施肥与竞争生长对入侵植物黄顶菊和本地植物光合特性的影响

【背景】黄顶菊具有较强的生态适应性和竞争能力,可压制或排挤本地物种,形成单优势种群,进而导致当地生物多样性下降。【方法】选取黄顶菊入侵域的4种伴生植物益母草、苘麻、马唐、反枝苋为研究对象,采用LI-6400便携式光合仪测定入侵植物黄顶菊与这4种植物竞争生长过程中的光合特性,并研究施肥对不同植物与黄顶菊竞争生长过程中光合速率、蒸腾速率和胞间CO2浓度的影响。【结果】竞争生长对黄顶菊净光合速率的影响与本地植物种类密切相关,施肥促进了黄顶菊的净光合速率;竞争生长显著抑制了益母草、马唐和反枝苋的净光合速率,促进了苘麻的净光合速率,施肥增强了这4种植物的净光合速率。竞争生长对益母草和苘麻蒸腾速率的影响显著,而对其他2种植物的影响较小;与苘麻、益母草和反枝苋竞争生长过程中黄顶菊的蒸腾速率显著降低;施肥显著降低了单种处理中黄顶菊的蒸腾速率。与益母草、苘麻和反枝苋竞争生长过程中黄顶菊的胞间CO2浓度明显降低,施肥处理对黄顶菊的CO2利用率有显著抑制作用。【结论与意义】施肥影响黄顶菊的光合特性,与不同本地植物竞争生长对黄顶菊光合特性的影响不同。本研究结果将为进一步揭示黄顶菊的入侵机制及其综合治理提供理论依据。     

外来入侵种黄顶菊及其伴生植物光合特性初步研究

以不同生育期的外来入侵植物黄顶菊及其4种伴生杂草为材料,在实验网室条件下测定比较了它们的基本光合和叶绿素荧光特性,从而探讨黄顶菊具有高生物量及较强入侵性的原因,为其防控提供理论依据.结果表明:(1)5种植物的净光合速率日变化均呈单峰曲线,黄顶菊净光合速率以现蕾期最高,且大于其他4种伴生杂草;(2)3个生长时期的黄顶菊水分利用效率低于棒头草,高于齿果酸模和曼陀罗,而与反枝苋相当,显示较高的抗旱性;(3)影响5种植物光合速率主要因子为非气孔因素,影响黄顶菊以及棒头草、反枝苋等的主要生态因子是光合有效辐射,显示出其较强的喜光特性;(4)5种植物在午间较强的光照条件下均发生了不同程度光抑制,处于现蕾期和开花期的黄顶菊以及其余3种植物午间的Fv/Fm有轻微下降,其PSⅡ实际光化学效率维持在较高的水平.可见,黄顶菊具有较强的光合能力,更适应于在夏季高温干旱的环境下生长,从而表现出较强的入侵性.     

植物近期光合碳分配及转化

碳 (C) 既是生命基础元素,又是与大气环境及全球气候变化密切相关的基本成分。近期 (系指数星期的时间尺度,约相当于植物某一生长期) 光合C是“大气-植物-土壤”系统C循环的重要组成部分;定量近期光合C在植物组织、土壤和呼吸损失的分配,对于理解全球C循环是必不可少的。植物近期光合C分结构性C和代谢C;由于代谢C周转快和结构性C尚未及时形成有机质等,近期光合C容易被忽视。应用同位素技术,可从多方面研究植物近期光合C分配及转化特征。这些方面主要包括根际区光合C代谢、近期光合C对CO₂ 和CH₄排放的贡献、C₃植物与C₄ 植物对全球C循环模式的作用、人类活动对近期光合C分配的影响等。我国鲜见植物近期光合C分配及转化的研究,开展此方面的工作,对我国从生命代谢角度研究C循环具有积极的推动作用。     

C3植物中C4途径的研究进展

综述了C3植物中C4途径的发现及研究现状;阐述了C3植物中C4途径的几种作用机理;根据C3植物中C4途径的存在,探讨了改造C3植物的遗传特性;并展望了这一领域的研究前景。     

