苔草属植物对异质环境生理生态响应研究

论文摘要

莎草科苔草属（Carex：Cyperaceae）植物种类繁多，分布范围极广，几乎各种生境中都有苔草存在，是湖边，森林和沼泽等生境的重要和优势种群。苔草植物经常不形成菌根，但在低磷条件下许多苔草植物特有地形成特殊根结构—胡萝卜状根，这意味着该类根具有吸收磷的能力。许多苔草植物对脆弱生态环境的维持起着极其重要的作用。本研究主要在加拿大麦吉尔大学人工气候室对北美苔草进行了植物材料繁殖和培养、生长特性观测、生理生态特性测定、胡萝卜状根的形成及其在该属中分布格局以及苔草植物在不同环境下的演化进行了研究。研究的主要结论如下：（1）系统地研究了苔草属植物生长特性、叶绿素含量、生物量及其根茎比、光响应曲线、CO2响应曲线等对不同磷处理和光照处理的响应。总的结果是：苔草植物在低磷条件下，不论是全光和遮荫，根茎比都高、生产力都低；总根长在低磷和全磷没有区别，但在低磷条件下主要增加细根生长。苔草植物在全光下比遮荫下具有高的生产力、高的叶绿素含量和大的根茎比。（2）本研究发现胡萝卜状根只发生在苔草亚属（Subgenus Carex）而不发生在二柱苔草亚属（Subgen．Vignea），对前人研究的胡萝卜状根主要分布在莎草科的刺子莞族（Rhynchosporeae）和苔草族（Cariceae）2个族的结论，深入了一步。这进一步证实了胡萝卜状根的产生与其系统发育有关，而不仅仅是与所处的严格环境有关。（3）本研究将光照条件引入了对胡萝卜状根形成的诱导，结果发现，低磷是形成胡萝卜状根的主要因素，遮荫对胡萝卜状根的形成也有影响，遮荫明显减少胡萝卜状根的形成。（4）本研究发现在苔草植物叶经济学谱系（leaf economics spectrum）中的叶氮含量、比叶重和最大光合速率都表现高度功能多样性，这些特征也和全球植物种类是一致的，但是在同一属中亲缘关系很近的种在叶特性上表现更敏感。遮荫和低磷都降低了最大光合速率，但光照的影响大于磷的影响。（5）氮是合成叶绿素和有关光合蛋白的重要成分，植物体内75％的氮都集中于叶绿体中，一般氮增加叶绿素也增加。但从主成分分析结果得知，低磷和遮荫使氮主要参与Rubisco代谢活动而没有更多地参与光合器官的构建。（6）采用生长特性、根系形态、生物量、叶结构性状和叶功能性状等性状进行系统聚类，并与基因序列测定的系统树比较，结果发现：用上述性状基本能反映苔草植物的亲缘关系。总之，各种苔草在同一环境和不同环境上功能均有差异，并且与系统发育有关；每种苔草在一系列的生长和生产力特性上明显不同；姊妹种之间在生长和生产力特性上也出现量的趋异；在获得不同资源策略上，这些趋异格局首先表现在生产力方面，其次是形态方面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 苔草属植物研究进展
• 1.1.1 苔草属植物分类进化研究
• 1.1.2 环境绿化美化研究
• 1.1.3 苔草属植物生理生态学研究
• 1.2 植物光合作用研究进展
• 1.2.1 植物光合作用的测定方法
• 1.2.2 植物光合对光合有效辐射强度的响应
• 2浓度的响应'>1.2.3 植物光合对CO₂浓度的响应
• 1.2.4 光合作用的研究存在的问题
• 1.3 低磷胁迫时植物根系形态的适应性变化特征
• 1.3.1 根系形态及根构型
• 1.3.2 根系形态的变化赋予了植物磷的高效吸收
• 1.3.3 低磷条件下植物根冠间的物质分配和根冠比
• 1.4 胡萝卜状根的生物学特性研究进展
• 1.4.1 胡萝卜状根的概念
• 1.4.2 胡萝卜状根的形态与结构特征
• 1.4.3 胡萝卜状根生理生化研究
• 1.4.4 胡萝卜状根的功能
• 1.4.5 胡萝卜状根的生态特性
• 2 研究目的意义、内容和方法
• 2.1 研究意义
• 2.2 研究目的
• 2.3 主要研究内容
• 2.3.1 研究苔草属生长特性对磷和光照的响应
• 2.3.2 研究苔草属植物胡萝卜状根的分布格局
• 2.3.3 研究苔草属植物根系形态对磷和光照的响应
• 2.3.4 研究苔草植物光合特性
• 2.3.5 研究苔草属植物的数量分类
• 2.4 拟解决的关键问题
• 2.5 研究材料、方法及实验设计
• 2.5.1 试验材料及环境条件
• 2.5.2 光合特性测定及计算方法
• 2.5.3 试验设计
• 2.6 技术路线
• 3 磷和光对苔草属植物生长影响
• 3.1 磷和光对苔草属植物死亡率的影响
• 3.1.1 磷处理对苔草属植物死亡率的影响
• 3.1.2 光和磷组合处理不同时间对苔草属植物死亡率的影响
• 3.1.3 光和磷组合处理对苔草属植物死亡率的影响
• 3.2 磷和光对苔草属植物生长特性的影响
• 3.2.1 苔草属植物分蘖数
• 3.2.2 苔草属植物叶片数目
• 3.2.3 苔草属植物高度
• 3.2.4 苔草属植物叶片宽度
• 3.2.5 苔草属植物生长状况
• 3.2.6 苔草属植物叶绿素
• 3.2.7 苔草属植物开花
• 3.3 苔草属植物生长特性指标之间的关系
• 3.4 小结
