DHAP气候变暖为主要特征的全球变化

1.1 研究目的与意义
政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告指出，以气候变暖为主要特征的全球变化已成为一个不争的事实[1]。过去100a（1906-2005年）来，全球平均地表温度升高0.74±0.18℃[2,3]，变暖幅度较20世纪90年代以来明显加速，大多数气候模型都预示未来100a全球气温可能升高1.1~6.4℃[4]。中国西北干旱区生态环境脆弱，是对全球气候变化较为敏感的区域之一[5]。已有研究表明由暖干向暖湿转型的强劲信号出现在中国西北地区，而新疆在整个西北地区最为突出[6-11]。新疆是我国地域面积最大的省区，位于中国西北边陲，自然条件独特，但其气候和生态环境也都发生了显著的变化[12]。近40a（1961 -2010 年）来，新疆年平均气温以0.33℃/10a 的倾向率呈显著的上升趋势，与全球与全国气温变化趋势总体一致[13]。已有的天山山区气候变化研究结果指出，天山山区气候整体向暖湿化转变，气温、降水均逐年增加，冰川消融退缩，湖泊、江河水位上升，增加了洪涝灾害，沙尘暴频次减小，对水资源和生态环境产生重大影响[5,14,15]。气候的不断变暖，也将在不同空间和时间尺度上影响陆地植被，尤其是对森林生态系统[16,17]。
天山云杉（Picea schrenkiana Fisch.et Mey.）属云杉属（Picea），为中亚和亚洲中部山地特有种，是天山山脉最主要的地带性森林群落建群种，主要分布在天山南北坡和昆仑山西部北坡。天山云杉林分面积约为52.84万 hm2，占新疆山地天然林面积的50%，蓄积量约为1230万 m3，占全疆山地森林蓄积量的61.3%，以其为主体的天山山地森林生态系统对新疆绿洲的水源涵养、水土保持和维系生态系统健康发挥着不可或缺的重要作用[18]。然而随着长时间无火干扰的影响，以及人类活动对森林生态系统干扰强度和林产品需求量的逐渐增大，天山云杉天然更新问题变得越来越突出，成为林业工作者长期困惑的一大难题。自20世纪50年代以来，就有学者研究天山云杉的天然更新问题，对种子活力、森林采伐方式、林分结构、水分、养分及林下光照等方面进行了研究，但从研究结果和产生的效应发现很难解决根本问题。近年来的研究结果发现，自毒作用可能是导致天山云杉天然更新不良或更新障碍的关键所在[19]。
植物（或微生物）之间相互抑制或促进的生物化学作用被称之为化感作用[20]，当供体植物（或微生物）与受体植物（或微生物）属于同一物种时，这种生物化学作用就称为自毒作用[21]，因此，自毒作用是化感作用的特殊类型。人们很早就已认识到这种现象，但是在近20a才从科学的角度证实了自毒作用。自毒作用是植物（或微生物）通过分泌并释放到环境中的被称作自毒物质的一些植物次生代谢物来实现[22]。植物体中的自毒物质可通过如挥发、淋溶、残体分解等途径从植物体释放到环境中，并以不同方式影响自身生长[23,24]。在森林生态系统中，天山云杉潜在自毒物质主要通过降雨或融雪释放到环境中，凋落物水溶性化感物质抑制地表凋落物中包裹着的天山云杉种子萌发和幼苗生长，从而使天山云杉的天然更新恢复受到影响[25]。目前，研究已证明天山云杉凋落物主要物质3,4-二羟基苯乙酮（DHAP）具有化感潜力[26]，并验证了DHAP的化感自毒效应。
化感物质作为一种胁迫因子，通常通过干扰生长调节系统和初级代谢过程来影响植物生长发育。内源植物激素能够诱导植物产生多种不同的效应，它可以调配营养物质，通过使营养物质增加（或减少）来控制生长发育过程[27]。化感物质可以通过诱导受体植物内源激素水平发生变化，从而影响细胞的正常生长与发育过程，进而干扰植物间的竞争关系[28]。那么，如果DHAP是天山云杉潜在自毒物质，DHAP又是通过怎样的生理过程与途径影响天山云杉生长发育的，这一问题值得深入研究。
