CN105594472B

CN105594472B - 利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法

Info

Publication number: CN105594472B
Application number: CN201510988598.4A
Authority: CN
Inventors: 邢德科; 吴沿友; 于睿; 吴沿胜; 张川; 赵玉国
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2018-06-01
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: CN105594472A

Abstract

本发明公开一种利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法。设置不同磷含量水平对植物进行培养，30天后测定叶片中的铁含量，通过4参数logistic方程对磷含量水平与铁含量的关系进行曲线拟合；在喀斯特地区选定目标环境，检测土壤中的磷含量，计算该磷含量处拟合曲线的斜率，即为铁含量的下降速率；铁含量较慢的下降速率可以减缓喀斯特地区高重碳酸盐胁迫所引发的植物铁缺乏症状，从而增强植物对该喀斯特环境的适应性。因此可依据植物在某喀斯特环境对应的磷含量处铁含量的下降速率判断其对该喀斯特环境的适应性，本方法选择出的植物喀斯特适应性较强。本发明的操作较为简便，可控性好，效率高，可以推广到植物对非喀斯特环境适应性的判断。

Description

利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法

技术领域

本发明属于农业生物技术领域，特别涉及一种利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法。

背景技术

中国西南地区的喀斯特生态系统十分脆弱，且具有特殊性，该地区存在岩石易溶、土壤瘠薄等问题，不利于植物的正常生长，导致当地经济产量非常低，影响当地农民的收入，使得地区贫困现象日益加剧。在该地区，为了营建一个功能良好的稳定的生态系统，植被恢复与森林重建方面的研究与工作已经进行了数十年，在西南喀斯特地区的边缘土地上发展与培育优势物种已被证明是可行的。然而在喀斯特地区的异质性环境中进行植树造林，合适物种的筛选仍然是关键所在，具有较大的难度，成为限制喀斯特地区石漠化生态治理的技术瓶颈。

在喀斯特地区，土壤中较低的有效磷含量是植被恢复的重要限制因子之一，该地区土壤中的有效磷十分匮乏，且喀斯特地区各异质性环境之间的土壤有效磷含量存在较大差异，总体上在一定范围内变化。然而磷在植物的生长和代谢活动中发挥着非常重要的作用，植物对低磷的适生策略也可以成为对喀斯特环境的适生策略之一。土壤中有效磷的匮乏通常会刺激植物根系分泌物的增加，提升根系周围微量元素的生物有效性，从而有利于植物对微量元素的获取。虽然喀斯特地区土壤中有效铁的含量高于其它微量元素，但是植物对铁元素的需求同样也高于其它微量元素，同时考虑到铁对植物生理代谢活动的重要性以及铁的缺乏对植物生长的限制作用，植物叶片中铁含量的变化特征更能反映环境对植物生长的影响程度，而低磷胁迫下植物根系分泌物的增加有助于植物对铁的吸收，减缓植物叶片中铁含量的下降速率。另据研究，在喀斯特地区还存在着重碳酸盐浓度(5mmol L^-1)过高的现象，而过高浓度的重碳酸盐极易造成植物的铁缺乏症状，破坏植物叶片的叶绿素结构，限制叶绿素的形成，引发黄叶病。铁含量较慢的下降速率则可以减缓喀斯特地区高重碳酸盐胁迫所引发的植物铁缺乏症状，维持植物的正常生长，从而增强植物对该喀斯特低磷环境的适应性，植物的这种铁含量变化特征是其对喀斯特低磷胁迫环境的一种适应性响应策略。因此可以依据植物在某喀斯特目标环境对应的磷含量处铁含量的下降速率判断不同植物对该喀斯特环境的适应性，为筛选喀斯特适生植物提供新方法。

喀斯特适生植物为了适应喀斯特地区土壤的低磷环境，逐步进化出一套独特的无机磷利用机制和策略，喀斯特适生植物叶片中微量元素的含量变化特征则是这种机制与策略的一种体现。植物的这种对低磷环境的适应性，成为其在低磷环境下生存的法宝，鉴定植物对低磷环境的适应性，对筛选喀斯特适生植物，治理喀斯特环境具有重大意义。

目前常通过比较植物的碳酸酐酶活力的方法来判定植物的喀斯特适生性，但是碳酸酐酶活力的测定对温度条件要求较为苛刻，且测定过程常常存在人为误差现象，不能对大批量植物材料进行快速高效的检测分析，而现在随着喀斯特地区石漠化程度的加剧，植被恢复和生态重建工作的急迫性需要一种能够快速、准确检测植物对喀斯特环境适应性的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法，以填补现有技术不能快速、准确、高效的比较不同植物喀斯特环境适应性的空白，为筛选喀斯特适生植物提供新的指标体系。本发明方法还可以推广到植物对非喀斯特环境适应性的判断。

