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CO2加富下氮素添加对盐胁迫下红花生长及生理的研究

申报人:缪钰莹 申报日期:2025-03-17

基本情况

2025创新项目
CO2加富下氮素添加对盐胁迫下红花生长及生理的研究 学生申报
创新训练项目
医学
中药学类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
盐胁迫通过渗透胁迫、离子毒害和氧化胁迫等多方面影响植物,导致生长受阻、产量下降甚至死亡。 氮素减少会加剧盐胁迫对植物的负面影响,表现为光合作用抑制、渗透调节能力下降、抗氧化能力减弱、养分吸收失衡以及基因表达和信号通路的改变;氮素添加可以调节盐分离子吸收(如Na+等)、改善离子毒性和营养失衡,从而缓解盐胁迫对植物的不利影响。 CO2减少会加剧盐胁迫对植物的负面影响,表现为光合作用抑制、离子平衡破坏、抗氧化能力减弱、养分吸收受限;CO₂加富能显著提高盐胁迫下的光合作用效率和抗氧化酶活性并增强了植物的抗氧化能力,提高植物的抗逆性。 红花(Carthamus tinctorius L.)是一种重要的油料作物和药用植物,具有显著的药用价值,有活血通经、散瘀止痛的功效,其适应性强,喜温和干燥、阳光充足的环境,具一定耐寒、耐旱、耐盐碱能力。 测定CO2加富和盐碱胁迫下,通过施加不同形态、不同浓度的氮素对红花生长及生理的影响,可为盐碱地栽培提供理论依据,推动红花在盐碱地的种植和药用植物资源的可持续利用。



1.国家中医药管理局省局共建项目 生物炭及间作种植模式缓解丹参连作障碍的研究(编号GZY-KJS-SD-2024-0482024 .12-2026. 12,在研。
2.中央公共卫生专项,全国第四次中药资源普查(岚山区)(编号2019-1014),2019.01- 2021.12,结题,主持。
3. 中央公共卫生专项, 全国第四次中药资源普查(五莲县、市南区), (编号2019-1015),2019.01-2021.12,结题, 主持。

  老师协助学生选题,制定详细研究计划,明确研究目标、内容、方法和技术路线。对研究方案的科学性、合理性进行严格把关,提出修改建议,确保研究方案切实可行。
省级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
缪钰莹 药学院 中药学(本科) 2023 项目负责人
高雨晴 药学院 中药学(3+4贯通培养) 2023 技术开发与方案设计
夏思婷 药学院 中药学(本科) 2023 文献调研与市场分析
邹宏俊 药学院 药学(本科) 2024 财务预算与进度规划

