水位影响泥炭沼泽土壤有机碳分解的生物化学机制研究进展

在人类活动和气候变化影响下，泥炭沼泽生态系统急剧退化，其独特的氧化还原过程使得退化泥炭沼泽及其恢复过程中土壤有机碳（SOC）分解与存储机制成为研究的热点问题。泥炭沼泽排水/再湿过程会显著改变土壤的氧化还原条件，进而改变土壤微生物群落和酶活性，驱动铁氧化还原过程，影响SOC分解。已有研究对"缺氧是维持泥炭地碳存储的关键"的传统理论提出了质疑，而土壤酶及铁（Fe）在土壤SOC分解与存储过程中分别扮演着"酶锁"和"铁门"的作用，二者同时受到氧化还原条件的影响。然而，有关退化泥炭沼泽及其恢复过程中酶-土壤SOC-Fe相互作用及微生物驱动机制还有待深入。总结了干旱/排水/再湿对泥炭沼泽土壤SOC组分、分子结构、碳排放的影响，并从微生物、酶、Fe化学的角度归纳总结了泥炭沼泽土壤SOC分解的生物化学机制。未来研究中应将土壤水分与土壤SOC分解的生物地球化学机制联系起来，探寻水位变化过程中生物及非生物要素对土壤SOC分子结构变化的调控机制及土壤氧化酶-酚类物质/SOC分子结构-水解酶之间的作用机制。同时，关注Fe的氧化和还原过程，评估Fe-SOC在泥炭沼泽土壤有机碳中的地位，利用分子生物学手段探究水位变化过程中酶-SOC分解/碳排放-铁之间的权衡机制。     

青藏高原泥炭地水位下降促进土壤碳积累的影响机制

酚类物质作为泥炭地重要的碳分解抑制剂,植被作为泥炭地关键的碳输入来源,它们在土壤碳(可溶性有机碳(DOC)等)周转过程中都发挥着重要作用。然而,目前关于植被群落结构、酚类物质以及DOC含量对水位波动的响应存在较大争议。因此,为明确泥炭地水位下降对植被群落结构、酚类物质以及DOC含量的影响并探明三者间的潜在联系,以若尔盖高原泥炭地作为研究对象,选取红原县日干乔地区3处不同地下水位泥炭地(水位由高到低依次为S1(-1.9 cm)、S2(-10 cm)、S3(-19 cm)样地),调查不同水位条件下植被群落结构特征,并探究酚类物质及土壤碳含量对水位波动的响应。结果表明:(1)从S1到S3样地水位下降促进土壤DOC显著增加(P<0.05),土壤总碳从S1到S2显著增加(P<0.05),而从S2到S3无显著差异;(2)泥炭地水位下降促使禾本科(发草Deschampsia cespitosa)、莎草科(木里薹草Carex muliensis、乌拉草Carex meyeriana)植物大量出现,植被群落高度显著增加(P<0.05)。植被群落地上生物量由153.67 g/m~2增加至...     

高等植物中异黄酮合成代谢及其调控

异黄酮是植物次级代谢过程中产生的酚类物质,豆科等植物中含量丰富,在动植物体内有着广泛的生理作用。本文综述了高等植物中异黄酮的合成代谢途径及其关键酶以及调控机理。     

散射辐射测量及其对陆地生态系统生产力影响的研究进展

全球变化,特别是大气成分变化引起的散射辐射变化已经并将继续影响陆地生态系统的生产力与碳收支。该文综述了散射辐射的影响因子及其估算方法,分析了散射辐射对植被光能利用率(light-use efficiency,LUE)、陆地生态系统生产力及其碳收支的影响过程与控制机理,在此基础上提出了未来拟加强研究的方面:1)散射辐射对植物光合作用影响的机理及其在不同时空尺度的反应;2)散射辐射及其与其他环境因子的相互作用对植物与冠层光合作用影响的定量描述;3)散射辐射及其与其他环境因子的相互作用对土壤呼吸作用的影响过程与控制机理;4)植物对散射辐射及其与其他环境因子相互作用的适应性研究;5)散射辐射及其与其他环境因子的相互作用对陆地生态系统生产力及其碳收支的影响过程与调控对策。     

