地衣,特别是枝状和叶状等大型地衣,在北极种类丰富要点

北极新奥尔松地区地衣群落光合活性的研究
所属项目：特殊低等植物抗逆基因的开发与利用[经费：80万]
所属学科：微生物学
所在队次：中国2011年北极科学考察队观测平台：黄河站
1. 项目相关人员
负责人：
魏江春中国科学院微生物研究所
现场执行人
周启明中国科学院微生物研究所
张涛中国科学院微生物研究所
2. 考察背景、目的和意义
(1) 考察背景
地衣是全球陆地生态系统的重要组成部分，占据了地表约8%的面积，其在北极陆地生态系统中占据主导地位，包括生物量和物种多样性，其中就物种多样性而言，北极地衣为世界地衣的6.5%。

此外，地衣在北极自然生态系统和人类社会生活中均发挥着关键性作用：它是控制物质和能量转移的重要介质、影响维管束植物定植生长、巨大的生物量促进北极碳汇进而对全球碳循环产生影响，此外，大型地衣种类（例如，Cladonia sylvatica, C. mitis, C. rangiferina, Cetraria cucullata和C. nivalis）是北极驯鹿冬季的主要食物来源，而北极驯鹿在北极地区的人类文化和经济生活中地位不可替代。

IPCC（the Intergovernmental Panel on Climate Change 2001）预计从1990年到2100年全球地表平均气温将增加1.4至5.8℃，在北半球高纬度地区尤其明显。

由于北极生态系统十分脆弱，对气候变暖十分敏感，气候变暖必然引起北极地区生物物种组成和地表盖度的变化，从而影响到北极地表能量和水分的平衡。

此外，一直以来，北极地区发挥着重要的碳汇作用，气候变化必然对北极碳库（包括地表上植被和地表下土壤）产生直接或间接的影响，问题在于“气候变暖究竟是促使北极地区继续发挥碳汇作用，还是导致其转向发挥碳源作用？”，这一问题值得深入研究。

鉴于地衣是北极陆地生态系统中的主要生物类群，且是北极碳循环的重要一环，测定地衣群落的光合和呼吸作用，分析地衣群落的固碳量（生产力），进而评估其对于北极碳循环的影响十分必要。

目前，国外对于北极地衣光合作用研究主要是进行实验室内测量，其缺陷
之处在于人工灯光的光谱范围不同于自然光，且不能确定研究材料在转移至室内后是否改变或失去活力，而通过野外实地测量可以解决上述问题。

在前期的考察研究中，我实验室已确定新奥尔松地区地衣物种组成，本次考察研究拟在测定自然环境因素对新奥尔松地区地衣群落碳循环的影响；同时，基于气象数据构建北极地衣群落年固碳量的模型，估计北极地衣群落的年生产力。

此外，地衣的光合和呼吸作用的测定，不仅适合于衡量地衣的固碳量（生产力），而且可用于衡量地衣对环境因素的适应性，地衣光合活性的最适温度往往在0℃以上，而某些极地地衣（例如Umbilicaria aprina及Xanthoria elegans等）在0°C以下时仍具有光合活性，其光合活性的最低温度甚至可以低达-10～-15°C，因此测定分析北极地衣在低温条件下（0℃以下）的光合生理活性，将有助于深入了解地衣抗寒机制。