大麦和玉米叶片叶绿体中Rubisco及其活化酶的免疫金标记定位

运用免疫金标记电镜技术研究了禾本科C3植物大麦(Hordeum vulgare L.)和C4植物玉米(Zea mays L.)叶片中Rubisoo及其活化酶(RCA)的细胞定位,结果表明:两种植物叶片解剖结构及叶绿体超微结构差别明显.在大麦叶细胞中,只有一种叶肉细胞叶绿体,Rubisoo和RCA主要分布于叶绿体的间质中.在玉米叶细胞中,存在着维管束鞘细胞和叶肉细胞两种类型叶绿体,Rubisco主要分布于鞘细胞叶绿体的基质中,但在叶肉细胞叶绿体中亦有少量特异性标记;RCA在鞘细胞叶绿体和叶肉细胞叶绿体的基质中都有分布.两种植物叶绿体结构及光合作用关键酶定位的不同,体现了C3植物和C4植物在光合器结构与功能上的差异.     

河北地区入侵植物黄顶菊与本地种苍耳光合特性比较

【目的】了解河北3个不同地区(邯郸、衡水和沧州)菊科入侵植物黄顶菊和其本地伴生植物苍耳光合特性的差异,探讨黄顶菊与本地种对环境光强变化产生的响应机制,综合分析入侵植物的光合特性及其与叶片特性之间的相关性。【方法】采用Li-6400便携式光合测定仪测定黄顶菊和苍耳叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度等指标,并比较分析入侵植物与本地种光合特性及叶片特性的差异。【结果】3个地区的2种植物光饱和点均高于1200μmol·m~(-2)·s~(-1),且邯郸和衡水地区的黄顶菊光饱和点显著高于本地种苍耳达221.8%、122.9%;3个地区黄顶菊的光补偿点显著低于苍耳,而最大净光合效率则显著高于苍耳,但叶绿素含量差异并不显著;除邯郸地区外,黄顶菊的比叶面积、光合氮利用效率均要显著高于苍耳,各地区黄顶菊的叶片氮含量、叶片磷含量、光合能量利用效率均显著高于本地种。相关分析表明,叶片最大净光合速率与叶片建成成本、叶片氮含量、叶片磷含量、光合能量利用效率以及光合氮利用效率显著正相关(P0.05);比叶面积与光合能量利用效率呈显著正相关(P0.05),与光合氮利用效率呈极显著正相关(P0.01)。【结论】黄顶菊在同一环境条件下比苍耳有着更高的光合速率、光合能量利用效率以及光合氮利用效率,成为其具备高入侵性的生理基础。     

黄河干流河岸带C4植物群落特征及其对水库生态效应的指示

于2008年9月16日至10月31日对黄河干流河岸带植物群落开展了系统调查。共采集高等植物124种,分属于32科、97属,其中C4植物9科、24属、34种,占科、属、种总数的28%、25%和27%。对该区域的研究结果还表明：（1）C4植物主要分布于单子叶植物纲的禾本科和莎草科,两者共占C4植物总种数的61%。（2）从上游到下游C4植物种数递增,但中游C4/C3比、C4植物密度和生物量要明显高于上游和下游。（3）C4植物种数及C4/C3比与海拔、年均气温、年均降水量及年均流量均有相关关系,C4植物生物量仅和年均降水量显著相关。（4）水库位置的C4/C3比要明显高于其临近样区,说明C4植物对水库干扰下河岸带植被的动态变化具有一定的指示作用。     

转玉米PEPC基因水稻中有限的C4光合微循环及其生理作用

用转PEPC基因水稻(Oryza sativa L. subsp.japonica Kitaake)和原种水稻Kitaake为材料,研究了不同基因型水稻叶片中的C4光合微循环及其功能.通过测定与光合C4途径有关的关键酶,如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、NADP -苹果酸酶(NADP -ME)、NADP -苹果酸脱氢酶(NADP -MDH)和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK),说明原种水稻叶片中具有完整的C4光合酶体系;用外源OAA或MA饲喂叶切片或叶绿体后明显增加光合速率,证明原种水稻中具有一个有限的光合C4微循环.将玉米的PEPC基因导入原种水稻后,可大幅度提高光合C4微循环的速率.测定不同基因型的CO2交换速率,看出水稻中C4光合微循环的增强有提高净光合速率(Pn)和降低光呼吸速率/净光合速率(Pr/Pn)比值的作用.叶绿素荧光特性分析表明,C4光合微循环的增强伴随着PSⅡ电子传递效率(Fv/Fm)和光化学猝灭(qP)的增加以及非光化学猝灭(qN)的降低;这些结果为通过基因工程手段提高作物光合效率的遗传育种提供了科学根据.     

