C3和C4植物光合途径的适应性变化和进化

 高等植物大多为C₃植物, C₄植物和景天酸代谢(Crassulacean acid metabolism, CAM)植物是由C₃植物进化而来的。C₄途径的多源进化表明, 光合途径由C₃途径向C₄途径的转变相对简单。该文分析研究了植物光合途径的进化前景, 指出C₄植物是从C₃植物进化而来的高光效种类, 且地质时期以来降低的大气CO₂浓度和升高的大气温度以及干旱和盐渍化是C₄途径进化的外部动力。C₃植物的C₄途径的发现说明植物的光合途径并非是一成不变的, C₃和C₄植物的光合特征具有极大的可塑性, 某些环境的变化会引起植物光合途径在C₃和C₄途径之间转变。C₃植物具有的C₄途径是环境调控的产物, 是对逆境的适应性进化结果, 因而光合途径的转变也适用于干旱地区植被的适应性生存机理研究。该文还利用国外最新的C₄光合进化模型介绍了植物在进化C₄途径中所经历的7个重要时期(从分子基础到形态基础、结构基础, 再到物质代谢水平、光合酶活水平, 直到C3和C4途径协调运转时期, 最后达到形态与功能最优化阶段), 并结合全球气候变化的特点对国内外相关领域的研究进行了分析, 总结了植物光合途径的适应性转变和进化的研究成果, 为今后的相关工作提出建议。     

中国东北样带羊草群落C3和C4植物功能群生物量及其对环境变化的响应

在全球动态植被模型的发展中, 受限于人力、物力和财力使得在物种水平上的研究变得既不可能也无必要。 植物功能群的划分是从生态学的, 而不是系统发育的角度来相互比较地对待不同地区的植物, 从而削减了植被变化研究中植物分类群的数量, 已成为研究植被变化及生物多样性对生态系统功能作用的重要单位。 植物的不同光合途径(C₃、C₄和CAM)从叶片组织结构到生理功能, 从生态适应到地理分布均表现出对不同水、热、光环境的响应, 是理想的植物功能群分类。 为此,分析了中国东北样带以羊草(Leymus chinensis)为建群种或共建种的草原群落植物光合类型功能群生物量及其与群落初级生产力和环境变化的关系。 结果表明:  (1)C₄植物生物量具有明显的变化规律, 且对环境变化的响应显著, 其变异性较高, 更能反映样地间环境变化的差异; (2)C₄与C₃植物变化具有明显的互补性, 并且多数C4植物常在逆境中起到更大作用, 如干旱化、盐碱化和放牧干扰; (3)C₄植物种类少,在所有调查样方中仅出现7种,占总出现种类的9.72%。这些特点说明C₄植物可以考虑作为评估和预测我国温带草原植被及其生态系统变化的重要植物功能群。     

以固氮菌和解磷菌筛选拮抗作物病害的细菌组合

用选择性培养基从土壤分离筛选了22 种具有固N或解P能力的细菌,不进行纯化,分组混合接种于15种液体培养基,进行继代培养,每代培养48 h.第12代时,各细菌组合的菌类数目及比例达到稳定状态,共获得15个细菌组合,各组合均含有2～3种细菌.对茄黄萎病病原菌(Verticillium dahliae)、棉花立枯病病原菌(Rhizoctonia solani)和黄瓜角斑病病原菌(Pseudomonas syringae)等9种植物病原菌进行平皿抑菌试验,筛选出7个具有抑菌作用的细菌组合,进一步从植株盆栽试验中筛选出6个有防病作用的组合,其中C₇和C₁₅表现出最明显的抑菌防病效果.C₁₅保持了固N能力,C₄、C₅、C₇、C₉、C₁₄和C₁₅保持了解P能力.结果表明,这是一条可获得具有协同作用的、稳定的多功能生防菌剂的途径.     

