摘要:苔蘚結(jié)皮作為生物土壤結(jié)皮的頂級演替階段,具有涵養(yǎng)水源、修復(fù)地表生態(tài)、防治水土流失和促進灌草定植的功能。羽枝青蘚(Brachythecium plumosum"(Hedw.)B.S.G.)作為秦嶺北麓裸石表面廣泛分布的優(yōu)勢石生蘚種,其繁殖利用效率對濕度、溫度等微環(huán)境變化極其敏感。為明確秦嶺石生苔蘚結(jié)皮干燥保存的最佳溫度,本研究以羽枝青蘚為主要建群種的秦嶺石生苔蘚結(jié)皮作為研究對象,分別測定了四季采集的羽枝青蘚在不同溫度(-5℃、5℃、15℃、25℃)遮光干燥保存下的可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和葉綠素a、b含量等指標,并通過曲線擬合預(yù)測了羽枝青蘚生理指標的變化趨勢。結(jié)果表明:羽枝青蘚石生苔蘚結(jié)皮的最佳采集季節(jié)為秋季,最佳保存溫度處理組為5℃,模擬預(yù)測最佳保存溫度為2.42℃。該研究結(jié)果為苔蘚結(jié)皮保存、工廠化生產(chǎn)及生態(tài)修復(fù)應(yīng)用提供了重要理論和實踐依據(jù)。
關(guān)鍵詞:生物土壤結(jié)皮;苔蘚結(jié)皮;秦嶺石生苔蘚;羽枝青蘚;苔蘚結(jié)皮保存
中圖分類號:Q145+.2 """""""文獻標識碼:A """""""文章編號:1007-0435(2025)03-0678-08
Effects of Preservation Temperature on Physiological Activity of Saxicolous Bryophyte"Crust Provenances in Different Seasons of Qinling Mountains
WANG Zi-lin1,"ZHANG Xue-feng1,"ZHANG Zhi-quan2,"YANG Meng-ru1,"TUO Hang-hang3,"WANG Yi-bo1,"TIAN Hui-hui1,"Yin Zi-ming3,"MA Xiao-rui3,"BU Chong-feng3,"LI Wei3*
(1.College of Grassland Agriculture,"Northwest Aamp;F University,"Yangling,"Shaanxi Province 712100,"China;"2.Sichuan Yanjiang Yijin Expressway Co.,"Ltd.,Xichang,"Sichuan Province 615000,"China;"3.College of Soil and Water Conservation Science and Engineering,"Northwest Aamp;F University,"Yangling,"Shaanxi Province 712100,"China)
Abstract:Moss crusts,"as the ultimate stage of biological soil crust succession,"are capable of conserving water sources,"repairing surface ecosystems,"preventing soil erosion,"and promoting the establishment of shrubs and grasses. Brachythecium plumosum"(Hedw.)"B. S. G.,"a dominant bryophyte species widely distributed on the bare rocks of the northern slopes of the Qinling Mountains,"is extremely sensitive to microenvironmental change such as humidity and temperature in terms of its reproductive utilization efficiency. To clarify the optimal temperature for the dry preservation of saxicolous bryophyte"crust in the Qinling Mountains,"in this study we took the saxicolous bryophyte crust dominated by Brachythecium plumosum"as the research subject,"and measured contents of soluble sugar,"soluble protein,"malondialdehyde,"and chlorophyll a and b of Brachythecium plumosum"thant"collected in different seasons under dry preservation in shade and at various temperatures (-5°C,"5°C,"15°C,"25°C). Curve fitting was also used to predict the trends in physiological indicators of Brachythecium plumosum. The results showed that the optimal collection season for saxicolous bryophyte crust dominated by Brachythecium plumosum"is autumn,"and the best preservation temperature treatment is 5°C,"with the simulated prediction for the best preservation temperature is 2.42°C. The results of this study provide an important theoretical and practical basis for the industrial preservation,"production and ecological restoration application of moss crust.
