t l 嬲6 6 的抗铝性与组成型磷酸 的分泌有关，而这正是a l t l 嬲6 6 品种耐性强于e t 3 品种的关键所在1 3 j 。 1 3 2 内部耐受机制 1 3 2 1 细胞内有机酸螯合： a l ”对大多数植物都会产生毒害，但有些植物体内能够积累大量的铝而不表现 出毒害症状，最典型的有茶树( c 锄e l l i 嬲i n e n s i s l ) 、绣球花、荞麦。由于a l ”与细 胞内供氧化合物如无机磷酸盐、核苷酸、d n a 、r n a 等物质的亲和性很高，铝在 5 西南人学硕士学位论文 这些植物体内必然是以一些无毒或毒性较小的铝形态存在。研究发现，铝耐性很 强的绣球花体内含有大量的铝，其叶片含铝量达1 5 6 6 m m 0 1 k 岔1 ，且7 7 的铝都 位于细胞汁液中。m a 】等用5 0 m 0 1 l 。1 的a 1 3 + 对养麦间断性处理1 0 d 后发现，荞 麦叶片中铝含量达到2 0 1 删啪1 蚝d f w ，也主要以a 1 3 + 一草酸形式存在于细胞汁液 中，浓度达到2 n u i l 0 1 l 。 1 3 2 2 铝诱导的逆境蛋白 1 a y l o r 【3 9 1 等报道，铝胁迫诱导了耐性小麦p 7 w 珀勺5 1 k d a 的蛋白质合成，而在 铝敏感品种勋耙驯口中却未发现此蛋白质的诱导，认为此5 1 2 k d a 的蛋白质的特定诱 导在铝耐性机制中起作用。对这两个品种进一步分离实验表明5 1 k d a 蛋白质的诱 导与抗胼胝质的形成呈正相关，故此耐性小麦品种抗铝机制可能是由于抑制了胼胝 质的形成而表现出抗铝性。 1 3 2 3 液泡的区室化 植物的抗铝性还可以通过把铝分隔在对铝不敏感的部位如液泡中完成。 c u e n c a 【4 5 】等通过对一种铝超积累植物尉幽p 厂缸耵册d 鼢、讪l 叶片x 射线微分析证明， 铝能够在该叶片的液泡中有效积累。p 讹r s s o n 等通过核磁共振技术检测也表明， 铝进入液泡后，可与铝形成稳定的磷铝化合物沉淀。最近s h e n 等对抗铝荞麦叶片 中铝的亚细胞分布部位研究发现，叶片中大于8 0 的铝聚集在原生质体中，且所有 这些铝都是以a l ”草酸的形式被分隔在液泡中，从而对铝毒害表现出极强的抗性。 2 生物入侵的研究进展 目前，生物入侵已成为生态学、生物多样性科学的研究热点之一。其中，外 来植物如何实现成功入侵，即外来植物成功入侵的机制近年来更是倍受关注，成 为防止植物入侵的关键。 2 1 入侵植物概况 入侵种指在引种地建立了庞大的种群，并向周围地区扩散，对新分布区生态 系统的结构和功能造成了明显损害和影响的外来种【4 6 】；土著种是指出现在其自然 分布区及其自然传播范围内( 即在其自然占领的或无需人类的直接或间接引种也 能占领的分布区内) 的物种、亚种或更低的分类单元【4 7 1 。至今，中国已被研究记 载的较常发生的外来植物共有7 6 属1 0 8 种，其中属于恶性杂草的有1 种，属于区域 性恶性杂草的有1 4 种，属于常见杂草的有8 种，其余的为一般性杂草【4 引。入侵物种 在一个新的地区建成种群以后，其分布区或迟或早都会开始向周围扩散。外来种 中入侵种的比例虽然很低，可是一旦成功侵入，就会给新栖息地的生态环境、生 6 第一苹文献综述 物多样性和社会经济造成巨大危害。