植物种类、大气二氧化碳和土壤氮素的交互作用或累加效应控制“植物-土壤”系统的碳分配

为了验证土壤氮(N)素和大气二氧化碳(CO₂)浓度的增高是交互或者累加性地控制“植物-土壤”系统中的碳(C)分配这一假设, 同时为了揭示这种作用是否随着植物种类而变化, 在不同的CO₂浓度下的高氮和低氮土壤中种植豆科植物紫花苜蓿(Medicago truncatula)和非豆科植物燕麦(Avena sativa), 并对植物的生长和土壤微生物等特性在这些条件下的变化进行了测定. 结果表明, 植物物种和土壤N素的交互作用对土壤微生物和植物的生长有着重要的作用. 对于紫花苜蓿而言, CO₂和土壤N素的交互作用对土壤可溶性C和土壤微生物生物量有重要影响, 但对燕麦则并非如此. 尽管CO₂和土壤N素都显著影响植物的生长, 但它们对植物的影响并不存在交互性, 也就是说CO₂和土壤N素对植物生长的影响是累加的. 豆科植物的固氮特性与CO₂的交互作用可能掩盖了土壤N素与CO₂的交互作用对豆科植物生长的影响. 在低N土壤中, 燕麦的冠根比从初期的2.63±0.20降低到后期的1.47±0.03, 表明燕麦在生长受到土壤N素的抑制时, 分配了更多的能量到根部以加强植物对养分元素的吸收(如N素); 在高氮土壤中, 紫花苜蓿的冠根比随时间延长显著升高(从2.45±0.30到5.43±0.10), 说明当土壤N素不是植物生长限制因子时, 更多的能量被分配到地上部分以加强植物对C的同化. 在不同土壤N素水平上, 大气CO₂浓度对植物的冠根比的影响均不显著.     

浙贝母化学成分研究Ⅳ

我们曾报道从浙贝母(Fritillaria thunbergii Miq.)的鳞茎中分离到3种新生物碱——浙贝宁、浙贝丙素和浙贝酮,以及已知的浙贝甲素、浙贝乙素和 eduardine。进一步深入研究时,又分离到两种化合物,分别鉴定为浙贝宁甙(zhebeininoside,Ⅰ)和苦鬼臼毒素(picropodophyllotoxin,Ⅱ)。化合物Ⅰ为新的生物碱甙,化合物Ⅱ在该属植物中首次得到。     

松墨天牛及其天敌花绒坚甲种群的三维空间分布格局

2003～2005年对纯林和混交林中的黑松、马尾松、湿地松诱木按1 m一个区段进行全株解剖,解剖的松墨天牛和花绒坚甲的资料用聚集强度的5种指数测定空间格局.两种林分3种松树上,松墨天牛和花绒坚甲水平分布的聚集强度指数均为扩散系数C＞1,扩散指数I_δ＞1,久野指数C_A＞0,丛生指数I＞1,聚块性指数I_w＞1,表明两者水平分布均为聚集格局,两者水平分布格局一致.垂直分布除混交林马尾松树上的花绒坚甲为聚集分布外,其余均为均匀分布,5种聚集强度指标均是C＜1,I_δ＜1,C_A＜0,I_w＜1,I＜0,花绒坚甲与松墨天牛三维空间分布格局一致,前者对后者在空间上有追随关系.     

浓度变化响应的研究进展

比较详细地概述了过去数十年关于在大气CO₂浓度升高条件下,植物有性生殖特性发生变化的主要研究成果。随着植物相对生长速率加快,植株达到有性生殖所需形体大小的时间变短,开花期提前,生殖器官的生物量也相应提高,其主要表现为开花数量、花粉和花蜜产量、果实数量与大小、种子大小与产量等均有不同程度的增加。对大多数农作物而言,种子产量的增加主要通过种子数量的增加,而与种子大小变化关系不大。通常,高浓度CO₂对豆科植物种子含氮量影响比较小, 却能显著地降低非豆科植物种子含氮量。不同类型植物的生殖生物量增加趋势存在一定的规律性,如不定型植物>定型植物,豆科植物>C₃非豆科植物>C₄植物,栽培植物>野生植物。针对国内外对CO₂浓度升高影响植物有性生殖特性的研究中存在的不足,该文提出了今后研究应该注意的问题。     

