两种高产麻疯树(Jatropha curcas L.)适应盐胁迫的生理生化机制

摘要

近年，麻疯树(Jatropha curas L.)由于具有种子含油量高且油质优良，作为生物柴油原料得到特别关注，引发了大规模的投资和扩张种植，但如果麻疯树与粮食竞争用地或利用高碳土地，它便失去可持续发展的优势。目前，麻疯树作为新兴生物能源资源，当前对其研究主要集中在种子含油量、籽油特性、籽油成份以及用籽油生产生物柴油方面，而其基本农艺性状、该物种对生物和非生物胁迫的响应方面知识了解甚少。例如，麻疯树对盐胁迫的响应。
　　 尚未了解这些知识，意味着大规模种植不是没有社会经济和生态方面的风险。为了选出高产、耐盐的麻疯树生态型，我们测定了从十五个不同麻疯树生态型中初筛出的三个蒴果产量较高的生态型（南油1，2和3号）的种子及其籽油的理化特性，评估其作为生物柴油原料的潜力。然后，探讨不同生态型麻疯树对NaCl胁迫的生长和生理生化响应，以阐明麻疯树的耐盐性及其耐盐机理。继而进一步探讨了麻疯树对不同海水浓度的耐受性以及海水处理对麻疯树生长和籽油含油率和脂肪酸成份的影响。这些基础研究有助于筛选优质高产、耐盐麻疯树品系，为以后培育麻疯树耐盐品种奠定基础。主要研究结果如下:
　　 1、三种生态型麻疯树的种仁含油量均在60％以上，且籽油的脂肪酸主要由油酸(C18:1)、棕榈酸(C16:0)、亚油酸(C18:2)、硬脂酸(C18:0)和十七碳酸(C17:0)组成，三者的碳链长度均主要集中在C16-18，皆以不饱和脂肪酸为主，具有较好的生物柴油原料利用价值。其中，以南油3号种仁含油量和生物产量最高，其作为生物柴油原料的潜力最大。南油1、2号间的种仁含油量与生物产量无显著差异，但2号麻疯树的种子具有优良的结实性状、物理和遗传特性，利于降低生物柴油生产的成本。因此，其作为生物柴油原料的潜力比1号麻疯树的相对大。
　　 2、南油2、3号苗用不同浓度NaCl（0，50，100和200 mmol·L-1）处理24天，叶片RWC皆与对照无显著差异，表明盐胁迫下麻疯树具有较强的保持水分平衡的能力。50 mmol·L-1 NaCl处理，南油2、3号麻疯树净光合速率Pn，PSⅡ的最大光化学效率(Fv/Fm)、叶片光合总面积与对照无显著差异，光合性能维持稳定，全株干重不受影响。100、200 mmol·L-1 NaCl处理，南油2、3号苗的全株干重皆比对照显著降低，3号苗降低的幅度较大，表明低盐50 mmol·L-1 NaCl对麻疯树生长无明显影响，中高盐胁迫下，南油2号抵抗盐胁迫的能力较3号苗强。
　　 3、南油2号麻疯树苗SOD活性在50 mmol·L-1 NaCl处理下，比对照显著增加，200 mmol·L-1 NaCl处理，比对照显著降低，而3号苗的SOD活性随着盐度的增加显著降低。南油2、3号苗的POD活性在50mmol·L-1 NaCl处理，皆与对照无显著差异。随着盐度增加，2号苗的POD活性比对照显著增加，而3号苗的比对照显著减小但维持相对稳定。南油2、3号树苗的CAT活性在50 mmol·L-1 NaCl处理下，分别比对照显著增加58％和24％，随后变化趋势如SOD活性。以上结果表明，盐胁迫激活麻疯树叶片中抗氧化酶活性，与南油3号相比，2号苗抗氧化酶活性能更好地协调增加和维持得相对高。
