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低海拔引种地春夏的高温、强光常常是引种植物生长的限制因子,冬春低温对于露地驯化植物的花期也会造成诸多影响。地处低海拔的中科院植物所北京植物园长期进行丁香属和荚蒾属专属植物的引种驯化,长久以来不得不面对引种植物在夏季高温强光下的弱势生长以及冬春低温影响开花的问题。我们期望探究:在低海拔引种地,高温对不同自然地理分布的物种有怎样的影响?强光是否有影响?冬春异常低温是如何影响引种植物的花期的?通过对丁香属植物施加的环境控制试验和荚蒾属植物的花期观测,分别揭示强光高温对引种植物光合作用的影响以及冬春异常低温对植物花期的影响。
通过光合作用气体交换参数、叶绿素荧光、CO2响应曲线的测量,揭示了低海拔引种地强光高温对丁香属高海拔狭域种红丁香、羽叶丁香和广布种暴马丁香、紫丁香的影响机制。结果表明:虽然丁香光系统Ⅱ的实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)受到了强光的抑制,但光系统Ⅱ并没有受到损伤,且净光合速率(A)均不受强光的影响,表明强光并非低海拔引种地的环境胁迫因子。高温虽并未抑制ΦPSⅡ及暗反应羧化酶的最大羧化速率(Vcmax),但在暴马丁香、红丁香和羽叶丁香中,3个物种的A和气孔导度(gs)均随温度的升高而出现了不同幅度的下降,呈现出高温下gs控制净光合速率的现象。而紫丁香的gs随温度上升并没有下降,且A增大了2倍。表明高温才是造成丁香种间光合作用及生长在低海拔引种地出现差异的原因。这可能是由于高温下叶片空气水蒸气压差(VPD)和蒸腾速率(E)出现上升,植物为维持体内水分平衡进而调节气孔所导致的。此外,在暴马丁香和红丁香中,高温下强光的出现可以改善其对gs的抑制作用,从而维持了两物种在强光高温条件下较高的A。以上结果表明:高温对两个广布种光合作用的影响并不相同。其中,紫丁香的光合作用呈现出喜高温的特性,其光系统Ⅱ活性及最大羧化速率均随温度升高而升高。而暴马丁香在低海拔引种地暴晒环境与遮荫环境中因具有较高且相近的净光合速率,因而均能维持较好的生长。同为高海拔分布的狭域种,高温对羽叶丁香和红丁香光合作用的影响也并不相同。羽叶丁香的净光合作用速率和气孔导度受到高温的显著抑制,这应是其在低海拔引种地暴晒环境中生长孱弱的重要原因。红丁香的光合作用虽受高温的抑制,但强光的出现改善了此状况,使其在高温强光环境下维持了与遮荫条件下相近的光合作用速率,而这一结果与实际观察中生长季暴晒环境下其生长孱弱的状况并不相符,表明红丁香的生长状况可能受到其它生理机制的控制。由此,对高海拔分布的不同丁香物种进行低海拔引种驯化时需采取不同的策略。
除了生长季的高温影响光合作用以外,露地驯化植物的花期也会受到休眠期低温的影响。本实验通过三年的花期观测,揭示了低海拔引种地年际间冬春异常低温对9种荚蒾的影响。研究表明:在低海拔引种地,虽然历经多年驯化的荚蒾属植物已经形成特定的始花时间及早晚顺序,然而,引种地2009-2010年冬春异常低温的出现却导致了荚蒾始花期的延迟,且物种间延迟天数的差异造成了始花顺序的混乱。但如果将延迟天数与物种自然分布区域的气候结合起来,又可见这样的规律:物种自然分布地冬春均温高于引种地的,延迟天数较长,反之则较短。其中,分布于高纬度年均温较低地区的欧洲绣球和修枝荚蒾延迟天数最少(10、12天),而分布在我国南方的琼花和桦叶荚蒾延迟天数最多(21、26天)。此外,冬春异常低温及花期高温均未造成荚蒾花期长度的缩短。因此,驯化中的荚蒾属植物花期长度对低海拔引种地的冬春异常低温及花期高温有一定的耐受能力。