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《东北农业大学》 2016年
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同质和异质水氮环境对草地早熟禾形态和生理特征的影响

SAUD SHAH  
【摘要】:草地早熟禾(Poa pratensis L.)是一种世界著名的多年生冷季型草坪草。其叶色浓绿,叶形和株型优美,被广泛用于庭院草坪、高尔夫球场及运动场草坪。其生长最适温度为18到24°C,充足的水分和适当的养分管理,可形成优美致密的草坪。然而,长期干旱缺水会导致其绿色快速消褪、叶片变细及呈现休眠状态而影响观赏和应用。在中国北方的干旱和半干旱地区,夏季温度通常会达到38°C或更高,水分的匮缺通常会造成土壤氮素大量流失,干旱和养分的不足是影响和限制草地早熟禾生长和质量的两大主要因素。因此,如何快速而有效的从干旱当中恢复成为草地早熟禾抗旱适应的关键。有效氮(N)通过代谢活动具有调节和提升植物抗水分胁迫和降低组织水势的特点。本研究的目的是:(1)调查不同水分和氮素供给条件下,氮素在草地早熟禾克隆分株间分配吸收代谢和同化特征;(2)研究草地早熟禾细胞抗氧化酶活性,氮同化在分株间传输的强度,方向和范围及适应环境胁迫的运输模式,为草地早熟禾育种提供依据。本研究是在东北农业大学园艺试验站进行,包括田间试验和温室盆栽试验。研究期间为植物生长季节的2014年6月至2015年10月。植物材料种植在田间不同水分和氮素条件的小区,形成完全随机区组设计的1个异质性生长环境A(NS+NS-SS+SS-)和4个同质性生长环境B(NS+NS+NS+NS+)、C(SS+SS+SS+SS+)、D(NS-NS-NS-NS-)、E(SS-SS-SS-SS-)。测定不同水分和氮素供给对草地早熟禾生长的影响。实验室条件下,采用氮同位素示踪技术,用氨态氮和硝态氮15NH4Cl和K15NO3取代Hoagland营养液中的KNO3,氨离子浓度为1.5m M、15m M和30mM,测定水分胁迫条件下,氮素在克隆分株间转运及对生理生态特性的影响。主要结果如下:(1)田间研究表明,干旱胁迫显著减少了异质生境和同质生境中的母株(22-72%)和第一分株(72-99%)的植株氮含量,株丛最大半径(40-91%),地上地下生物量(40-75%),每小区分株数(7-16%),叶含水量(1-58%)和水势(3-66%),但增强不同生境中植株的碳含量(7-15%)和碳氮比(36-64%)。通过水氮不同异质生境和同质生境处理,在1000倍电子透射镜观察叶横切结构,表明干旱缩减草地早熟禾叶片导管直径和周径及木质部面积,但增大了筛管直径和韧皮部面积。相同水分和不同养分处理,随着土壤养分的增加,叶片中主脉导管直径和周径变小,筛管和韧皮部相对面积增加。这种变化有利于养分的传输和减少水分蒸腾。富含氮营养土在一定程度上减缓了干旱对草地早熟禾的胁迫。在田间表现为NS+、A(NS+)及NS-和A(NS-)处理的小区中,草地早熟禾各项指标均优于其他处理。通过这些结果我们认为,氮含量丰富的基质结合适当的水分管理,可以显著增强草地早熟禾的抗旱性,在生产实践中可利用这些研究结果形成一个有效的减少投入的管理技术。(2)室内研究表明,干旱胁迫期间氮素变化已显著影响了草地早熟禾的细胞的生理代谢。NH4Cl和KNO3的增加在一定程度上减轻了干旱胁迫的不利影响。能降低不同分株细胞的氧化胁迫,提高细胞中超氧化物歧化酶(SOD)活性约3-66%,过氧化物酶(POD)活性约0.5-39%,过氧化氢酶(CAT)的活性约2-38%。提高游离脯氨酸的含量约4-49%。植物组织氮的同位素丰度(9-18%)、氮的含量(9-54%)、相对含水量(0.1-35%)、水势(18-66%)都有不同程度提高。尤其在30m M氮素(15NH4Cl和K15NO3)供给,显著影响了干旱条件下上述指标的变化,使植株保持了较高的渗透能力和抗氧化及清除体内活性氧自由基(ROS)的能力。在生长期间,氮素适当供给对草地早熟禾三个克隆分株的细胞渗透调节能力和抗氧化防御系统都能增强,有助于清除植株体内的活性氧自由基可进一步提高细胞膜的强度和稳定植物的基本代谢。此外同位素示踪技术可以作为探索草坪草抗旱能力以及为提高抗旱改良提供依据的一项有效方法。
【关键词】:干旱胁迫 分株 草地早熟禾 克隆植物
【学位授予单位】:东北农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S688.4
【目录】:
  • Abstract in chinese7-9
  • Abstract in English9-13
  • 1 Introduction13-28
  • 1.1 Purpose and significance of this research13-15
  • 1.2 Current research situation in the world15-25
  • 1.2.1 The importance of clonal plant15-16
  • 1.2.2 Research progress on morphological plasticity of plants16-17
  • 1.2.3 Research progress on the physiological integration of plants17-21
  • 1.2.4 Nitrogen and water effects on turfgrasses21-23
  • 1.2.5 Relative research on Kentucky bluegrass23-25
  • 1.3 The main contents and objectives of this research25-28
  • 1.3.1 The main contents of this research25-26
  • 1.3.2 Objectives26-28
  • 2 Materials and methods28-34
  • 2.1 Experimental material28
  • 2.1.1 Select the test material28
  • 2.1.2 Foster the test material28
  • 2.2 Experimental design28-33
  • 2.2.1 Field experiment design28-31
  • 2.2.2 Indoor experiment31-33
  • 2.3 Data processing and analysis33-34
  • 3 Results34-75
  • 3.1 Field experiment34-59
  • 3.1.1 Seasonal changes of nitrogen and carbon concentrations of mother plants of Kentuckybluegrass in homogenous (E,C,B,D) treatments34
  • 3.1.2 Seasonal changes of nitrogen and carbon concentrations of first ramet of Kentuckybluegrass in homogenous (E,C,B,D) treatments34-35