一般认为，在一定的生长条件下，外来入侵 植物对土著植物的生长、繁殖和资源分配产生强烈的影响，甚至能取代土著植物 f 4 ”o 】。外来种通常具有较为优越的生物学特性，在与相应的土著种进行资源竞争 时占据一定的优势【5 。 2 2 外来植物的入侵机制 2 2 1 繁殖特性 入侵种的繁殖特性对其在新栖息地种群的建立有重大作用。通常成功的外来 种都有很强的繁殖能力。部分入侵种能迅速产生大量的种子和幼苗，而且种子的 发芽率高，幼苗生长快，幼龄期短，播种和生殖的时间间隔短【5 2 】；另一部分则具有 很强的营养繁殖能力，能由植物碎片长成植株或以地下根茎进行无性繁殖，如凤 眼莲、薇甘菊等。入侵植物以上的增殖特性均有利于其入侵扩展。 2 2 2 种子休眠特性 处于休眠期的物种有利于其渡过恶劣的环境条件( 如寒冷或干旱的季节) ，也有 利于长途运输，因而使其入侵的可能性增加。有的外来种的种子有多次休眠期， 例如常春藤叶婆婆纳( 玩，d 咒矗办p 沈阳矿d ，蛔) 种子在成熟后有一段明显的休眠期 【5 3 】；豚草的种子也有休眠期，而且即使打破了休眠，如果仍处于黑暗中没有发芽， 则又进入二次休眠，可休眠长达3 5 年，埋在土壤中4 0 年的种子在早春进行萌发实 验时仍有4 种子能发芽，埋藏5 0 年或更长时间的种子才丧失活性【5 4 1 。这种休眠特 性有利于豚草和常春藤叶婆婆纳在受到人为干扰的环境中成功入侵和形成优势 种。 2 2 3 对环境的忍耐性 植物外来种对各种生态因子的适应性对入侵、生存和扩展是极为重要的。大 部分外来入侵种的适应范围广，对环境有较强的忍耐力，因此它们的入侵潜力大， 入侵的成功几率也更高。励在夏威夷的雨林中成为优势植物，其中一个特点 就是其幼苗的耐阴性强【5 5 】；早雀麦加历螂纪c 幻，甜朋) 的根能达到本地种难以到达 的深度，可利用地下深处的水，故其能在寒冷干燥的早春先于本地种萌发而在竞 争种获得优势侈6 】；有些外来种可以利用洪水传播而生存在盐分高的极端环境里， 如大米草。可见，正是对某些环境因子较强的忍耐力使外来种在一些特殊环境中 获得对土著种的竞争优势，或能占据土著种不能利用的生态位，从而成功入侵。 2 2 4 化感作用 7 两南大学硕士学位论文 外来植物一旦侵入某种生境，会很快形成单优群落，这与它们具有化感作用 特性，从而能在竞争中处于优势地位密切相关。如豚草可释放酚酸类、聚乙炔、 倍半萜内脂及甾醇等化感物质，对禾本科、菊科等一年生草本植物有强抑制和排 斥作用【5 。有些外来入侵植物能够产生有效的化学物质以防御动物的取食和微生 物的侵染，从而增加其入侵力，如飞机草可合成和释放次生物质对昆虫和真菌产 生忌避或抑制作用【5 8 1 ，腺凤仙花之所以迅速入侵是因为其能比当地灌木种多分泌5 倍以上的花蜜吸引蜜蜂，增加了其传粉机会和繁殖优势。最近的研究证明：大多 数能够入侵的外来植物都具有化感作用，有时甚至起主导作用，如在对北美入侵 杂草刀胁甜阳a 聊口c 甜胁口和土著种凡s 纽c 口以砌d e 瑚括的种间作用关系研究中发 现，两者虽都具有较强的竞争能力，但由于入侵种还可以从根部分泌化感物质， 最终排挤了土著种f 砌办d p 珊捃。若在两种植物混合群落的土壤中用活性炭减少c 耽配砒啪根部分泌的化感物质，则其入侵能力也降低，这充分说明化感作用在c 聊卯“7 l 粥口入侵过程中的重要作用【驯。 