梁子湖国家站团队揭示青藏高原和干旱半干旱区水生植物对水体盐度的生理适应策略

发布时间 : 2023/12/01点击量:

  2023年11月22日,环境科学与生态学领域权威期刊《Science of the Total Environment》(JCR一区Top期刊,IF = 9.8)在线发表了beat365在线登录app梁子湖国家站研究论文“Similarities and differences in the physiological adaptation to water salinity between two life forms of aquatic plants in alpine and arid wetlands”(高寒和干旱湿地中两种生活型水生植物对水体盐度生理适应的异同)。

  水体盐度是影响水生植物生长发育、生物多样性和水生生态系统功能的关键环境因子之一。水生生境的盐度条件会通过施加生理限制(渗透胁迫、离子失衡和氧化胁迫)影响水生植物的新陈代谢,增加水生植物的环境压力或死亡率,限制水生植物的物种分布和植物群落的物种组成,最终影响水生生态系统的结构和功能,导致淡水生态系统的多样性和功能的丧失。因此,了解水生植物在高盐生境下的生理生态响应,有助于我们保护水生生态系统的生物多样性,同时,挖掘自然界中耐盐相关的植物资源,对培育耐盐作物极为重要。

  中国西部的青藏高原和西北地区是典型的干旱半干旱区,低降水量、高蒸散量和广泛分布的含盐土壤母质,使得区域内形成了一系列拥有自然盐度梯度的水生生境。同时,受气候变化的影响,区域内淡水盐渍化趋势的加剧,使得水生植物的生存受到了极大的威胁。在2018到2019年间,梁子湖国家站师生团队在青藏高原和西北地区进行大尺度的野外调查(图1),在177个水生样地内采集了524个植物样品和177个沉积物和水体样品,通过对水生植物15种生理性状与水体盐度关系以及各生理性状间相互作用研究,揭示了植物生理性状在自然盐度梯度上的变化趋势,探讨了挺水植物和沉水植物对盐度的生理适应策略的异同。

图1 采样区域及研究位点图

  研究表明,水体盐度特征是研究区域内水生植物生理过程的重要环境驱动因子,同时,气候特征也影响了水生植物的正常生理活动。水生植物已经进化出复杂的生理机制来适应高盐和低温生境,即随着水体盐度的升高。水生植物通过积累有机渗透调节剂(脯氨酸)和选择性吸收离子(Ca、Mg、S)来平衡渗透压和维持离子平衡,通过合成小分子抗氧化物(谷胱甘肽)和提高抗氧化酶活性(过氧化氢酶)来维持活性氧代谢平衡。在低温条件下,水生植物通过积累花青素和提高抗坏血酸过氧化物酶活性来清除活性氧,保护生物大分子。此外,基于不同生活型水生植物性状网络的研究发现挺水植物和沉水植物之间有不同的生理适应策略(图2)。挺水植物各生理性状间协同性较好,形成了以S为中心性状的平衡渗透压调节系统和活性氧代谢系统的适应策略,而沉水植物因其光合作用器官生长于水面之下,其生理活动受到水体盐度更为直接的影响,其形成了以脯氨酸为中心性状的优先调节渗透压平衡的适应策略。

  综上所述,水体盐度是影响中国西部高寒和干旱区内水生植物生理过程的重要环境因子。而挺水植物和沉水植物则具有不同的适应策略,挺水植物通过中心性状S平衡渗透压调节和活性氧代谢系统,而沉水植物则通过中心性状脯氨酸优先调节渗透压平衡。

图2 挺水植物(a)与沉水植物(b)的植物性状网络

  beat365在线登录app(中国)有限公司博士研究生赵浩存为第一作者,研究生左振君(现为北京大学博士后)、杨磊、张良键和实验师吕田也参与该项工作,王忠副教授和于丹教授为共同通讯作者。王忠副教授在中科院青藏高原研究所读博期间,在青藏高原海拔5000m的高寒草甸开展4年野外调查;到beat365在线登录app做博士后从事青藏高原高寒湿地水生植物生态化学计量学研究;现作为援藏教师在西藏大学继续开展工作。赵浩存入学6年以来一直从事水生植物野外调查研究,获取了大量野外观测研究数据资料。本研究工作得到了国家自然科学基金(32360287和31300296)和科技部科技基础性工作专项(2013FY112300)的资助。

  原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723070778


论文作者赵浩存在青藏高原班公湖畔湿地采样(杨磊摄)


论文作者赵浩存(左)和左振君(右)在博斯腾湖采样(吕田摄)

青藏高原班公湖畔高寒湿地景观(杨磊摄)

新疆赛里木湖畔湿地景观(吕田摄)


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