C_3和C_4植物的氮素利用机制

提高植物的氮素利用效率(NUE)不仅有利于保障全球粮食安全,也是实现农业可持续发展的重要途径。近半个世纪以来,植物氮素利用机理研究已取得重要进展,但NUE的调控机制仍不明确, NUE的提高仍然十分有限。高等植物集光合碳素同化和氮素同化于一体,只有碳氮代谢相互协调,才能维持植物体内的碳氮平衡,保证植物正常生长发育。由于C_3和C_4植物的光合氮素利用率(PNUE)存在差异,对氮素的利用效率也会存在差异。为了更有效地提高作物的NUE,须更全面地了解C_3和C_4植物对氮素吸收、转运、同化和信号转导等关键因子的功能和调控机制。此外,面对大气CO_2浓度增高和全球气候变暖条件下的植物碳氮同化及其机理的研究也不容忽视。该文综述了C_3和C_4植物氮素利用关键因素的差异及其调控机制,并对提高C_3禾本科作物氮素利用效率的遗传改良途径进行了展望。     

大豆高光效育种光合生理研究进展

作物生理学研究证明,光合作用是决定作物产量的最重要因素,因此,光合能力大小將直接影响作物产量的高低缭?0年代初,有人曾提出提高作物的光合效率可使产量提高的设想。与此同时,植物生理学的研究又在高等植物中发现了光呼吸及C_4双羧酸途径,给人们以新的启迪,开始认识到提高光能利用尚有巨大的潜力。自70年代以来,世界上一些国家开始把提高作物光合能力的遗传改进研究列为重点课题。美国一直对筛选、利用、创造同化CO_2能力强的作物品种十分重视。英国研究了小麦的净光合速率     

如何快速鉴别C3与C4植物

在农业实践和科学研究中经常需要知道某种植物是C_3植物还是C_4植物,例如在干旱少雨的地区种植C_4作物就易获得较高的产量;用甲醇喷洒植物能使植物增产,但这种技术只适用于C_3植物而不适用于C_4植物等。从理论上讲,C_3植物光合作用固定CO_2的最初产物是三碳的3—磷酸甘油酸,C_4植物光合作用固定CO_2的最初产物是四碳的苹果酸或天冬氨酸。我们在研究农田杂草光合碳同化途径时,摸索了一些快速区分C_3植物与C_4植物的经验,介绍如下。 从植物进化方面区分 我们知道,C_3植物较原始,C_4植物较进化,实际上较原始的蕨类植物和裸子植物就没有C_4植物,只有较进化     

光合作用的C_3、C_4途径及其调节(续)

三、C~4途径及其调节 1.C_4途径 C_4植物的光合碳代谢除C_3途径外还有C_4途径,二条途径是紧密联系的(图9)。C_4植物的光合作用碳同化包括三个主要步骤:(1)在叶肉细胞内发     

C_3植物的C_4光合途径

人类主要的粮食作物小麦、水稻、大豆等均为C_3植物,由于C_4光合途径显著优于C_3途径,因此,优化C_3作物拥有C_4光合途径特征的研究一直在探究中。综述了C_3植物的C_4光舍碳途径的发现、运行机制、诱发因素等,总结了改造C_3植物光合效率的方法并做了简单展望。     

农田作物同化碳输入与周转的生物地球化学过程

作物同化碳在“大气-植物-土壤”系统中流通的生物地球化学过程,显著影响全球陆地生态系统碳循环过程。作物同化碳是土壤有机碳的重要来源,与根际环境及作物生长发育有密切联系,但由于其复杂性和多变性,作物生长期内同化碳在土壤中的分配、转化与稳定的机理尚不十分清楚。因此,综述了作物同化碳向土壤碳库输入及其对土壤有机碳库的贡献,在土壤碳库中的分配与转化特征,在土壤中流通的微生物机制以及同化碳在土壤-微生物系统分配、稳定的微观机制。探讨同化碳在地上部-根际-土壤系统中的分配及调节机制,土壤界面同化碳流动过程与土壤微生物多样性形成的关系;提出了在不同生态系统尺度上加强作物同化碳在土壤-作物系统中分配过程的定量研究对于明确陆地生态碳循环过程的重要意义;指出了研究作物同化碳向土壤碳库迁移、分配定量过程与机制的重要性,以及应用显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术、和微生物分子与群落生态相偶联的技术是未来研究作物同化碳生物地球化学特性的有效手段。     