2 2 5 外来种与土著种的竞争 研究发现，成功入侵的外来种在新栖息地的环境条件下竞争能力往往强于处 于相似生态位的土著种，在这种情况下外来种可以通过排挤土著种而获得成功。 如空心莲子草，由于竞争力强，消耗的土壤养分多，对与其生长在一起的水稻、 小麦、玉米、甘薯和莴苣的产量均造成严重损失删。薇甘菊通过无性繁殖快速生 长形成厚密的植被层而减少下层植被光照，阻止覆盖层下其他植物的生长，最终导 致其攀附植物死亡【6 l 】。而在一些干旱、半干旱地区，外来植物种的入侵则往往是 通过与新生境的当地植物种竞争水分而实现。 外来植物入侵研究的核心是对其入侵机制的研究。目前，对于外来植物入侵机 制的研究还处于初步探索阶段，认识入侵种成功入侵的原因对入侵生物学的研究 是极为重要，同时深入研究生物入侵机制，对预测生物入侵、采取适当的措施降低 入侵物种所造成的危害具有重要的指导意义。 8 第二章引言 第二章引言 1 研究对象 1 1 喀西茄( 勋伽删加删) 别名：苦颠茄、苦天茄、刺天茄。茄科，茄属植物。茎、叶、花梗及花萼被 硬毛、腺毛及基部宽扁直刺，刺长0 2 1 5 c m 。叶宽卵形，长p 1 5 c m ，先端渐尖， 基部戟形，5 7 深裂，裂片边缘不规则齿裂及浅裂，上面沿叶脉毛密，侧脉疏被 直刺；叶柄长3 7 c m 。蝎尾状总花序腋外生，花单生或2 4 。花萼钟状，裂片长 圆状披针形，长约5 m m ，具长缘毛；花冠筒淡黄色，长约1 5 姗，冠檐白色，裂 片披针形，长约1 4 c m ，具脉纹，反曲；花药顶端延长，长乒7 删 i l ，顶孔向上； 子房被微绒毛。浆果球形，直径2 3 c m ，淡黄色，宿萼被毛及细刺，后渐脱落。 种子淡黄色，近倒卵圆形，径2 2 8 r n m 。草本或亚灌木，生于海拔6 0 0 2 3 0 0 m 沟 边、灌丛、荒地、草坡或疏林中。花期春至夏季，果期夏至秋季。种子繁殖。原 产地在巴西，1 9 世纪末在我国贵州南部发现，现广布我国的江西、湖南、浙江( 平 阳) 、重庆、福建、广西、广东、云南、贵州、四川【6 2 】。具刺杂草，全株含有毒 生物碱，未成熟果实毒性较大，目前被列入中国入侵植物名录【6 3 】。 1 2 车前( 胁玎f 唧珊妇觑) 别名：车前草、车前仁、当道、牛舌草等。车前科，车前属植物。全国均有 分布。为多年生草本，连花茎高达5 0 c m ，有须根。叶根生，有长柄，几乎与叶片 等长或长于叶片，基部扩大。叶片呈卵形或椭圆形，长4 1 2 c m ，宽2 7 c m ，叶 片先端尖而钝，基部狭窄成长柄，叶片全缘呈不规则波状浅齿，通常在叶片上有5 7 条弧形脉。车前的花茎较多，三五个不等，花高1 2 5 0 伽，有棱角、疏毛。穗状 花序，排列较疏松，花绿色，花冠披针形，淡绿色。蒴果椭圆形或卵形，盖裂； 种子长圆形，黑褐色。花期6 9 月，果熟期7 9 月删。在我国各地都有分布。多 生于草甸、沟谷、田野、河边、路旁。喜潮湿，喜阳光充足和肥沃的沙质土。有 一定的耐寒、耐旱力。栽培管理容易，自播力强，有很强的适应能力。易繁殖， 一般于春季种子繁殖。在国内，车前( 尸伽f 卿傩删、大车前( pm 劫们、平 车前( 只如p 他譬姗) 等历来被列为中药中的上品，全草及种子入药，有补肝、利水、 清热明目、祛痰的作用、在治疗便秘、慢性气管炎、细菌性痢疾等方面有疗效【6 5 1 。 2 研究的目的和意义 土壤酸度是世界范围内普遍存在的农业生产问题，它影响着全世界可耕地的 9 西南人学硕士学位论文 作物生产。