高山常绿杜鹃冬季光合作用的维持及其与水力结构的关系

Introduction and domestication of wild plant plays an important role in the social and economic development. Understanding the eco-physiological adaptation is essential for the introduction and domestication. As a class of world famous horticultural plants, alpine evergreen Rhododendron L. species usually grow at high altitudes with rigor environmental conditions. It is difficult to introduce them into low altitudes. Previous studies found that Rhododendron L. species could maintain high levels of photosystem I and II activities, and hydraulic conductance. However, the underlying mechanisms are unclear. In this project, through field and control experiments, we will investigate photosynthetic characteristics, photoprotective mechanisms, and hydraulic conductance in alpine Rhododendron L. species under conditions of low temperature, high light and freezing-thawing. Furthermore, the relationship between hydraulic architecture and photosynthesis will be examined. The aims of this study are to understand (1) the response of photosynthesis to winter low temperature in alpine Rhododendron L. species and the related photoprotective mechanisms; (2) the hydraulic mechanisms underlying the adaptation of alpine evergreen Rhododendron L. species to freezing-thawing. These results will provide new insight into the eco-physiological adaptive mechanisms of alpine evergreen broad-leaf tree species, and give scientific basis for the introduction and domestication of Rhododendron L. species.

野生资源植物的引种驯化对于社会经济发展具有重要意义，而生理生态适应性的认识是引种驯化过程中的重要环节。高山常绿杜鹃作为世界著名园艺植物，通常生长在环境条件特殊的高海拔地区，向中、低海拔地区引种驯化存在一定困难。前期研究发现高山常绿杜鹃在冬季的低温、强光下仍能维持较高的光系统I和II活性及水力导度，但对这种现象背后的机制仍缺乏研究。本课题将通过野外和控制实验，研究高山常绿杜鹃在低温、强光及冻融交替条件下的光合作用特征、光保护机制和水力结构，以及高山常绿杜鹃水力结构的特性与光合作用的关系，认识高山常绿杜鹃光合作用对冬季低温强光的响应及其光保护机制，阐明高山常绿杜鹃适应冻融交替的水分关系机理，为理解高山常绿阔叶树种的生理生态适应性机制提供新的解释，并为高山常绿杜鹃的引种驯化提供科学依据。

高山常绿杜鹃作为世界著名园艺植物，通常生长在环境条件特殊的高海拔地区。高山地区冬季低温和强光胁迫极易引起叶片光合作用机构的受损和水力导度的失败，但是高山常绿阔叶树种在冬季维持光合作用功能和水分关系的机制仍有待揭示。本项目利用昆明植物园和丽江高山植物园生长的高山常绿杜鹃为研究材料，通过研究其光合作用特性、光保护特征及枝条导管解剖，取得的主要结果包括：（1）光呼吸途径是高山常绿杜鹃的主要替代电子传递途径，光呼吸能力的差异主要是因为叶肉导度的变化引起的，光呼吸提高所需的额外ATP主要由环式电子传递提供；（2）随着光强的增加，高山常绿杜鹃的叶肉导度限制比例逐渐增加，导致叶绿体羧化部位CO2浓度的下降，引起光呼吸速率的上升，提高叶肉导度是促进高山常绿杜鹃光合能力的有效途径；（3）光系统I活性在冬季低温强光条件下不受损伤是高山常绿阔叶植物适应高山冬季特殊生境的重要典型特征，但保护光系统I活性不受低温强光损伤的具体机制存在种间差异，帽斗栎通过上调环式电子传递来保护光系统I活性，而大白杜鹃通过牺牲光系统II活性来防止光系统I受损；（4）和落叶树种相比，在零上低温和波动光强复合胁迫下，高山常绿杜鹃较低的光系统II电子传递保护其光系统I活性免受损伤，且其热耗散能力较强，导致光系统II不容易受损，零上低温和波动光强复合胁迫下光系统I和II活性不受损是高山常绿杜鹃的重要光保护特征；（5）高山常绿杜鹃的枝条导管面积显著低于落叶树种，较小的导管面积有助于高山常绿杜鹃抵御冬季冻融交替引起的栓塞化，维持冬季的枝条水力导度，高山常绿杜鹃通过提高导管密度来维持整个枝条的导水率。项目发表SCI论文7篇，培养研究生2名。研究结果揭示了高山常绿杜鹃的生理生态适应性机制，为高山常绿杜鹃的引种驯化提供了科学依据。