海北高寒草甸生态系统研究定位站没有发现C4植物——来自于稳定性碳同位素的证据

通过对海北高寒草甸生态系统研究站25个科、70个属、102种植物叶片的稳定性碳同位素的测定,以确定植物群落的光合型。结果表明,所测定的102种植物的稳定性碳同位素比值(δ^13C)介于-28．24‰和-24．84‰之间,说明这102种植物均属于C3植物,无C4植物或CAM植物。植物这种光合型的分布与该生态系统中的环境因子密切相关,是低温、强辐射等环境因素长期作用的结果,也反映了植物对这种特殊环境的适应。     

转玉米PEPC基因水稻中有限的C4光合微循环及其生理作用

用转PEPC基因水稻(OryzasativaL.subsp.japonicaKitaake)和原种水稻Kitaake为材料,研究了不同基因型水稻叶片中的C4光合微循环及其功能。通过测定与光合C4途径有关的关键酶,如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、NADP -苹果酸酶(NADP -ME)、NADP -苹果酸脱氢酶(NADP -MDH)和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK),说明原种水稻叶片中具有完整的C4光合酶体系;用外源OAA或MA饲喂叶切片或叶绿体后明显增加光合速率,证明原种水稻中具有一个有限的光合C4微循环。将玉米的PEPC基因导入原种水稻后,可大幅度提高光合C4微循环的速率。测定不同基因型的CO2交换速率,看出水稻中C4光合微循环的增强有提高净光合速率(Pn)和降低光呼吸速率/净光合速率(Pr/Pn)比值的作用。叶绿素荧光特性分析表明,C4光合微循环的增强伴随着PSⅡ电子传递效率(Fv/Fm)和光化学猝灭(qP)的增加以及非光化学猝灭(qN)的降低;这些结果为通过基因工程手段提高作物光合效率的遗传育种提供了科学根据。     

Two genes encode highly similar chloroplastic NADP-malic enzymes in Flaveria. Implications for the evolution of C4 photosynthesis.

To gain an understanding of the molecular events underlying the evolution of C4 photosynthesis, we have undertaken as detailed study of the NADP-malic enzyme gene family in C4 and C3 species of Flaveria. Three genomic clones form the C4 species Flaveria bidentis were characterized and found to encode two highly similar chloroplastic forms of NADP-malic enzyme, termed ME1 and ME2. Genomic southern blotting with gene-specific probes showed that both Me1 and Me2 are found in Flaveria trinervia (C4) and Flaveria pringlei (C3) as well as in F. bidentis. Northern blots demonstrated that Me1 expression in leaves parallels the degree of C4 photosynthesis in seven Flaveria species. Furthermore, whereas Me2 was expressed at a low level in both roots and leaves of F. bidentis, Me1 expression was seen only in leaves and was light-regulated. We discuss these results in the context of the evolution of C4 photosynthesis in Flaveria.     

中国菊科植物一新归化属--黄菊属

报道了在河北和天津发现的菊科一新记录属和一新记录种,即黄菊属Flaveria Juss.及二齿黄菊F. bidentis (L.) Kuntze,并提供墨线图.黄菊属与万寿菊属Tagetes L.和天人菊属Gaillardia Fouger.近缘,它们的共同特征是花序托无托片;不同点在于黄菊属叶对生或交互对生,常基部连合,头状花序在枝顶聚集成平顶形的伞房状或近球形的复合花序,花黄色,舌状花1(-2),冠毛缺.     

Water-use efficiency and nitrogen-use efficiency of C(3) -C(4) intermediate species of Flaveria Juss. (Asteraceae)

Plants using the C(4) pathway of carbon metabolism are marked by greater photosynthetic water and nitrogen-use efficiencies (PWUE and PNUE, respectively) than C(3) species, but it is unclear to what extent this is the case in C(3) -C(4) intermediate species. In this study, we examined the PWUE and PNUE of 14 species of Flaveria Juss. (Asteraceae), including two C(3) , three C(4) and nine C(3) -C(4) species, the latter containing a gradient of C(4) -cycle activities (as determined by initial fixation of (14) C into C-4 acids). We found that PWUE, PNUE, leaf ribulose 1·5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) content and intercellular CO(2) concentration in air (C(i) ) do not change gradually with C(4) -cycle activity. These traits were not significantly different between C(3) species and C(3) -C(4) species with less than 50% C(4) -cycle activity. C(4) -like intermediates with greater than 65% C(4) -cycle activity were not significantly different from plants with fully expressed C(4) photosynthesis. These results indicate that a gradual increase in C(4) -cycle activity has not resulted in a gradual change in PWUE, PNUE, intercellular CO(2) concentration and leaf Rubisco content towards C(4) levels in the intermediate species. Rather, these traits arose in a stepwise manner during the evolutionary transition to the C(4) -like intermediates, which are contained in two different clades within Flaveria.     

