CN109429927B - 一种提高沙区人工培育藓结皮抗高温能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高沙区人工培育藓结皮抗高温能力的方法，在实验室条件下，对人工培育的藓结皮进行高温‑热蔫‑室温‑恢复的循环高温锻炼，提高藓类植物体的渗透调节物质浓度，提高其抗高温能力。本发明使人工培育藓结皮可以更加广泛地应用于干旱半干旱区防风固沙和荒漠化土地治理中。
Description
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，具体为一种提高沙区人工培育藓结皮抗高温能力的方法。
背景技术
约占全国土地1/4、人口近3亿的我国沙漠化地区，严重的风沙危害已威胁到国家的生态安全和社会经济的可持续发展。经过60余年的沙区生态恢复与治理实践，我国学术界逐渐认识到土壤生境的恢复才是沙区生态恢复的根本。生物土壤结皮是沙区生态系统地表主要覆盖物，它的形成和发育是沙区地表固定、生态恢复与健康的重要标志。因此，以沙区常见的蓝藻、绿藻、地衣和藓类等隐花植物与沙面土壤胶结快速形成生物土壤结皮是国内外新兴的一项固沙技术。目前，在实验室内，通过人工培养的方式培养出盖度和密度较高，具有同自然生长藓结皮一样能固定沙土表面的藓结皮，相关技术已经比较成熟，但在野外实施还存在较大的困难，一个最主要原因在于室内人工培养的藓结皮材料在野外自然严酷生境中生存能力较差——抗逆能力弱。相关研究表明，尽管藓类植物具有强大的无性繁殖和抗逆能力，但其生长发育仍然受到温度、水分以及辐射等胁迫因素的限制，其中高温是限制藓结皮野外分布的最常见的环境胁迫因子之一。因此，提高人工培育藓结皮的抗高温能力是解决其野外生存能力差，打破野外大规模应用瓶颈的主要出路之一。
发明内容
为了解决人工培育藓结皮在野外生存能力受高温胁迫的问题，本发明提供一种提高沙区人工培育藓结皮抗高温能力的方法。该方法操作简单，成本低，耗时短，为野外生存创造条件，做好前期技术支撑准备工作。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
一种提高沙区人工培育藓结皮抗高温能力的方法，其特征在于：选择发育良好的人工培育真藓(Bryum argenteum Hedw.)结皮，对其进行高温-热蔫-室温-恢复的循环高温锻炼，即将样品放在数显光照培养箱中，每天在30℃、40℃、50℃的温度下各处理1小时，保证水分恒定(2/3饱和含水量)，连续处理5天。以此提高藓类植物体内的渗透调节物质含量，提高藓类植物体抗高温能力；藓类结皮抗旱锻炼期间，外部无高温、正常培养条件是空气湿度60%，二氧化碳浓度400 ppm，光周期为12 h；温度：白昼25℃/夜间17℃。
本发明的优点和产生的有益效果是：
本发明对人工培育藓结皮进行高温-热蔫-室温-恢复的循环高温锻炼，人为地给予人工培养的藓结皮以亚致死剂量的高温条件，进行抗高温锻炼，使得藓类植物通过一定时间抗逆锻炼启动自身的抗性机制，提高了藓类植物抗高温能力，从而使人工培育的藓结皮更好地适应沙区室外自然高温胁迫环境。
真藓结皮生理活动对温度变化的敏感性受自身水分含量的限制。对真藓结皮进行抗高温锻炼的一个重要前提是要使其处于对温度变化敏感的状态。本发明保证真藓2/3饱和含水量，这样通过人为改变温度条件，才能顺利和高效地激活其自身的抗逆系统。由于真藓是随水植物，水分多和少都会极大地限制真藓结皮对温度变化的敏感性，研究结果表明真藓结皮在2/3饱和含水量时对温度变化最敏感。2/3饱和含水量对真藓结皮来说，相当于降水量3mm左右，这也刚好迎合了干旱区降水通常以小降水事件为主的现实，这也是锻炼测试建立在2/3饱和含水量的另外一个原因。
本发明操作简单，成本低，耗时短，为人工培育藓结皮在野外的大面积快速恢复生态环境实践提供技术支持，解决了人工培养藓结皮材料难以适应沙区自然高温胁迫环境的难题。
附图说明