Key words:Biological soil crust;Bryophyte crust;Saxicolous bryophyte"crust in the Qinling Mountains;Brachythecium plumosum(Hedw.)B. S. G.;Bryophyte crust preservation
覆蓋地球陸地表面積12%的生物結(jié)皮(Biological soil crust),作為生態(tài)演替的先鋒群落[1],具有獨特的生理特性[2]和多種生態(tài)功能[3-5],如較強的水土保持[6]和防風(fēng)固沙能力[7],在生態(tài)系統(tǒng)的演變和穩(wěn)定性維持等方面發(fā)揮著重要作用。生物結(jié)皮與微生物形成的復(fù)合體能夠改良惡劣地表土壤養(yǎng)分及物理結(jié)構(gòu)[8-10],為灌草種子提供著落與發(fā)芽環(huán)境[11],對生態(tài)環(huán)境修復(fù)具有重要意義。苔蘚植物作為低等植物向高等植物演化的重要過渡階段[12],其易存活、生長快、體積小,是優(yōu)異的實驗室范式植物[13-16]。同時,苔蘚生物結(jié)皮還是生物結(jié)皮的頂級演替階段,廣泛分布于全球各種生態(tài)系統(tǒng)中,能夠指示并清除重金屬污染[17-20],在水土環(huán)境治理方面潛力巨大。
苔蘚生物結(jié)皮的優(yōu)良特性可以使其應(yīng)用于流動沙地、高陡邊坡、破碎山體等創(chuàng)傷斑塊的生態(tài)修復(fù)[21-22],特別是石生苔蘚在石漠化綜合治理的作用更難以被代替[23]。目前已有人工大規(guī)模培育石生苔蘚結(jié)皮用于生態(tài)修復(fù)的成功案例[24]。苔蘚結(jié)皮的室外擴增主要依賴苔蘚的莖葉片段,具體方法是先將陰干的苔蘚結(jié)皮進行細碎處理,隨后將其撒播以實現(xiàn)繁殖[25-27],也有采用移植原生苔蘚結(jié)皮及土層的方法[28]。然而工程應(yīng)用苔蘚結(jié)皮需要大量的種源,這些生產(chǎn)方式會破壞大面積的野生苔蘚生物結(jié)皮。為了盡可能減少對生態(tài)環(huán)境的破壞,保存采集后的苔蘚結(jié)皮并讓其保持較高的生理活性成為人工繁育最關(guān)鍵的制約因素。葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和丙二醛(MDA)含量是蘚類植物光合作用、碳代謝、蛋白質(zhì)合成和細胞損傷的代表性指標,能夠反映蘚類植物對環(huán)境變化的生理響應(yīng)[29-30]。近年來,關(guān)于苔蘚種源室內(nèi)保存的相關(guān)研究相對較少且集中于土生苔蘚,主要采用冰凍保護劑低溫冷凍保存苔蘚孢子[31-32],而苔蘚結(jié)皮的莖葉種源保存大多在常溫環(huán)境下進行[33-35]。然而,石生蘚與土生蘚在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生境和水熱條件需求等方面存在較大差異[36],并且同一保存條件下苔蘚生理變化也與苔蘚種類密切相關(guān)[31-35],因此,探索出一種適用于石生苔蘚結(jié)皮的最佳保存方案十分重要。
羽枝青蘚(Brachythecium plumosum"(Hedw.)B.S.G.)作為秦嶺北緣太白山區(qū)域內(nèi)廣泛分布的優(yōu)勢蘚種,是秦嶺石生苔蘚結(jié)皮的典型代表[36]。為研究其在不同季節(jié)和保存溫度下的生理特性變化,本研究在不同季節(jié)采集了以羽枝青蘚為主要建群種的秦嶺石生苔蘚結(jié)皮,探究其在遮光干燥條件下的最佳采集季節(jié)和保存溫度。研究結(jié)果可為秦嶺石生苔蘚在生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 樣品采集概況
