荒漠地区生物结皮光合活性的恢复及其机理研究

In arid and semi-arid desert regions, biological soil crusts (BSCs) are often in the dry state, and only when obtain enough water they are able to recover photosynthetic activity and fix CO2, so the recovery of crust photosynthetic activity is of great significance for their survival and development in the desert regions. In this project, 1) in order to study the effects of photosynthetic components on crust recovery rate and models of photosynthetic activity, both of microscopic observation and molecular identification techniques will be used to analyse the photosynthetic components; in vivo chlorophyll fluorescence and gas analysis techniques will be used to monitor the photosynthetic recovery when BSCs are rehydrated; 2) lab and field experiments will be combined to explore the effects of different desert stress conditions on crust recovery of photosynthetic activity, aiming at revealing the photosynthetic recovery pattern when BSCs are under the actual desert environmental conditions; 3) as well as the study intends to monitor the change of photosynthetic activity in the different photosynthetic system componets and investigate the functional activity of electronic transport chain in the desiccation-rehydrated crust dominant species, ultimately revealing the internal mechanism of photosynthetic recovery in the different successional BSCs. The study will not only discuss the development, succession and ecological adaptation of BSCs in desert environmental conditions from a point of view of photosynthetic mechanisms of crust dominant species, but also provide an important theoretical guidance and scientific basis for the maintenance and management of BSCs, and also for crust application in desertification control.

干旱、半干旱荒漠地区的生物结皮绝大多数时期处于干燥状态，只有获得水分后它们才能恢复光合活性并固定CO2，因此结皮光合活性的恢复对它们在该地区的生存发展具有重要意义。本项目拟通过显微观察与分子鉴定相结合，分析生物结皮中光合生物组成，利用活体叶绿素荧光与气体分析技术，监测结皮获得水分后光合活性恢复的速率及模式，从而探讨不同演替阶段结皮中光合生物组成对结皮光合活性恢复的影响；将室内模拟实验与野外原位监测相结合，研究荒漠环境条件对生物结皮光合活性恢复的影响，揭示不同演替阶段生物结皮在荒漠环境条件下光合活性恢复的规律；通过监测结皮优势生物重吸水后光合系统不同组分的活性变化及电子传递链的功能状况，从而揭示生物结皮光合活性恢复的内在机理。研究结果不仅从结皮光合机理的角度探讨生物结皮的发育演替及其对荒漠环境的生态适应性，也将为生物结皮的维护管理及其在荒漠化治理方面的应用提供重要的理论基础与科学依据。

生物结皮在荒漠地区乃至整个陆地生态系统碳循环中扮演者重要的角色。然而生长于干旱、半干旱荒漠地区的生物结皮大部分时间由于水分的限制不具有光合活性，只有当获得水分后才能够恢复光合活性进行CO2的固定。本项目对不同光合生物组成的生物结皮获得水分后光合活性的恢复进行了对比研究，结果发现结皮光合活性(Fv/Fm)在获得水分后逐渐恢复，并在24h后趋于稳定。光合活性恢复早期，以微藻为优势类群的生物结皮光合活性恢复较快；恢复6 h后，不同类型光合生物占优势的生物结皮光合活性之间没有明显差异(P>0.05)；直到24 h后，以藓类为优势类群的生物结皮光合活性达到最大，明显高于其他类型结皮的光合活性(P<0.05)。通过室内模拟和野外监测发现，水分、温度和光强均影响结皮光合活性的恢复；在野外降露情况下，以藻类为优势类群的生物结皮最早恢复光合活性。结皮光合活性恢复后，以绿藻地衣为优势类群的生物结皮表现出最低的净光合碳固定效率；而以藓类为优势类群的生物结皮具有相对较高的固碳效率，比前者高出2.4-7.5倍。通过分离培养结皮优势蓝藻Microcoleus vaginatus，该项目进一步探究了荒漠环境条件高温和干旱胁迫下M. vaginatus 光系统II反应中心和捕光色素复合体的活性变化及电子传递情况，揭示了高温条件下光系统II反应中心及捕光色素复合体的不可逆灭活顺序；但与高温胁迫相比，干旱对结皮蓝藻光系统II反应中心及捕光色素复合体的影响是可逆的，而且在干燥状态下，结皮蓝藻完全停止了各种代谢活动，这反而为结皮蓝藻度过高温等荒漠逆境提供了一定的保护作用。结合野外降水模式及温度变化，结皮光合活性的变化为其在荒漠地区生存提供了重要的生理生态策略。综上所述，该项目达到了预期研究目标，研究结果不仅对于揭示生物结皮发育演替机理、生态适应与功能具有重要价值，而且也将为生物结皮的维护管理及其在荒漠化治理方面的应用提供重要的理论基础与科学依据。