图1为积温为225℃，不同抗高温锻炼方式对人工培育藓结皮叶绿素含量的影响。其中：A: 对照组; B: 逐级抗高温锻炼组; C1: 30℃恒温锻炼组; C2: 40℃恒温锻炼组;C3: 50℃恒温锻炼组。
图2为积温为225℃，不同抗高温锻炼方式对人工培育藓结皮可溶性糖含量的影响。其中：A: 对照组; B: 逐级抗高温锻炼组; C1: 30℃恒温锻炼组; C2: 40℃恒温锻炼组; C3: 50℃恒温锻炼组。
图3为积温为225℃，不同抗高温锻炼方式对人工培育藓结皮丙二醛含量的影响。其中：A: 对照组; B: 逐级抗高温锻炼组; C1: 30℃恒温锻炼组; C2: 40℃恒温锻炼组;C3: 50℃恒温锻炼组。
图4 为积温为225℃，不同抗高温锻炼方式对人工培育藓结皮盖度的影响。其中：A: 对照组; B: 逐级抗高温锻炼组; C1: 30℃恒温锻炼组; C2: 40℃恒温锻炼组; C3:50℃恒温锻炼组。
具体实施方式
下面，结合附图，通过具体实施方式对本发明的技术方案再作进一步说明：
一种提高沙区人工培育藓结皮抗高温能力的方法，选择发育良好的人工培育真藓(Bryum argenteum Hedw.)结皮，用底部钻孔的器皿培养真藓结皮，藓结皮平均厚度约为10mm。将装入真藓结皮的器皿放在托盘中，通过控制托盘里的供给水量来实现藓结皮含水量的控制。
对人工培育的真藓结皮进行高温-热蔫-室温-恢复的逐级高温锻炼，将样品放在数显光照培养箱中，每天分别在30℃、40℃、50℃的温度下各处理1小时，保证水分恒定(2/3饱和含水量)，维持样品对温度变化的敏感性，提高藓类植物体内的渗透调节物质含量，增强藓类植物体抗高温能力。试验连续处理5天，抗高温锻炼期间，保证水分恒定(2/3饱和含水量)，空气湿度为60%，二氧化碳浓度400 ppm，光周期为12 h。无高温处理时正常培养：温度25℃(白昼)/17℃(夜间)，其他条件与抗高温锻炼时相同。
1. 高温锻炼
为了验证本发明的可行性和有效性，将人工培育的藓结皮抗高温锻炼分为三组，即对照组(A)、逐级高温处理组(B)和恒定高温处理组(C)；恒定高温处理组又分为恒定组1(C1)，恒定组2(C2)和恒定组3(C3)，以便进行比照。
1.1 对照组(A)：
正常培养，和抗高温处理组，即无高温处理、正常培养保持一致，保证水分恒定(2/3饱和含水量)。空气湿度为60%，二氧化碳浓度400 ppm，光周期为12 h。无高温处理时正常培养：温度白昼25℃/夜间17℃。
1.2 逐级抗高温处理(B)
将采集人工培育的真藓结皮，装有试验材料的器皿放在托盘中，通过控制托盘里的供给水量来实现藓结皮湿度的控制。将人工培育藓结皮样品放在数显光照培养箱中，每天在30℃、40℃、50℃高温下逐级处理1小时，共处理3小时，连续处理5天，无高温处理的时候正常培养。5天处理相对于对照组增加的积温为：[(30℃-25℃)×1+(40℃-25℃) ×1+(50℃-25℃) ×1]/天×5天=225℃。逐级高温处理及间期都保证样品水分恒定(2/3饱和含水量)，维持样品对温度变化的敏感性。
1.3恒定高温处理(C)
(1) 恒定组1(C1)：将样品放在数显光照培养箱中，每天30℃处理9个小时，连续处理5天，无高温处理时候正常培养，保证抗高温锻炼组样品增加积温[(30℃-25℃)×9/天×5天=225℃]相同。高温处理及无高温处理的间期都保证样品水分恒定(2/3饱和含水量)，维持样品对温度变化的敏感性。
(2) 恒定组2(C2)：将将样品放在数显光照培养箱中，每天40℃处理3个小时，连续处理5天，无高温处理时正常培养，保证抗高温锻炼的各组样品增加积温[(40℃-25℃)×3/天×5天=225℃]相同。高温处理及无高温处理的间期都保证样品水分恒定(2/3饱和含水量)，维持样品对温度变化的敏感性。
(3) 恒定组3(C3)：将将样品放在数显光照培养箱中，每天50℃处理1.8个小时，连续处理5天，无高温处理时正常培养，保证抗高温锻炼的各组样品增加积温[(50℃-25℃)×1.8/天×5天=225℃]相同。高温处理及无高温处理的间期都保证样品水分恒定(2/3饱和含水量)，维持样品对温度变化的敏感性。