泥炭地特征性环境因子促进泥炭藓持久孢子库的形成

研究泥炭地特征性环境因子——淹水、少氧和化感物质对泥炭藓孢子持久性的影响, 可深入理解泥炭地泥炭藓持久孢子库的形成机制, 为退化泥炭地泥炭藓地被恢复研究提供参考。该研究以藓丘种和丘间种两种泥炭藓的孢子为试验材料, 通过室内模拟控制实验的方法, 研究泥炭藓孢子在空气、超纯水、泥炭地地表水和泥炭藓沥出液中, 及3种速率充气下, 孢子萌发力持久性的变化。经充气处理后, 泥炭藓孢子持久性显著低于不充气处理。不充气时, 泥炭藓孢子在含有化感物质的泥炭地地表水和泥炭藓沥出液中保存, 持久性显著高于在超纯水中保存。通径分析结果显示, 溶解氧是影响泥炭地泥炭藓孢子持久性的主要因子和限制因子, 养分元素氮(TN)和磷(TP)的浓度为孢子持久性的负作用因子。研究结果表明, 泥炭藓孢子散布于苔藓地被基质或淹水的丘间生境中, 比暴露于空气或在无化感物质的水中, 能更好地维持萌发力。泥炭地中, 泥炭藓孢子和其他植物的繁殖体的超长寿命可能归因于少氧、养分贫乏和丰富的化感物质等泥炭地特征性环境因子。     

泥炭地特征性环境因子促进泥炭藓持久孢子库的形成

研究泥炭地特征性环境因子——淹水、少氧和化感物质对泥炭藓孢子持久性的影响,可深入理解泥炭地泥炭藓持久孢子库的形成机制,为退化泥炭地泥炭藓地被恢复研究提供参考。该研究以藓丘种和丘间种两种泥炭藓的孢子为试验材料,通过室内模拟控制实验的方法,研究泥炭藓孢子在空气、超纯水、泥炭地地表水和泥炭藓沥出液中,及3种速率充气下,孢子萌发力持久性的变化。经充气处理后,泥炭藓孢子持久性显著低于不充气处理。不充气时,泥炭藓孢子在含有化感物质的泥炭地地表水和泥炭藓沥出液中保存,持久性显著高于在超纯水中保存。通径分析结果显示,溶解氧是影响泥炭地泥炭藓孢子持久性的主要因子和限制因子,养分元素氮(TN)和磷(TP)的浓度为孢子持久性的负作用因子。研究结果表明,泥炭藓孢子散布于苔藓地被基质或淹水的丘间生境中,比暴露于空气或在无化感物质的水中,能更好地维持萌发力。泥炭地中,泥炭藓孢子和其他植物的繁殖体的超长寿命可能归因于少氧、养分贫乏和丰富的化感物质等泥炭地特征性环境因子。     

水文管理措施对长白山区恢复泥炭地土壤酶活性的影响

以长白山区天然泥炭地、不同水文管理的恢复泥炭地(高水位、高-低水位循环和低水位)及退化泥炭地(弃耕地)为研究对象,分析水文管理措施对恢复泥炭地表层土壤(0～10 cm)酶活性的影响及其驱动因素。结果表明：泥炭地土壤β-1,4-葡萄糖苷酶和β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性表现为天然泥炭地>恢复泥炭地>退化泥炭地;退化泥炭地土壤酸性磷酸酶活性显著低于天然泥炭地和恢复泥炭地;多酚氧化酶活性在天然泥炭地最低。在恢复泥炭地,随着恢复区管理水位的下降,土壤β-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶和酸性磷酸酶活性均逐渐降低,土壤多酚氧化酶活性表现为高-低水位循环恢复区最低。相关分析表明,土壤β-1,4-葡萄糖苷酶活性和β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性均与土壤有机碳、含水量、水位和全氮含量呈显著正相关,与pH和全磷含量呈显著负相关;土壤酸性磷酸酶活性与水位呈显著正相关,与pH和全磷含量呈显著负相关;土壤多酚氧化酶活性与土壤有机碳、含水量和全氮含量呈显著负相关。RDA分析表明,环境因子共可解释研究区土壤酶活性变异的81.2%,水位和土壤有机碳是影响研究区土壤酶活性的主...     

