植物光合作用產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSCs）水平可以反映植物和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)程度。近年來(lái),草原極端干旱事件的發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間增加趨勢(shì)明顯,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。該研究以?xún)?nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原為研究對(duì)象,通過(guò)連續(xù)4年減少66%生長(zhǎng)季降水量的控制實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬極端干旱事件,分析草原6種優(yōu)勢(shì)物種和植物功能群NSCs各組分對(duì)極端干旱的響應(yīng)規(guī)律與機(jī)制。結(jié)果顯示,由于植物生物學(xué)、光合特性以及生理生態(tài)等特性的差異,不同物種對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)具有明顯差異。這表明草地植物NSCs組分及其利用策略對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)具有物種特異性,從而導(dǎo)致其生物量的不同響應(yīng)。將6種植物分為禾草和非禾草兩類(lèi),發(fā)現(xiàn)干旱顯著增加了禾草的淀粉含量,但對(duì)其可溶性糖含量無(wú)顯著影響;相反,干旱顯著增加了非禾草功能群的可溶性糖含量,對(duì)其淀粉含量無(wú)顯著影響,表明不同功能群采取了不同的干旱應(yīng)對(duì)策略。禾草選擇將光合作用固定的能量進(jìn)行儲(chǔ)存以應(yīng)對(duì)干旱脅迫,其生物量對(duì)干旱響應(yīng)不敏感;而非禾草選擇將能量以可溶性糖的形式直接供植物生長(zhǎng)利用以及抵御干旱脅迫,其生物量對(duì)干旱響應(yīng)較為敏感。這一發(fā)現(xiàn)可為預(yù)測(cè)在全球氣候變化背景下草甸草原生態(tài)系統(tǒng)... 

【文章來(lái)源】：植物生態(tài)學(xué)報(bào). 2020,44(06)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

干旱處理對(duì)草甸草原降水量發(fā)生概率及土壤含水量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)。

干旱處理和植物功能群對(duì)生物量的影響無(wú)顯著交互作用,表明干旱處理對(duì)各功能群生物量的影響一致(表1)。干旱顯著降低了兩個(gè)功能群的地上生物量,其中非禾草功能群的響應(yīng)程度高于禾草(圖2)。極端干旱處理和功能群的交互作用對(duì)淀粉含量的影響顯著,但對(duì)NSCs含量、可溶性糖/淀粉及可溶性糖含量的影響不顯著(表1)。對(duì)照和干旱處理間的可溶性糖含量和NSCs含量具有顯著性差異,但淀粉含量和可溶性糖/淀粉無(wú)顯著差異(p>0.05)。不同功能群NSCs含量、淀粉含量、可溶性糖含量及可溶性糖/淀粉無(wú)顯著性差異(圖3)。干旱顯著增加了禾草功能群的淀粉含量和可溶性糖/淀粉,但對(duì)可溶性糖含量和NSCs含量無(wú)顯著影響;相反,干旱顯著增加了非禾草功能群的可溶性糖含量和NSCs的含量,但對(duì)淀粉含量和可溶性糖/淀粉無(wú)顯著影響(圖3)。3 討論

研究表明,草原植物的NSCs代謝過(guò)程對(duì)極端干旱的響應(yīng)不僅具有物種特異性,在不同功能群也存在明顯差異,本研究發(fā)現(xiàn)禾草功能群NSCs含量和可溶性糖含量對(duì)干旱脅迫響應(yīng)不敏感,但干旱脅迫顯著增加了淀粉含量。相反,非禾草的NSCs含量和可溶性糖含量在干旱脅迫下顯著增加,而淀粉含量無(wú)顯著變化。這說(shuō)明不同功能群植物在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)對(duì)NSCs各組分的調(diào)控機(jī)制存在差異。逆境脅迫下,禾草功能群對(duì)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的存儲(chǔ)需求高于非禾草功能群。相反,非禾草功能群組織中的光合產(chǎn)物(NSCs)主要以可溶性糖的形式存在,可直接為生長(zhǎng)、繁殖、防御等活動(dòng)提供能量。此外,在干旱脅迫下,由于木質(zhì)部結(jié)構(gòu)差異,非禾草植物對(duì)水分運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié)需求高于禾草植物(王云龍等,2004)。因此,非禾草組織中的NSCs主要以可溶性糖而非淀粉的形式存在。Ford和Wilson (1981)研究發(fā)現(xiàn)可溶性糖與植物的滲透調(diào)節(jié)能力存在直接關(guān)系,是植物長(zhǎng)期忍受干旱環(huán)境的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可根據(jù)土壤水分等情況調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透勢(shì),使植物在缺水情況下能夠進(jìn)行正常的生理過(guò)程來(lái)適應(yīng)干旱脅迫(Iannucci et al.,2002)。Li等(2013)研究發(fā)現(xiàn),在干旱環(huán)境下,植物為滿足滲透調(diào)節(jié)等生理需求會(huì)主動(dòng)提高NSCs及各組分的含量。不同植物功能群的滲透調(diào)節(jié)和抗旱能力的差異會(huì)決定植物的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物代謝過(guò)程。在面臨極端干旱時(shí),不同功能群物種將采取不同的碳利用策略來(lái)適應(yīng)脅迫(Chen,2008;Chen et al.,2013)。禾草優(yōu)先合成淀粉,以?xún)?chǔ)存更多的能量來(lái)滿足干旱后的再生長(zhǎng),其生物量對(duì)干旱的響應(yīng)不敏感。同時(shí),一旦發(fā)生更為嚴(yán)峻的干旱脅迫,組織中的淀粉可立即轉(zhuǎn)化為糖作為滲透底物促進(jìn)木質(zhì)部中水分的傳導(dǎo)。NSCs作為滲透調(diào)節(jié)底物的功能已被前人所證實(shí)(王云龍等,2004)。相反,非禾草將同化的光合產(chǎn)物以可溶性糖的形式存儲(chǔ),直接用于抵抗環(huán)境脅迫,維持正常生理代謝活動(dòng)。保持一定含量的可溶性糖水平有利于維持細(xì)胞滲透壓,保持細(xì)胞水分充足,進(jìn)而提高水分傳輸效率(Dietze et al.,2014)。


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