兜兰属植物对零上低温胁迫响应的生理机制

Paphiopedilum are very well-known slipper orchids in horticulture and endangered. Due to the fragmentation of Paphiopedilum and increasing demand of people, it is necessary to study the conservation and cultivation of Paphiopedilum. The genus Paphiopedilum occurs mainly in tropical and subtropical of Asia. Different species of Paphiopedilum have different tolerances and responses to chilling temperature.The most northerly distributed species of Paphiopedilum occur in Yunnan and Guizhou province which must endure 3-5℃ even 0℃ in winter. However,it is still unknown that Paphiopedilum how to response and adapt the chilling temperature in physiological mechanism due to lack of relevant research. The project will study the effect of chilling temperature on photosynthesis of Paphiopedilum using chlorophyll fluorescence and superoxide anion radical analysis. The main aims are to understand: (a)how does chilling temperature effect the photosystem of Paphiopedilum?(b)the physiological mechanism of chilling-induced photodamage of photosystem of Papiopedilum?(c)the different of chilling-induced photodamage among Paphiopedilum with different geographica distribution,and how does activity of photosystem Ⅰaffect the repair of photosystemⅡ in Paphiopedilum .These results will help illustrate the photosynthetic mechanisms of Paphiopedilum to chilling temperautre, and provide the theoretical basis for the introduction of Paphiopedilum and making strategy for conservation and utilization of Pahiopedilum,and also provide the important clues for future studies on the mechanism of temperature adaptation in Paphiopedilum.

兜兰属植物具有极高的观赏价值，是全球最濒危的植物类群之一，加强科学保护和利用是解决兜兰野生资源遭到严重破坏的唯一办法。兜兰属植物主要分布于亚洲热带和亚热带地区，中国是兜兰属植物地理分布的最北缘。热带地区分布的兜兰对零上低温敏感且难以忍受长期低温；而分布在云南、贵州的亚热带种类则能够忍受冬季3-5℃甚至0℃的低温。但兜兰属植物对零上低温响应和受伤害的生理机制尚不清楚。本项目拟通过零上低温胁迫和恢复实验，利用叶绿素荧光和氧自由基检测等手段来研究零上低温对不同地理分布兜兰光合生理的影响。主要研究目的是：1）兜兰属植物对零上低温响应和受损部位是光系统Ⅰ还是光系统Ⅱ?2）零上低温胁迫下，兜兰属植物光系统受损机制？3）不同地理分布兜兰的光系统Ⅰ和光系统II的受损差异及其协同应对胁迫的机制？从而阐明兜兰属植物受到零上低温胁迫的光合生理机制，为兜兰属植物的保育工作提供科学基础，为其温度适应性研究提供线索。

项目自实施以来一直紧密围绕计划任务书内研究内容展开工作，对于兜兰属植物对零上低温响应机制及其低光合速率的生理限制因素进行了研究。（1）杏黄兜兰、硬叶兜兰和紫纹兜兰对零上低温胁迫的短时生理响应机制研究表明三种兜兰书植物的光系统II对零上低温非常敏感，而光系统I并没有发生明显的变化。8小时的零上低温胁迫之后，三种兜兰属植物光系统II的量子产额显著下降。然而光系统I的光量子效率没有显著变化。其中，紫纹兜兰光系统II收到更为强烈光抑制的原因与较弱的环式电子传递有关。（2）长时间零上低温处理下，长瓣兜兰、麻栗坡兜兰和带叶兜兰的光系统II受到剧烈的光抑制阻断了线性电子传递，避免了过量电子在光系统I受体端的积累，从而保证较高的P700水平，降低了光系统I受限程度。在25度，低光照恢复下，光系统I低受损及较为平稳的状态能够为光系统II提供快速恢复需要的ATP，从而保证光系统II的快速恢复。环式电子传递是光系统保护的重要机制之一。在项目实施过程中，由于兜兰光合气体交换能力太低导致无法准确测定其光合速率，同时低温处理后更为明显。考虑到兜兰是唯一一个保卫细胞缺失叶绿体的植物种类，也为了了解其光合作用受限的具体因素开展了兜兰的叶片解剖结构严谨。发现：通过对三种兜兰属的叶片光合作用、气孔导度、叶肉导度和叶片解剖结构等指标的研究及相关性状分析表明兜兰属低光合速率与其厚的叶片和细胞壁、巨大上表皮和叶肉细胞、更大的气孔深径和比叶重强烈相关。光合作用限制性分析表明叶肉导度是兜兰低光合速率的主要限制因素，其次是生化限制和气孔限制。