  • 3.1.3 Different level of nitrogen and carbon concentrations of mother plants of Kentuckybluegrass in heterogeneous plots (A) during autumn period35
  • 3.1.4 Different level of nitrogen and carbon concentrations of first ramet of Kentuckybluegrass in heterogeneous plots (A) during autumn period35-40
  • 3.1.5 Different level of nitrogen and carbon concentrations of first ramet of Kentuckybluegrass in homogenous (E,C,B,D) plots during autumn period40
  • 3.1.6 C:N ratio of ramet and mother plant in homogenous plots (E,C,B,D)40-41
  • 3.1.7 C:N ratio of ramet and mother plant in heterogeneous plots (A)41
  • 3.1.8 Effects of different water and nutrients supply on the maximum radius (cm) of Kentucky bluegrass at different days interval in homogenous (E,C,B,D) and heterogeneous plots (A)41-46
  • 3.1.9 Effects of different water and nutrients supply on the above and ground mass (Kg/plot) of Kentucky bluegrass in homogenous (E,C,B,D) and heterogeneous plots (A)46
  • 3.1.10 Number of ramets in homogenous (E,C,B,D) and heterogeneous plots (A)46
  • 3.1.11 Leaf water content (%) of ramets in homogenous (E,C,B,D) and heterogeneous plots (A)46-47
  • 3.1.12 Leaf water potential (-Mpa) of ramets in homogenous (E,C,B,D) and heterogeneousplots (A)47-51
  • 3.1.13 Spad reading of ramets in homogenous (E,C,B,D) and heterogeneous plots (A)51-52
  • 3.1.14 Leaf width (cm) of ramets in homogenous (E,C,B,D) and heterogeneous plots (A)52
  • 3.1.15 Plant height (cm) of ramets in homogenous (E,C,B,D) and heterogeneous plots (A)52-53
  • 3.1.16 Changes of leaf tissue structure of clonal plant of Kentucky in heterogeneous habitats53-59
  • 3.2 Laboratory expeiment59-75
  • 3.2.1 Changes of Catalase activity in clonal ramets of Kentucky bluegrass under differentnitrogen and water supply59-60
  • 3.2.2 Changes of SOD in clonal ramets of Kentucky bluegrass under different nitrogen andwater supply60-61
  • 3.2.3 Changes of POD in clonal ramets of Kentucky bluegrass under different nitrogen andwater supply61
  • 3.2.4 Changes of Proline in clonal ramets of Kentucky bluegrass under different nitrogen andwater supply61-62
  • 3.2.5 Changes of Root and Leaf Nitrogen isotopes abundance in clonal ramets of Kentuckybluegrass under different nitrogen and water supply62-69
  • 3.2.6 Changes of Root and Leaf Nitrogen Content (%) in clonal ramets of Kentucky bluegrassunder different nitrogen and water supply69-70
  • 3.2.7 Changes of Relative water content (%) in root and leaf in clonal ramets of Kentuckybluegrass under different nitrogen and water supply70-71
  • 3.2.8 Changes of water potential (-Mpa) in root and leaf in clonal ramets of Kentuckybluegrass under different nitrogen and water supply71-75
  • 4 Discussion75-80
  • 4.1 Outdoor experiment75-77
  • 4.2 Indoor experiment77-80
  • 5 Conclusions80-82
  • 5.1 Outdoor research80
  • 5.2 Indoor research80
  • 5.3 Creativities80-82
  • Acknowledgement82-83
  • References83-97
  • Papers published in the periods of phd education97-100

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