解纤维梭菌脱水四环素诱导的ClosTron基因打靶系统构建

【背景】解纤维梭菌是发酵木质纤维素生产乙醇的中温模式菌株,构建可控诱导的基因打靶技术是研究解纤维梭菌遗传调控的重要手段。【目的】在解纤维梭菌中构建脱水四环素诱导的ClosTron基因打靶系统。【方法】首先,分析解纤维梭菌对脱水四环素的敏感性,筛选合适的诱导剂浓度,并以β-葡萄糖苷酶为报告基因,检测其在解纤维梭菌中的诱导效果。然后,将脱水四环素诱导型操纵子与II型内含子元件组合,构建脱水四环素诱导的ClosTron质粒。最后,以解纤维梭菌mspI、ldh和ack为例,检测其在解纤维梭菌中的打靶效率。【结果】脱水四环素诱导系统在解纤维梭菌中能够诱导ClosTron元件表达,在mspI、ldh和ack这3个基因位点的打靶效率分别为29.48%±15.51%、23.61%±7.08%和28.09%±6.97%。【结论】在解纤维梭菌中成功构建脱水四环素诱导的ClosTron基因打靶系统,为梭菌基因工程改造奠定了基础。     

限制性内切酶Mlu I蛋白及其硒代衍生物的制备

【背景】限制性内切酶Mlu I是一种常用的工具酶,在分子生物学领域发挥着重要的作用,其三维结构尚未被解析。【目的】在大肠杆菌中克隆表达、纯化重组Mlu I蛋白及其硒代蛋白,并进行结晶条件的研究。【方法】构建重组表达载体pET28b-Mlu I,在大肠杆菌BL21(DE3)pLysS中诱导表达,利用亲和层析和凝胶过滤层析纯化重组Mlu I蛋白和硒代Mlu I蛋白。对蛋白进行质谱检测、圆二色谱检测以及酶活检测,利用坐滴法进行结晶条件的筛选。【结果】构建了重组表达载体pET28b-Mlu I并纯化获得达到结晶纯度的蛋白,通过质谱检测确定硒代Mlu I蛋白中的8个甲硫氨酸全部被取代,结合酶活测试及圆二色谱检测确定了硒代对Mlu I蛋白的活性、结构无明显影响。采用坐滴法进行初步的晶体生长研究,重组蛋白目前已在1种条件下获得针状晶体并进行初步衍射,获得分辨率在0.32 nm左右的衍射数据。【结论】Mlu I蛋白及硒代Mlu I蛋白纯化体系的构建和结晶条件的研究,可为下一步解析Mlu I三维结构、作用机制的探讨及定向改造奠定基础。     

戴云山物种多样性与系统发育多样性海拔梯度分布格局及驱动因子

生物多样性的海拔分布格局是生态学研究的热点。海拔作为综合性因子驱动着植物群落的物种、系统发育与功能多样性的空间分布。以戴云山南坡900-1600 m森林植物群落为研究对象,探讨物种多样性、系统发育指数与环境驱动因子的相互关系以及环境因子在群落构建与多样性维持中的重要意义。结果表明：（1）森林植物群落的系统发育多样性与物种多样性沿海拔均呈现中间高度膨胀格局。（2）物种多样性Margalef指数、Shannon-Wiener指数与系统发育多样性指数呈显著正相关,表明物种多样性越高,系统发育多样性也越高。Shannon-Wiener指数与物种多样性指数（Margalef、Pielou、Simpson指数）、系统发育多样性及系统发育结构都存在显著相关性,一定程度上Shannon-Wiener指数可以代替其他指数。Pielou指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数与系统发育结构NRI （Net relatedness index）指数、NTI （Net nearest taxa index）指数存在显著正相关,表明群落优势度、均匀度与系统发育结构相关性较强。（3）土壤全磷含量是影响系统发育多样性和物种多样性的主要驱动因子,土壤含水量是影响Shannon-Wiener、Pielou、Simpson指数的最显著因子,海拔是影响群落系统发育结构的主要因素。海拔是影响系统发育结构变化的主要环境因子,而土壤因子是影响物种多样性与系统发育多样性的主要因素,进一步验证了物种多样性与系统发育多样性的高度相关,结果旨在揭示物种群落空间分布规律。     