退化泥炭地亚表层土壤酶活性与DOC变化规律研究

在气候变化背景下, 泥炭地亚表层土壤有机碳逐渐参与到碳循环中, 为揭示泥炭地亚表层碳输出与土壤酶活性的关系。以四川省红原县日干乔湿地自然保护区的泥炭沼泽(S1)、沼泽草甸(S2)、高寒草甸(S3)3种不同退化泥炭生态系统中不同深度(0—30 cm、30—60 cm、60—90 cm、90—120 cm、120—150 cm)的土壤作为研究对象, 研究泥炭地表层(<30 cm)、亚表层(30—60 cm)和深层(>60 cm)土壤酶(酚氧化酶、β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶)活性和土壤溶解性有机碳(DOC)的变化规律及二者的关系。结果显示, 从泥炭沼泽到沼泽草甸再到高寒草甸的退化过程中, DOC含量逐渐增加。随着泥炭地退化程度的加深, 土壤酶活性呈先升高后降低的变化趋势。从垂直方向来看, 泥炭沼泽和沼泽草甸DOC从表层到亚表层逐渐增加, 高寒草甸DOC从表层到亚表层逐渐减少; 土壤酶中表层的酚氧化酶活性高于深层土壤, 而深层土壤中的β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶活性高于表层与亚表层。酚氧化酶活性、β-葡萄糖苷酶活性、蔗糖酶活性直接影响DOC含量变化。其中, β-葡萄糖甘酶在不同水位变动条件下都和DOC保持很好的线性关系, 可作为指示DOC分解的关键酶类。     

成熟促进因子及其对卵母细胞成熟调控机制研究的新进展

卵母细胞成熟调控机制一直是发育生物学和生殖生物学领域的热点问题。以现代分子生物学理论为基础,科学家们对卵母细胞成熟分裂的分子生物学调控机理进行了大量研究。发现了细胞周期中许多关键的调控因子：cdc基因、周期蛋白依赖性激酶(CDKs)及细胞周期蛋白(cyclin)。本文对卵母细胞成熟调控的核心调控物质——成熟促进因子(maturation—promoting factor,MPF)的分子结构、周期变化及其在卵母细胞成熟过程中与丝裂原激活蛋白激酶(mitogen—activated protein kinase,MAPK)相互作用关系的最新进展进行了综述。     

增温和外源碳输入对泥炭地土壤碳氮循环关键微生物功能基因丰度的影响

为探讨温度升高和外源碳输入对泥炭地土壤碳氮循环关键微生物的影响,于2017年7月采集多年冻土区泥炭地表层(0—10 cm和10—20 cm)土壤样品,在10、15℃两个温度下开展为期42d的增温模拟试验,同时设置葡萄糖添加处理,利用荧光定量PCR技术分析泥炭地土壤碳氮循环关键微生物丰度变化,同时分析增温和外源碳输入对泥炭地土壤活性碳组分和无机氮含量的影响。结果表明:温度升高可导致北方泥炭地表层土壤微生物丰度以及群落结构变化,0—10 cm土壤微生物比10—20 cm土壤微生物更加敏感。增温条件下微生物首先快速分解活性有机碳,同时温度升高加快土壤氮周转速率,增加有效氮含量。外源碳输入整体提高了深层土壤微生物丰度,使得10—20 cm土壤细菌、产甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化细菌以及反硝化细菌丰度显著增加,说明外源碳输入可能会促进10—20 cm土壤甲烷氧化过程、氨氧化过程和反硝化过程。温度和葡萄糖的交互作用对泥炭地表层土壤碳氮循环关键微生物丰度均有显著影响。在增温和外源碳输入条件下,北方泥炭地表层土壤微生物丰度受土壤碳氮活性基质的影响。     

