研究生知识库

高等植物可以通过多种途径获取无机碳来维持生存，其中绝大部分来自于大气CO2，还有少量来自于异养器官呼吸的产生CO2在植物体内被重新固定和同化。然而，越来越多的研究表明：植物通过根系吸收的HCO3?和CO2也能参与碳同化代谢，并成为光合产物的一部分；并且，无论是在正常生长状况下还是逆境胁迫下，根际无机碳的吸收与利用都可以作为植物叶片光合作用的一种补充碳源形式。因此，了解无机碳的代谢特征和利用份额的估算方法，对于估算全球陆地生态系统中的一部分“遗失碳汇”和重新认识完整的光合作用过程等问题都具有重大意义。本论文选择了在喀斯特石灰土中适应性较强的喜树（Camptotheca acuminata）作为研究对象，部分实验以喀斯特先锋树种圆果化香（Platycarya longipes）为对照，研究植物根际无机碳的代谢特征和对植物叶片总的光合作用的贡献份额。本论文的主要研究内容和实验结果如下：（1）验证了利用碳同位素双向标记技术估算植物的无机碳利用份额的方法有效性和可靠性。以喜树和圆果化香幼苗为研究对象，设计了精细的完全随机区组试验，包括2个低丰度（近自然丰度）13C标记组（-9.76‰和-26.78‰）、2种NaHCO3浓度（5 mM和10 mM）和2种NaHCO3处理时间（15天和30天），每种植物共计8个处理的土培实验。结果表明在NaHCO3各处理下，喜树和圆果化香的生长均受到不同程度的抑制，净光合速率和叶绿素含量都出现了下降。不同的13C标记组里相同的NaHCO3浓度和时间处理下，植物的光合作用、生物量以及水分状况等指标几乎没有差别。土壤基质的两组13C标记物δ13C的差异，导致两种植物的叶片δ13C在相同的NaHCO3浓度和时间处理下出现了系统性差距。基于质量平衡原理进行同位素混合，再结合双向标记技术，估算出喜树和圆果化香在各处理下对NaHCO3的利用份额范围分别是2.00%~28.80%和0.94%~6.26%。时间和浓度的主效应对两种植物的HCO3?利用份额的影响很明显，特别是浓度为10 mM的NaHCO3与30天处理时间的交互使得两种植物的根际无机碳利用份额急剧增加。（2）研究了在HCO3?和水分胁迫交互处理对喜树无机碳利用份额的影响。采用低丰度13C双向标记技术（-9.76‰和-26.78‰），设置不同水分胁迫程度的水培实验，包括正常浇水、中度胁迫和重度胁迫处理14天。结果表明相对丰度较高的13C标记组的喜树幼苗的新展开叶片的δ13C比相对丰度较低的标记组要显著偏正，表明HCO3?进入到了地上部分的植物组织。叶片与大气CO2之间的碳同位素分馏在所有处理中的变化范围是17.78‰到21.78‰。其中相对高丰度标记组在中度胁迫和重度胁迫下的分馏值要比相对低丰度标记组要低。此外，研究发现两个标记组里叶片和大气CO2之间的实测分馏值（Δair-leaves）与通过光合参数Ci/Ca（胞间CO2浓度和大气CO2浓度之间的比值）计算出来的预测分馏值（Δpredicted）之间的线性回归方程明显不同于Faquhar理论回归方程。在基于双端元同位素混合模型的基础上，计算出了三种水分胁迫处理下喜树对HCO3?的利用份额分别是10.34%，20.05%和16.60%。（3）研究了短期内HCO3?被吸收利用后的去处以及对各器官非结构性碳水化合物（主要是淀粉和可溶性糖）含量的影响。本实验采用高丰度13C（20% atm. C）标记的HCO3?，在隔绝大气CO2的条件下，供应喜树幼苗根系吸收24小时和72小时。结果表明，标记处理24小时后喜树的根茎叶各器官的非结构性碳水化合物的含量均显著性增加，标记72小时后只有茎里面的含量出现下降，而非结构性碳水化合物在根里的含量变化幅度比茎和叶要小得多。随着13C标记时间增加，各器官非结构性碳水化合物的δ13C显著受到标记物的影响，并且根系的非结构性碳水化合物的δ13C比茎和叶偏正。此外，各器官淀粉的δ13C要比可溶性糖偏正，根系淀粉的δ13C最高可达到-4.70‰。采用碳同位素混合的方法计算出在13C标记的72小时，HCO3?经同化代谢形成的非结构性碳水化合物占总的非结构性碳水化合物的比例在根系中最高，可达到0.24%。（4）研究了野外生境下喜树和圆果化香对喀斯特石灰土里无机碳利用份额的季节性变化特征。本实验选择了植物生长季里气温和降水量差异较大的4月、5月、7月、8月和10月五个月份作为监测和采样时间点，测定了两种植物的光合作用、叶片水溶性有机物的δ13C、大气CO2和土壤HCO3?的浓度和δ13C以及土壤CO2的通量和δ13C。两种植物的主要光合参数随着季节的变化而发生明显的变化，呈现先增加后降低的趋势；大气CO2浓度和土壤CO2通量随着季节的变化表现出较为明显的动态变化特征，而根际土壤HCO3?浓度季节性波动不大；大气CO2的δ13C动态变化呈倒“V”字型，而两个树种的叶片水溶性有机物和根际土壤CO2的δ13C呈现“V”字型变化，土壤HCO3?的δ13C季节性变化则比较平缓。建立气孔参数预测分馏值（Δpredicted）与大气CO2到叶片的实测分馏值（Δair-leaves）的回归关系，可反映出植物通过气孔行为的无机碳利用份额。回归系数表明，从4月到10月喜树分别有84%，78%，77%，89%，93%的无机碳利用来自于气孔行为，而圆果化香相应的波动与喜树较为接近，在各季节相差5%~10%。除开气孔行为的无机碳利用份额，剩余的属于非气孔性无机碳利用份额，它主要指的是来源于异养器官呼吸作用所释放的CO2和土壤HCO3?被转运到叶片进行光合同化。在整个生长季，喜树的非气孔行为的无机碳利用份额在7%~23%范围波动，圆果化香的变化范围是11%~ 29%，二者都在7月份达到最大。综上所述，采用低丰度13C双向标记技术，避开了对HCO3?在运输和代谢过程中发生分馏的测定与计算，通过系统性消除参数的方式估算出植物根系吸收利用CO2和HCO3?对总的光合作用的贡献份额，是开放系统下估算碳同位素利用份额的一种特殊而有效的方法；随着水分胁迫的增加，植物对大气CO2的利用程度下降了，但刺激了对根际HCO3?的补偿性利用；HCO3?自身作为一种胁迫，刺激了非结构性碳水化合物的生成，同时它也作为一种无机碳源，少量地转变生成了非结构性碳水化合物，这种现象可能是植物面对环境胁迫的一种进化机制；野外生境下石灰土里生长的植物，大气到叶片的理论分馏值（Δpredicted）与实测分馏值（Δair-leaves）的回归系数随季节而变化，反映了植物对气孔性和非气孔性无机碳的利用份额随环境因素的变换，是长期生存过程中的一种适应机制。