論文題目：川西北高寒區治沙灌木的篩選及其抗旱性研究
摘要：川西北地處青藏高原東南緣,橫斷山北段,區域內天然高原濕地豐富,是黃河、長江上游十分重要的水源涵養地,有“中華民族水塔”之譽,生態區位極其重要,但該地區受土地沙化造成的危害和影響比較嚴重,引起全社會的廣泛關注。2011年公布的《中國荒漠化和沙化狀況公報》結果顯示,我國土地沙化和荒漠化整體得到了初步遏制,但塔里木河下游、川西北等局部地區荒漠化、沙化土地仍在擴展。僅川西北地區沙化土地達82.2萬hm~2,且該地區內也是藏族等少數民族聚居地,沙化已經影響到該地區內的民生民計發展和生態安全。根據非生物性災害的影響和沙化退化的實際情況,影響川西北高寒區的非生物災害因子主要為:地質條件、氣候因素和人為原因。其中,氣候因素是土地沙化的主要因子,主要體現在氣溫低、日照強和干旱等方面,進而造成區域內立地條件差、植物生長期短、植被恢復難、群落結構穩定性差等特點。針對非生物性災害對沙化土地的影響,亟需加大對沙漠化生態系統和森林資源的保護,篩選出大量適沙灌木,為沙化土地防治材料提供基礎,解決林業生產和生態環境保護建設中非生物性災害引起的技術難題。本文通過分析第四次沙化監測數據,選取了能夠代表川西北治沙植物資源情況的若爾蓋縣、阿壩縣、色達縣、理塘縣、稻城縣5個典型縣作為本研究核心區域,采用樣線（方）法對植被進行調查,摸清沙地適生灌木,根據分布廣度、生態位寬度及適生性評價篩選出杯腺柳（Salix cupularis,俗稱“高山柳”）、康定柳（Salix paraplesia Schneid）、筐柳（Salix linearistipularis）、鮮卑花（Sibiraea angustata）和沙棘（Hippophae rhamnoides）五種灌木作為供試材料,開展繁育技術研究、干旱脅迫生理生化指標控制實驗和轉錄組分子等研究。主要研究結果如下:（1）隨著沙化程度的加劇,5個縣植物物種數量顯著減少。其中,理塘縣由20種減少到4種,減少了80%。同時調查發現,不同沙化類型地上草本優勢種存在明顯差異,露沙地優勢草種主要為高山嵩草、細葉亞菊、垂穗披堿草等,固定沙地優勢草種主要為鵝絨委陵菜、尼泊爾蓼、臭蒿等,半固定沙地的優勢草種為淡黃香青、細葉亞菊、尼泊爾蓼等。對于灌木群落而言,從露沙地到半固定沙地灌木群落中,優勢種主要為杯腺柳、沙棘、鮮卑花等,伴有零星金露梅、高山繡線菊、錦雞兒等灌木。此外,分析不同沙化類型植物多樣性表明:隨沙化程度的加劇,物種豐富度指數、多樣性、均勻度指數均呈逐漸降低的趨勢,露沙地退化到半固定沙地時,4種多樣性指數值均顯著降低。各縣露沙地和固定沙地的物種豐富度指數均大于2,說明露沙地和固定沙地物種比較豐富,其均勻度指數也顯著高于半固定沙地。同時通過物種分布廣度和生態位寬度發現,沙化土地多以草本為主,所以隨著沙化程度的加劇,很多草本逐漸被演替,優勢種變化較大,雖然灌木分布種類不多,但對于整個群落的穩定性有著至關的作用,其生態位的寬度表現為沙棘＜康定柳＜鮮卑花＜筐柳＜杯腺柳。通過外業調查,摸清了沙化土地植被現狀情況,同時根據分布廣度、生態位寬度及適應性綜合評價,選擇了生態位的寬度表現和適生性較強的杯腺柳、康定柳、筐柳、鮮卑花和沙棘五種灌木作為供試材料,便于開展下一步繁育及生理生化相關研究。（2）杯腺柳、康定柳、筐柳、沙棘、鮮卑花5種灌木的扦插、移栽等繁殖技術研究表明,杯腺柳的扦插成活率最高,鮮卑花的扦插成活率最低,差異性顯著。