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
王建安 药学院

立项依据

  红花(Carthamus tinctorius L.),为菊科红花属一至二年生草本植物,以其干燥的管状花入药,具有活血化瘀,通经止痛的功效,在药理研究方面,红花还具有抗氧化、抗炎镇痛等作用。近期研究表明,植物次生代谢物(如黄酮醇、酚酸、萜类和生物碱)是植物抵御非生物胁迫的重要成分,对于药用植物而言,有效成分通常来自次生代谢,而苯丙素途径是某些菊科植物中酚酸和黄酮类化合物生物合成的主要途径。红花在我国分布广泛,主要集中在新疆、四川、云南、安徽和河南等地种植,近年来红花的药用价值日益凸显,市场需求呈现快速增长态势。
  当前,地球表面温度的逐渐升高和降水量的减少,土地表面的盐分无法得到有效稀释,海洋和冰川的融化也使得海水中的盐分含量增加,进一步加剧了土壤盐碱化的程度。全球 20%以上的耕地受到盐渍化的影响,而且面积还在增加。在我国, 现有盐渍化土地面积占全国可利用土地面积的 4.88%,且其中 80%的盐渍化土地没有得到有效的利用,总面积达到了 3.63 ×107 hm2。植物在高盐条件下,水分吸收的功能受到限制,导致植物体内的水分丧失,从而对其生长和发育产生负面影响,盐胁迫可以影响植物的碳氮平衡,导致植物的生理代谢失衡。这种失衡可能会影响植物的生长和发育,使其在高盐条件下更难以生存。而在王果平对药用植物红花新疆产地适应性数值分析中可以看出,红花具有耐旱、耐寒、耐盐碱、耐贫瘠、适应性强的特征。
  此外由于人类活动加剧增,碳排放量逐年增加,导致大气CO2浓度逐渐升高,温室效应加剧,工业革命以来,大气CO2浓度已从280 μmol/mol增加至约400 μmol/mol,预计21世纪末将达到1100 μmol/mol左右(SSP 5.0~8.5)。CO2作为光合作用的原料,其浓度的上升,必然会影响植物的光合作用,而光合作用是绿色植物生物量积累的来源,所以CO2浓度的上升会影响植物的生长发育和产量形成。
  同时,植物的生长发育也离不开适宜的氮供应。由于氮素形态种类较多,不同植物对不同形态氮素的偏好不同,不同形态氮素对植物的影响也不同,所以不同的植物在不同环境下氮素的良好施用能提高植物的生长品质。目前,我国土地盐碱化现状主要表现为盐碱地面积大、分布广泛,且对农业生产造成了严重影响。因此,在盐碱环境下合理使用化肥,提高化肥利用率,才能促进农业生产的提高。
  苯丙素途径是某些菊科植物中酚酸和黄酮类化合物生物合成的主要途径。
  本实验致力于探究全球变化对盐碱地土壤栽培红花的影响,为盐碱地中药栽培提供前瞻性的支撑。
  1.科学假设:CO2加富能够促进红花光合作用,氮添加能够促进红花及土壤的碳氮代谢,二者协同作用抵抗盐胁迫对红花的损伤。
  2.采取根盒培养方式,借助人工气候室控温控水控气,采用CO2浓度、盐胁迫和氮素形态3因子设计。CO2浓度设置2个水平,即对照,以环境CO2浓度(425ppm)为1组,环境CO2浓度+50%(638ppm),即CO2富集水平,为2组;盐胁迫设置两种浓度,分别为200mmol/L、400 mmol/L,为2组;氮素形态分别为铵态氮与硝态氮,铵态氮为硫酸铵(含量≥99%),硝态氮为硝酸钙(含量≥99%);共8个处理,每处理6个重复,共48盆;另设置空白对照组,即无植物空白对照组为1组,有植物并环境CO2浓度(425ppm)空白对照组为2组,有植物并环境CO2浓度(638ppm)空白对照组为3组,每组处理6个重复,共18盆。通过测定红花各指标、化合物合成关键酶的基因表达、土壤酶活性及土壤微生物群落结构来分析CO2、盐胁迫、氮素三者对红花生长发育的综合影响。
  3.分析CO2浓度升高的背景下红花耐盐性和氮素利用效率的影响,探讨其生理机制。
  1.盐胁迫对植物及土壤微生物的影响
  盐胁迫是影响植物生长发育的重要环境因子之一,会导致植物渗透胁迫、离子毒害和氧化损伤,从而抑制植物生长,降低产量和品质,肖丹丹[1]等人对水稻的研究表明,稻米加工品质随盐浓度的增加而显著下降;研究表明[2],盐胁迫程度越高,植物受抑制程度越明显,根系色泽逐渐加深,延缓植物根系生长,根长、根冠比等数值降低;MunnsTester[3]综述了盐胁迫对植物生长发育的影响机制,指出盐胁迫主要通过渗透胁迫和离子毒害影响植物生长。Zhu[4]提出了植物耐盐的SOS信号通路,阐明了植物应对盐胁迫的分子机制。张福锁等[5]研究了盐胁迫对作物生长发育的影响,发现盐胁迫能够显著抑制作物生长,降低产量和品质。此外,盐度会影响土壤微生物生物量的大小[6]和活性[7],高浓度盐分抑制多数微生物生长,能够改变群落结构,降低微生物群落多样性。另有研究表明,HKT蛋白在水稻[8]、油菜[9]和拟南芥[10]等植物中通过调控离子稳态发挥关键耐盐作用;刘湘楠[11]等人研究发现,红花Aux/IAA基因在响应盐胁迫过程中具有重要作用;谷巍[12]等人对蒲公英的研究发现,随着盐胁迫加深,ToC4H、To4CL、ToHCTToHQT 这四个酚酸生物合成基因的表达被下调。