非充分灌溉及其生理基础

介绍了非充分灌溉的概念及内涵,主要阐述了在非充分灌溉条件下,作物体内产生的适应性生理反应,经非充分灌溉及轻度干旱处理,作物气孔阻力增加,蒸腾失水减少,作物水分散失对气孔开度的依赖性大于光合对其的依赖性。可通过气孔调节作物光合与水分的关系,最终提高作物的水分利用效率;有限度的水分亏缺,有利于同化物向籽粒调运,利用^14CO2标记研究表明,生长后期水分亏缺下,小麦体内存在对花前营养器官“临时库”同化物的再动员和对产量的补偿机制;适度水分亏缺促进了小麦等作物初生根的生长发育,增加深层土壤中的根系与根系活性,防止后期根系早衰。总之,在非充分灌溉条件下,作物能够在营养生长,物质运输和产量形成等方面产生有效的补偿机制,可作为非充分灌溉的重要理论基础。     

利用合成生物学原理提高光合作用效率的研究进展

我国人口增多与耕地面积减少的矛盾日益突出,粮食安全已成为我国国民经济可持续发展的重要保障。光合作用是作物产量形成的物质基础,提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径之一。本文从光合作用过程中光能高效吸收、传递与转化,光能高效利用和碳同化等三大模块综述了近期科学家利用合成生物学对光合作用改造的最新进展。最后我们对其在农业中的应用前景进行了展望,通过合成生物学原理提高光合作用效率可能将为增加粮食产量提供重要理论支撑和关键生物技术。     

作物生育期内光合碳在地下部的分配及转化

光合碳是"大气-植物-土壤"系统碳循环的重要组成部分,也是土壤有机碳的重要来源.在农田生态系统中,作物生长期内光合碳在地下部的去向及代谢机理易被忽视,此方面的研究对于全面认识植物-土壤-微生物间的互作关系、农田土壤质量变化及全球碳循环规律却是必不可少的.本文综述了作物生育期内光合碳在地下部的动态分配、其对土壤有机碳的贡献及微生物在光合碳转化中的作用,总结了碳示踪技术;提出应加强在典型土壤类型上的光合碳研究,明确其对不同土壤有机碳组分贡献;重点开展大豆、玉米等作物光合碳在地下部动态分配研究;探讨根系分泌含碳化合物与微生物利用的关系;强调气候条件和农艺措施等综合因素对碳分配的影响.     

玉米和花生间作体系光合碳同化酶活性对CO2浓度升高的响应特征

该试验以玉米、花生2∶4间作模式为对象,采用开顶式气室法控制环境CO_2浓度,于2018-2019年设环境CO_2浓度(Ca, 390μmol·mol~(-1))和升高CO_2浓度(Ce, 700μmol·mol~(-1)),以及不施磷(P_0)和施磷(180 kg P_2O_5·hm~(-2),P_(180))处理下,分析CO_2浓度升高对间作玉米和间作花生功能叶光合碳同化关键酶活性、净光合速率以及籽粒产量的影响,以明确CO_2浓度升高影响玉米、花生间作体系光合作用的机理,为将来CO_2浓度升高环境下间作高产高效提供理论基础。结果表明:(1) Ce处理提高了间作玉米功能叶的PEPC、PPDK、NADP-MDH、Rubisco、GAPDH和Ru5PK等光合碳同化酶活性,其中PEPC和NADP-MDH在苗后43 d以及PPDK、Rubisco、GAPDH和Ru5PK在苗后59 d增幅均达到显著水平,此时施磷对其有正向调控作用。(2) Ce处理增强了间作花生功能叶的Rubisco、GAPDH、Ru5PK和FBPase等光合碳同化酶活性,在苗后43 d和59 d增幅均达到显著水平,此时施磷进一步显著提高了Rubisco与FBPase活性。(3) Ce处理下间作玉米、间作花生的净光合速率显著提高,间作玉米、间作花生和间作体系的籽粒产量分别显著提高了4.4%～52.0%、10.3%～24.0%和5.7%～47.0%;CO_2浓度升高和施磷对间作玉米、花生功能叶的净光合速率和间作体系产量具有正协同效应。研究表明,CO_2浓度升高可以通过提高间作玉米功能叶片的PEPC、PPDK、Rubisco、GAPDH和Ru5PK及间作花生功能叶片的Rubisco、GAPDH、Ru5PK和FBPase等光合碳同化酶活性,增强其对CO_2羧化固定能力,提高间作玉米、间作花生的光合速率,最终显著增加玉米、花生及间作体系的产量,并且增施磷肥对其具有正调控效应。     

叶片含氮量与光合作用

各种农作物的产品主要由有机物组成,这些有机物的原始来源,是作物绿色组织的光合产物。目前,一般认为作物的光合作用与产量有密切的关系,因而提高作物叶片的光合能力一直是品种改良和高产栽培的一个重要内容。叶片的光合能力是光化学过程、CO_2向固定位置扩散的阻抗和生物合成过程共同作     

