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西鄂尔多斯三种孑遗植物适应环境的生理生态与代谢组学特征

花匠小妙招
2025-02-04 19:06

西鄂尔多斯三种孑遗植物适应环境的生理生态与代谢组学特征

【摘要】： 半日花(Helianthemum soongaricum)、蒙古扁桃(Amygdalus mongolica)、蒙古沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)是生长在西鄂尔多斯的三种孑遗植物,作为荒漠植物群落的建群种和优势种,在研究荒漠植被的起源形成和系统发育等方面具有重要的科学价值。因此,应重视和加强对这三种孑遗植物的保护,而研究其适应环境的生理生态特征和代谢组学特征是保护的基础。本文以西鄂尔多斯的半日花、蒙古扁桃、蒙古沙冬青三种孑遗植物为研究对象,探讨其在高温干旱胁迫条件下的生理生态特征及其对自然降水的响应,并结合其在高温干旱胁迫下的代谢组学特征,初步揭示了三种孑遗植物在长期进化过程中适应环境的生理生态机制。主要研究结果如下:(1)本研究调查的样地植被组成较少,共有种子植物13科21属22种。植被区系以古地中海分布为主,说明古地中海孑遗植物在西鄂尔多斯地区植被的演变和进化过程中起到了决定性作用。调查样地植被结构较为简单,植物生活型包括灌木和草本植物,植被覆盖度较低。生活型谱以一年生植物为主,水分生态型以强旱生灌木为主。调查样地形成的半日花群落、蒙古扁桃群落、蒙古沙冬青群落优势群落中,半日花群落中灌木和草本物种多样性指数最高,其群落结构相对稳定,而蒙古扁桃群落结构的稳定性较弱。(2)生境条件对孑遗植物生长状况和生理生态上具有较大影响。与石质山坡相比,砾质山坡环境下蒙古扁桃生长更好,其植株冠幅、生长高度和基径明显较大。与固定沙地相比,石质山坡环境下蒙古沙冬青生长状况更好,其植株生长冠幅和高度均较大,在生理生态方面其光合能力和蒸腾作用更强,用于光合作用的能量占比更大。(3)在高温干旱的环境下,半日花、蒙古扁桃、蒙古沙冬青三种植物均出现了“光合午休”现象,在午间用于热耗散的能量占比最高。生长在石质山坡的三种植物净光合速率下降受气孔因素和非气孔因素综合影响,但午间净光合速率下降主要受气孔因素影响。生长在固定沙地的蒙古沙冬青净光合速率下降主要受非气孔因素限制。同时,三种植物适应环境的生理生态策略也存在明显差异。其中蒙古扁桃对弱光的利用能力更强,利用强光的能力弱。半日花具有较高的光合活性,对强光的利用能力更强,在弱光下光能转化效率低。蒙古沙冬青光能利用区间较宽,对低CO_2浓度反映更为灵敏,适应性更强。半日花和蒙古扁桃采取高光合、高蒸腾、低水分利用效率的适应策略,蒙古沙冬青采取低光合、低蒸腾、高水分利用效率的适应策略。(4)半日花、蒙古扁桃、蒙古沙冬青对降水的生理生态响应策略存在异同。降水后,三种植物的光合作用和蒸腾作用均有不同程度的增强。半日花和蒙古扁桃光合作用在降水后第2天迅速增大,说明对降水的响应较为敏感;蒙古沙冬青光合作用在降水后第5天最强,而其蒸腾作用对降水的响应较为敏感。三种植物叶片相对含水量和叶干物质含量均有所上升,其叶片保水能力大小依次为:蒙古沙冬青>半日花>蒙古扁桃。(5)在严重干旱胁迫下,半日花、蒙古扁桃、蒙古沙冬青在代谢差异物方面表现出明显差异。有17种代谢物共同参与了三种孑遗植物的胁迫响应。蒙古扁桃差异显著的代谢物最多,在高温干旱胁迫下响应最积极,其次是半日花,最后是蒙古沙冬青。与光合相关的差异代谢物分析结果显示,高温干旱胁迫下,半日花、蒙古扁桃和蒙古沙冬青会通过渗透调节物质和植物激素调节植物气孔,抑制气孔开放,降低植物光合速率。同时会富集抗氧化物质清除自由基来保护植物的光合结构,提高植物的适应性。但当抗氧化物质下调或自由基和抗氧化系统之间的平衡被打破时,会让光合作用降低。(6)在植物代谢通路方面,KEGG分类及富集结果显示,半日花、蒙古扁桃和蒙古沙冬青均能通过调节全图和概述地图、氨基酸代谢、其他次级代谢的生物合成代谢途径适应高温干旱的胁迫。半日花显著富集的通路是“类固醇生物合成”;蒙古扁桃显著富集的通路有8条,L-缬氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、柠檬酸、异柠檬酸富集在多条代谢通路,在蒙古扁桃抗高温抗干旱中发挥重要作用;蒙古沙冬青显著富集的通路有3条,其中“黄酮生物合成”最为显著,说明蒙古沙冬青主要通过积累黄酮类物质来抵抗胁迫。

【学位授予单位】：中央民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2023