青藏高原垫状点地梅对极端环境温度的适应性研究
青藏高原作为地球“第三极”和全球气候变化敏感区，有着复杂的地理和极端的气候环境，同时也孕育了丰富而特殊的生物资源，这里的生物多样性及其对全球气候变化的响应等研究备受全球关注。垫状点地梅(Androsace tapete Maxim.)是青藏高原最具代表性的垫状植物，探究其对极端环境温度的适应性机制，以期为垫状植物乃至高原植物的适应性研究提供数据支撑和理论参考。为从多个方面揭示垫状点地梅的适应性，围绕着“垫状点地梅的垫状结构是否具有保温作用？与垫状点地梅共生的微生物对其适应性有怎样的影响？高海拔居群的垫状点地梅更容易受到极端温度的胁迫，是怎样通过内部分子的调控来适应环境？”三个科学问题，从形态结构的保温作用、与微生物互作和分子调控三个方面入手，具体研究内容和结果为以下三个部分。 (1)为探究垫状点地梅的保温作用以及决定其保温作用的因素，用温度计测量了垫状点地梅存活和死亡个体内部的温度，用温度记录仪分别记录了夏季和冬季垫状点地梅表面、内部、附近空气和土壤温度的昼夜变化。分析记录的温度数据发现，垫状点地梅存活与死亡个体内部温度间无显著差异(Pgt;0.05)；在昼夜的温度变化中，垫状点地梅的表面温度的变幅远大于气温，而内部温度的变幅与土温相似，远小于气温；在模拟冰雹天气的低温处理后，其表面温度虽然骤降至0℃，但内部温度却仍能维持在10℃以上。结果表明，垫状点地梅的保温作用主要源于其结构特性，受海拔差异、自身代谢活动、冷驯化等因素影响较小。其保温能力略弱于5 cm处土层，能够显著地缓冲了高原昼夜剧烈的温差，有效地减轻夏季日间高温和冬季或夜间低温的胁迫，并在未经冷驯化的夏季抵御骤降冰雹带来的冻伤和机械性损伤。 (2)为探究垫状点地梅叶际和叶内可培养微生物多样性，以及不同生存状态的个体之间微生物的差异，并获得其中的耐冷纤维素分解菌。采用纯培养方法分离和纯化3个不同地区垫状点地梅叶际和叶内的细菌、酵母菌和丝状真菌，在4℃和15℃条件下，分别用CMC固体培养基和 CMC-刚果红固体培养筛选出其中的耐冷纤维素分解菌，最后用16S rRNA基因和ITS区域序列进行分析鉴定。最终得到叶际微生物350株，鉴定为22属49种，优势种为Penicillium sajarovii；内生微生物274株，鉴定为19属45种，优势种为Bacillus mycoides；两者的优势属均为Penicillium。其中有52株14属32种耐冷纤维素分解菌，包括3种细菌、9种酵母菌和20种丝状真菌。耐冷纤维素分解菌的相对纤维素酶活性较高，代表菌株有Didymella pomorum、Aureobasidium pullulans、Penicillium goetzii、Penicillium griseoroseum。垫状点地梅叶际和叶内之间以及不同生存状态的个体之间微生物的α多样性大多无显著差异，各群落间的成员也有重叠，但物种组成存在显著的空间异质性。结果表明，垫状点地梅叶际和叶内有着丰富的可培养微生物资源，来源于不同生存状态的个体或不同部位的微生物物种组成差别较大，但耐冷纤维素分解菌的相对纤维素酶活性无显著差异，微生物对不同环境的选择偏好形成了不同的群落模式。不同来源的微生物群落之间同样存在高比例的共有菌株，这些共有菌株的异养方式和生态位并不固定，可兼共生和腐生生存，生存空间也没有明确的界限。这些高活性耐冷纤维素分解菌可以有效的分解垫状结构中的凋落物，促进碳循环，在垫状点地梅适应极端环境并行使生态系统工程师功能中发挥重要作用，其中活性较高的菌株可为寒冷地区生物降解纤维素的工业应用提供材料。 (3)为探究不同海拔环境下垫状点地梅分子层面的适应性机制，以 500 m 左右的海拔梯度，选取三个地区的多个垫状点地梅作为样品，对其进行转录组的测序和非靶向代谢组的测定，分析其差异表达基因和差异代谢物。结果表明，随着海拔的升高，垫状点地梅无论是叶还是根，基因的表达出现了倾向，均富集到许多的差异基因和差异代谢物。在叶中，显著富集且一致上调的通路有：植物促分裂素原活化蛋白激酶信号传导通路、角质素，木栓质和蜡质的生物合成、植物激素信号转导、植物与病原体的互作；显著富集且一致下调的通路有：植物与病原体的互作、光合作用。在根中，显著富集且一致上调的通路有：植物激素信号转导，显著富集且一致下调的通路有：植物MAPK信号传导通路、光合作用。在代谢组分析中，随着海拔的升高，在根中，差异代谢物被显著富集到淀粉和蔗糖的代谢途径，而在叶中，被显著富集到丙烷类生物合成途径。转录组与代谢组联合分析表明，淀粉和蔗糖的代谢途径是差异代谢物和差异表达基因的 KEGG 共富集通路，垫状点地梅通过增强淀粉和蔗糖的代谢积累可溶性糖(alpha-D-Glucose 1,6-bisphosphate)，来抵御高海拔的低温环境。 青藏高原等各种极端环境对植物是一个综合的影响，植物对这种环境的适应也是全方面的。在本研究中垫状点地梅在形态结构、微生物和分子调控方面都体现了对高原环境的适应性，其垫状结构的保温作用为自身和共生的微生物提供了相对温和的环境；其间的纤维素降解菌可以在低温的环境中有效地分解垫状结构中凋落物，为下方土壤释放养分，并减轻凋落物累积对其生长的抑制；在更高海拔的环境中，垫状点地梅通过上调一些与非生物胁迫相关基因的表达，调控代谢产物来增强其抗逆性。各个部分之间相互联系，这使得垫状点地梅能够应对青藏高原极端的环境温度，成为生存海拔最高的种子植物之一。
青藏高原;垫状点地梅;极端温度;适应性
西藏大学
硕士
生态学
刘星
2023
中文
Q948.112.2
2023-09-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）