植物有性生殖对大气CO2浓度变化响应的研究进展

 比较详细地概述了过去数十年关于在大气CO₂浓度升高条件下,植物有性生殖特性发生变化的主要研究成果。随着植物相对生长速率加快,植株达到有性生殖所需形体大小的时间变短,开花期提前,生殖器官的生物量也相应提高,其主要表现为开花数量、花粉和花蜜产量、果实数量与大小、种子大小与产量等均有不同程度的增加。对大多数农作物而言,种子产量的增加主要通过种子数量的增加,而与种子大小变化关系不大。通常,高浓度CO₂对豆科植物种子含氮量影响比较小, 却能显著地降低非豆科植物种子含氮量。不同类型植物的生殖生物量增加趋势存在一定的规律性,如不定型植物>定型植物,豆科植物>C₃非豆科植物>C₄植物,栽培植物>野生植物。针对国内外对CO₂浓度升高影响植物有性生殖特性的研究中存在的不足,该文提出了今后研究应该注意的问题。     

3种C3木本植物绿色组织C4酶活性、色素含量及叶绿素荧光参数的比较

对3种C₃木本植物丁香（Syringa meyeri）、杨树（Populus alba）、落叶松（Larix gmelinii）叶片和树枝绿色组织相关指标分析发现：3种植物叶片Chl.a+b含量均显著高于树枝,但是树枝较叶片Chl.a/b比值差异不明显（丁香、落叶松）（p>0.05）或显著高（杨树）(p<0.05)。单位叶绿素内各酶活性显示,丁香树枝PEPC、PEPCK、PPDK、NADP-ME、NADP-MDH酶活性分别是叶片的2.4、4.1、3.2、4.5和1.9倍;杨树树枝分别是叶片的2.1、15、6.3、6.3和2.8;落叶松树枝分别是叶片的6.8、6.3、4.3、4和5.5倍,而单位鲜重内各酶活性显示出的树枝与叶片的差异均小于单位叶绿素的相应结果。种间比较发现,杨树叶片和树枝5种酶活性均显著高于丁香和落叶松。树枝绿色组织内C₄酶活性普遍高于相应叶片的事实说明,木质化绿色组织内可能存在C₄酶相关的生化过程。丁香与落叶松树枝的电子传递速率、PSⅡ效率大于叶片,杨树叶片的相应值大于树枝,相关分析表明,这种高的C₄酶活性并没有显著影响叶绿素荧光参数（p>0.05）,显示出树枝绿色组织和C₃植物叶片内C₄酶对光合影响的复杂性。     

C差异与气体交换参数

在苗木生长的不同时期对13个毛白杨(Populus tomentosa)杂种无性系叶片碳同位素δ¹³C和气体交换参数(净光合速率P_n、蒸腾速率T_r、瞬时水分利用效率WUE_i、气孔导度G_s和胞间CO₂浓度C_i)的差异进行研究, 分析不同无性系间δ¹³C与气体交换参数的相互关系, 目的在于探求δ¹³C在筛选高光合及高水分利用效率毛白杨杂种无性系中的应用价值。结果表明: 不同生长时期和不同无性系间δ¹³C、T_r、WUE_i、G_s和C_i的差异均显著, δ¹³C和WUE_i表现为9月＞7月, T_r、G_s和C_i表现为7月＞9月, P_n在不同生长时期差异不显著。季节变化是引起毛白杨杂种无性系叶片δ¹³C差异的主要原因。同一时期, 无性系间δ¹³C和WUE_i表现出较好的一致性, 即WUE_i较高的无性系30、42、46、83、BL2和BL5, 其δ¹³C值也较高, WUE_i较低的无性系B331和TG34, 其δ¹³C值也较低, 且不同时期(7月和9月) δ¹³C和WUE_i呈较强的正相关, 相关系数r分别为0.739 0和0.545 8, 高δ¹³C可以作为筛选高WUE_i毛白杨的有效指标, 且在苗木生长旺盛时期选育能得到更为可靠的结果。对毛白杨而言, 高WUE_i的无性系, 一般具有适中或较低的G_s和C_i, 但不一定具有很高的P_n, 气孔调节使得毛白杨在不影响光合作用的同时保持较高的WUE。     