本試驗區(qū)域位于陜西省秦嶺北麓的寶雞市眉縣紅河谷森林公園(107.75~108.13°E,34.04~34.17°N),樣品采集地點位于該區(qū)域內(nèi)藥王谷處公路沿岸護坡(107.789°E,34.048°N),采樣日期分別為2022年12月15日、2023年3月15日、2023年6月15日和2023年9月15日,每次采集時間為10:00—12:00。四次采樣區(qū)域均位于在藥王谷處公路沿岸前后500 m范圍內(nèi),樣地內(nèi)石生苔蘚成毯狀附生在公路側(cè)邊石質(zhì)護坡,采樣地點海拔在1300~1500 m之間。2022年12月采樣時的氣溫為-6.3℃,空氣相對濕度(20℃)為21.3%,2023年3月采樣時的氣溫為5.4℃,空氣相對濕度(20℃)為11.6%,2023年6月采樣時的氣溫為22.6℃,空氣相對濕度(20℃)為57.2%,2023年9月采樣時的氣溫為14.5℃,空氣相對濕度(20℃)為74.1%。苔蘚結(jié)皮樣品采集后當(dāng)日帶回實驗室,并在溫度為22℃、空氣相對濕度(20℃)為30%~40%的室內(nèi)環(huán)境下原狀攤開陰干48小時,使其含水量降低至10%以內(nèi)。苔蘚結(jié)皮樣品陰干后用塑料自封袋分裝,并立即開始各溫度遮光保存處理。苔蘚物種的鑒定參照前人研究結(jié)果[36]。
1.2 試驗設(shè)計
在前期苔蘚生物結(jié)皮人工培育的相關(guān)研究基礎(chǔ)上,本研究以羽枝青蘚為主要建群種的秦嶺石生苔蘚為研究對象,將苔蘚結(jié)皮種源的采集時間劃分為春、夏、秋、冬四個季節(jié),采用-5℃、5℃、15℃和25℃四個不同保存溫度,對苔蘚結(jié)皮種源進行遮光保存30天。每個溫度處理設(shè)有3個重復(fù),每個樣品重復(fù)的重量為10 g,試驗總樣品數(shù)為48個(4個采樣季節(jié)×4個處理溫度×3個重復(fù))。在保存處理后,測定苔蘚結(jié)皮的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)含量、葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量。可溶性糖含量用作碳代謝和滲透調(diào)節(jié)能力的指示;可溶性蛋白含量用作蛋白質(zhì)合成和滲透調(diào)節(jié)能力的指示;丙二醛含量用作細胞膜氧化損傷程度的指示;葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量用作光合能力的指示。通過這些生理指標的評估,明確以羽枝青蘚為主要建群種的秦嶺石生苔蘚種源的最佳采集時間和保存條件。
1.3 指標測定
在檢測前,將苔蘚結(jié)皮樣品去除石塊、泥土、枯枝和其他植物種等雜物,僅保留羽枝青蘚單種。生理指標測定方法如下[37],每個重復(fù)取三塊不同位置的樣品混合后進行檢測:
① 可溶性糖含量采用蒽酮-硫酸比色法。
② 可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍"G-250 染色法。
③ 丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法。
④ 葉綠素含量采用乙醇提取法。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用SPSS 26.0軟件對樣品各項生理指標數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,使用Tukey's-b多重比較法進行顯著性分析(Plt;0.05),并使用曲線估算功能進行苔蘚樣品生理指標與溫度處理的擬合分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 春季羽枝青蘚樣品生理指標對保存溫度的響應(yīng)