  2.CO2加富对植物及土壤微生物的影响
  CO₂作为植物光合作用的底物,其浓度升高通常能够促进植物光合作用,提高生物量积累,并影响植物的形态建成和生理代谢。然而,CO₂浓度升高对植物的影响因物种、环境条件等因素而异。Kimball[13]综述了CO₂浓度升高对作物生长和产量的影响,指出CO₂浓度升高能够显著提高C3作物的光合速率和产量。AinsworthLong[14]通过meta分析发现,CO₂浓度升高使C3植物的光合速率平均提高31%,生物量平均提高20%。屈珂樨和何昊等[15]论述了CO2浓度升高可以缓解了高温对PSII受体侧的损伤。CO₂浓度升高通常能缓解盐胁迫对植物的负面影响,通过增强光合作用、提高水分利用效率、维持离子平衡和增强抗氧化能力等机制,帮助植物更好地适应盐胁迫环境。薛兴阳等[16]研究表明CO2加富可维持离子间平衡;樊陈启[17]等人发现CO2浓度升高和氮含量增加的相互作用,不仅促进着凋落物分解、刺激着微生物生长,还会提高酶的活性、土壤有机质的矿化、并加速稳定碳库的分解,在一定程度上影响有机碳的固存,对土壤微生物群落有显著影响
  3.氮素对植物及土壤微生物的影响
  氮素是植物生长发育所必需的大量元素之一。氮素营养水平直接影响植物的光合作用、蛋白质合成和次生代谢产物的积累。李春俭等[18]研究了氮素营养对植物次生代谢产物积累的影响,发现氮素营养水平能够显著影响植物次生代谢产物的积累。氮素对盐胁迫的影响主要体现在缓解盐胁迫对植物生长的抑制作用。在盐胁迫条件下,氮素能够调节植物体内的离子平衡,减少钠离子的毒害,同时促进钾离子的吸收,维持细胞的正常功能。张崔玉等[19]研究发现增加施氮量有利于缓解盐胁迫对作物的伤害。李云飞等[20]阐明了提高氮素浓度可以增强作物的抗盐胁迫能力。Ji P [21]发现氮素利用效率的提高提高了作物的耐盐性。Javed A S [22]论述了优化氮素处理可以提高作物的生长、产量和品质。外源氮添加对群落结构的影响主要表现在土壤细菌和真菌的多样性和丰富度,且细菌和真菌对施肥的响应不同[23]。许可[24]等发现土壤细菌、真菌数量随施氮水平而发生变化; Bradley[25]等发现长期施氮会显著增加土壤细菌数量,但土壤真菌数量出现减少;Frey[26]等研究发现,随着施肥量的增加,土壤真菌含量呈现下降趋势,而土壤中的细菌含量并未出现明显变化。
  4.红花现状研究
  红花(Carthamus tinctorius L.),为菊科红花属一至二年生草本植物,以其干燥的管状花入药,具有活血化瘀,通经止痛的功效[27]。近年来红花的药用价值日益凸显,市场需求呈现快速增长态势。红花的品质受其生长环境影响,红花常规施肥与配方施肥对比试验[28]发现,氮素添加量上升能够促进红花生长;冯梅[29]等人研究盐胁迫对红花幼苗的生理效应发现,低盐渍化能够提高其叶绿素含量。目前,红花的研究已从传统栽培扩展到分子生物学与逆境生理的深度探索,但在盐碱地适应性、药用成分稳定性及规模化生产方面仍需突破,未来需加强多学科交叉,推动红花产业向高产、优质、高效方向发展。
  参考文献
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 [27]国家药典委员会. 中华人民共和国药典[M]. 北京: 中国医药科技出版社: 2020.
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 [29]冯梅, 张世卿, 曹亚军等. 盐胁迫对红花种子萌发及幼苗的生理效应[J]. 江苏农业科学, 2020, 48(22): 144-148. 
  1.创新点
  1.1 首次系统研究CO浓度升高对红花耐盐性和氮素利用效率的影响机制。
  1.2CO₂浓度升高与盐胁迫、氮素添加相结合,探讨多重环境因子对红花的交互作用。
  1.3 首次探索CO₂浓度升高与盐胁迫、氮素添加条件对红花化合物合成关键酶基因表达与土壤微生物的影响。
  1.4 为未来气候变化背景下红花的栽培管理和品种选育提供理论依据和技术支撑。
  2.项目特色
  2.1 全球气候变化和人类活动加剧导致CO₂浓度升高、土壤盐渍化和氮沉降加剧,对农业生产和生态环境构成严重威胁。红花作为重要的药用植物,其生长发育和品质形成对环境变化敏感。本项目研究CO₂富集下红花对盐和氮素添加的响应机制,为应对气候变化、保障中药材安全生产提供理论依据和技术支撑,符合国家粮食安全、生态文明建设和中医药发展战略需求。
  2.2 研究结果可为选育耐盐、耐低氮、高CO₂利用效率的红花新品种提供理论依据和基因资源。可为制定合理的红花栽培管理措施,提高红花产量和品质,促进红花产业可持续发展提供技术支撑。可为其他药用植物应对气候变化研究提供参考和借鉴。
  1.技术路线
                                                          summernote-img

