荒漠植物白沙蒿种子粘液层的生态功能分析

本项目以我国西北和华北荒漠地区分布的、种子具有典型粘液层的白沙蒿（Artemisia sphaerocephala）为例，以种子萌发和幼苗早期生长的生态过程为线索，阐明种子粘液层的生态功能及其对荒漠生境的适应意义。通过研究（1）在干旱胁迫生境下，粘液层在白沙蒿种子萌发和幼苗生长中的作用，（2）粘液层吸收小量降水促进种胚细胞受损DNA修复的动态过程，以及（3）粘液物质被土壤微生物降解和被幼苗早期生长利用，旨在阐明种子粘液层在白沙蒿土壤种子库维持和地上幼苗库更新中的贡献。推测并验证荒漠植物生活史中，粘液层通过确保种子在极端条件下的萌发、促进种子细胞DNA损伤的修复和被土壤微生物利用而降解，并为幼苗的早期生长提供营养等策略来适应剧烈变化的荒漠生境。该项目通过研究种子粘液层的生态功能来验证粘液种子对荒漠植物适合度的贡献，丰富和发展区域植物的对策理论，为我国荒漠地区的植被恢复和生态重建提供科学支撑。

以我国西北荒漠地区流动和半固定沙丘上的优势植物和重要固沙植物白沙蒿粘液种子为研究案例，系统研究和揭示了白沙蒿粘液层的多糖组成以及在种子萌发、种子活力维持和幼苗建成中的生态功能及其生理生态学机制。结果如下：1）研究了白沙蒿瘦果粘液层的物质组成。白沙蒿的粘液层是覆盖在瘦果（以下简称种子）外表皮上的果胶物质，遇水膨胀能够吸收大量的水分。采用高效阴离子色谱技术鉴定出种子粘液主要是由6种中性糖和2种酸性糖组成的多糖物质，粘液中主要成分是葡萄糖、甘露糖和阿拉伯糖。2）研究了粘液层在异质性生境条件下种子萌发中的作用。完整种子和去除粘液种子的萌发率均随着PEG和NaCl浓度的升高而降低，而在相同浓度下完整种子的萌发率显著高于去除粘液种子。粘液层能够促进种子在干旱和盐分胁迫下的萌发从而有助于白沙蒿种群的更新。3）研究了粘液层在种胚细胞DNA修复和种子活力维持中的作用。本文研究了种子粘液层在有效利用荒漠小水量（露水）事件中对种子细胞受损DNA修复过程所具有的作用。实验通γ射线处理白沙蒿种子诱导种子细胞产生DNA损伤，处理后半数种子去除粘液层。然后将种子置于荒漠露水条件下处理一定时间，再用彗星分析方法测定有无粘液层的两种类型种子细胞DNA修复状态。结果显示，在露水处理中，完整种子表现出显著高于去除粘液种子的DNA修复比率。完整种子在露水处理后萌发率有增加的趋势。完整种子在露水处理后，无活力种子数呈下降趋势。因而，种子粘液层可以在小量降水的条件下促进种子细胞DNA的修复，维持DNA的完整性，从而保证白沙蒿在基因胁迫的荒漠条件下维持种子活力和有效土壤种子库。4）研究了粘液物质在土壤中的分解及其对幼苗生长的作用。本文首次报道了种子粘液被自然生境中的土壤微生物所降解的过程及这一过程对幼苗早期生长的影响。Biolog微孔板、化学分析、磷脂脂肪酸分析和核糖体间隔基因分析表明，传播到土壤中的种子粘液层能够被来自于自然生境中的土壤微生物所降解，使种子粘液多糖分解为CO2和其它降解产物，并使微生物群落生物量增加。多糖的荧光标记实验和幼苗的生长分析表明，通过植物-土壤微生物相互作用的多糖降解过程产生的降解产物和改善的微生物群落共同显著促进了白沙蒿幼苗的早期生长。种子粘液层在荒漠植物成功适应异质性生境中具有重要的生态功能，是荒漠植物生活史的重要种子适应对策。