• 3.4.1 磷和光对苔草属植物死亡率的影响
• 3.4.2 磷和光对苔草属植物生长特性的影响
• 4 苔草属植物光合特性
• 2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）以及相互之间的关系'>4.1 苔草属植物在遮荫和低磷条件下的最大净光合速率（Amax）、胞间CO₂浓度（Ci）和气孔导度（Gs）以及相互之间的关系
• 4.1.1 比较遮荫和低磷对苔草属植物的光合能力
• 2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）以及相互之间的关系'>4.1.2 比较苔草属植物在遮荫和低磷条件下的最大净光合速率（Amax）、胞间CO₂浓度（Ci）和气孔导度（Gs）以及相互之间的关系
• 4.2 遮荫和低磷处理下光合有效辐射对苔草属植物光合特性指标的影响
• 4.2.1 遮荫和低磷处理对光合—光响应曲线的影响
• 4.2.2 遮荫和低磷处理对苔草属植物气孔导度（Gs）光响应变化的影响
• 2浓度（Ci）光响应变化的影响'>4.2.3 遮荫和低磷处理对苔草属植物胞间CO₂浓度（Ci）光响应变化的影响
• 4.2.4 遮荫和低磷处理对苔草属植物蒸腾速率（Tr）光响应变化的影响
• 4.2.5 遮荫和低磷处理对苔草属植物水分利用效率（WUE）光响应变化的影响
• 2浓度对苔草属植物光合特性指标的影响'>4.3 遮荫和低磷处理下CO₂浓度对苔草属植物光合特性指标的影响
• 2响应变化的影响'>4.3.1 遮荫和低磷处理对苔草植物光合速率（Pn） CO₂响应变化的影响
• 2响应变化的影响'>4.3.2 遮荫和低磷处理对苔草植物气孔导度（Gs） CO₂响应变化的影响
• 2浓度对苔草属植物蒸腾速率（Tr）的影响'>4.3.3 遮荫和低磷处理下CO₂浓度对苔草属植物蒸腾速率（Tr）的影响
• 2响应变化的影响'>4.3.4 遮荫和低磷处理对苔草属植物水分利用效率（WUE） CO₂响应变化的影响
• 4.4 小结
• 5 苔草属植物光合特性与叶性状之间的关系
• 5.1 低磷处理下苔草属植物最大光合速率与叶性状的比较
• 5.1.1 叶性状参数比较
• 5.1.2 光合作用与叶片性状参数之间的相关性（叶片形态指标）
• 5.2 遮荫处理下苔草属植物最大光合速率与叶性状的比较
• 5.2.1 遮荫处理下苔草属植物最大光合速率与叶性状的比较
• 5.2.2 光照处理下苔草属植物最大光合速率、叶氮含量和比叶面积之间关系的比较
• 5.2.3 苔草植物的叶经济学谱系
• 5.2.4 叶的生理生态功能
• 5.3 小结
• 6 磷和光对苔草属植物根系形态的影响
• 6.1 遮荫和低磷对不同苔草属植物干物质积累与分配的影响
• 6.1.1 遮荫和低磷对不同苔草属植物总生物量的影响
• 6.1.2 遮荫和低磷对不同苔草属植物植株根干重影响
• 6.1.3 遮荫和低磷对不同苔草属植物地上部干重影响
• 6.1.4 光照和磷处理对苔草属植株根冠比（R/S）的影响
• 6.1.5 遮荫和低磷对苔草属植物比根长的影响
• 6.2 光照和磷对不同苔草属植物根系形态的影响
• 6.3 光照和磷对苔草属植物根系径级分布的影响
• 6.3.1 光照和磷对根系长度径级分布的影响
• 6.3.2 光照和磷对根系表面积径级分布的影响
• 6.3.3 光照和磷对根系体积径级分布的影响
• 6.4 光照和磷对苔草属植物细根的影响
• 6.5 小结
• 7 胡萝卜状根的生物学特性及其在苔草属中的分布格局
• 7.1 主要内容和方法
• 7.1.1 苔草属植物胡萝卜状根的形态观察
• 7.1.2 磷对苔草属植物胡萝卜状根形成的影响
• 7.1.3 光和磷组合处理对苔草属植物胡萝卜状根形成的影响
• 7.1.4 胡萝卜状根在苔草属植物中的分布格局
• 7.2 磷处理和胡萝卜状根形成的影响
• 7.3 光和磷组合处理不同时间对苔草属植物生长及胡萝卜状根形成的影响
• 7.4 光照和磷组合处理对苔草属植物生长和胡萝卜状根形成的影响
• 7.5 胡萝卜状根在苔草属植物中的分布格局
• 7.6 小结
• 8 苔草属植物数量分类与主成分分析
• 8.1 分类性状和数据处理
• 8.2 主成分分析
• 8.2.1 主成分分析原理
• 8.2.2 主成分分析
• 8.2.3 不同环境下苔草植物在功能生态方面的种间变异
• 8.3 聚类结果分析
• 8.3.1 性状聚类（R型聚类）
• 8.3.2 苔草植物种类聚类（Q型聚类）
• 8.3.3 Q型聚类和系统发育树（基因距离）比较
• 8.4 小结
• 9 结论与讨论
• 9.1 结论
• 9.1.1 磷和光对苔草植物生长的影响
• 9.1.2 耐荫苔草植物和耐低磷苔草植物
• 9.1.3 磷和光照对光合参数的影响以及各参数之间的关系
• 9.1.4 磷和光照对叶性状的影响
• 9.1.5 胡萝卜状根形成条件及分布格局
• 9.1.6 磷和光对苔草属植物根系形态及生物量影响
• 9.1.7 苔草属植物数量分类
• 9.2 讨论
• 参考文献
• 作者简介
• 导师简介
• 致谢