(2) 目的与意义
地衣是北极陆地生态系统中的主要生产者，在北极生态的物质和能量转移中发挥着不可替代的作用。

深入了解地衣物种的光合活性及碳代谢，有助于深入了解北极陆地生态系统的碳循环过程，对于监测全球气候变化也有积极意义。

此外，北极地衣的抗逆生理学的相关研究，为揭示地衣的低温抗逆性及发现相关抗寒基因奠定了基础。

3. 实施计划具体内容、方法和手段及支持条件
(1) 具体内容
a.以地衣种群为单位，利用光合仪原位测定地衣的光合作用和呼吸作用等生理活动进行定期、定时观测，根据野外测定的数据推断北极地衣的年生产力，同时分析气温、光照强度、空气湿度对地衣光合生理的影响，确定影响地衣光合活性的环境因素；
b.采集地衣标本，并详细记录地衣微生境的光照、湿度、温度、微地貌和基物类型等生态数据，对所采集的标本进行分类学鉴定，观察地衣体、子实体、子囊孢子等形态特征，并对次生代谢产物的定性分析；
c.针对采集的地衣标本，在实验室的可控条件下，利用光合仪测定与净光合作用及碳代谢相关的参数；
d.实验室内进行地衣共生菌、藻的分离培养，进一步扩充地衣共生菌、藻资源种库。

(2) 方法和手段：
a.地衣净光合作用的测定
以北极地衣种群为单位（见表1），设立观测位点（见表2），使用CI-340便携式光合仪对其与光合作用及碳代谢相关的参数进行测定，详细记录数据，分析地衣光合生理的日变化和月变化，并现场记录气温、光照强度、空气湿度等环境因子；对地衣的环境特征进行拍摄，并选定具有不同组分的地衣群落，对于比较典型的地衣群落，也进行采集，带回实验室进行进一步的测定分析。

表1. 北极新奥尔松地区地衣种群组成
序号属名类型基物分布频率盖度(%)
1 Acarospora壳状石生较常见<10
2 Aspicilia壳状石生较常见<10
3 Buellia壳状石生较常见<10
4 Caloplaca壳状石生较常见<10
5 Candelariella壳状石生较常见<10
6 Cetraria枝状苔生/土生常见<100
7 Cladina枝状土生较常见<10
8 Cladonia枝状土生/枯木生常见<50
9 Collema叶状石生不常见<10
10 Lecanora壳状石生较常见<10
11 Lecidea壳状石生较常见<10
12 Melanelia叶状石生较常见<10
13 Ochrolechia枝状苔生/土生常见<50
14 Parmelia叶状石生不常见<10
15 Peltigera叶状土生不常见<50
16 Phaeophyscia叶状石生不常见<10
17 Physcia叶状石生不常见<10
18 Porpidia壳状石生较常见<10
19 Rhizocarpon壳状石生常见<100
20 Sphaerophorus枝状土生不常见<10
21 Stereocaulon枝状石生常见<50
22 Thamnolia枝状土生不常见<10
23 Umbilicaria叶状石生常见<50
24 Usnea枝状石生不常见<10
25 Xanthoria叶状石生较常见<50
表2 北极新奥尔松地区地衣光合测定地点和采集地点
序号纬度（N）经度（E）海拔（m）
1 78.92012°011.93496°59.3
2 78.93652°011.84751°30.5
3 78.94479°011.87186°35.7
4 78.91271°011.95186°86.7
5 78.94054°011.83674°66.4
6 78.91584°011.85524°62.4
7 78.90869°011.81742°89.0
8 78.92118°011.86784°85.7
9 78.92632°011.93903°35.6
10 78.94554°011.86965°36.1
11 78.91640°011.86370°46.6
12 78.96934°012.04739°77.3
13 78.96539°012.06991°81.1
b.利用工具（小手锤，凿子，刀子）从不同生境（北极苔原、潮间带等）的不同基质（土壤、岩石）上采集地衣标本，并进行野外采集记录，其中，用于实验室内实验的样品封装入塑封袋，带回我国的实验室进行处理和测定。

c.地衣共生菌、共生藻的分离培养
依托考察站相关仪器设备，对部分有价值的地衣样品进行共生菌、藻的分离培养。

d.回国后
①对采集的地衣标本进行鉴定，根据野外测定的相关数据，结合相关地理资料，确定北极长城站及中山站附近地区地衣的净光合产量，进而估算整个北极大陆地衣的年光合产量；
②将采集的部分地衣群落，在实验室培养箱中设定不同的条件，测定其光合活性，从而总结出影响地衣物种光合作用及碳代谢的主要环境因素；
③继续进行北极地衣共生菌、藻的分离培养，扩充北极地衣共生菌、藻资源种库；
④对在寒冷条件下仍能表现出较高光合活性的地衣，一方面进行培养；另一方面进行核酸提取，通过分子生物学手段从中获取抗寒基因或其它与低温代谢相关的基因。

