氮素对荒漠C3植物异养器官富集13C的调控机制
批准号:
31400620
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
张金鑫
依托单位:
学科分类:
荒漠化与水土保持
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
卢琦、何春霞、刘庆新、赵娜、张晓艳、张景波
中文摘要
与自养器官相比,C3植物异养器官相对富集13C,这一普遍现象在60年前就已首次报道。由于对植物后光合代谢过程未完全了解,导致目前C3植物异养器官富集13C的机制尚不清楚。为证实养分能够通过后光合代谢调控C3植物异养器官富集13C,本项目拟从氮素研究入手,以油蒿、红砂、白刺、四合木、半日花5种荒漠C3植物为对象,采用整株挖掘法和稳定同位素分析方法测定每种植物叶片、花、种子、茎、树皮、粗根和细根的氮含量和δ13C,通过对异养器官氮含量与Δ13Corgan分析,揭示C3植物异养器官氮素调控Δ13Corgan的生理过程;通过测定5种植物叶片δ13C、氮含量和光合生理指标的季节变化,分析三者间的关系,探讨叶片碳同位素分馏差异的原因,重点揭示C3植物叶片氮素调控异养器官Δ13Corgan的生理过程,构建氮素调控C3植物异养器官富集13C的生理机制,为解决C3植物异养器官富集13C指出一个新的方向。
英文摘要
Heterotrophic plant organs (e.g., stems, roots, seeds, and fruits) tend to be enriched in 13C compared to the autotrophic organ (leaves) in C3 plant species. This universal phenomenon was first reported 60 years ago. Currently control mechanism of heterotrophic organs 13C enrichment in C3 plant is unclear since deficiencies in understanding post-photosynthetic metabolic processes. We hypothesize that nutrients may control heterotrophic organs 13C enrichment in C3 plant in post-photosynthetic metabolic processes. Here, we excavated five desert C3 plant species of whole plant architectures, including Artemisia ordosica Krasch, Reaumuria soongarica (Pall.) Maxim., Nitraria tangutorum Bobrov, Tetraena mongolica Maxim., Helianthemum songaricum Schrenk. We will systematically and simultaneously measure nitrogen concentrations and carbon isotopic ratios (δ13C) of different parts of the excavated plants (coarse roots, fine roots, stems, barks, leaves, flowers, seeds) using the whole plant excavation method and stable isotope analysis methods, and then we analyzed the relationship between nitrogen content and Δ13Corgan in heterotrophic organs to reveal the physiological process of nitrogen control Δ13Corgan in heterotrophic organs of C3 plant. Meanwhile, we also determined the seasonal variations of the five kinds of plants in leaf carbon isotopic ratios, photosynthetic physiology parameters and nitrogen concentrations, analyzed the seasonal dynamic relationship among the three indexes and discussed the physiological processes of carbon isotopic difference occurring inside leaves. Present study primarily revealed physiological processes of nitrogen control of Δ13Corgan in heterotrophic organs and discovered preliminarily physiological mechanisms of nitrogen control heterotrophic organ 13C enrichment in C3 plants. In addition, this studies also pointing to a new direction to explain heterotrophic organs 13C enrichment in desert C3 plants.
C3植物的异养器官(根、茎和种子)比自养器官(叶片)更倾向于富集13C,这一现象在60年前被发现,但目前仍无法解释这一现象的关键是对后光合代谢过程的理解不足。为深刻理解C3植物的异养器官比自养器官更倾向于富集13C这一现象,本项目以内蒙古自治区磴口县的红砂、半日花、四合木、油蒿和白刺等5种天然灌丛为研究对象,利用同位素质谱仪和元素分析仪系统测定所挖掘植物叶片、花、种子、茎干、茎皮、粗根和细根的碳同位素比率和养分含量(碳、氮和磷浓度);并利用Li - 6400便携式光合测定系统测定其叶片光合生理指标的季节动态变化。研究结果如下:(1)除茎皮之外,所有C3植物异养器官的 值均小于0,叶片的C含量和C/N最低,其C/P和N/P也相对较低,而N含量和P含量却较高;叶片倾向于富集13C,并发现叶片通过新陈代谢作用分馏13C,并将富含较轻的碳同位素的糖优先运输到茎干的韧皮部,导致植物茎皮的13C贫化;(2)C3植物异养器官的 与N含量、C/N和N/P均呈显著相关关系,而标准化的异养器官氮浓度比未标准化的值解释 数据变化的少,这说明影响异养器官富集13C的变化是异养器官的绝对氮含量,而不是它们相对叶片的相对氮含量;(3)C3植物叶片的δ13C从5月到9月逐渐减低,且新叶的碳同位素比率与根的接近,但当新叶慢慢成熟后便耗尽13C;从生长季早期到晚期,植物的Ci/Ca比值逐渐增加,叶片δ13C和 Ci/Ca比值的季节变化之间的关系与叶片光合碳同位素歧视模型预测的相一致;(4)结合氮的调解过程可知,氮浓度在控制茎、根和叶富集13C过程中发挥着关键作用,可能是通过PEP(磷酸烯醇丙酮酸盐)羧化酶重新固定呼吸的CO2,这是导致C3植物自养器官与异养器官碳稳定同位素构成差异的主要原因,这为依赖于植物碳同位素组成的精确知识来分析从植物生理学到全球碳循环研究的有效应用提供理论支持。
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The interaction between nitrogen and phosphorous is a strong predictor of intra-plant variation in nitrogen isotope composition in a desert species
氮和磷之间的相互作用是沙漠物种植物内氮同位素组成变化的有力预测因素
DOI:
10.5194/bg-14-131-2017
发表时间:
2015-11
期刊:
Biogeosciences
影响因子:
4.9
作者:
[Zhang Jinxin, Gu Lianhong, Zhang Jingbo, Wu Rina, Wang Feng, Lin Guanghui, Wu Bo, Lu Qi, Meng Ping]
通讯作者:
Meng Ping
DOI:
--
发表时间:
--
期刊:
中国沙漠
影响因子:
--
作者:
[张金鑫, 张景波, 卢琦, 吴波, 朱雅娟, 李永华]
通讯作者:
李永华
DOI:
10.5194/bg-14-1-2017
发表时间:
2017
期刊:
Biogeosciences
影响因子:
4.9
作者:
[Zhang Jinxin, Gu Lianhong, Zhang Jingbo, Wu Rina, Wang Feng, Lin Guanghui, Wu Bo, Lu Qi, Meng Ping]
通讯作者:
Meng Ping
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