而本文的研究地点江西省境内分布大面积的酸性红壤土，铝毒被认为 是酸性土壤作物生长最重要的限制因素，因此研究铝毒对植物的生理生化影响以 及如何减轻或消除铝毒、以达到经济、有效、合理地利用酸性土壤资源己成为迫 切需要解决的问题。 近十多年来，在小麦、水稻、玉米、大豆、棉花、绣球和荞麦等植物的耐铝 生理和生态方面已开展了不少工作，而以野生草本植物作为实验材料来系统研究 铝胁迫对草本植物生理生态特征的影响和耐铝毒机理的研究却少见报道。 生物入侵问题给生态环境、生物多样性和社会经济也造成巨大危害。入侵种 通常具有较为优越的生物学特性，在与相应的土著种进行资源竞争时占据一定的 优势。外来种的成功入侵是否因为对某些环境因子具有较强的忍耐力，是否在一 些特殊环境中获得对本地种的竞争优势，占据了本地种不能利用的生态位，这些 问题都是有待深入研究的。 因此本文选取南方酸性土壤中生长的两种草本植物喀西茄和车前为对象，研 究铝胁迫下两种草本植物的生理响应和耐性机理，旨在探讨其生理和生态的适应 机制，为植物耐铝机理的揭示和铝毒的防治提供理论基础。同时选取的两种草本 植物，一种为入侵种，一种为本地种，其目的在于进一步探明外来植物成功入侵 的机理，为入侵植物的防治提供理论依据。 i o 第三章铝胁迫对喀两茄和车前生长特性的影响 第三章铝胁迫对喀西茄和车前生长特性的影响 铝毒害最明显的外在表现是根系和地上部分生长受阻，根的生长受到抑制， 根毛减少，根尖表皮细胞体积变小，根冠脱落1 3 1 ( f o yc d ，1 9 8 3 ) 。植物茎部和 叶片生长停止，组织坏死嗍。关于铝毒对植物生长的效应，在油菜、玉米、洋葱、 花生、大豆等作物上均有报道【1 4 ，1 每1 7 1 。而对草本植物，尤其是入侵的草本植物上 未见报道。本实验以广泛分布的草本植物车前和南方入侵草本植物喀西茄为实验 材料，研究不同铝胁迫浓度及胁迫时间对植物生长特性的影响，目的在于探讨铝 胁迫是如何影响植物生长，入侵植物与土著植物对胁迫环境的生长适应性是否存 在差异，从而为植物抗铝机理的揭示和铝毒的防治提供理论基础。 1 材料和方法 1 1 供试材料与材料培养 车前和喀西茄种子均采自江西省井冈山野外生境，分别来自同一生境中的相 同个体，采种时间为2 0 0 6 年8 月。该区域的土壤主要有红壤和红棕壤构成。气候 温和、日照充足、雨量充沛、属亚热带季风湿润性气候。年平均气温为1 7 1 1 8 6 ， 年平均降水量1 4 8 7 i m 【6 7 1 。 选择大小一致、饱满的车前和喀西茄种子，经o 1 的h g c l 2 消毒1 0 m i l l ，用 蒸馏水洗净，浸种8 h ，播种于洗净消毒的石英砂中，待幼苗两片子叶完全展开时 选择长势良好一致的幼苗，小心移入2 0 2 3 的塑料花盆中，每盆一苗，每盆装土 3 0 蚝( 泥炭土：沙土= 3 ：1 ) 。待幼苗第六片完全展开时，使用蒸馏水和h c l 配制的 p h = 4 o 的趟溶液进行铝处理。铝以灿c 1 3 溶液形式添加到酸性溶液中来模拟酸性 土壤中a 1 3 + 的释放，每天l o m l 注入盆中，a 1 3 + 的浓度分别为o ，1 0 0 ，5 0 0 ，8 0 0 ， 2 0 0 0 m g l 。