春季羽枝青蘚樣品處理后可溶性糖含量和可溶性蛋白含量均減少,其中5℃和25℃處理的減少最多;春季樣品丙二醛含量無顯著性差異;零上溫度處理的葉綠素a、b含量低于處理前、-5℃處理的含量(表1)。
春季采集的羽枝青蘚樣品各項生理指標含量在[-5,25]溫度范圍內(nèi),可溶性糖含量與溫度曲線擬合效果較好,預(yù)測在3.21℃時達到最低值72.58 mg·g-1,在-5℃時達到最高值102.86 mg·g-1;可溶性蛋白與溫度曲線擬合下效果較好,預(yù)測在2.42℃時達到最低值5.40 mg·g-1,在-5℃時達到最高值6.84 mg·g-1。春季樣品生理指標中,可溶性糖、蛋白對溫度變化的響應(yīng)曲線最為顯著,在-5℃時達到最高值(表1)。
2.2 夏季羽枝青蘚樣品生理指標對保存溫度的響應(yīng)
夏季樣品可溶性糖含量在不同保存溫度處理下無顯著差異;可溶性蛋白含量在不同保存溫度處理下無顯著性差異,但低于處理前;丙二醛含量在不同保存溫度處理下顯著性差異表現(xiàn)為-5℃、25℃gt;5℃、15℃gt;處理前;葉綠素a含量在不同保存溫度處理下顯著性差異表現(xiàn)為-5℃gt;5℃、15℃、25℃;葉綠素b在不同保存溫度處理下含量顯著性差異表現(xiàn)為處理前、-5℃gt;5℃、15℃、25℃(表2)。
夏季樣品各項生理指標含量在[-5,25]溫度范圍內(nèi),丙二醛與溫度曲線擬合下效果較好,預(yù)測在9.07℃時達到最低值2.23 mg·g-1,在25℃時達到最高值2.91 mg·g-1;葉綠素a與溫度曲線擬合效果極好,預(yù)測在6.26℃時達到最低值0.96 mg·g-1,在-5℃時達到最高值1.80 mg·g-1;葉綠素b與溫度曲線擬合效果極好,預(yù)測在6.40℃時達到最低值0.28 mg·g-1,在-5℃時達到最高值0.57 mg·g-1(表2)。
2.3 秋季羽枝青蘚樣品生理指標對保存溫度的響應(yīng)
5℃處理的樣品可溶性糖含量顯著低于25℃處理的樣品,但與其他處理無顯著差異;處理前樣品可溶性蛋白含量顯著高于處理后各組,處理后各組含量間無顯著性差異;-5℃處理的丙二醛含量低于其他處理,葉綠素a、b含量在-5℃時顯著高于其他處理,但各處理后的葉綠素a、b含量是處理前的2~3倍。秋季采集的羽枝青蘚樣品各項生理指標含量與不同處理溫度在[-5,25]溫度范圍內(nèi)曲線擬合效果較差(表3)。
2.4 冬季羽枝青蘚樣品生理指標對保存溫度的響應(yīng)
冬季樣品25℃處理樣品的可溶性糖含量顯著高于5℃和處理前的樣品;-5℃處理的樣品可溶性蛋白含量顯著高于5℃、15℃和處理前,而-5℃與25℃處理的樣品可溶性蛋白含量無顯著差異;各處理樣品的丙二醛含量無顯著差異;冬季處理前樣品的葉綠素a、b含量顯著高于處理后樣品(表4)。
冬季樣品各項生理指標含量與不同溫度處理在[-5,25]溫度范圍內(nèi),可溶性蛋白含量對溫度處理的曲線擬合下效果較好,預(yù)測在11.36℃時達到最低值18.51 mg·g-1,在-5℃時達到最高值21.46 mg·g-1;葉綠素a對溫度的曲線擬合下效果較好,預(yù)測在3.38℃時達到最低值0.88 mg·g-1,在21.86℃時達到最高值1.32 mg·g-1;葉綠素b對溫度的曲線擬合下效果較好,預(yù)測在3.29℃時達到最低值0.21 mg·g-1,在20.98℃時達到最高值0.31 mg·g-1(表4)。
2.5 不同季節(jié)苔蘚樣品生理指標含量變化的分析
不同季節(jié)采集的羽枝青蘚樣品生理指標在處理前和各處理下均表現(xiàn)出顯著差異(表1~4),可溶性糖含量在處理前和所有溫度處理中均表現(xiàn)為秋季樣品顯著小于其余季節(jié),其他季節(jié)各處理可溶性糖含量是秋季樣品含量的1.5~2.5倍。