基于“自毒作用对天山云杉天然更新障碍温度效应假设”，本研究以全球气候变暖为背景，在已知对天山云杉自身生长具有抑制作用的潜在自毒活性物质DHAP基础上，采用人工气候培养箱进行模拟生长季温度，选用天山云杉自毒物质DHAP为培养处理液，检测温度变化背景下，DHAP对天山云杉种子萌发和幼苗生长阶段的自毒效应以及生长阶段内源植物激素含量变化动态规律，探讨DHAP是通过怎样的生理过程与途径影响天山云杉更新过程。
1.2 国内外研究进展
1.2.1温度对植物生长发育的影响
在自然环境中，植物的生长发育过程由多种环境因子调控，种子萌发和幼苗生长过程受到温度、光照、水分等生态因子的综合影响。由于外界环境的不断变化，植物需采取不同的生长对策来适应外界环境的变化，进一步提高其生存能力。温度是调控植物生长发育的重要环境因子之一，环境温度一般是通过改变植物的根温来影响植物的生长发育，地温变化1℃，植物生长和养分吸收就会发生明显变化[29]。过高或过低的温度都会影响植物的生长，温度过低，植物体酶的活化或催化作用受到抑制；温度过高，会破坏植物体的酶结构或使酶失活，抑制种子和幼苗的正常生理代谢[30]。适当的增温促进植物的生长[31,32]，但增温过高，会导致土壤干旱化程度增强，抑制幼苗生长[33]。张志勤等(2007)研究表明，凤党种子最适萌发温度为15-20℃，超过25℃党参种子萌发受到显著抑制作用，30℃以上的温度条件下党参种子发芽率和发芽势急剧下降[34]。武志江等（2013）研究温度对素花党参（Codonopsis pilosula Nannf. Var. Modesta (Nannf.) L. T. Shen）种子萌发和幼苗生长的影响发现，25℃种子发芽率高，发芽持续时间短，发芽整齐，且幼苗活力强；环境温度过低，种子发芽过程持续时间久，发芽率较低，幼苗生长受到抑制，单株鲜重较小[35]。杜尧东等（2010）研究发现低温胁迫会降低番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）种子的发芽势、发芽指数和发芽率，温度越低影响越大[36]。徐文强等（2013）研究表明，玉米种子的发芽势、发芽率随温度与土壤含水量的降低，呈下降趋势，当环境温度降至15℃恒温条件时，玉米种子不能正常萌发，发芽率迅速降低[37]。
1.2.2温度对植物内源激素的研究
植物激素(plant hormone)，也被称为植物天然激素或植物内源激素，是由植物自身代谢产生的一类痕量生长调节物质，能从合成部位快速转运到效应器，在极低浓度下产生生理效应，与植物的生长发育过程（如胚胎发生、种子萌发、营养生长、衰老、器官脱落等）、抗逆性密切相关[38-40]。经典的植物激素包括生长素（auxin），控制细胞分裂、伸长和分化，营养器官和生殖器官生长、成熟和衰老等[41]；脱落酸（abscisic acid），被认为是一种最为直接的应激响应激素，调节植物生长、气孔运动、种子成熟与休眠等[42]；细胞分裂素（cytokinin）调节细胞分裂与分化，控制生长发育[43]；赤霉素（gibberellin），促进植物伸长生长，破除种子休眠和促进萌发等[44]；乙烯（ethylene），对果实成熟等有显著调控作用[45]。也有研究表明油菜素内酯（brassinosteroids）[46]、茉莉酸（jasmonic acid）[47]、水杨酸（salicylic acid）[48]、独脚金内酯(strigolactones, SL)[49]、NO和多胺（polyamines）[50]等在生理调控过程中有类似激素作用。