　　 4、随着盐度的增加，两种麻疯树根、茎和叶中的Na+和Cl-含量呈递增趋势。50mmol·L-1 NaCl处理，Na+和Cl-在茎和根中增加的幅度明显大于叶中的，且Na+和Cl-主要分布在茎和根的皮层以及茎的髓部，表明低盐胁迫下，麻疯树能将Na+和Cl-区域到茎和根的皮层和髓部细胞中，降低Na+和Cl-对叶片的伤害。200 mmol·L-1 NaCl处理，Na+和Cl-在叶片和茎中增加的幅度比根中的大，并主要把Na+和Cl-区隔到叶片主脉的皮层和木质部，降低Na+和Cl-对叶片栅栏和海绵织织的伤害，维持叶片光合能力。与南油3号相比，2号苗K+、Ca2+浓度降低的幅度相对小，因此能维持相对高的K+/Na+和Ca2+/Na+比，维持离子平衡的能力较3号苗强。
　　 5、50、200 mmol·L-1 NaCl处理麻疯树苗5天后，根中PM-H+-ATPase的水解活性、Vmax，Km、质子泵活性和pH梯度比对照显著增高，尤其在低盐处理。以翻译水平为主激活根部PM-H+-ATPase，很好地维持根部对N、P营养的吸收以及糖类的获取，促进根部生长和提高根冠比，提高麻疯树的抗盐性。盐处理下，叶片PM-H+-ATPase的Km值显著降低，提示盐胁迫下，麻疯树叶片PM-H+-ATPase明显增加了对底物ATP的亲和性，50 mmol·L-1 NaCl处理，质子泵活性维持稳定，主要归于脂质膜的改变，而200 mmol·L-1 NaCl处理质子泵活性的增加，则可能是由于弱酸介导激活质子转运。盐胁迫下，根和叶片中的V-H+-ATPase和V-H+-PPase也不同程度被激活。盐胁迫下，麻疯树根和叶中质膜H+-ATPase、V-H+-ATPase和V-H+-PPase的这些改变，是其对盐胁迫的一套适应机制。与南油3号苗相比，2号苗根和叶中的PM-H+-ATPase、V-H+-ATPase和V-H+-PPase活性被激活和维持得相对高，间接表明盐胁迫下，南油2号维持离子和营养平衡的能力、将Na+和Cl-区隔到液泡里的能力相对强，从而抵抗盐胁迫的能力相对强。
　　 2～5的结果表明，盐胁迫下，麻疯树能通过维持稳定的光化学活性和叶片水分状况以维持稳定的Pn;激活较高的抗氧化酶活性以维持膜稳定性;以翻译调控为主，激活根部PM-H+-ATPase以维持根部N、P和糖类等营养吸收和转运以及离子平衡;激活叶片V-H+-ATPase和V-H+-PPase以区域有毒离子到液泡里等策略来抵抗盐胁迫。与南油3号相比，南油2号具有较好的响应策略，故其耐盐性相对强。
　　 6、10％海水处理对南油2号麻疯树苗期生长无明显影响，但显著促进其营养期生长和单株结果产量;20％海水处理对营养期生和单株结果无明显影响，但降低其脂肪酸中亚麻酸含量，利于减少籽油酸败程度，从而提高生物柴油原料的品质。
　　 总而言之，三个高产麻疯树生态型（南油1、2和3号）的种仁含油量均在60％以上，具有较好的生物柴油原料利用价值。其中，以南油3、2号作为生物柴油原料的潜力相对大。南油2号麻疯树抗盐能力比3号的强。麻疯树能适应10％～20％海水处理，具有适应滩涂栽培的潜力，可进一步培育耐盐麻疯树品种，以作为海岸基干林带混交林中的生态经济型树种。