處理前可溶性蛋白含量表現(xiàn)為春季樣品、冬季樣品gt;夏季樣品、秋季樣品,在-5℃處理下表現(xiàn)為冬季樣品gt;夏季樣品gt;春季樣品、秋季樣品,在5℃處理下表現(xiàn)為冬季樣品gt;夏季樣品gt;秋季樣品gt;春季樣品,在15℃處理下表現(xiàn)為冬季樣品gt;夏季樣品gt;秋季樣品、春季樣品,在25℃處理下表現(xiàn)為冬季樣品gt;夏季樣品gt;秋季樣品、春季樣品。冬季樣品的可溶性蛋白含量始終顯著高于其他季節(jié),而秋季樣品的含量相對較低,是春季樣品處理前含量的40%~45%,約為冬季樣品各處理可溶性蛋白含量的1/3。
丙二醛含量在處理前、-5℃、5℃和15℃處理中均表現(xiàn)為春季樣品顯著高于其他季節(jié),夏、秋和冬季丙二醛含量在各處理下差異較小,春季樣品丙二醛含量約為秋季樣品的1.25倍,然而在25℃處理下四個季節(jié)樣品丙二醛含量無顯著差異,且高于其他溫度處理樣品的含量。
處理前秋季樣品葉綠素a含量顯著低于其他季節(jié),其他季節(jié)葉綠素a含量是秋季樣品的2~7倍。在-5℃處理下表現(xiàn)為夏季樣品gt;秋季樣品、冬季樣品gt;春季樣品,在5℃處理下表現(xiàn)為秋季樣品顯著高于其他季節(jié),在15℃處理下表現(xiàn)為春季樣品顯著低于其他季節(jié),在25℃處理下表現(xiàn)為冬季樣品gt;夏季樣品、秋季樣品gt;春季樣品。
處理前葉綠素b含量表現(xiàn)為冬季樣品gt;夏季樣品gt;春季樣品、秋季樣品,在-5℃處理下表現(xiàn)為夏季樣品gt;秋季樣品gt;冬季樣品gt;春季樣品,在5℃、15℃處理下表現(xiàn)為秋季樣品顯著高于其他季節(jié),在25℃處理下秋季樣品顯著高于冬季和春季樣品。
3 討論
本研究中處理前的羽枝青蘚樣品生理指標含量表現(xiàn)出非常顯著的季節(jié)性差異,這些差異主要來源于苔蘚所處季節(jié)環(huán)境條件和生長發(fā)育階段的不同[33]。在相同溫度處理下,各季節(jié)樣品在處理前后的生理指標含量差異顯著,說明羽枝青蘚在失水休眠后仍會進行適應(yīng)環(huán)境變化的生理活動,這與苔蘚進入休眠后生理活動近乎停止的觀點不同[38],但與黃土高原多種苔蘚活性在處理前后表現(xiàn)出的季節(jié)性差異結(jié)果一致[33,39-40]。這種季節(jié)性差異也同時說明采集季節(jié)對秦嶺石生苔蘚結(jié)皮種源活性具有重要影響。
秋季樣品的可溶性糖含量顯著低于冬季樣品,而冬季樣品含量顯著高于春季樣品,這與前人發(fā)現(xiàn)的關(guān)于植物受水分脅迫加深時,可溶性糖含量先升高后降低的結(jié)果一致[41-44]。處理后夏、秋季樣品可溶性蛋白含量顯著降低,而冬季樣品的含量顯著升高,春季樣品可溶性蛋白含量顯著降低,這與水分脅迫逐漸加重時,植物可溶性蛋白含量先降低后升高的結(jié)論一致[44-45]。土培植物在受到干旱脅迫時,可溶性蛋白含量隨脅迫程度升高而升高[46-47],但本研究并未發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果,這可能由于羽枝青蘚結(jié)皮生于濕潤環(huán)境,且沒有土壤作為儲水載體以減緩干旱脅迫,因此對水分條件變化的生理反應(yīng)表現(xiàn)更為強烈[29,36],即羽枝青蘚耐旱性較弱于黃土高原干旱環(huán)境蘚種及土培植物。羽枝青蘚可溶性蛋白含量降低可能是因為可溶性蛋白在酶作用下,轉(zhuǎn)換成脯氨酸以抵御水分脅迫,而可溶性蛋白含量增加是由于水分脅迫程度繼續(xù)加重時,細胞酶活性降低從而使可溶性蛋白代謝受阻,以及細胞水分進一步減少所致[27,48]。