植物激素代谢受到包括温度在内的众多环境因子的影响[51]。温度作为植物生长的重要影响因子之一，常常左右着植物的生长与死亡。植物通过多种植物激素的相互调节，使各种激素维持在适宜的浓度范围[39]3，调控植物的生理机能和生长节律，以适应外界环境条件的改变。植物在生长过程中通过不同激素响应逆境胁迫，高温胁迫会改变植物体内源激素含量，打破内源激素间的平衡水平，影响激素在植物细胞内的分布，从而影响植物的生长发育过程[52]。张鹏等（2009）探讨温度对水曲柳（Fraxinus mandshurica Rupr.）种子萌发过程中物质转化和内源激素含量影响的研究结果表明：较高温度条件(25℃，与适宜温度下萌发相比)下萌发时，胚乳和种胚内源ABA含量升高，种胚内源ZT和GA3含量降低，种胚内源激素比值ZT/ABA、GA3/ABA、IAA/ABA降低[53]。低温胁迫条件下，植物内源激素的变化与植物抗寒能力密切相关，刘高琼等（1997）研究发现低温诱导使大蒜（Allium sativum）试管苗内源激素IAA、ABA和 GA 的含量上升，使生长促进类激素与生长抑制类激素比值降低，从而提高了对低温逆境的适应能力[54]。于贤昌等（1999）研究低温胁迫下黄瓜（Cucumis sativus）嫁接苗和自根苗内源激素变化时证实，较高水平的ABA含量与较低水平的GA1+3含量及较高的 ABA/GA1+3比值是黄瓜嫁接苗抗冷的内在原因[55]。王丽萍等（2008）对低温弱光胁迫下辣椒(Capsicum annuum L.）内源激素含量的研究发现，内源激素的含量甚微并且对外界环境条件变化异常敏感，辣椒叶片内源激素IAA、GA3的相对含量随处理温度降低而下降，ABA的相对含量随处理温度的降低而升高[56]。倪俊霞等（2013）研究温度对不同秋眠型紫花苜蓿（Medicago sativa）光敏色素和内源激素的影响发现，低温（6℃）和高温( 30℃)使叶片中生长型内源激素IAA、ZR和GA3含量下降[57]。任华中和黄伟（2002）在研究低温弱光对温室番茄生理特性的影响时发现番茄在遭受低温胁迫时，ABA含量有所增加，IAA含量有所降低，但 GA的含量却因品种之不同而有两种不同的变化[58]。
1.2.3森林生态系统中的自毒作用
化感现象是植物间传递信息的一种方式，普遍存在于森林生态系统中，对森林群落的功能、结构、发展及效益有重大影响，也是一项不可忽视的化学生态因子[59,60]。化感作用的一种特殊类型是自毒作用（autotoxicity）。通常情况下，化感作用是植物通过分泌并释放到环境中被称为化感物质（allelochemicals）的某些次生代谢物（secondary metabolites）来影响邻近植物生长发育的生物化学作用。当化感物质的供体与受体是同种植物时，就称其为自化感作用（autoallelopathy）或自体中毒（autointoxication），即自毒作用（autotoxicity）[21]2。因此，自毒作用是指发生在同种植物间的化感作用。
森林更新是森林生态系统资源再生的一个自然生物学过程，在生态过程中具有重要的地位，因而森林更新问题一直是研究学者关注的主要领域之一[61]。以往研究森林更新失败问题时考虑较多是种子萌发和幼苗生长所处的光照、水分、养分等条件。自20世纪70年代以后，有学者认为森林更新失败与一些被称为化感物质的植物次生代谢物有关，甚至可能是影响森林更新成败的关键因素[62,63]。Coder & Warnell（1999）研究表明具有潜在化感作用的树种达百种以上，如针叶树的松属12种（Pinus spp.）、云杉属5种（Picea spp.）、冷杉属4种（Abies spp.）等[64]。Fisher（1980）研究分析认为引起森林天然更新障碍（natural regeneration failure）的共同原因是自毒作用[65]。Pellissier & Souto（1999）分析有关森林生态系统植物化感作用的文献发现至少有50%涉及天然更新障碍问题，并且研究绝大多数与针叶林相关[66]。来自各地的研究学者也进一步证实，自毒作用是导致森林天然更新障碍的重要因素之一[67-69]。