实验设5 个处理，分别记为c k 、a l l 卟a 1 5 0 0 、a 1 8 、a 1 2 0 0 0 每个处理 3 个重复。 1 2 测定方法 分别于处理前一天，处理后第1 0 d 、2 0 d 、3 0 d 时，用直尺、游标卡尺等测定 各处理植株的株高、基径、根长，用叶面积仪测定叶面积，同时测量植株叶片数、 地上部及地下部鲜重和干重等。所有指标均重复测定三次，其结果以平均值标 准误表示。 2 结果与分析 2 1 对喀西茄株高、基径的影晌 两南大学硕士学位论文 株高、基径是植物受铝毒害的外部表现特征之一。不同铝浓度处理后，各植 株株高及基径如图1 1 所示。结果表明：处理l o d 时，各浓度铝处理对喀西茄株 高、基径的影响与c k 相比均没有明显差异。处理2 0 d 时，只有a 1 2 0 0 0 对喀西茄 的株高、基径产生了明显抑制作用。处理3 0 d 时，舢2 0 0 0 、a 1 8 0 0 处理，喀西茄株高 和基径均显著低于对照，表明高浓度的铝长期处理时会对其株高和基径产生了明 显抑制作用，而低浓度铝处理对其株高和基径无显著影响。 恒 蜷 吕 o o 器重 口 x q 勺 暑 时 q a l 处理时间( 天) t r c a t m td 够s 舢处理时间( 天) t r e a n n e md a y s 图3 1 铝胁迫对喀西茄株高和基径的影响 f i g 3 - 1e 舵c t so f a ls 仃e s so np l 趾th e i 出觚dc a u d e xd i 锄e t e ro f & 砌甜加堋 2 2 对喀西茄和车前叶片数和叶面积的影响 叶片数和叶面积也是植物受铝毒害的外部表现特征之一。各植株在不同浓度 的不同胁迫时间下叶片数及叶面积的变化见图2 2 。结果表明：对照组植株叶片 数和叶面积随着生长时间的延长而增加。不论处理时间长短，a l l 卟灿5 0 0 对喀西 茄和车前的叶片数、叶面积的影响与同时期c k 相比差异均不显著，a 1 2 0 0 0 对两者 的叶片数和叶面积均产生了明显抑制，叶片数减少，叶面积不增加。且随着时间 的延长差异更显著。 两者的差异在于a 1 8 0 0 处理：虽然处理2 0 d 时，喀西茄和车前叶片数和叶面积 与c k 相比都有显著下降，但处理3 0 d 时喀西茄的叶片数已基本恢复正常且与对 照没有差异，而车前叶片数则显著下降；且随着处理时间的延长，喀西茄叶片数 和叶面积仍呈现增加趋势，但增加幅度较c k 小；而车前则一直呈现下降趋势。 说明此胁迫浓度对车前叶生长的抑制要大于喀西茄叶生长的抑制。 1 2 8 7 6 4 o o o o o 第三章铝胁迫对喀西茄和车前生长特性的影响 牛l 籁甚 越名l 古暑 m o o l 0 2 0 日 嚣0 瞎器 古磊 。 未4 0 o o ol o c o l o d 0l o2 03 0 ol o2 03 0 a l 处理时间( 天) t r e a t m 锄td a y s 图3 2 铝胁迫对喀西茄、车前叶片数和叶面积的影响 f i g 3 - 2e 朊c t so f a ls 仃e s so nl e a v en u m b e ra n dl e a v ea r e ao f 砌傩泐l 姗，a n dp 甜而2 打c 口 a 、c ：喀西茄b 、d ：车前 2 3 对喀西茄和车前鲜重的影响 铝胁迫对喀西茄和车前鲜重的影响如表3 1 所示：无论处理时间长短