喀斯特特有植物地枫皮抗旱的生理生态适应性研究

Illicium difengpi K.I.B.et K.I.M., an endemic plant in Guangxi karst region, mainly grows on the top of the karst mountain. In this proposed research, we will simulate the common "dry-wet alternation" and "extreme drought" in Karst area, and investigate the growth, morphological anatomy and ultrastructure, water physiology ecological characteristics, photosynthetic fluorescence characteristics and physiological and biochemical characteristics of I.difengpi under repeated drought and re-watering cycles, different stages of continuous drought to extreme drought stress and subsequent re-watering，and then the eco-physiological adaptation strategies to different types Karst arid will be discussed. Meanwhile，we will investigate the morphological anatomy and ultrastructure, water physiology ecological characteristics, physiological and biochemical characteristics under different drought intensities stress and re-water conditions in the original habitat and ecological restoration habitat. Using a combination method of natural environment and artificial control test, from morphological anatomy and ultrastructure, water physiology ecological characteristics, physiological and biochemical characteristics and subcellular ultrastructure aspecs, to study the adaptation strategy of I.difengpi to the common "dry-wet alternation" and "extreme drought" in Karst area. The results of this study will be helpful to understand the adaptive mechanism of Karst plants to their special habitats, and to provide theoretical basis and practical guidance for the ecological restoration of degraded Karst ecosystem.

地枫皮是广西喀斯特石山山顶的典型适生植物，对山顶极端干旱环境有很强的适应性。本项目以地枫皮为研究对象，模拟喀斯特地区常见的“干湿交替”和持续土壤干旱可能造成的“极端干旱”形式，研究其生长、形态解剖结构与细胞超微结构、水分生理特性、光合荧光特性、抗旱生理生化指标在不同强度“干旱-复水”循环，持续干旱至极端干旱的不同阶段以及复水时的变化。同时对其在原生境和生态修复中不同干旱程度与复水条件下的形态解剖结构与细胞超微结构、水分生理和抗旱生理生化指标进行比较分析。通过采用自然环境与人工控制实验相结合的方法，从形态解剖构造、水分生理生态特征及生理生化反应到细胞学及亚细胞学等多方面来揭示其对喀斯特极端干旱环境的生理生态适应机制。研究结果将为喀斯特地区退化生态系统的生态修复提供理论依据和实践指导。

本项目以喀斯特特有植物地枫皮为研究对象，模拟喀斯特地区常见的“干湿交替”和持续土壤干旱可能造成的“极端干旱”形式，研究其生长、形态解剖与细胞超微结构、水分生理特性、光合荧光特性、抗旱生理生化指标在不同强度“干旱-复水”循环，持续干旱至极端干旱的不同阶段以及复水时的变化。同时对其在原生境和生态修复中不同干旱程度与复水条件下的形态解剖结构、水分生理和抗旱生理生化指标等进行比较。结果表明，当土壤相对含水量从饱和持续下降至极端干旱（10~20%）过程中，干旱显著影响地枫皮的上述生理生态指标，且伤害程度随干旱处理时间延长而加剧，但其在重度干旱下显著增大渗透调节物质含量和抗氧化酶活性来减轻过氧化伤害。其中50~60%和20~30%土壤相对含水量分别为净光合速率（Pn）开始“气孔限制”和“非气孔限制”的土壤水分范围，该范围内地枫皮多数参数在复水后可恢复至对照水平；极端干旱（10~20%）下膜脂过氧化加剧、叶绿体结构破坏，复水后叶片水分完全恢复，但多数指标不能完全恢复。循环干旱-复水下，地枫皮Pn随干旱程度和循环次数的增大而显著降低，但仅在30~40%土壤相对含水量第3次干旱时发生光破坏（Fv/Fm和MDA含量显著升高），其它各阶段Pn下降的主要原因均为“气孔限制”。地枫皮干旱时通过调节气孔关闭减少水分散失，受前次干旱记忆影响，下次干旱时加强下调气孔导度和Pn，并在复水后迅速吸水以减轻干旱胁迫伤害，但长期循环干旱-复水对其膜系统和光合器官均损害较大。地枫皮在原生境和回归地对干旱胁迫的响应趋势与模拟试验一致，其旱季叶片解剖和叶绿体超微结构均表现出干旱适应特性。28天无降雨时，回归地裸岩和坡地地枫皮均发生了严重的“非气孔限制”，叶片不萎蔫地枫皮复水后Pn显著回升；其中裸岩比坡地更易干旱胁迫，生态修复时，宜选择根系有空间可走的石窝和土坡。研究结果有助于揭示地枫皮对喀斯特干旱环境的生理生态适应机制，并为地枫皮回归保育和生态修复提供依据。