目录

声明

论文说明

英文缩写符号及中英文对照表

摘要

第一章 文献综述

1．1 生物柴油概述

1．2 生物柴油原料选择

1．2．1 能源油料植物选择标准

1．2．2 能源油料植物的选择方法

1．3 国内外能源油料植物的研究现状

1．3．1 我国发展木本油料植物的必要性和优势

1．3．2 木本油料植物麻疯树

1．4 滨海盐土的开发利用和海防林的建设

1．4．1 海岸带

1．4．2 滨海盐土资源

1．4．3 滨海盐土的开发利用现状和前景

1．4．4 海岸带防护林体系建设的重要性

1．5 植物的盐害生理与植物的抗盐性

1．5．1 盐害对植物的伤害

1．5．2 植物的抗盐性

1．5．3 植物耐盐的分子机制和信号传导

1．5．4 提高植物抗盐性的途径

1．6 本研究的主要内容及意义

第二章 三种麻疯树种子油脂理化特性比较

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 测定项目与方法

2．1．3 数据处理

2．2 结果

2．2．1 三种麻疯树种子的物理特性

2．2．2 三种麻疯树种子和种仁的含水量

2．2．3 三种麻疯树种子及种仁的含油量

2．2．4 三种麻疯树种子及籽油的理化特性

2．2．5 三种麻疯树种子及籽油理化特性的相关性分析

2．3 讨论

2．3．1 三种麻疯树种子的物理特性

2．3．2 三种麻疯树种子的含油量和脂肪酸成分

2．3．3 三种麻疯树种子籽油理化特性

2．4 小结

第三章 麻疯树苗生长和光合作用对盐胁迫的响应

3．1 材料与方法

3．1．1 供试材料

3．1．2 麻疯树的培养和处理

3．1．3 测定项目及方法

3．1．4 数据处理

3．2 结果

3．2．1 盐胁迫对麻疯树苗生长的影响

3．2．2 盐胁迫对麻疯树苗含水量的影响

3．2．3 盐胁迫对麻疯树苗叶片光合作用的影响

3．2．4 盐胁迫对麻疯树苗叶片光合色素的影响

3．2．5 盐胁迫对麻疯树苗叶绿素荧光参数的影响

3．2．6 盐胁迫下麻疯树植株生长指标、光合参数以及叶绿素荧光参数的相关性分析

3．2．7 盐胁迫对麻疯树苗叶片叶绿体超微结构的影响

3．3 讨论

3．3．1 盐胁迫对麻疯树苗生长和含水量的影响

3．3．2 盐胁迫对麻疯树苗叶片光合色素的影响

3．3．3 盐胁迫对麻疯树苗叶片光合作用参数的影响

3．3．4 盐胁迫对麻疯树苗叶片荧光参数的影响

3．3．5 盐胁迫对麻疯树苗叶片叶绿体超微结构的影响

3．4 小结

第四章 麻疯树苗抗氧化酶活性对盐胁迫的响应

4．1 材料与方法

4．1．1 供试材料

4．1．2 麻疯树苗培养和处理

4．1．3 测定项目及方法

4．1．4 数据处理

4．2 结果

4．2．1 盐胁迫对麻疯树苗丙二醛(MDA)含量和相对电导率(EL)的影响

4．2．2 盐胁迫对麻疯树苗抗氧化酶SOD，POD和CAT活性的影响

4．2．3 盐胁迫对麻疯树苗叶片细胞超微结构的影响

4．3 讨论

4．3．1 盐胁迫对叶片抗氧化酶活性的影响

4．3．2 盐胁迫对麻疯树苗叶片细胞超微结构的影响

4．4 小结

第五章 麻疯树盐胁迫下解剖学特征和离子在器官、组织细胞水平的分布

5．1 材料与方法

5．1．1 供试材料

5．1．2 麻疯树苗的培养和处理

5．1．3 测定项目及方法

5．1．4 数据处理

5．2 结果

5．2．1 盐胁迫对麻疯树根茎叶解剖特征的影响

5．2．2 盐胁迫对麻疯树根、茎和叶中离子(Na+，Clˉ，K+和Ca2+)含量的影响

5．2．3．盐胁迫对麻疯树组织细胞中离子(Na+，Clˉ，K+和Ca2+)分布的影响

5．3 讨论

5．3．1 盐胁迫对麻疯树根、茎和叶组织解剖特征的影响

5．3．2 盐胁迫对麻疯树根、茎和叶中离子含量的影响

5．3．3 盐胁迫对麻疯树根、茎和叶离子微区分布含量的影响

5．4 小结

第六章 麻疯树质膜和液泡膜质子泵对盐胁迫的响应

6．1 材料与方法

6．1．1 供试材料

6．1．2 材料培养和处理

6．1．3 测定项目及方法

6．1．4 数据处理

6．2 结果

6．2．1 盐胁迫对麻疯树生长的影响

6．2．2 盐胁迫对麻疯树苗根、茎和叶中Na+， Clˉ， K+和Ca2+含量的影响

6．2．3 盐胁迫对麻疯树苗根和叶中可溶性糖、全N和全P含量的影响

6．2．4 盐胁迫对麻疯树苗根和叶中质膜H+-ATPase的影响

6．2．5 两种麻疯树苗根和叶片V-H+-ATPase和V-H+-ATPase活性的影响

6．3 讨论

6．3．1 盐胁迫对麻疯树离子平衡和营养分配的影响

6．3．2 质膜微囊的提取

6．3．3 盐胁迫下麻疯树根中质膜H+-ATPase的定量适应

6．3．4 盐胁迫下麻疯树叶中质膜H+-ATPase的定性适应

6．3．5 盐胁迫对两种麻疯树苗根和叶中质膜H+-ATPase的活性的影响

6．3．6 盐胁迫下麻疯树根和叶中液泡膜H+-ATPase和H+-PPase的活性的影响

第七章 麻疯树生长发育对海水处理的响应

7．1 材料与方法

7．1．1 供试材料

7．1．2 材料培养和处理

7．1．3 测定项目及方法

7．2 结果

7．2．1 不同浓度海水处理对麻疯树茎和株高生长速率的影响

7．2．2 不同浓度海水处理对叶片相对含水量的影响

7．2．3 不同浓度海水处理对麻疯树营养生长的影响

7．2．4 不同浓度海水处理对麻疯树开花座果的影响

7．2．5 不同浓度海水处理对麻疯树种子油脂肪酸成份的影响

7．3 讨论

第八章 全文结论

创新点

参考文献

附录一

附录二

附录三

致谢

攻读博士期间撰写和发表的学术论文