基于目标检测的东北虎个体自动识别

东北虎个体的自动识别是种群数量评估和制定有效保护策略的重要基础。以东北虎林园和怪坡虎园38 只虎为研究对象,将目标检测方法首次应用到东北虎个体识别研究中,采用多种深度卷积神经网络模型,以实现虎个体的自动识别。首先通过相机在不同角度对 38 只东北虎进行拍摄取样,建立包含13579张图像的虎样本数据集。由于虎的体侧条纹信息不具有对称性,所以运用单次多盒目标检测（Single Shot MultiBox Detector, SSD）方法,对虎的躯干左侧条纹、右侧条纹以及脸部等不同部位图像,进行自动检测并分割提取,极大节省手工截取时间。在检测分割出的左右侧及脸部不同部位图片基础上,运用上、下、左、右平移变换进行数据增强,使图片数目扩大为原来的5 倍。采用LeNet、AlexNet、ZFNet、VGG16、ResNet34共5 种卷积神经网络模型进行个体自动识别。为了提高识别准确率,运用平均值和最大值不同组合方式来优化池化操作,并在全连接层引入概率分别为0.1、0.2、0.3、0.4的丢弃（Dropout）操作防止过拟合。实验表明,目标检测模型耗时较少,截取分割老虎不同部位条纹能达到0.6 s/张,远快于人工截取速度,并且在测试集上准确率能达到97.4%。不同姿态下的目标部位都能正确识别并分割。ResNet34模型的准确率优于其他网络模型,左右侧条纹以及脸部图像识别准确率分别为93.75%、97.01%和 86.28%,右侧条纹识别准确率优于左侧条纹和脸部图像。研究为野生虎自动相机影像的识别提供技术参考。在未来研究中,对东北虎个体影响数据进行扩充,选取更多影像数据进行训练,使网络具有更强的适应性,从而实现更准确的个体识别。     

秦巴山地NPP及对气候变化响应的多维地带性与暖温带-亚热带界线

秦巴山地位于我国的南北过渡带,对我国生态地理格局产生重要影响。为了探索秦巴山地植被净第一性生产力(NPP,Net Primary Productivity)的时空格局及其气候响应的多样性和复杂性,为我国暖温带-亚热带界线的具体分布提供新的佐证,基于2000—2015年的MOD17A3的地表植被NPP数据和秦巴山地93个气象站点数据,从经度、纬度、海拔、坡向多个维度研究了秦巴山地地表植被NPP的分布及与气候因子的关系。结果表明:从2000—2015年,(1)秦巴山地中低山地区,自北向南随纬度降低,地表植被多年平均NPP呈现增加的趋势,体现了纬度地带性;年均NPP与温度的关系由负相关变为正相关,转折点出现在汉江;与降水的相关性减弱。(2)自西向东多年平均NPP值先增加后减少,秦岭一线地表植被年均NPP与温度由正相关变为负相关,与降水主要呈正相关,相关性先增加后减少。(3)随高度的增加,秦巴山地多年NPP值及增长率均呈现先增加后减少的趋势。(4)秦岭和大巴山多年平均NPP均呈现增加趋势,但是秦岭增长较大巴山更明显;2000m以下,秦岭南坡增长率明显高于北坡,大巴山北坡增长率明显高于南坡;2000—3000m,秦岭南北坡差异较小,但是大巴山差异明显;中山地区(1000—2500m),秦岭年均NPP与气温呈负相关,而大巴山则呈现正相关或弱相关;秦岭地区年均NPP与降水的相关性整体强于大巴山地区。这就意味着全球变暖、气温升高对秦岭植被尤其是中低山地区的植被产生不利影响,但是对大巴山则有利,而前者植被生长主要与降水增加有关。这也说明了基于汉江为界的秦岭和大巴山无论是地表植被NPP的均值还是其南北坡差异以及对气候因子的响应呈现了明显的差异,而汉江作为中山地区植被NPP与气温相关性由正相关性到负相关的转折点,与降水的关系由弱相关到正相关的转折点,更合适作为南北分界线。     