從幾種治沙灌木移栽育苗成活率來看,無論是移栽時間、方式、密度,杯腺柳、康定柳、筐柳的成活率明顯高于沙棘和鮮卑花,三種柳的成活率差異不顯著。就扦插和不同移栽方式比較而言,三種柳比沙棘和鮮卑花的成活率高,差異性顯著,從繁殖技術反應出柳的適應性更強,在防沙治沙中具有一定推廣價值。（3）五種供試固沙植物的干旱脅迫抗旱性試驗表明,干旱對杯腺柳、康定柳、筐柳、沙棘以及鮮卑花五種灌木在光合作用、可溶性糖、SOD活性、POD活性、CAT活性和Pro含量等指標上均存在差異,說明各物種在抗旱性上表現出多樣性。干旱脅迫顯著降低了5種灌木葉片含水量,增加了細胞膜透性,提高了POD活性、SOD活性,葉片Pro和MDA含量發生了相應變化,表明5種灌木干旱脅迫條件下具有不同的抗旱能力?？购稻C合評價表明植物在缺水5d后,筐柳的隸屬值0.346高于其他固沙植物,鮮卑花的隸屬值最低;在干旱脅迫下的10d,沙棘的隸屬值0.544高于其他固沙植物,杯腺柳和康定柳比較接近;在干旱脅迫下的15d,沙棘隸屬值0.621高于其他固沙材料,筐柳的抗旱性有所提升,鮮卑花的隸屬值最低;在干旱脅迫下的20d,沙棘隸屬值明顯高于其他固沙材料。最后計算各固沙植物的隸屬均值,沙棘的隸屬均值最大,鮮卑花的隸屬均值最小。根據隸屬均值,結合重度干旱隸屬值,將固沙植物抗旱力由強到弱的排序為:沙棘＞杯腺柳＞康定柳＞筐柳＞鮮卑花。（4）用主成分分析方法從生態位寬度、育苗難度和生理抗旱能力三個方面綜合評價沙棘、杯腺柳、康定柳、筐柳和鮮卑花在川西北地區沙化治理中的可利用性。在5個灌木最終綜合得分中,沙棘和杯腺柳綜合得分相當,明顯高于康定柳、筐柳和鮮卑花。從對比分析來看,雖沙棘的抗旱性強,但其生態位寬度較窄,而杯腺柳不僅生態位寬度高于沙棘,在育苗成活率上也明顯高于沙棘。再加上近年來大量學者對沙棘進行了系統研究,包括生理生化、轉錄組分子等方面,而對杯腺柳的研究主要集中在形態學和生理學等方面,而關于杯腺柳抗旱基因的研究報道很少,再加上近年來杯腺柳推廣力度較大,沙化防治的效果明顯,故對杯腺柳進行比較轉錄組研究。通過采用施用蒸餾水對照（T1）和聚乙二醇（PEG）脅迫（T2）處理15d后的杯腺柳幼苗（葉片）進行轉錄組測序文庫構建,經組裝獲得了65228個unigenes,其中＞1 kb為16192個,占總unigene文庫的24.82%。對unigene數據庫的基因結構進行了分析,包括ORF預測、SSR分析和樣本間SNP分析,最終鑒定出6779個SSR標記。同時,利用RNA-seq比較T1和T2的差異表達基因,共鑒定出4289個基因的表達水平存在差異,其中上調基因2340個,下調基因1949個。GO分析將基因分為細胞成分、分子功能和生物過程三類。對T1和T2之間DEGs的KEGG途徑富集分析發現,KEGG最富集的前20個代謝途徑主要是卟啉和葉綠素代謝、光合作用、苯丙氨酸代謝的苯丙醇生物合成、戊糖和葡萄糖酸鹽的相互轉化、糖鏈降解等代謝途徑。這些代謝途徑會通過脫落酸（ABA）、生長素（IAA）和乙烯等一系列激素的變化來適應外部環境的變化,進而抵御外界干旱條件。同時,KEGG富集表明葉綠素代謝和光合作用等代謝途徑能顯著影響植物的抗旱強度,為進一步了解五種灌木葉綠體的全基因組,通過對已發表的葉綠體全基因組進行分析,發現已有學者對沙棘進行葉綠體全基因組測序分析,為了進一步了解柳屬和鮮卑花屬兩種植物的抗旱性相關情況,對鮮卑花和杯腺柳進行了葉綠體全基因組測序分析,進一步了解光合作用與抗旱性的關系。