15000年以来若尔盖高原泥炭地发育及其碳动态

高海拔泥炭地是维护高原气候环境稳定的重要生态系统,由于其兼具高海拔和高寒的特点,对气候变化尤为敏感。若尔盖高原泥炭地是中国高海拔泥炭地集中分布区,碳储量丰富,由于方法学差异及数据缺乏,其碳储量估算仍存在一定程度的不确定性,对长时间尺度碳通量的模拟研究还较为匮乏。因此,以若尔盖高原泥炭地为研究对象,基于若尔盖高原泥炭地每千年的面积变化和碳累积速率重新评估若尔盖高原泥炭地碳储量,并利用泥炭分解模型和碳通量重建模型探讨了15000年以来若尔盖高原泥炭地碳通量动态。研究结果表明,若尔盖高原泥炭地约从15000年开始发育,发育高峰期在12000-10000年和7000-5000年,泥炭累积速率范围为0.22-1.31 mm/a,平均值为0.56 mm/a;碳累积速率范围为13.4-77.2 g C m^-2 a^-1,平均碳累积速率为33.5 g C m^-2 a^-1,3000年至今碳累积速率最高,7000-6000年是碳累积速率次峰值时期;15000年以来若尔盖高原泥炭地碳储存量达1.4 Pg（1 Pg=10¹⁵ g）,碳累积输入和碳累积释放分别为5.6 Pg和4.2 Pg;净碳平衡平均值为0.087 Tg（1 Tg=10¹² g）C/a,峰值出现在11000-10000年为0.295 Pg;在6000-2000年若尔盖泥炭地出现微弱碳源,最大值出现在5000-4000年,约为-0.034 Pg,净碳平衡在15000-11000年和4000年至今呈现上升趋势,而10000-4000年整体呈现下降趋势。总体而言,若尔盖高原泥炭地碳储量丰富,是青藏高原东部重要的陆地生态系统碳库和碳汇,本研究将为我国高海拔泥炭地碳库保育提供一定的理论和数据支撑。     

杉木根桩和周围土壤酚含量的变化及其化感效应

研究了杉木根桩在分解过程中酚类物质的释放规律及其化感效应.结果表明,随着分解程度的加深,根桩中酚类物质的含量减少.根桩中酚类物质含量的梯度为根系>心桩>边桩;根桩在分解过程中酚类物质向外释放并会在土壤中积累,根桩周围土壤中酚类物质含量高于非根桩周围土壤.盆栽试验说明酚类物质会影响杉木种子的萌芽率.将田间调查的杉木树高、地径与根桩密度进行相关分析证明杉木根桩保留在造林地上,不利于下一代杉木的生长.建议改革杉木人工林的传统作业方式,造林前将根桩从造林地中清除.     

FT及其同源基因在植物发育调控中的多功能效应

FT是植物开花调控途径的重要整合因子和调控开花的关键基因之一,也是植物可传导开花物质“成花素”的编码基因.FT蛋白是成花素的必需组分,FT mRNA是成花素的潜在组分;FT及其同源基因不仅参与株龄影响及逆境诱导的开花,还参与营养生长、器官形态建成、源库关系和器官脱落调控.该文对近年来国内外有关FT及其同源基因在植物发育调控中的多种功能效应及作用方式进行综述.     