随着植物化学生态学的发展，以及对化感作用的深入研究，人们从微观水平上了解到，化感作用也能够影响森林天然更新。陈龙池和汪思龙（2003）对杉木树种研究发现，杉木根系分泌物会影响自身种子萌发和幼苗生长，杉木根提取液处理杉木6年后发现，各器官生物量有不同程度的降低，随着处理液浓度增大抑制作用增强；研究还发现，一代、二代杉木纯林根系分泌物能抑制幼苗鲜重、胚根和胚芽生长，破坏幼苗正常生长发育过程[70]。在森林更新研究中除杉木这一树种外，曹光球等（2005）研究发现马尾松（Pinus massoniana Lamb.）叶和根部水浸液具有自毒作用，通过分析鉴定发现棕榈酸、α-杜松醇及苯甲醛等主要自毒物质[71]。研究学者还发现油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、茶树（Camellia sinensis）、刺五加（Acanthopanax senticosus）、红松（Pinus koraiensis）和扁柏（Platycladus orientalis）等树种也具有自毒作用现象[72-75]。
1.2.4化感作用对植物内源激素水平的影响
植物能够迅速响应外界环境变化，通过代谢途径和形态上必要的改变协调自身生长发育过程来适应其所生长环境，以此确保植物的生长和发育[76]。化感物质作为一种胁迫因子，通过环境媒介作用到植物体，改变和打破植物体内源激素的平衡，从而影响植物正常生长，达到抑制（或促进）植物生长发育的目的，表现出化感作用[77,78]。化感物质影响植物内源激素水平主要有抑制和促进两个方面，对不同激素代谢的影响效果不同[79]。Brunn等（1992）报道了某些类黄酮类化感物质能够干扰生长素水平，抑制生长素传输，最终导致向地性和侧根受到干扰[80]。目前，化感物质对植物体内源激素代谢影响的研究大多集中在酚酸类物质上。赵福庚等(2004)研究表明绿原酸、阿魏酸、咖啡酸等化感物质能够阻抑吲哚乙酸的降解，增加吲哚乙酸水平，诱导生长，而对羟基苯甲酸、香豆酸、丁香酸等化感物质能够刺激IAA氧化酶活性，从而阻止了吲哚乙酸、赤霉素等诱导植株生长[81]。有研究证实某些化感物质能够使受体植物中赤霉素和生长素的水平降低，从而抑制了受体植物生长。Thomaszewiski等(1996)研究发现，化感物质能够抑制受体植株体内源赤霉素和生长素水平，进而抑制受体植物生长[82]。杜英君和靳月华（1999）研究大豆（Glycine max）根系分泌物和组织水浸液对下茬幼苗生长的影响，认为可能是由于内在的化感物质干扰了植物体内GA3和IAA的正常代谢，使根、茎的生长受到影响[83]。水稻(Oryza sativa)主要化感物质为酚酸类物质，可以提高稗草（Echinochloa crusgali (Linn.) Beauv.）吲哚乙酸氧化酶的活性，使吲哚乙酸水平降低，破坏受体植物的生长调节系统，阻抑细胞分裂和生长，从而抑制幼苗的生长[84]。刘秀芬和胡晓军(2001)指出，2.5mmol/L阿魏酸使小麦幼苗体内赤霉素、生长素、细胞分裂素大量累积，并造成脱落酸含量的升高[85]。Holappa & Blum (1991) 也报道了阿魏酸对黄瓜和番茄植株内源激素水平的影响[86]。近年来，对于化感自毒作用发生的生理过程与途径受越来越多的研究者关注。更多研究表明，化感自毒物质能够诱导植物体内源植物激素脱落酸、玉米素、吲哚乙酸和赤霉素发生变化，来适应外界生长环境变化。