（5）通過沙地治理前后植被恢復過程與沙化土壤物理性質動態分析發現,無論是固定沙地還是半固定沙地,開展生態恢復后植物種類、蓋度、密度等都呈現增加趨勢?；謴秃蟮纳车赝寥乐笜嗣黠@優于未恢復的沙地。土壤砂粒逐漸減少,壤粒、粘粒逐漸增加,土壤的含水量也在不斷增加,土壤結構趨于穩定。本次沙地植苗多以杯腺柳為主,通過固定沙地不同恢復措施對比可以看出,隨著恢復年限的增加,土壤的容重、含水量、總空孔隙度等一系列物理性質發生了相應的改變。另從未恢復的固定沙地對比來看,土壤的肥力和結構有了較大提高,隨著人工植被建立的時間,植被蓋度和土壤肥力均呈增長趨勢,生態效益明顯?？傊?植被與土壤是生態系統中兩個重要的組成部分,兩者對草地退化有著密不可分的關系。生態恢復通過植苗、種草間接影響了土壤物理性質,因為土壤和植物之間進行頻繁的物質交換,最終達到穩定的群落結構。綜上,從物種分布廣度和生態位寬度來看,川西北沙化土地多以草本為主,隨著沙化程度的加劇,很多草本逐漸被演替,優勢種變化較大,物種多樣性指數差異也比較明顯。雖然灌木種類分布不多,但對整個群落結構的穩定性有著至關重要的作用,從分布廣度和生態位寬度分析看出沙棘、杯腺柳、康定柳、筐柳、鮮卑花5種灌木的排名都位于前列,但杯腺柳的生態位寬度表現最大,沙棘最小。從繁殖技術來看,柳的成活率明顯高于其他沙棘和鮮卑花。從各樹種的抗旱指標隸屬值來看,沙棘的抗旱性比最強,杯腺柳僅次于沙棘。從生態位寬度、育苗難度和生理抗旱能力三個方面綜合評價沙棘、杯腺柳、康定柳、筐柳和鮮卑花在川西北地區沙化治理中的可利用性,綜合得分最高的為沙棘,其次為杯腺柳。經綜合分析,選擇杯腺柳進行比較轉錄組研究,通過T1和T2之間DEGs的KEGG途徑富集分析發現,KEGG最富集的前20個代謝途徑主要是卟啉和葉綠素代謝、光合作用、苯丙氨酸代謝的苯丙醇生物合成、戊糖和葡萄糖酸鹽的相互轉化、糖鏈降解等代謝途徑。這些代謝途徑會通過脫落酸（ABA）、生長素（IAA）和乙烯等一系列激素的變化來適應外部環境的變化,進而抵御外界干旱條件。同時對杯腺柳和鮮卑花進行了葉綠體全基因組測序分析,進一步了解光合作用與抗旱性的關系。最后對杯腺柳在沙化土地治理的應用進行了分析,主要從植被和土壤兩方面進行比較研究,結果表明:開展生態恢復后植物種類、蓋度、密度等都呈現增加趨勢?；謴秃蟮纳车赝寥乐笜嗣黠@優于未恢復的沙地。土壤砂粒逐漸減少,壤粒、粘粒逐漸增加,土壤的含水量也在不斷增加,土壤結構趨于穩定。上述研究結果為非生物性災害恢復奠定基礎,也為森林生態保護和治沙灌木抗旱性研究提供理論依據。
關鍵詞：杯腺柳;干旱脅迫;生理響應;轉錄組;基因差異表達
學科專業：森林保護學
摘要
Abstract
第一章 緒論
1.1 研究背景
1.2 非生物性災害對土地沙化的影響
1.2.1 自然條件對土地沙化的影響
1.2.2 人為因素對土地沙化的影響
1.3 非生物性災害的危害情況
1.3.1 生態危害
1.3.2 經濟社會發展影響
1.4 幾種常見固沙植物的研究現狀
1.5 干旱脅迫的研究現狀
1.5.1 干旱脅迫對植物光合作用的影響
1.5.2 干旱脅迫對植物抗氧化物酶的影響
1.5.3 干旱脅迫對植物滲透調節物質的影響
