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“沙漠生物地毯工程”(Desert Biological Carpet Engineering)是通过以地衣为优势种群的固沙固碳功能以减缓沙尘暴肆虐和全球变暖。本论文作为“沙漠生物地毯工程”这一应用基础性研究的前期探索部分,主要目的是通过荒漠地衣及其菌藻物种资源的筛选和繁殖生物学的研究,为沙漠生物地毯工程的实施提供物种资源储备和生物技术支撑。为此,主要进行了下列四方面的研究:
(1)率先对我国荒漠地农共生菌藻的种质资源进行储备,通过分子生物学方法对分离得到的共生菌、藻进行了鉴定。总共分离和保藏了荒漠地衣共生菌、藻培养物63株,其中,共生菌40株,隶属于14种,8属,6科,包括Acarospora sp.、Aspicilia sp.、Collema coceophorum、Diploschistes diacapsis、Endocarpon adsurgens、Endocarpon crystallinum、Endocarponhelmsianum、Endocarpon pusillum、Endocarpon ainense、Fulgrensia flgems、Fulgensia poeltii、Fulgensia sp、Glypholecia scabra和Sarcogyne sp.;共生藻共23株,包括Diplosphaera chodatii、Trebouxia spp.和Nostoc Sp.;获得同种地衣的配对共生菌藻23份,隶于9种,5属,5科,包括C.coccophorum及其共生蓝细菌Nostoc sp.、D.diacapsis及其共生藻Trebouxia sp.、E.Adsurgens及其共生藻D.chodatii、E.crystallinum及其共生藻D.chodatii,E.helmsianum及其共生藻D.chodatii,E.pusillum及其共生藻D.chodatii、E.sinense及其共生藻D.chodatii、F.flugens及其共生藻Trebouxia sp.、G.scabra及其共生藻Trebouxia sp.。
(2)石果衣(Endocar ponpusillum)为我国西北荒漠固沙地衣中的优势物种。对分离自石果衣共生菌、藻在液体培养条件下营养生理和环境因素进行研究,并首次通过正交试验法对地衣共生菌、藻的最适培养基进行了优化。确定了其共生菌的最佳液体培养基为蔗糖40g/L、土豆浸汁250ml/L.、酵母提取物2g/L和大豆蛋白胨2g/L,最适温度为22℃,最适pH值为7.0;其共生藻的最佳液体培养基为葡萄糖30g,L、大豆蛋白胨5g/L和酵母提取物1g,L,最适温度为22℃,最适pH值为5.0。在优化的液体培养条件下,地衣共生菌、藻的生长量显著提高,90天后共生菌在优化复合培养基中生长量是基础LB培养基中生长量的8倍;36天后共生藻柯氏复球藻在优化培养基中的生长量约为基础BBM培养基中生长量的3倍。尤其是,石果衣共生菌在优化培养基中优化培养条件下的生长速度(干重1.536g/90天)为迄今已报道地衣共生菌中生长最快的试验数据。
(3)对分离自石果衣的共生菌、藻在干燥和饥饿胁迫条件下的存活能力进行了分析。发现共生菌在干燥和饥饿双胁迫下能存活7个月,在饥饿单胁迫下能存活8个月;共生藻在干燥胁迫下能存活2个月。尤其是,石果衣共生菌在干燥和饥饿胁迫下的存活极限(7个月)为迄今已报道地衣共生菌中的最长试验数据。
(4)对分离自石果衣的共生菌、藻在干旱胁迫下的生理生化特征进行了分析。研究发现分离状态的地衣共生菌藻通过提高超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和过氧化氢酶(catalase,CAT)活性来抵抗干旱胁迫对细胞产生的损害。
上述结果为进行荒漠地衣共生菌、藻人工培养及其野外接种以形成地衣结皮的沙漠生物地毯工程提供了物种资源和技术支持等科学依据;为下一阶段开展人工促进地衣共生菌、藻共生及沙面接种技术研究奠定了基础。此外,为从石果衣共生菌、藻中诱导、筛选抗旱基因提供了参考。