利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法，包括步骤：

步骤1，选择生长状况相似的植物幼苗，用正常配方的霍格兰营养液培养植物15天后，随机选取长势一致的植物72株，其中12株为1组，共分为6组，分别设置不同磷含量水平的改进霍格兰营养液，并利用改进的霍格兰营养液对植物进行处理；

步骤2，30天后，每个磷含量水平随机选取5株植物，将其叶片置于烘箱中烘干、研碎、过筛，并准确称取0.3～0.5g研碎的粉末进行消解，测定并计算植物叶片中的铁含量；

步骤3，对植物叶片中铁含量随着营养液中磷含量水平的变化曲线采用4参数logistic方程进行拟合；

步骤4，对拟合的4参数logistic方程进行求导；

步骤5，选定喀斯特地区的某个区域作为目标环境，对该目标环境的土壤进行科学取样，测定并计算该目标环境土壤中的有效磷含量，记为C(mmol L^-1)；

步骤6，将每种植物各自对应的a、X₀、b的参数拟合值代入求导后的4参数logistic方程，并计算在X＝C时的值，即为拟合曲线在X＝C处的斜率；

步骤7，通过对比不同植物随着磷含量的下降在磷含量为C时铁含量的下降速率，可以判断出不同植物对该喀斯特目标环境的适应性。

进一步，所述步骤1中，改进霍格兰营养液设置0.250、0.125、0.065、0.031、0.016及0mmol L^-1 6个磷含量水平。

进一步，所述步骤2中，收集5株植物的全部叶片，铁含量的测定重复5次。

进一步，所述步骤3中，4参数logistic方程为其中Y为植物叶片每克干重的铁含量，mg g^-1；Y₀为对数增长期的起始铁含量，mg g^-1；a为植物叶片每克干重中铁含量的上限，mg g^-1；X₀为达到对数增长期最大增长的50％时对应的磷含量，mmol L^-1；b为增长系数。与现有技术相比，此外，本发明的利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法具有以下优点：

1)本方法无需分离纯化过程，技术成熟，工作效率高，灵敏度高，可以对大批量植物进行快速高效的检测评估。

2)本方法不受任何时间和空间地理因素的影响，在实验室就可以进行检测，具有较好的可控性。

3)本方法利用能够表征植物生长状况的4参数logistic方程对铁含量的变化进行曲线拟合，能够更好地将铁含量变化特征与植物的生长状况联系起来，并更加贴切的表征植物对逆境的适应性。

4)喀斯特石灰土多为低磷环境，本法可直接用于喀斯特适生植物的筛选。

附图说明

图1为本发明4参数logistic方程拟合的构树和桑树铁含量变化的曲线图；其中图(a)为4参数logistic方程拟合的构树铁含量变化的曲线图；图(b)为4参数logistic方程拟合的桑树铁含量变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法作进一步详细说明。

本发明的基本原理为：植物器官或整株植物的生长速度会表现出“慢-快-慢”的基本规律，生长曲线表示植物在生长周期中的生长变化趋势，典型的有限生长曲线呈S形。植物的生长则可以用干重、株度、叶片表面积、细胞数或元素的含量等表示。而Logistic函数或Logistic曲线是一种常见的S形函数，能够表征植物的生长变化趋势。2参数或3参数logistic方程用来确定何时进入对数生长期有较大困难，因此用4参数logistic方程来表征植物的生长更具有优势。而Logistic曲线某点处的斜率可以表示因变量的变化速率。在喀斯特低磷环境下，适生植物具有独特的无机磷利用机制和策略，铁含量较慢的下降速率则是这种机制与策略的一种体现。则表征植物生长的铁元素含量的变化特征能够用于鉴定植物对喀斯特环境的适应性。

本发明采用的技术方案包括步骤：

步骤4，对拟合的4参数logistic方程进行求导；

进一步，所述步骤3中，4参数logistic方程为其中Y为植物叶片每克干重的铁含量，mg g^-1；Y₀为对数增长期的起始铁含量，mg g^-1；a为植物叶片每克干重中铁含量的上限，mg g^-1；X₀为达到对数增长期最大增长的50％时对应的磷含量，mmol L^-1；b为增长系数。

