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报春苣苔属(Primulina)是我国喀斯特植物的一个重要类群,该属植物的地理分布具有高度的土壤专一性,绝大多数物种仅分布在石灰岩基岩土壤,还有一些仅分布在丹霞地貌土壤或砂页岩基岩土壤。喀斯特石灰岩地区是报春苣苔属植物的分布中心,该区域土壤中性偏碱,钙含量很高。为探讨报春苣苔属植物钙形态组成及其多样性,我们以来自我国华南喀斯特地区5个石灰岩钙质土壤、4个丹霞地貌土壤、6个砂页岩酸性土壤共15个居群的11种报春苣苔属植物为对象,通过同质园实验(common garden experiment)检测了来源于不同基岩土壤的报春苣苔属植物叶片钙形态的组成和含量,分析了该属植物叶片中钙的主要存在方式,并对物种之间以及不同基岩土壤同一物种叶片钙形态差异做了比较,为深入研究报春苣苔属植物生境多样性的形成以及喀斯特特有植物多样性的保育提供科学依据。 钙是植物生长的必需常量营养元素之一,绝大多数植物对土壤中钙离子的吸收与土壤钙离子浓度呈正相关,但是,高浓度的Ca2+也是一种细胞毒害剂。喀斯特生境中的基岩多为碳酸盐类,其主要化学成分为CaCO3和MgCO3,土壤富钙成为喀斯特土壤最为显著的特征。经过长期的自然选择,形成了具有喜钙性、岩生性和旱生性的喀斯特植被,并产生了丰富的特有物种,我国华南喀斯特山地丘陵有丰富的报春苣苔属植物资源。本研究以华南喀斯特地区15种报春苣苔属植物为研究对象,以土培为基质,施加不同浓度(0 mM,50 mM,100 mM)钙处理,通过对植物生物量、根系系统构型、光合色素含量、光合参数及营养元素含量等指标的检测和比较分析,揭示外源Ca2+对报春苣苔属植物生长发育以及生理代谢的影响,探讨了报春苣苔属植物对于高钙环境的应答策略。为深入研究报春苣苔属植物及喀斯特植物高钙适应机制奠定基础。 本研究主要得出以下几点结论: 1、报春苣苔属植物叶片普遍具有较高的钙富集能力,来源于石灰岩钙质土壤的植物叶片总钙平均含量高达2285.6 mg/kg,砂页岩酸性土壤植物为1379.3 mg/kg,丹霞地貌土壤植物为1329.1 mg/kg,石灰岩钙质土壤植物显著高于丹霞地貌和砂页岩酸性土壤植物(P<0.05),报春苣苔属植物对土壤高钙适应方式为高钙型。 2、多数植物叶片钙形态主要以果胶酸钙(514.8-1148.7 mg/kg)的形式存在,占叶片总钙含量的31.6%-64.2%;然而线叶报春苣苔(P.linearifolia)和药用报春苣苔(P.medica)叶片中水溶性钙含量最多,约占叶片总钙含量的40%,表明报春苣苔属植物叶片钙形态组成在物种之间具有多样性。同一物种植物叶片中不同形态钙含量以及物种间钙形态含量差异都达到显著水平(P<0.05)。另外,不同基岩土壤中的蚂蝗七(P.fimbrisepala)和烟叶报春苣苔(P.heterotricha)叶片总钙含量差异不大,但各种钙形态的含量存在差异,说明报春苣苔属植物叶片钙形态在种内也具有多样性。 3、添加外源钙会抑制报春苣苔属植物的生长,植物地上部分和地下部分的生物量随着钙浓度的增加显著下降,生物量的分配在叶片中呈上升趋势,在根系中呈下降趋势,说明在高钙胁迫中根系更为敏感,主要表现在植物总根长、根系平均直径、根系表面积、根系体积、根尖数及根分支数都受到显著的抑制,其中以根分支数与根系表面积对植物生物量的影响最大。生物量对环境高钙的响应在不同物种及同一物种不同居群(EBU1和EBU2)间存在差异;整体而言,16个居群中牛耳朵(EBU2)在高钙环境中耐受性相对较好,可能是长期适应性进化的结果。 4、添加外源钙浓度在0-50 mM时,随着钙浓度的升高,叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量都表现为显著上升,而在高钙浓度(100 mM)下叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量反而下降,表明在低浓度钙处理时植物叶绿素含量增加,通过降低光合色素的利用率使得光合作用下降,而高钙胁迫时植物细胞及光合器官受到损伤,从而对光合作用产生抑制。随着钙处理浓度的增加,Ch1a/Ch1b显著减小,表明植物向阳生植物过渡的趋势,从另一个侧面反映植物抗旱性增强。 5、在各浓度钙处理下,检验植物光合作用强度的指标Pn显著下降,其降幅随Ca2+浓度增大而增大;作为植物叶片最重要的气孔交换通道测量参数gs与Pn表现出相同的显著下降趋势,并且gs与Pn之间遵循严格的线性关系,说明光合能力(Pn)的主要限制因子是气孔因素。WUE在低浓度钙处理时升高,高浓度钙处理时下降,这与根系构型的改变有关,高钙环境中根系系统各参数下降,植物吸水能力降低,水分利用效率也出现下降,进而使植物光合作用受到影响。 6、报春苣苔属植物Ca、K、Mg、P和Mn主要富集在植物叶片中,而Fe和Al主要富集在植物根系中。随着钙处理浓度的增大,报春苣苔属植物叶片、根系中的Ca和Fe含量显著增大,K、Mg的含量显著降低,P和Mn变化不大,但在个别物种中差异很大。