2. 抗高温锻炼效果评估
为比较上述5组锻炼处理的效果，将处理后的样品分成2组，一组放置于适宜温度条件下正常培养(无高温胁迫处理)，另一部分放置于高温条件下培养(高温胁迫处理)：
2.1 无高温胁迫处理
将上述5组样品取一部分在25℃(白昼)/17℃(夜间)条件下正常培养，保证样品水分恒定(2/3饱和含水量)，维持样品对温度变化的敏感性，其他条件与抗高温锻炼间期时相同。
2.2高温胁迫处理(50℃)
将上述5组样品另一部分放在数显光照培养箱中，每天在50℃(白昼)下处理3小时，其余时间培养条件与上面无高温胁迫处理组相同。
在对照处理的第3天，上述两组各取出部分样品，测定叶绿素含量、丙二醛和可溶性糖含量(结果见图1~3)。另一部分继续对照处理，在第8天时，测定每个样品的盖度(结果见图4)。
叶绿素含量能够反映藓结皮的生物量和光合潜力；丙二醛和可溶性糖含量可间接反映藓结皮的抗高温能力；盖度直观反映藓结皮的生存状况。叶绿素含量参照Jia et al(Soil Biology &Biochemistry, 2012, 45: 31-39)丙酮法测定；可溶性糖含量与丙二醛含量测定分别采用李合生等(植物生理生化原理和实验技术. 2004. 北京: 高等教育出版社)蒽酮比色法和硫代巴比妥酸比色法测定；盖度根据Jia et al(Soil Biology &Biochemistry, 2008, 40: 2827-2834)网格法测量。通过上述4个指标变化对比观察样品锻炼效果，优选出人工培育藓结皮的最佳抗高温锻炼方法。
a不同抗高温锻炼方式对人工培育藓结皮叶绿素含量的影响
图1表明：无高温胁迫时对照A组叶绿素含量最高，C3组最低；而在高温胁迫下经逐级抗高温锻炼的B组叶绿素含量最高，未经过抗高温胁迫锻炼的对照A组叶绿素含量最低。
b不同抗高温锻炼方式对人工培育藓结皮可溶性糖含量的影响
图2表明：逐级抗高温锻炼和恒定抗高温锻炼都增加了人工培育藓结皮的可溶性糖含量，C2组和C3组可溶性糖含量最高，对照A组最低。
c 不同抗高温锻炼方式对人工培育藓结皮丙二醛含量的影响
图3表明：逐级抗高温锻炼和恒定抗高温锻炼均提高了人工培育藓结皮的丙二醛含量，C3组最高，对照A组最低。
d 不同抗高温锻炼方式对人工培育藓结皮盖度的影响
图4表明：无高温胁迫下各组盖度均可达到100%，而高温胁迫均大幅度降低了各组藓结皮盖度。但是，经抗高温锻炼的各组藓结皮盖度均明显大于未经过抗高温锻炼的对照A组，其中，经逐级抗高温锻炼的B组藓结皮盖度最高，未经过抗高温胁迫锻炼的对照A组藓结皮盖度最低。
对图1-图4进行对比可以看出，当积温为225℃，经逐级抗高温处理后的B组较C1组、C2组和C3组叶绿素含量最高、藓结皮盖度最高、可溶性糖含量和丙二醛含量与C2组和C3组相当，说明经逐级抗高温处理后的B组藓结皮抗高温能力较强，生长最优。而且，B组抗高温锻炼处理操作简单，逐级增加温度也符合仪器设备增温过程，成本低，耗时短。因此，将B组作为野外实施的优选藓类植物品种，可以广泛应用在干旱半干旱区，为防风固沙和荒漠化治理中提供技术支撑。
Claims (2)
1.一种提高沙区人工培育藓结皮抗高温能力的方法，其特征在于：选择发育良好的人工培育真藓结皮，对其进行高温-热蔫-室温-恢复的循环高温锻炼，即将样品放在数显光照培养箱中，每天在30℃、40℃、50℃的温度下各处理1小时，连续处理5天，抗高温锻炼期间，保证水分恒定，即2/3饱和含水量，藓类结皮抗旱锻炼期间，外部无高温、正常培养条件是空气湿度60%，二氧化碳浓度400 ppm，光周期为12 h；温度：白昼25℃/夜间17℃。
2.根据权利要求1所述一种提高沙区人工培育藓结皮抗高温能力的方法，其特征是藓结皮抗高温锻炼期间无高温、正常培养条件是：保证水分恒定，即2/3饱和含水量，保持藓结皮对温度变化的敏感性，温度：白昼25℃/夜间17℃，空气湿度为60%，二氧化碳浓度400ppm，光周期分别固定为12 h。
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