支持条件：
地衣标本的鉴定与保存以及菌种的鉴定、保藏与传代，将依托设立在中国科学院微生物研究所的中国菌物标本馆（Herbarium Mycologiun of Academiae Sinicae，HMAS）和中国普通微生物菌种保藏管理中心（China General Microbiological Culture Collection Center，CGMCC），并将相关数据信息及时提交中国南北极数据中心，这将有利于极地地衣物种资源的保护、共享和持续利用。

(3) 工作计划：
a.考察前，进行相关资料的查阅，对北极地区以往的研究成果进行综述，准备野外考察所需要的工作和设备，为本次考察的顺利进行做好前期的调研工作。

b.野外考察期间（预计2011.7－2011.8），每周分别针对不同区域（见表2）进行考察，周一至周五采集进行野外条件下地衣光合生理测定，标本采集，生态数据的收集，周末进行信息的相关整理，并集中进行地衣共生菌/藻的分离、培养实验。

c.2011年9月至2011年12月，回国后，进行实验室内地衣光合生理的测定，地衣共生菌/藻的分离培养，并进行相关指标测定，数据处理，论文撰写。

(4) 后勤支撑要求：
乘坐飞机至北极考察站；黄河站周边陆地地衣标本采集及光合与碳代谢原位测定需徒步；邻近岛屿的地衣样品采集和光合生理测定需橡皮艇；
(5) 仪器设备：
所需站内仪器：海尔冰箱（BCD-216SY）、生化培养箱（LRH-150）、超净工作台（SW-Y-IED）、灭菌器（YX280B）等。

自备仪器：数码相机，GPS，温度计，水分湿度计，CI-340便携式光合仪，测量尺，采集盒，采集袋。

(6) 数据和样品：
考察期间，预计采集地衣样品600份，并测定200个地衣种群的光合活性数据。

回国后，对采集的地衣标本进行鉴定，并根据野外测定的相关数据，结合相关地理资料，确定北极新奥尔松地区地衣的净光合产量，进而估算新奥尔松地区地衣的年光合产量；同时在实验室培养箱中设定不同的条件，测定200份所采集的地衣的光合活性，从而总结出影响地衣物种光合作用及碳代谢的主要因素；对在寒冷条件下光合活性最高的10份地衣，一方面进行培养；另一方面进行核酸提取，通过分子生物学手段从中获取相关抗寒基因；对于某些分布范围广泛的地衣物种，利用分子系统学相关方法研究其进化关系。

(7) 运输：
自备仪器：数码相机，GPS，温度计，水分湿度计，CI-340便携式光合仪，测量尺，采集盒，采集袋等，总重约80kg。

采回样品50kg左右，少量急需做室内分析的样品需要随人员乘飞机带。

4.其它说明
观测子项：1 北极地衣群落光合活性及碳代谢
6.英文摘要：
Study on photosynthetic activity and carbon metabolism of the dominant lichen species in the high Arctic, Ny-Ålesund, Svalbard
Qi-Ming Zhou & Tao Zhang (Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences)
Lichens play an important role in Arctic terrestrial ecosystems. As part of a study of carbon cycling in the High Arctic areas, we aimed to investigate the photosynthetic activity and carbon metabolism of the dominant lichen species in Ny-Ålesund, Svalbard (79° N) by examining the effects of environmental factors on the net photosynthesis (Pn) and dark respiration (R) rates of lichens in situ and in the laboratory. Based on the data, we plan to construct a model for estimating the annual primary production of lichens.。