攀枝花不同海拔高度烤烟农田红壤中氨氧化细菌与氨氧化古菌的群落结构分析

为探究攀枝花干热河谷区农田土壤氨氧化古菌（Ammonia oxidizing archaea,AOA）与氨氧化细菌（Ammonia oxidizing bacteria,AOB）群落对海拔高度的响应特征,深入认识该区域的氮素循环过程。以攀枝花米易县不同海拔（1600 m、1800 m和2000 m）农田红壤为研究对象,运用化学分析和末端限制性片段长度多态性（Terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP）分别测定土壤理化性质、AOA和AOB群落组成及多样性,研究不同海拔农田土壤中AOA和AOB群落变异及其驱动因子。研究结果显示,不同海拔农田土壤pH均小于7,土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、速效钾（AK）和铵态氮（NH₄⁺-N）含量随海拔升高而降低,碱解氮（AN）、有效磷（AP）和硝态氮（NO₃^--N）含量随海拔升高先增加后降低;随海拔升高,AOA群落多样性指数增加,而AOB群落多样性指数先增加后降低;AOA以亚硝基球菌属（Nitrososphaera）为优势菌群,AOB以亚硝化螺菌属（Nitrosospira）为优势菌群;土壤有机碳（SOC）、速效钾（AK）和硝态氮（NO₃^--N）是影响该区域农田土壤AOA和AOB群落发育的主要因子。总体而言,攀枝花干热河谷区不同海拔农田土壤AOA和AOB群落结构变化明显,土壤硝态氮、速效钾和有机碳是影响AOA和AOB群落结构变异的主要因子;研究结果可为揭示干热河谷区农田红壤氮循环相关微生物的海拔分布格局提供理论依据。     

克氏原螯虾嗜水气单胞菌噬菌体的分离鉴定和应用

为分离获得致病性嗜水气单胞菌烈性噬菌体, 鉴定和研究其生物学特性, 为克氏原螯虾细菌性疾病的防治和治疗提供依据, 研究以患病克氏原螯虾分离到的致病性嗜水气单胞菌为宿主菌, 从湖泊水体中分离到多株噬菌体, 对其中一株烈性噬菌体Ph-0进行了生物学特性的分析, 包括噬菌斑形态的观察, 最佳感染复数的测定, 一步生长曲线的绘制, 热稳定性的测定等。结果显示, 噬菌体Ph-0的噬菌斑呈圆形, 边缘可见1 mm左右的半透明晕环; 其最佳感染复数为0.1 MOI; 一步生长曲线表明其潜伏期约20min, 裂解期持续约70min, 90min后为平台期; 噬菌体在0—40℃下活性无明显变化, 但是当温度高于50℃活性开始下降; 在pH 3—11的环境中活性良好, 具有耐酸耐碱的性质; 此外对紫外和氯仿极其敏感, 在处理数分钟后滴度下降明显。噬菌体治疗人工感染嗜水气单胞菌的克氏原螯虾试验结果表明, 分别采用注射和浸泡两种方法进行治疗, 保护率可分别达到66%和20%, 病理切片结果显示在使用噬菌体治疗之后, 克氏原螯虾的鳃、心脏和肝胰腺均得到不同效果的治疗, 总体效果良好。上述研究结果表明噬菌体Ph-0是一株裂解性较强, 裂解周期短的烈性噬菌体, 对感染嗜水气单胞菌的克氏原螯虾有一定的保护效果。     