施氮对不同抗旱性冬小麦叶片光合与呼吸的调控

在大田条件下对两个不同抗旱特性的冬小麦品种全生育期叶片光合气体交换参数、光合色素含量和呼吸值及其对氮素水平的响应进行了研究.结果表明,施氮180 kg·hm^-2处理旱地品种叶片气孔导度、总光合色素含量、光合速率较不施氮处理在全生育期分别提高了43.75%、18.54%和49.66%,水地品种分别提高了12.12%、20.88%和29.25%;而旱地品种总呼吸速率降低了4.8%,水地品种降低了4.5%.适量施氮,增强了小麦叶片的气体交换能力,提高了光合色素含量,并降低了呼吸速率,从而提高了小麦叶片光合碳同化能力.小麦品种间光合的差异主要由非气孔因素引起.旱地品种呼吸速率较低,吸收的光能较多地用于光合碳同化作用.不施氮处理叶片光合速率较高的生育时期其呼吸速率也高,而施氮处理叶片光合速率高的生育时期呼吸值较低.施氮增加了光能向光合碳同化方向的分配.施氮对提高冬小麦抗旱能力有积极作用,其机理在于氮素改善了叶片气体交换状况,提高了光合色素含量,并优化了叶片对光能吸收的分配.     

不同施肥对水稻土作物碳同化与土壤碳固定的影响——以太湖地区黄泥土肥料长期试验为例

肥料施用对农田土壤生产力及土壤碳循环的影响是农业与陆地生态系统碳循环及全球变化研究的重要科学问题。以太湖地区黄泥土的长期肥料定位试验为例,研究不同施肥处理对水稻土-作物系统作物碳同化及土壤碳固定的影响。所研究的肥料施用处理包括不施肥(NF)、单施化肥(CF)、化肥与秸秆配施(CFS)以及化肥与猪粪配施(CFM) 4个处理,始于1987年,一直实行稻-油轮作,实行少耕。连续观测水稻和油菜的产量,并于2004年和2005年分别采集了土壤剖面样品和耕作层（0～5cm和5～15cm）土壤,测定土壤总有机碳含量。研究表明,不同施肥处理对水稻产量有显著影响,尤其以配施有机无机肥处理水稻产量显著最高且最为稳定,而对油菜产量的影响不明显。施肥显著提高了耕层土壤碳密度,而对全土碳密度没有显著影响。施肥处理的固碳速率介于0.1～0.4t/(hm^２•a), 配施有机肥处理显著高于单施化肥处理。相关分析表明,土壤固碳速率与作物根茬+有机肥源碳的总碳输入量呈显著的对数关系。这提示土壤有机碳积累主要与作物产量有关,而并非依变于有机肥源碳输入。因此,与作物产量直接关联的作物碳输入的增加是土壤中碳固定提高的重要途径。施入N素对水稻碳同化和土壤碳固定的效应均为化肥配施有机肥处理显著高于单施化肥处理,这揭示化肥配施有机肥是提高与稳定稻田生产力和促进土壤固碳和温室气体减排的双赢措施。当然,不同施肥下上述效应的差异可能与土壤-作物系统中碳分配和土壤生物碳利用的差异有关。     

不同施肥对水稻土作物碳同化与土壤碳固定的影响——以太湖地区黄泥土肥料长期试验为例

肥料施用对农田土壤生产力及土壤碳循环的影响是农业与陆地生态系统碳循环及全球变化研究的重要科学问题。以太湖地区黄泥土的长期肥料定位试验为例,研究不同施肥处理对水稻土-作物系统作物碳同化及土壤碳固定的影响。所研究的肥料施用处理包括不施肥(NF)、单施化肥(CF)、化肥与秸秆配施(CFS)以及化肥与猪粪配施(CFM)4个处理,始于1987年,一直实行稻-油轮作,实行少耕。连续观测水稻和油菜的产量,并于2004年和2005年分别采集了土壤剖面样品和耕作层(0~5cm和5~15cm)土壤,测定土壤总有机碳含量。研究表明,不同施肥处理对水稻产量有显著影响,尤其以配施有机无机肥处理水稻产量显著最高且最为稳定,而对油菜产量的影响不明显。施肥显著提高了耕层土壤碳密度,而对全土碳密度没有显著影响。施肥处理的固碳速率介于0.1~0.4t/(hm2.a),配施有机肥处理显著高于单施化肥处理。相关分析表明,土壤固碳速率与作物根茬 有机肥源碳的总碳输入量呈显著的对数关系。这提示土壤有机碳积累主要与作物产量有关,而并非依变于有机肥源碳输入。因此,与作物产量直接关联的作物碳输入的增加是土壤中碳固定提高的重要途径。施入N素对水稻碳同化和土壤碳固定的效应均为化肥配施有机肥处理显著高于单施化肥处理,这揭示化肥配施有机肥是提高与稳定稻田生产力和促进土壤固碳和温室气体减排的双赢措施。当然,不同施肥下上述效应的差异可能与土壤-作物系统中碳分配和土壤生物碳利用的差异有关。     