1.5.4 干旱脅迫對植物激素的影響
1.6 轉錄組研究現狀
1.6.1 轉錄組的主要技術方法
1.6.2 轉錄組在植物抗旱的應用
1.7 研究目的及意義
1.8 技術路線
第二章 川西北高寒沙地主要適生灌草種調查評價
2.1 研究區域
2.1.1 區域概況
2.1.2 區域沙化情況
2.2 調查研究
2.2.1 調查方法
2.2.2 植物鑒定方法
2.2.3 多樣性分析
2.2.4 物種分布廣度及生態位寬度
2.2.5 數據分析
2.3 結果及分析
2.3.1 植物數量統計
2.3.2 生活型分析
2.3.3 科的組成分析
2.3.4 屬的組成分析
2.3.5 種的組成分析
2.3.6 物種多樣性分析
2.3.7 物種分布廣度及生態位寬度分析
2.4 討論
2.5 小結
第三章 治沙灌木的無性繁殖效果比較研究
3.1 材料和方法
3.1.1 試驗地概況
3.1.2 試驗材料及方法
3.1.3 數據分析
3.2 結果與分析
3.2.1 幾種典型治沙植物扦插育苗試驗研究分析
3.2.2 治沙灌木移栽育苗試驗研究分析
3.3 討論
3.4 小結
第四章 干旱脅迫對固沙植物生理生化特性的影響
4.1 材料和方法
4.1.1 研究地概況
4.1.2 試驗材料
4.1.3 處理方法
4.1.4 試驗方法
4.1.5 數據分析
4.2 結果與分析
4.2.1 干旱脅迫對固沙植物葉片光合作用的影響
4.2.2 干旱脅迫對固沙植物葉片葉綠素含量的影響
4.2.3 干旱脅迫對固沙植物葉片可溶性糖含量的影響
4.2.4 干旱脅迫對固沙植物葉片MDA含量的影響
4.2.5 干旱脅迫對固沙植物葉片Pro含量的影響
4.2.6 干旱脅迫對固沙植物葉片防御酶系酶活性的影響
4.2.7 固沙植物抗旱性評價分析
4.3 討論
4.4 小結
第五章 川西北地區治沙灌木的評價與選擇
5.1 研究方法
5.1.1 研究思路
5.1.2 數據分析
5.2 結果與分析
5.2.1 指標之間的相關性
5.2.2 總方差解釋率
5.2.3 主成分得分及評價得分
5.3 討論
第六章 干旱脅迫下杯腺柳的比較轉錄組及主要灌木葉綠體全基因組分析
6.1 材料和方法
6.1.1 干旱脅迫下杯腺柳的比較轉錄組試驗
6.1.2 主要灌木葉綠體全基因組試驗
6.2 結果與分析
6.2.1 PEG脅迫下杯腺柳葉片數字基因表達譜分析
6.2.2 PEG脅迫下杯腺柳葉片在不同程度時期差異表達基因(DEGs)的分析
6.2.3 DEGs的 GO功能分類和KEGG pathway富集分析
6.2.4 DEGs的 q RT-PCR驗證
6.2.5 植物激素相關基因表達的變化
6.2.6 轉錄因子表達水平的變化
6.2.7 生物與非生物脅迫相關基因的變化
6.2.8 葉綠體全基因組分析
6.3 討論
6.4 小結
第七章 川西北高寒沙地治理后植被與土壤的變化動態研究
7.1 試點示范工程概況
7.2 研究區域及方法
7.2.1 區域概況
7.2.2 研究方法
7.2.3 數據分析
7.3 結果與分析
7.3.1 沙地治理后植被恢復過程與動態分析變化
7.3.2 沙地治理后土壤性狀變化
7.4 討論
7.5 小結
第八章 結論與展望
8.1 主要結論
8.2 創新點
8.3 展望
參考文獻
致謝
附錄1 植物樣方調查表
附錄2 土壤樣方調查表
附錄3 川西北沙地植物名錄
附圖
作者簡歷