上述步骤的具体实施过程如下：

选择生长状况相似的构树和桑树幼苗，用正常配方的霍格兰营养液培养15天后，随机选取长势一致的构树和桑树幼苗各72株，其中12株为1组，共分为6组，分别设置不同磷含量水平(0.250、0.125、0.065、0.031、0.016和0mmol L^-1)的改进霍格兰营养液对构树和桑树分别进行处理。

30天后，每个磷含量水平分别随机选取5株构树和桑树，实施叶片的随机采样，将随机采样的叶片置于烘箱中；先在105℃下将叶片烘半小时进行杀青，之后于80℃下烘至叶片重量不再发生变化即为烘干，将烘干的叶片研碎、过筛，准确称取0.3～0.5g研碎的粉末并通过H₂SO₄-H₂O₂法进行消解，利用原子吸收分光光度计(PE-5100-PC,PerkinElmer,USA)测定并计算各个水平下构树和桑树叶片中各自的铁含量，测量结果见表1，表1中的数据用平均值±标准误差表示，平均值与标准方差用t检验分析。

表1不同磷含量水平下构树和桑树叶片中的铁含量

构树和桑树叶片中铁含量随着营养液中磷含量水平的变化曲线的拟合均采用4参数logistic方程：

拟合的构树和桑树铁含量变化的曲线图如图1所示。

构树和桑树各自对应的4参数logistic方程参数的拟合值见表2：

表2构树和桑树各自对应的4参数logistic方程参数的拟合值

对方程(1)求导数，可以计算获得拟合曲线上某点处的斜率，即为Y随X的变化在该点处的变化速率，基于此，可以求得植物在某个磷含量处的铁含量的变化速率或者下降速率。对4参数logistic方程进行求导，得到方程(2)：

选取贵州省六盘水市水城县、安顺地区普定县与非喀斯特地区浙江省金坛市三个地点作为目标环境，检测当地土壤中的有效磷含量，记为C，检测的结果分别为：0.031、0.015与0.067mmol L^-1。

将表2中构树和桑树各自对应的a、X₀、b的参数拟合值分别代入方程(2)，可得到方程(3)、(4)：

通过方程(3)和(4)分别计算构树和桑树各自在X＝C时的值，即为各自拟合曲线在X＝C处的斜率。由于喀斯特地区选定的目标环境下土壤中有效磷的背景值为C，则构树和桑树各自对应的拟合曲线随着磷含量的下降在X＝C时的斜率即为各自铁含量在选定的喀斯特或非喀斯特目标环境中的下降速率。

三个目标环境中构树和桑树各自铁含量的下降速率如表3所示。

表3三个目标环境中构树和桑树各自铁含量的下降速率

根据铁元素含量的生物学意义，铁含量较慢的下降速率可以减缓喀斯特地区高重碳酸盐胁迫所引发的植物铁缺乏症状，维持植物的正常生长，从而增强植物对该喀斯特环境的适应性，可以依据植物在某喀斯特目标环境对应的磷含量处铁含量的下降速率判断不同植物对该喀斯特目标环境的适应性；而在非喀斯特环境下，植物铁含量较慢的下降速率可以反映植物铁含量受环境影响的缓冲能力，同样可以判断不同植物对目标环境的适应性。水城县喀斯特环境下构树铁含量的下降速率显著低于桑树，则构树在该喀斯特环境下对铁元素的获取能力明显高于桑树，构树对该喀斯特环境的适应性高于桑树，同理构树对普定县的喀斯特环境的适应性同样高于桑树，而构树对金坛市的土壤环境的适应性则不如桑树。这与实际情况相符。

以上对本发明所提供的利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述4参数logistic方程为其中Y为植物叶片每克干重的铁含量，mg· g^-1；Y₀为对数增长期的起始铁含量，mg· g^-1；a为植物叶片每克干重中铁含量的上限，mg· g^-1；X₀为达到对数增长期最大增长的50％时对应的磷含量，mmol· L^-1；b为增长系数；

步骤4，对拟合的4参数logistic方程进行求导；

步骤5，选定喀斯特地区的某个区域作为目标环境，对该目标环境的土壤进行科学取样，测定并计算该目标环境土壤中的有效磷含量，记为C(mmol· L^-1)；

2.根据权利要求1所述的利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法，其特征在于：所述步骤1中，改进霍格兰营养液设置0.250、0.125、0.065、0.031、0.016及0mmol· L^-16个磷含量水平。

3.根据权利要求1所述的利用铁含量变化特征判定植物对喀斯特环境适应性的方法，其特征在于：所述步骤2中，收集5株植物的全部叶片，铁含量的测定重复5次。