C3、C4和CAM途径的生态学意义

本文通过C_3,C_4和CAM植物在不同环境中的分布,从3个方面阐述了这3种碳同化途径在利用环境资源时的生态学意义——资源分隔: 1.光合途径的空间分异:(1)不同光合类型植物的气候带(水平和垂直带)和地理区域分布;(2)不同光合类型植物在微环境中的分布。 2.光合途径的时间分异。 3.光合途径在资源分隔中的重叠。     

C3和C4植物的氮素利用机制

提高植物的氮素利用效率(NUE)不仅有利于保障全球粮食安全, 也是实现农业可持续发展的重要途径。近半个世纪以来, 植物氮素利用机理研究已取得重要进展, 但NUE的调控机制仍不明确, NUE的提高仍然十分有限。高等植物集光合碳素同化和氮素同化于一体, 只有碳氮代谢相互协调, 才能维持植物体内的碳氮平衡, 保证植物正常生长发育。由于C₃和C₄植物的光合氮素利用率(PNUE)存在差异, 对氮素的利用效率也会存在差异。为了更有效地提高作物的NUE, 须更全面地了解C₃和C₄植物对氮素吸收、转运、同化和信号转导等关键因子的功能和调控机制。此外, 面对大气CO₂浓度增高和全球气候变暖条件下的植物碳氮同化及其机理的研究也不容忽视。该文综述了C₃和C₄植物氮素利用关键因素的差异及其调控机制, 并对提高C₃禾本科作物氮素利用效率的遗传改良途径进行了展望。     

大豆叶片RuBP含量测定及其应用

RuBP(1,5-二磷酸核酮糖)是植物光合碳代谢的重要中间产物。经RuBPCase/Oase的催化,RuBP可与CO_2羧化,行光合碳还原途径(C_3环);也可与O_2作用,行光合碳氧化循环(C_2环)。植物光合器官中RuBP含量可调节和影响光合,光呼吸的强弱,改变Calvin循环的运转状况。因此,测定植物光合器官中的RuBP含量在光合与光呼吸研究中具有重要意义。     

石斛属植物光合碳同化途径地理分异研究进展

系统总结了我国石斛属植物光合作用现状,结合石斛属植物光合作用碳同化途径研究,概括了兼性景天酸代谢植物的碳同化路径特征,分析了景天酸代谢表达程度与生态环境的关系,进而归纳出石斛属植物在光合作用碳同化途径方面存在地理分异。最后指出了石斛属植物系统发育研究领域存在的问题,提出从系统发育视角,采用分子系统学技术来研究石斛属植物光合碳同化途径地理分异的生物学机制。     

小麦杂种F_1、F_2籽粒灌浆10个性状杂种优势和遗传力的初步分析

高产生理研究是近代作物育种工作的重要内容。它是通过培育各种生理过程较为协调、具有理想株型的作物品种,充分有效地利用太阳能,提高光合效率,增加生物产量,并扩大向籽粒分配同化产物的比例,提高经济系数来实现的。小麦高产品种的理想株型,其籽粒灌浆必须是以在源、流、库若干生理指标方面达到综合平衡为前提条件的。张晓龙曾从生理角度出发,研究了小麦籽粒灌浆过程中源、流、库部分     

气体交换与荧光同步测量估算植物光合电子流的分配

光合电子流分配是植物光合控制的一个重要环节。然而,传统电子流分配的计算方法存在诸多问题尚未引起人们的注意,如:(1)低估了光呼吸每释放一个CO2分子所消耗的电子数;(2)混淆了相对电子传递速率和绝对电子传递速率;(3)忽略了除碳同化和光呼吸外的其他电子流分配途径;(4)难以准确获取光下暗呼吸速率值,从而导致碳同化电子流(JC)及光呼吸速率(Rp)的不准确估算等。以小麦和大豆气体交换与荧光同步测量数据为例,结果表明大豆电子传递速率与碳同化两者对光强的响应一致性较好,同时达到最大值;而小麦的一致性相对较差,说明电子传递速率和碳同化并非完全一致,推测认为有可能与作物对同化产物输出的模式不同有关。通过光呼吸速率换算出的电子流(12×Rp)与实际测量电子流(ΔJO)之间存在较大的差异;另外,传统方法估算出的光呼吸速率(估算值)与光呼吸测量值之间也存在较大差异,分析认为这主要是由于绝对光合速率与相对电子传递速率之间差异造成。