Plant phenols contents and their changes with nitrogen availability in peatlands of northeastern China

气候变暖和大气氮沉降增加会改变北方泥炭地的养分状态,从而影响其植被的物种组成和固碳功能。酚类物质是植物用于 防御植食性动物和适应环境的次生代谢产物,由于其具有抗分解的特性,在调节泥炭地碳动态方面也起着重要的作用。然而,北方 泥炭地不同功能型植物的酚含量及其如何随氮有效性变化尚不清楚。本论文通过测定中国东北大兴安岭地区18个泥炭地共11 种植物的叶片总酚含量(Total Phenols Contents, TPC),研究了它们随叶片氮、磷含量的变化关系,并探讨了其潜在机制。结果表明,灌木叶片TPC高于草本植物,说明生长较快且无菌根的草本植物比生长较慢且具有菌根的灌木对防御的碳投入较少。灌木叶片TPC随叶片氮含量增 加而降低,表明其防御碳投入随氮有效性增加而减少。相反,草本植物叶片TPC随氮含量增加而增加,随磷含量增加而减少,由于草本植物相对于灌木具有较强的氮限制和较弱的磷限制,草本植物防御碳投入可能随养分有效性增加而增加。我们的结果表明,泥炭地在氮有效性随气候变暖和氮沉降增加而增加的背景下,灌木将投入相对较多的碳用于生长而非防御,而草本植物则与之相反。这些发现将有助于对北方泥炭地灌木入侵及其资源竞争机制的理解。     

北方泥炭地氮素有效性的变化及其对碳汇功能的影响

北方泥炭地是典型的氮限制性生态系统,对全球气候变化及人类活动响应敏感。气候变暖导致内源有效氮增加以及人类活动引起的大量外源氮输入,改变了北方泥炭地氮素有效性,对泥炭地碳氮循环过程及碳汇功能产生了深远影响。本文综述了北方泥炭地碳积累速率和碳汇功能的影响因素,分析了氮沉降、冻融、火烧等因素对北方泥炭地氮素有效性的影响,分别从碳固定和碳排放过程阐述了植物及土壤微生物对氮素有效性变化的响应,并对全球变化影响下泥炭生态系统碳汇功能相关研究进行了展望,以期助力“双碳”目标的实施。     

低温诱导大百合鳞茎休眠解除与酚类代谢关系

大百合(Cardiocrinum giganteum)为多年生球根药食同源植物,其鳞茎具有典型的生理休眠特性,而低温是百合鳞茎解除休眠的重要环境因子。为揭示大百合鳞茎休眠解除的分子机制,该研究对4℃低温处理0、30和60d的鳞茎分别进行代谢组和转录组分析。结果表明,鳞茎休眠的解除与酚类物质的代谢相关,酚类物质的降解有利于解除休眠,其中苯丙氨酸解氨酶基因(PALs)在此过程中可能起主要作用。同时,bHLH、bZIP、MYB和MADS等转录因子家族成员均与酚类代谢物显著相关,且参与解除休眠。共表达分析证实PAL、CAD和POD是酚类代谢重要的调控基因,MYB4、MYB114和ICE1参与了酚类代谢调控网络,其中ICE1可能是连接温度信号和酚类代谢的关键因素。这些转录因子与酚类物质的共同作用可能对鳞茎打破休眠具有重要作用。     

白江河泥炭地泥炭藓孢子萌发力对排水的响应

排水严重改变泥炭地的环境和生态过程,但对泥炭藓孢子萌发力的影响尚不清楚。在长白山地区白江河泥炭地,分别在优势植物为苔藓的近原始地段和优势植物为小灌木的排水地段,钻取泥炭柱芯为试验材料,逐层测试泥炭理化指标,提取泥炭藓孢子并进行萌发试验,统计孢子数量和萌发力;经过泥炭样品年代测定,建立深度年代关系曲线,研究泥炭藓孢子萌发力对排水的响应和机制。结果表明: 整个柱芯对比,近原始地段平均孢子数略高于排水地段,两地段的平均孢子萌发力无差异,排水地段的泥炭容重、总碳和总氮都显著高于近原始地段。柱芯上部对比,排水(1987年)以后两地段孢子累积速率无显著差异,但近原始地段的平均孢子萌发力(34%)远低于排水地段(72%)。近原始地段的碳氮比与孢子萌发力呈显著正相关;排水地段的总碳、pH和埋藏时间与孢子萌发力呈显著负相关。30年前的泥炭地排水虽对孢子累积影响不大,但通过加速分解而改变了泥炭的理化性质,提升了表层泥炭中孢子萌发力,因此降低孢子库的持久性,可能导致泥炭藓在灾变性干扰后的种群持续更新潜力下降。     