Bacillus promotes invasiveness of exotic Flaveria bidentis by increasing its nitrogen and phosphorus uptake

芽孢杆菌通过提高黄顶菊对氮和磷的吸收促进外来黄顶菊的入侵 外来植物入侵对土壤芽孢杆菌(Bacillus)多样性的影响及芽孢杆菌在外来植物入侵中的作用目前尚不清楚。黄顶菊(Flaveria bidentis)是入侵中国的有害杂草,狗尾草(Setaria viridis)是黄顶菊入侵地常见的伴生植物种。本研究利用野外大田试验和温室盆栽试验,比较黄顶菊和狗尾草根际土壤芽孢杆菌群落结构的差异,以及黄顶菊和狗尾草根际土壤芽孢杆菌对黄顶菊竞争生长的影响。野外大田试验包括黄顶菊 单种、黄顶菊和狗尾草混种、狗尾草单种3个处理。利用16S rRNA基因测序技术研究了不同处理两种植物 根际土壤芽孢杆菌的多样性,获知黄顶菊根际土壤聚集的优势芽孢杆菌;利用温室盆栽试验探究优势芽孢杆菌对黄顶菊竞争生长的影响。研究结果表明,黄顶菊和狗尾草根际土壤芽孢杆菌多样性差异显著,其中耐寒芽孢杆菌是黄顶菊和狗尾草根际土壤聚集的优势芽孢杆菌,但是黄顶菊根际土壤中耐寒芽孢杆菌相对丰度显著高于狗尾草根际土壤耐寒芽孢杆菌的相对丰度。接菌试验表明,与狗尾草根际土壤中的耐寒芽孢杆菌相比,黄顶菊根际土壤聚集的耐寒芽孢杆菌提高了黄顶菊体内氮和磷的水平。总之,黄顶菊入侵改变了根际土壤芽孢杆菌的群落结构,黄顶菊根际土壤聚集的耐寒芽孢杆菌通过提高黄顶菊植株体内氮、磷水平来促进黄顶菊的生长。     

The Promoter of the Gene Encoding the C4 Form of Phosphoenolpyruvate Carboxylase Directs Mesophyll-Specific Expression in Transgenic C4 Flaveria spp

The function of the C4 mechanism of photosynthesis depends on the strict compartmentation of the enzymes involved. Here, we investigate the regulatory mechanisms that ensure the mesophyll-specific expression of the C4 isoform of phosphoenolpyruvate carboxylase. We show that 2 kb of the 5[prime] flanking region of the Flaveria trinervia C4 PpcA1 gene is sufficient to direct mesophyll-specific expression of the [beta]-glucuronidase reporter gene in transgenic F. bidentis (C4) plants. In young leaves of seedlings, the activity of this promoter is dependent on the developmental stage of the mesophyll cells. It is induced in a basipetal fashion (leaf tip to base) during leaf development. The promoter region of the orthologous nonphotosynthetic Ppc gene of F. pringlei (C3) induces reporter gene expression mainly in the vascular tissue of leaves and stems as well as in mesophyll cells of transgenic F. bidentis plants. Our experiments demonstrate that during the evolution of the C4 Flaveria species, cis-acting elements of the C4 Ppc gene must have been altered to achieve mesophyll-specific expression.     