大蒜气生鳞茎形态发生及其碳水化合物和内源激素含量以及相关基因表达的变化特征

以大蒜品种‘二水早’(早熟)、‘麻江红蒜’(中晚熟)和‘徐州白’(晚熟)为材料,采用石蜡切片技术结合显微观察探讨气生鳞茎形成过程中植株茎尖和花序轴形态变化,并测定了‘麻江红蒜’气生鳞茎形成过程中可溶性糖、蔗糖、淀粉和内源激素含量及相关基因表达变化,明确不同熟期各品种大蒜气生鳞茎形成进程和形态解剖学特征,以及碳水化合物和内源激素与大蒜气生鳞茎形成的关系,以探讨大蒜气生鳞茎分化的生理机制。结果表明:(1)依据茎尖生长点和花序轴的形态解剖特征,将气生鳞茎形成进程划分为启动期、气生鳞茎原基分化期(包括保护叶原基、贮藏叶原基分化)、气生鳞茎膨大期和气生鳞茎成熟期等4个时期;3个品种气生鳞茎在相同发育时期的形态解剖学特征相同,但分化时间不同,其分化顺序与大蒜品种成熟期表现一致;当总苞叶叶尖露出叶鞘,花器官原基分化时,花序轴周围分生组织区域产生小突起,标志着气生鳞茎原基分化的开始;外层保护叶由白色转为紫色时气生鳞茎进入成熟期。(2)气生鳞茎开始膨大后,其可溶性糖和蔗糖含量均显著降低,淀粉含量显著升高;ZR含量在启动期显著升高;IAA和MeJA含量在气生鳞茎原基分化期维持在较高水平,但IAA含量随着气生鳞茎膨大显著降低,并在成熟期降至最低。(3)果聚糖代谢相关基因1-SST、1-FEH分别在膨大初期、膨大中期表达量显著升高;细胞壁转移酶基因CWI相对表达量在气生鳞茎原基分化期显著升高;蔗糖信号转导基因T6P和生长素信号转导的关键转录因子ARF1相对表达量均在气生鳞茎分化期显著升高;茉莉酸信号调控途径中的负调控因子JAZ相对表达量在大蒜气生鳞茎原基分化期和膨大初期均维持一个较低水平。研究认为,大量可溶性糖及ZR在茎尖积累,可以启动气生鳞茎原基分化,促进气生鳞茎形态发生;高浓度IAA和MeJA可促进气生鳞茎原基分化;气生鳞茎膨大消耗可溶性糖,且低浓度IAA有利于气生鳞茎膨大;成熟的气生鳞茎积累大量淀粉。     

唇形科苣叶鼠尾草的新分布及适生分布区预测

在野外调查的基础上,报道了苣叶鼠尾草在贵州和广西的省级新分布。基于苣叶鼠尾草16个分布数据和11个环境因子参数,运用最大熵(MaxEnt)模型对其适生分布区进行预测,并通过受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线对模型精度进行验证。结果表明:(1)ROC曲线下面积(AUC)均值为0.999,模型预测结果准确性较高,适合苣叶鼠尾草的潜在适生区预测。苣叶鼠尾草的适生区主要分布于中国西南地区以及与中国南部相邻国家的部分地区。核心适宜区集中在中国滇黔桂、四川东部和滇东南中越边境的石灰岩山区。(2)刀切法(Jackknife)检测结果表明,影响苣叶鼠尾草适生分布区的主要环境因子包括:最暖季降水量、最冷月最低温、平均气温日较差以及最冷季降水量等。适生区环境因子的统计分析结果显示,苣叶鼠尾草适宜生长在最暖季降水量650~1500 mm、最冷月最低温0~10℃、平均气温日较差6.5~8.5℃、最冷季降水量0~250 mm的地区。研究结果可为苣叶鼠尾草的资源调查和相关研究提供有利依据。