羽枝青蘚生境與生長于黃土高原林下生境的扭口蘚微環(huán)境較為相似,扭口蘚種源活性與其可溶性蛋白和丙二醛含量呈顯著負相關(guān)[35],本研究結(jié)果表明,各季節(jié)采集的羽枝青蘚樣品在不同溫度處理下,秋季的可溶性蛋白和丙二醛含量均顯著低于其它季節(jié)。曲線擬合優(yōu)度高低能夠直接反映苔蘚樣品對保存溫度的響應(yīng)效果,效果越好說明苔蘚樣品的生理指標越易受環(huán)境影響,即苔蘚樣品受到的環(huán)境脅迫越大[39],而秋季苔蘚樣品含量變化的穩(wěn)定性表明秋季是秦嶺石生苔蘚種源的最佳采集季節(jié)。溫度能夠顯著影響苔蘚的呼吸速率[49],從而增強或抑制苔蘚細胞膜損傷[50]。25℃處理會對樣品細胞膜系統(tǒng)造成損傷,使春、夏和秋季樣品的丙二醛含量升高,而-5℃處理減緩了呼吸速率,同時還利于維持各季節(jié)樣品的光合能力。結(jié)合各季節(jié)處理結(jié)果(表1~4),-5℃處理使夏季樣品的丙二醛含量升高,表明-5℃保存減緩了苔蘚呼吸,利于可溶性糖、葉綠素保存,但也可能導(dǎo)致苔蘚細胞產(chǎn)生胞內(nèi)冰晶,造成低溫脅迫[33,51]。15℃和25℃處理會使苔蘚呼吸速率升高,加重干燥保存對苔蘚的失水脅迫。因此,-5℃~5℃之間存在最適的秦嶺石生苔蘚結(jié)皮保存溫度。
凍融脅迫會刺激植物細胞丙二醛和可溶性蛋白的積累[52]。春、冬季樣品在5℃處理下可溶性蛋白含量顯著低于-5℃處理含量,且丙二醛含量無顯著差異,說明在長期失水脅迫下,5℃干燥保存更適合秦嶺石生羽枝青蘚。根據(jù)曲線擬合結(jié)果,春季樣品的可溶性蛋白與溫度擬合曲線預(yù)測在2.42℃時達到最低值(表1),因此,最適的秦嶺石生羽枝青蘚遮光干燥保存溫度為2.42℃。
4 結(jié)論
本研究探究了羽枝青蘚為主要建群種的秦嶺石生苔蘚結(jié)皮在遮光干燥保存條件下的最佳采集季節(jié)與保存溫度,得出如下結(jié)論:在四個季節(jié)采樣中,秋季是采集羽枝青蘚秦嶺石生苔蘚種源的最佳季節(jié);在四個溫度處理中,5℃表現(xiàn)最佳,且根據(jù)曲線擬合預(yù)測的最佳保存溫度為2.42℃。該研究為秦嶺石生苔蘚結(jié)皮規(guī)模化生產(chǎn)以及生態(tài)修復(fù)提供了重要的理論和實踐基礎(chǔ)。
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(責(zé)任編輯""彭露茜)
引用格式:王子臨, 張學(xué)鋒, 張志全,"等.保存溫度對不同季節(jié)秦嶺石生苔蘚種源生理活性的影響[J].草地學(xué)報,2025,33(3):678-685
Citation:WANG Zi-lin, ZHANG Xue-feng, ZHANG Zhi-quan, et al.Effects of Preservation Temperature on Physiological Activity of Saxicolous Bryophyte"Crust Provenances in Different Seasons of Qinling Mountains[J].Acta Agrestia Sinica,2025,33(3):678-685
基金項目:國家重點研發(fā)計劃項目(2022YFF1302800);國家自然科學(xué)基金項目(42277464);陜西省重點研發(fā)項目(2024SF-YBXM-545);四川省交通運輸科技項目(2018-ZL-15)"資助
作者簡介:王子臨(2001-),男,漢族,陜西咸陽人,碩士研究生,主要從事群落生態(tài)學(xué)研究,E-mail:"zilinwangcn@nwafu.edu.cn;"*通信作者Author for correspondence,E-mail:"liwei2013@nwsuaf.edu.cn