抗碱牧草根系适应碱化环境的pH调节机制

前期研究的结果已经明确了，碱地植物根内与环境之间存在着巨大的pH差，在其根部必须进行的内外pH调节作用便是决定其适应高pH环境而存活的关键，因而提出此课题。本课题将以碱地肤、虎尾草等几种天然高抗碱牧草为材料，研究其根系在高pH的碱化环境下仍能行使正常生理功能的特殊生命现象。利用共聚焦激光扫描显微、微电极等技术监测高pH碱胁迫下植物体由下到上由外到内各部位的pH变化，以明确根内外pH调节的动态过程及发生的部位。在此基础上，进一步在亚显微水平上分析不同部位的溶质组成及含量，监测根表面主要离子流及有机酸分泌过程，分析相关主要基因的定量与定位表达特点， 以揭示发生在不同部位的pH调节及离子平衡机制。本课题立足于植物根系这一研究难点，旨在进一步充实植物抗碱生理机制。研究结果将为碱化草地生态恢复提供新思路，为抗碱牧草作为抗碱基因资源的开发利用奠定基础。

碱胁迫不同于盐胁迫，其最大区别就是土壤pH值升高，植物抗碱就必须在体内外进行pH 调节作用以适应高pH环境，这是其存活的关键。为探讨植物抗碱的关键生理机制而提出此课题。本课题以碱地肤、虎尾草等几种天然高抗碱牧草及水稻、棉花等作物为材料，利用荧光pH探针、甲基敏感扩增多态性分析（MASP）及微电极等技术，进行了体内外pH动态变化监测，子叶节上下木质部液流的收集与分析，有机酸积累、分布、分泌及功能分析，钾、钠、氮及其他矿质元素代谢，根与叶中DNA甲基化等实验研究。该项目的实施获得了预期的成果。基本明确了碱地肤等天然抗碱植物通过进行体内外pH调节以适应高pH环境的生理机制，基本确定了根部是适应环境高pH的关键部位，根中柱外皮层区域的质外体空间是其以分泌有机酸为主要形式进行体外pH调节的主要部位，体内pH调节则是以积累有机酸为主。研究发现碱地肤的子叶节对Na+向地上部分转运具有调控作用，这一点对揭示某些盐生植物的抗盐机理具有重要价值，实验结果还从基因表达水平上，揭示了碱胁迫下植物矿质营养的特殊性，通过DNA甲基化分析，从基因调控角度证明了盐碱胁迫的复杂性，植物不仅对每一种离子都做出了特异的基因表达调控响应，而且不同离子混合后还具有特异的混合效应。研究结果揭示了植物应对高pH环境的生理机制，为碱化土壤治理、天然抗碱植物的开发利用及植物抗碱育种提供了理论基础。同时研究结果也表明了我们对植物碱胁迫的认识还仅仅是开始，仍需要继续研究。