渗氧在红树林适应潮间带环境中的作用及其生理分子机制

Frequent flooding by tide in the intertidal regions, which would result in the deficiency of oxygen and sharp reduction of nitrogen bioavailability in the sediments, is one of important factors that limiting mangrove growth and distribution. The existing documents showed that radial oxygen loss (ROL) is an important adaptive strategy to flooding. Thus, the present study aims to further investigate the effects of root anatomy, ROL and iron plaque on the fluxes of oxygen and nitrogen at rhizo-root system. The processes of aerenchyma formation and suberin deposition within exodermal cell walls, as well as their related molecular regulation mechanisms, are also investigated. The present study not only provides a better understanding of the mechanisms involved in flooding tolerance and nutrient absorption in mangroves, but it also highlights information which is also significant in mangrove protection and restoration.

潮间带周期性水淹所导致的底泥缺氧和营养元素氮生物可利用性的降低，是限制红树植物生长以及影响红树林生态群落动态的关键因素。已有的研究表明，植物根系渗氧是适应水淹环境一个重要适应策略。为此，本项目在结合自己和前人的研究基础上，进一步系统研究根系形态解剖结构、渗氧以及铁膜等对红树植物根系-根际系统氧气和氮素输导过程的影响，结合通气组织发育、根外皮层木栓质沉积过程及其分子调控机制，从氧气传输动力学特征以及营养元素氮吸收转运两方面，分形态解剖结构、生理生化和分子不同层次，揭示红树植物根系结构和渗氧在其适应潮间带不良环境（水淹所导致的底泥缺氧和氮生物可利用性的降低）中的作用机制。其研究成果不仅是对红树林耐淹机理的重要补充和完善，同时也从一个全新的角度去揭示红树植物对营养元素氮的吸收和转运特征，对红树林的保护和生态恢复具有重要的理论指导意义。

在国家基金的资助下，本项目进展顺利，研究了红树植物根系渗氧在其适应潮间带不良环境（周期性水淹导致的底泥缺氧以及营养元素氮生物可利用性降低）中的作用机制，并从形态解剖结构、生理和分子水平，揭示其作用机理。项目先后发表论文10篇，其中SCI论文8篇。另有1篇SCI论文接近接受，1篇在投稿中。项目部分成果获得了海洋工程技术奖基础类一等奖。.我们首先详细研究了红树植物根系形态结构特征及其与氧气传输的关系，发现沿着高程梯度，从低潮位到高潮位，红树植物其通气组织和根系渗氧均呈明显的下降趋势，这些差异很好地解释了红树植物在潮间带的分布特征。水淹胁迫还可进一步诱导通气组织的发育、根外皮层木栓化的加深以及铁膜的增加，所有这些均是为提高氧气向根尖生长点的传输效率。通气组织有利于氧气在根内的贮存和运输，根外皮层木栓化以及根表铁膜的形成则可一定程度上减少氧气在传输过程中的泄露损失。.接下来，我们研究了根系渗氧对红树植物氮吸收的促进机理。我们发现，在营养条件更为恶劣的低潮位，靠海端先锋红树植物如白骨壤等，由于其具有更强的根际氧化能力，反而呈现出更强的氮吸收能力。根系渗氧对氮吸收的促进机理主要在于促进了根际硝化菌的生长，有利于硝态氮的生成，从而缓解了水淹厌氧所造成的硝氮匮乏。此外，我们利用非损伤微电极微测技术，同样证实了硝态氮对于在红树植物的重要性。.最后，我们探讨了红树植物根系结构对潮间带不良环境（如缺氧、和氮缺乏）的适应和分子调控机制。我们发现缺氧和缺氮均诱导刺激通气组织的发育，转录组的结果表明乙烯信号转导相关ACC、氧自由基RHOB、细胞壁降解XTH等相关基因参与了通气组织的发育。木栓化则不同，缺氧增加了木栓化而氮缺乏则减少木栓化。另外，在盐分和重金属胁迫下， 4CL、GPAT、ABC和GST等相关基因同样参与了木栓质单体合成、跨膜转运和聚合等过程。.后续我们将会继续研究通气组织等结构适应特征的作用和分子机制，结合根系呼吸代谢，进一步研究红树植物对潮间带水淹环境的适应机制。