                                  1 CO2加富及氮素添加对盐胁迫红花影响技术路线图
  2.拟解决的问题
  探究CO₂加富下氮素添加对盐胁迫下红花生长及生理特性的影响
  3.预期成果
  阐明 CO₂加富下氮素添加对盐胁迫下红花生长及生理特性的影响,为红花在气候变化背景下的栽培管理提供理论依据。
  第一阶段(2025年6月-20257月):查阅文献,制定试验方案,准备试验材料。
  第二阶段(20258月-202612月):开展根盒栽培试验,测定红花不同时期各项指标。
  第三阶段(20271月-20275月):数据分析,撰写论文。

  1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
  系统调研了CO₂富集、盐胁迫和氮素添加对植物生长生理及次生代谢产物合成的影响机制,明确了研究现状和存在的问题。开展了不同浓度CO₂、盐和氮素处理下红花种子萌发和幼苗生长的预实验,预实验结果表明,200 mmol/L盐胁迫下,红花株高降低32%;高浓度CO2与氮素添加后红花株高降低5.4%
  初步揭示了盐胁迫对红花幼苗生理代谢的影响,盐胁迫抑制红花幼苗生长,导致叶片相对含水量下降,脯氨酸和可溶性糖含量增加,抗氧化酶活性升高。明确了CO₂富集对红花种子萌发和幼苗生长的影响,适宜浓度的CO₂富集能够促进红花种子萌发和幼苗生长,提高幼苗生物量。
                                                          summernote-img
                                                             图2 不同CO₂浓度对施加铵态氮草红花生长40天株高的影响
  初步探讨了氮素添加对红花幼苗生长和次生代谢产物合成的影响,适量氮素添加能够促进红花幼苗生长,提高叶片叶绿素含量和光合速率,氮素添加下红花叶片总叶绿素含量提高54.02%。说明氮素可以通过促进生长、调节渗透、增强抗氧化能力、改善离子平衡、提高光合效率、促进氮代谢和调节激素平衡等多种机制,帮助红花应对盐胁迫。明确了不同形态的氮素对植物的作用各有特点,合理使用可提高植物生长和产量。
                                                             summernote-img
                                                                       图3 不同氮素形态对草红花生长40天株高的影响
  已具备的条件:项目组成员已系统学习了相关课程,掌握了相关理论知识。申请者所在济宁医学院药学院已搭建相关实验平台,能够满足实验需求且实验室具备相关仪器设备。已收集不同红花品种种子,为实验材料的选择提供了保障。
  尚缺少的条件:对多因素交互作用的数据分析方法掌握不够深入,初步实验研究对象仅为红花幼苗,本次实验将聚焦与红花幼苗期、开花期与全育期。
  解决方法:邀请相关领域专家进行技术培训。查阅相关文献资料,学习实验技术原理和操作步骤。进行预实验,熟练掌握实验技术。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 10050.00 9950.00
1. 业务费 11500.00 5800.00 5700.00
(1)计算、分析、测试费 10000.00 5000.00 5000.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 1500.00 800.00 700.00
2. 仪器设备购置费 2000.00 1000.00 1000.00
3. 实验装置试制费 6000.00 3000.00 3000.00
4. 材料费 500.00 250.00 250.00
结束