遮阴和藜竞争对黄顶菊光合荧光和生长特性的影响

为了防控黄顶菊进一步在国内蔓延,明确黄顶菊的生长机制迫在眉睫.本研究设不同遮阴程度(0、50%和80%)和种植方式(黄顶菊单种、藜单种、两者混种)共9个处理,研究遮阴和种植方式对两种植物出苗率、光合荧光和生长特性的影响.结果表明: 适度遮阴有利于黄顶菊出苗,但是出苗不整齐,这是造成黄顶菊入侵性强的一个重要因素.随着光照强度的增强,两种植物净光合速率(P_n)、光化学猝灭(q_P)、PSⅡ电子传递速率(ETR)、实际量子产量(Y)、非光化学猝灭(q_N)、水分利用效率(WUE)、茎生物量比(SMR)、冠宽(CW)和干物质积累量(DM)都增加,而比叶面积(SLA)降低;黄顶菊叶生物量比(LMR)显著增加,而藜不显著;黄顶菊DM增幅比藜的增幅高.80%遮阴下,藜P_n和DM都高于黄顶菊.自然光下,黄顶菊P_n、q_N、WUE和相对竞争强度(RCI)最高,混种黄顶菊CW、DM和混种藜P_n、Y显著低于相应的单种处理.黄顶菊的光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)均比藜高.因此,黄顶菊耐阴能力比藜弱,两种植物都是通过增加SLA和降低LMR来适应弱光;黄顶菊适应强光的能力大于藜,自然光下混种黄顶菊通过增加SMR和降低CW来提高竞争力.     

替代牧草对黄顶菊生物量分配及光合作用的影响

选用高丹草、沙打旺两种牧草对入侵植物黄顶菊进行生物替代,比较不同替代处理中黄顶菊的生物量分配和光合特性的差异以验证替代效果。结果表明:替代调控明显地影响了黄顶菊的生物量积累并且改变了其分配格局;替代处理区的各生物量指标均显著低于对照区;与黄顶菊单种对照相比,沙打旺和高丹草中的黄顶菊总生物量分别下降了90.2%、94.2%;沙打旺中的黄顶菊和高丹草中的黄顶菊叶生物量比升高,而根生物量比、支持结构生物量比、根冠比降低,显示黄顶菊在替代处理下倾向于增加光合同化器官面积。替代处理下的黄顶菊光合作用均受到显著影响,净光合速率Pn显著下降,其中高丹草中的黄顶菊的Pn仅为2.15 μmolCO2·m-2·s-1。试验结果显示,在替代条件下限制光合的主要因素是非气孔限制因素,即导致黄顶菊光合作用大幅下降的原因是替代牧草遮阴作用引起的光能供应的不足。可塑性指数分析表明,黄顶菊具有较高的表型可塑性,显示其对逆境条件较强的适应性与入侵能力。替代措施能抑制黄顶菊的生物量积累与繁殖,影响其光合生产力,具有较好的防控效果。     

黄顶菊在中国的潜在适生区

菊科黄菊属植物黄顶菊近年出现在我国华北地区天津市和河北省的衡水、廊坊等地,其入侵范围有不断扩大的趋势.黄顶菊是一种入侵性极高的一年生杂草,对农牧业生态系统有极大的破坏性.为指导黄顶菊的防除和制定相关的控制政策,本研究根据黄顶菊在其原产地南美洲及扩散入侵地的分布资料,采用CLIMEX生态位模型对其在中国的潜在适生分布区域进行预测.结果表明,黄顶菊在中国的潜在适生区域集中分布于东南部的广东、广西、云南、海南、福建、台湾、江西、湖南、贵州、四川、重庆、湖北、安徽、江苏、上海15个省（市、自治区）,其中高风险区域包括广东、广西、台湾、海南、福建、云南、四川、贵州、重庆和西藏局部地区.     

饲喂黄顶菊对黄粉虫生长发育及繁殖的影响

【背景】黄顶菊是近年来人侵我国的一种有害杂草,其竞争力强,给自然界造成了严重危害,同时也产生了大量的生物质资源。作为一种杂食性昆虫,黄粉虫易于饲养,可以用于多种生物质资源的转化处理。【方法】本研究分别以黄顶菊、小白菜和西瓜皮作为青料,与麦麸等配制成人工饲料后,对黄粉虫进行定期饲喂,研究其对黄粉虫幼虫、成虫生长发育及繁殖的影响。【结果】黄粉虫幼虫饲料中添加一定比例的黄顶菊与添加小白菜相比,虫体生物量增长率较低,饲料利用率和死亡率较高;成虫饲料中添加黄顶菊与添加西瓜皮相比,黄粉虫平均寿命延长,单雌产卵量减少,且差异均显著,体长略有减小。【结论与意义】本研究对利用黄粉虫转化处理黄顶菊的效果做出了初步评价,即黄粉虫能够取食黄顶菊,但转化处理效果不太理想。