稳定碳同位素在滨海湿地碳生物地球化学循环中的应用

碳作为滨海湿地中重要的生命元素,其生物地球化学循环过程是滨海湿地研究的核心内容之一.稳定同位素技术越来越多地被应用到滨海湿地碳生物地球化学循环过程的研究中,提高了其研究水平,并推动了其研究的进程.本文从有机物质生产、土壤有机质来源、食物链传递、温室气体排放以及可溶性有机碳输出5个方面,综述了滨海湿地碳生物地球化学循环过程的稳定同位素研究进展.通过植物及土壤δ13C值的测定进行有机质的生产机理研究及外源追溯,通过对比各生物种群的δ13C值分析碳在生态系统中的流动过程,通过湿地排放温室气体及可溶性有机碳δ13C值的测定揭示影响碳输出的环境因子.最后,文章总结了当前研究中存在的问题,并对其研究前景进行了展望.     

低水位增加灌木多样性和生物量但降低土壤有机碳含量:以鄂西南贫营养泥炭地为例

地下水位变化对泥炭地的植被组成及多样性具有明显的调控作用,从而可能会深刻改变泥炭地的储碳潜力。目前,有关泥炭地植物多样性和土壤有机碳含量对水位波动的响应还存在较大争议,且有关亚热带贫营养泥炭地地下水位对植物多样性及生物量与土壤有机碳含量影响的研究鲜有报道。本研究选择鄂西南贫营养泥炭地为研究对象,调查了4个地下水位梯度(–4 cm、–8 cm、–12 cm、–20 cm)下的植被组成、多样性、生物量及土壤有机碳含量,以探究不同水位梯度对鄂西南贫营养泥炭地植物多样性、生物量及土壤有机碳含量的影响。结果表明:(1)地下水位下降,土壤含水量、土壤有机碳含量和总酚含量显著降低,而溶解氧含量显著增加(P <0.05)。并且,低水位(–20 cm)处土壤有机碳含量是高水位(–4 cm)处土壤有机碳含量的72%。(2)地下水位显著改变鄂西南贫营养泥炭地物种组成,随着地下水位下降,灌木物种数量增加,且以浅根系的杜鹃花科和蔷薇科植物为主。(3)总体上,随着地下水位的降低,灌木多样性呈现显著增加的趋势(P <0.05),而草本植物多样性变化不显著。(4)地下水位对植被地上总体生物量影响不显著,但...     

水稻白叶枯病菌T3SS基因表达及其调控网络

植物病原细菌III型分泌系统(T3SS)在其毒性表达及与寄主互作中具有重要的功能。水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae,Xoo)hrp基因簇编码了T3SS装置,将毒性效应子蛋白分泌到水稻细胞内,抑制和破坏寄主免疫反应,或诱导感病基因表达,以达到成功侵染的目的。hrp基因表达受到严格调控,在模拟水稻内环境的贫瘠营养培养基中被诱导表达;hrp和效应子基因均受调控蛋白HrpG和Hrp X的调控。此外,hrp基因还受到其它毒性调控网络重要因子的调控,包括双组分调控因子、转录调控因子、DNA/RNA结合蛋白、糖代谢和c-di-GMP信号因子。结合本实验室的研究结果,综述了Xoo T3SS表达调控及其致病机理的研究进展,以期为水稻细菌病害发生机理的解析及其有效防控措施提供一些新见解、思路和途径。