光合作用光响应模型的比较

 用美国Li-Cor公司生产的Li-6400光合作用测定仪控制CO₂浓度和温度, 测量了华北平原冬小麦(Triticum aestivum)的光响应数据。分别用C₃植物光响应新模型、直角双曲线模型、非直角双曲线模型和Prado-Moraes模型拟合这些实测数据, 分析了由直角双曲线模型、非直角双曲线模型和Prado-Moraes模型拟合这些数据得到的最大净光合速率(The maximum net photosynthetic rate)远大于实测值, 而光饱和点(Light saturation point)远小于实测值的原因。结果表明, 由C₃植物光响应新模型拟合的结果与实测数据符合程度最高(R²=0.999 4和R²=0.998 7); 表观量子效率(Apparent quantum yield)不是一个理想的表示植物利用光能的指标, 建议用植物光响应曲线在光补偿点处的量子效率作为表示植物光能利用的指标。     

浓度NO对高表达转玉米C4型pepc水稻光合的促进

为了揭示C₃植物中C₄ pepc高表达带来的生理差异与其高光合效率的关系。本文以高表达的转玉米C₄ pepc光合基因水稻（PC）及原种Kitaake(WT）为材料,通过水培在孕穗期通过根吸入的方法,进行不同浓度的NO供体、NO合成抑制剂以及相关影响信号分子的试剂单独和联合过夜处理12 h,选取倒二叶研究NO对供试材料净光合速率（P_n）,气孔导度(G_s)和胞间CO₂浓度(C_i)的影响。结果表明：WT和PC在200 μmol·L^-1 SNP（Sodium nitroprusside）和1 mmol·L^-1 L-Arg(L-Arginine)处理下,P_n分别增加20.8%、10.7%,差异显著（p<0.05）;随SNP和L-Arg浓度的增加,其表现不同程度的抑制,与PC相比,WT的P_n抑制更显著（p<0.05）,而G_s和C_i的变化则相反（p<0.05）;进一步结合200 μmol·L^-1 SNP和1 mmol·L^-1 L-Arg与SA处理,结果与高浓度的NO供体处理类似;在联合6 mmol·L^-1 Ca²⁺螯合剂EGTA处理下,与PC相比,WT的P_n抑制达到极显著水平（p<0.01）,C_i的变化则相反（p<0.05）。相关分析结果表明：PC的P_n的高低与G_s的相关性小于WT,PC与WT决定系数分别为0.654 9、0.773 5;而与C_i的相关性则更大些,PC与WT决定系数分别为0.466 5、0.419 6,显示PC可能有不同的调节方式,尤其在低浓度的NO,PC可在Ca²⁺参与下调节气孔的开放,在气孔关闭的条件下,仍能维持一定的P_n。     

大兴安岭森林火灾中主要乔木树种含碳气体释放总量的估算

应用排放因子法估算了1980—2005年间大兴安岭林区森林火灾中5种主要乔木树种含碳气体总的释放量.结果表明：不同乔木树种燃烧释放含碳气体的排放因子不同,其中樟子松的CO₂平均排放因子最大, 山杨的CO₂平均排放因子最小;落叶松和山杨的CO和C_xH_y平均排放因子最大,山杨和落叶松的CO和C_xH_y平均排放因子最小.结合5种主要乔木树种各器官的含碳率和总生物量,得出25年间5种乔木共释放CO₂ 16.58 Tg、CO 1.61 Tg、C_xH_y 0.54 Tg. 其中落叶松的CO₂、CO和C_xH_y释放量分别为5.00、0.63和0.05 Tg; 樟子松为0.225、0.023和0.003 Tg; 白桦为11.22、0.83和0.41 Tg;山杨为0.022、0.004和0.00034 Tg;蒙古栎为3.12、0.13和0.062 Tg.     

