青杨雌雄植株在气候变化下对重金属锰污染的适应性研究

气候变化是影响植物生长、生存与分布的主要因素。目前，在全球气候变化的背景下有效保护生物多样性已经成为国际社会普遍关注的热点问题。青杨(Populus cathayana Rehd.)是雌雄木本植物的代表，从其对气候变化的响应与适应的试验研究中可以看出其是一个对环境变化非常敏感的树种。本课题旨在研究青杨雌雄植株在气候变化后对环境胁迫的敏感性与适应性的差异及对策。通过精确控制封顶式生长室内CO2浓度与温度等气候环境因子，模拟气候变化后的生长条件；同时，通过控制土壤中重金属锰的含量，模拟重金属胁迫，结合生理生态学、生物化学及代谢生态学等不同学科的知识，从形态、生理、生化及代谢等多个水平去研究和揭示雌雄青杨植株在气候变化后对重金属锰胁迫的敏感性与适应性，进而揭示雌雄异株木本植物在气候变化后对环境胁迫适应的内在机制，为进一步探索西南亚高山地区气候变化后的生物适应性及提出保护性措施打下基础。

本项目立足于对气候变化敏感的西南亚高山区域，以木本雌雄异株杨树作为研究对象，采用野外观测与室内研究相结合的思路，研究其在气候变化，尤其是氮沉降发生后对重金属锰(Mn)胁迫的生理响应与生态适应的差异机制。项目以气候变化为切入点，研究气候变化后雌雄杨树幼苗的生物量累积与分配、形态结构、气体交换、叶绿素含量、用水效率(瞬时用水效率与碳同位素含量变化)、蛋白质含量、渗透调节、过氧化物含量、保护性酶活以及细胞超微结构变化等方面的差异，并重点阐明环境变化后雌雄杨树对重金属胁迫的适应差异。研究发现，相比环境二氧化碳(CO2)、温度两个主要环境因子，氮沉降是引起雌雄杨树性别差异响应的主要因素。研究结果表明，氮沉降会加速重金属(Mn)在杨树地上部分于地下部分的吸收与积累(尤其是地下部分)，并导致雌雄杨树的生理、生化以及细胞形态的一系列差异。虽然氮沉降可以有效地促进雌雄杨树的气体交换、叶绿素含量、蛋白质含量、以及抗氧化酶系统活性，但其会引起杨树雌株中活性氧自由基的显著积累，导致其对Mn胁迫的抗性显著降低，并低于雄株。抗氧化酶系统活性在Mn元素过度累积的杨树雌株中，表现出与叶片N含量呈显著地负相关。本项目研究结果揭示木本植物在环境变化后对其他环境胁迫的响应会表现出显著差异，为我国西南地区在氮沉降条件下营造人工林、退化生态系统重建及提高农林业产量提供理论依据与科学指导。