内蒙古草原常见植物叶片δ13C和δ15N对环境因子的响应

在中国东北样带沿线的内蒙古草原地区采集了一些常见植物的叶片样品,并测定其δ¹³C和δ¹⁵N值,分析了其统计学特征以及对环境因子(年平均降雨量和温度)的响应模式。发现东北样带草原区同时存在C₃和C₄两种不同光合途径的植物,但是C₃植物占主导地位,C₄植物数量有限。C₃植物叶片δ¹³C随着年平均降雨量和年平均温度的升高而显著降低,反映了此区域C₃植物δ¹³C受控于降水量和温度。C₄植物的叶片δ¹³C值随着降雨量的增多而有轻微升高的趋势,但是C₄植物的叶片δ¹³C值对年平均温度的响应不敏感。不论对C₃植物还是C₄植物而言,叶片δ¹⁵N都随降雨量增加而显著降低,即干旱区的植物叶片δ¹⁵N大于湿润地区,这说明降水是影响植物叶片δ¹⁵N的一个重要因素。然而两者叶片δ¹⁵N对温度的响应不敏感。     

超高产杂交稻两优培九的光合作用、光抑制和C4途径酶特性

比较研究了超高产杂交稻(Oryza sativa L.)两优培九和常规杂交稻汕优63剑叶的光合气体交换、光抑制, 以及其剑叶和稃片中的C₄酶活性. 发现两优培九和汕优63的光饱和同化速率(Asat)与汕优63相差无几, 但是, 其表观量子效率(AQY)、羧化效率(CE)和CO₂同化的量子效率(FCO₂)都远远高于汕优63. 强光条件下, 超高产杂交稻两优培九表现出比汕优63更强的抗光抑制能力, 并且具有较高的以叶黄素循环为量度的非辐射能量耗散. 此外, 两优培九的剑叶和稃片中的C₄途径酶活性均高于汕优63. 这些结果表明, 较高的光能和CO₂利用效率、较强的抗光抑制能力, 以及剑叶和稃片中C₄途径的较高表达可能是超高产杂交稻两优培九高产的重要保证.     

早春短命植物鸢尾蒜和准噶尔鸢尾蒜的光合途径

该研究以鸢尾蒜属两种早春短命植物准噶尔鸢尾蒜(Ixiolirion songaricum)和鸢尾蒜(Ixiolirion tataricum)为对象,通过解剖结构、光合参数、稳定碳同位素比值(δ¹³C)和光合关键酶活性分析二者的光合途径。结果发现：(1)显微结构和超微结构显示,两种短命植物的叶脉维管束鞘细胞1层、排列较紧密,鞘细胞内含有较多叶绿体且多离心分布,类似C₄花环结构。(2)准噶尔鸢尾蒜和鸢尾蒜最大净光合速率分别为14.81和15.04 μmol·m^-2·s^-1;两者的CO₂补偿点较低,分别为3.57和2.54 μmol·mol^-1,δ¹³C分别为-25.36±0.55‰和-25.76±1.38‰,光合酶PEPC/Rubisco比值分为别0.244和0.322。(3)最大净光合速率、δ¹³C和PEPC/Rubisco比值均说明两种植物为C₃光合途径,但二者均具有类似C₄的维管束鞘结构、较低的CO₂补偿点和暗呼吸速率,并具有高于部分C₃和C₃ C₄中间型植物的PEPC/Rubisco比值,表明两种短命植物的光合途径并非典型的C₃途径,而是C₃ C₄中间型。     

若尔盖高原沼泽湿地与草地二氧化碳通量的比较

采用静止箱/气相色谱法,在2003—2005年的植物生长期对若尔盖高原沼泽湿地和草地的CO₂通量进行了对比观测.结果表明：若尔盖高原沼泽湿地和草地CO₂通量的平均值分别为203.22和323.03 mg·m^-2·h^-1,前者为后者的60%左右.沼泽湿地常年积水的环境条件限制了土壤中的植物残体、根系及有机物质的分解,是沼泽湿地CO₂通量低于草地并形成泥炭积累的重要因素.研究区沼泽湿地与草地CO₂通量的季节变化与气温变化呈正相关,峰值一般出现在7月和8月;其日变化也与气温呈正相关,峰值一般出现在11:00—17:00.5 cm深的土壤温度与CO₂通量的相关性高于10和15 cm深的土壤温度.     

国产乌头属的化学分类

根据二萜生物碱的类型、生物合成、在乌头属植物中的分布,并参照国产乌头属的系统分类、形态演化和地理分布,本文讨论国产乌头属的化学分类。 1．以牛扁碱型成分为主的牛扁亚属和以乌头碱型成分为主的乌头亚属可能在乌头属进化的初期阶段就已分化,各自沿着独立的道路发展。2．乌头亚属包括以下类群：(1)以阿替生型、维特钦型、乌头碱型胺酵和 酯碱为主的保山乌头系,主要分布于国产乌头属近代发展分化中心之一的横断山脉和金沙江流域,可能国产乌头组的近代分化就是由该系发展而来; (2)以乌头碱、中乌头碱、下乌头碱为主的乌头系,为进化程度较高的群,所含乌头碱及尼奥灵显示了该系与保山乌头系的亲缘关系; (3)以乌头碱和松果灵为主的准噶尔乌头系,所含乌头碱和松果灵显示了该系与保山乌头系的亲缘关系; (4)以滇乌碱类酯碱为主的显柱乌头系和蔓乌头系,为进化程度较高的群,其酯碱有别于乌头碱类。3．以阿替生及C₁₉内酯型为主的甘青乌头系及圆叶乌头系,可能为进化早期形成的高山特化类群。4. 以阿替生和C₁₉乌头碱型胺醇为主的露蕊乌头亚属,可能为特化类群。     

水稻BAC在玉米有丝分裂染色体上FISH杂交体系的构建

 以水稻细菌人工染色体(BAC)为探针在玉米有丝分裂的细胞学制片上进行荧光原位杂交(FISH),探讨玉米基因组C_ot DNA对BAC探针重复序列的封阻、杂交后洗脱的严谨度、杂交液中FAD的浓度变化、水稻BAC探针的特异性重复序列的封阻对FISH杂交信号特异性的影响.初步形成了一套以水稻BAC探针在玉米有丝分裂染色体上进行BAC-FISH杂交的优化技术体系.研究结果表明：使用玉米基因组C_ot DNA来封阻水稻BAC探针的重复序列玉米基因组C _ot DNA的C_ot值应小于50,同时还需根据不同探针调整C_ot DNA的C_ot值及与探针的比例;而降低杂交液中FAD浓度和适度控制杂交后洗脱的严谨度,尤其是使用水稻BAC探针本身特异的重复序列的封阻对BAC-FISH杂交信号特异性的改善具有较好的效果.     

旱作条件下紫花苜蓿光合蒸腾日变化与环境因子的关系

在旱作条件下测定了4年生紫花苜蓿初花期光合蒸腾特性,以及光合有效辐射(PAR)、田间CO₂浓度(C_a)、相对湿度(RH)、大气温度(T_a)等环境因子的日变化,并采用相关系数、通径系数和决策系数分析了紫花苜蓿光合蒸腾特性日变化与环境因子的关系.结果表明,对光合速率日变化直接影响最大的因子是T_a,而RH、PAR和C_a主要是通过T_a而间接地影响光合速率日变化;对蒸腾速率日变化直接影响最大的因子是PAR,而RH、T_a和C_a主要是通过PAR而间接地影响蒸腾速率日变化.对光合蒸腾特性起主要决定作用的因子是PAR,主要限制因子是T_a.