罗汉果甜苷V的合成生物学研究进展

罗汉果甜苷V是罗汉果甜苷中含量和甜度均较高的成分,具有止咳祛痰、抗癌、抗氧化、调节血糖等诸多药理活性,成为兼具治疗功能的天然非糖甜味剂,具有广阔的市场前景。然而目前有限的生物资源和较高的提取成本,限制了它的广泛应用。合成生物学的快速发展为植物天然产物的生产提供了一种新思路,通过构建罗汉果甜苷V的微生物细胞工厂,将实现其低成本、规模化生产。文中介绍了罗汉果甜苷V的结构及药理活性,重点综述了罗汉果甜苷V的合成生物学研究进展,并探讨了当前研究所面临的挑战,以期为罗汉果甜苷V生物合成的进一步研究提供参考。     

小叶锦鸡儿天然居群叶形态性状变异研究

为揭示小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)天然居群叶形态性状的变异规律及其生态适应性特征,该研究以10个小叶锦鸡儿天然居群为对象,通过多重比较、巢式方差分析、相关性分析、聚类分析和主成分分析等方法,对7个叶形态性状进行分析。结果表明：(1)小叶锦鸡儿叶形态性状在居群内和居群间均存在极显著差异(P < 0.01),平均变异系数为10.13%,不同性状的变异幅度为6.23%~12.78%;平均叶形态性状的表型分化系数为43.62%,居群内变异(30.09%)大于居群间变异(24.91%),说明居群内是其叶形态性状变异的主要来源。(2)相关性分析表明,环境因子对小叶锦鸡儿的叶形态性状变异有很大的影响,在地理空间上主要呈现出沿海拔梯度的变异模式;主成分分析的结果显示,小叶宽、叶柄宽和叶柄长对小叶锦鸡儿叶形态变异起主导作用;利用欧式距离对小叶锦鸡儿居群进行UPGMA聚类分析结果显示,基于叶形态性状和环境因子可分别将小叶锦鸡儿10个居群分为3类和2类,Mantel检验结果表明,小叶锦鸡儿的叶形态性状变异不存在地理连续性。研究结果为小叶锦鸡儿的适应性进化和开发利用提供了理论依据。     

水分驱动下茵陈蒿(Artemisia capillaris Thunb.)地上生物量模型与异速生长特征

构建生物量预估模型,探究生物量在各器官中的分配策略和异速生长关系及其对环境因子的响应,对理解植物群落结构、功能、碳储存和分配机制具有重要意义。本研究以内蒙古荒漠草原常见种茵陈蒿(Artemisia capillaris Thunb.)为对象,在不同水分处理下,利用易测指标,如株高、基径、分枝数、冠幅和生物量等参数建立生物量模型,采用标准化主轴分析法分析其异速生长关系。结果表明:在不同水分处理下,茵陈蒿的最佳生物量预估模型的变量选择不同;不同水分处理下茵陈蒿各器官间、各器官与地上生物量间的异速生长关系不同,但相对于自然降水量,增水和减水50%下均为等速生长,这说明在不同水分条件下茵陈蒿对各器官间的资源配置存在权衡策略,符合最优分配假说;而在极端气候条件下,各器官对资源的竞争会变弱;在荒漠草原中,对草本植物进行生物量模拟,选择预测变量和方程模型时,应考虑生长季降水量。本研究可为荒漠草原草本植物生物量预估模型的建立和异速生长关系对环境因子适应的理解等提供方法支持及理论依据。     

荒漠草原两种类型土壤的水分动态对比

基于2017—2018年的定位监测数据,分析了宁夏东部的盐池荒漠草原2种不同类型土壤(灰钙土和风沙土)的水分时空动态特征。结果表明: 2017和2018年生长季(5—10月),研究区降雨量分别为208.2和274.8 mm,降雨在各月份的分配差异较大。2018年除5月存在极端降雨事件(129.6 mm)外,其余各月降雨量均低于2017年。土壤水分变化的季节动态规律大致可以分为两个阶段:土壤水分补偿期(5月初至6月初)和土壤水分波动期(6月中旬至9月底)。0～20 cm土层土壤含水量在降雨后呈骤增骤减的脉冲式特点,深层土壤含水量较稳定。灰钙土土壤含水量随土层加深表现为“升-降-升”的变化,风沙土土壤含水量在0～60 cm土层出现井喷式增加,而后增加缓慢,但随着土层深度的增加土壤含水量逐渐增大。2017年,灰钙土全剖面(0～100 cm)土壤水分表现为积累型,风沙土表现为消耗型;2018年,两种类型的土壤水分在全剖面均表现为消耗型。两种土壤类型土壤水分的时间稳定性随土壤深度的增加而增强,灰钙土和风沙土全剖面的平均土壤含水量代表性土层分别为80～100和40～60 cm。2种类型土壤的土壤水分时空分布不同,风沙土受降水的影响高于灰钙土。降水会降低土壤水分的变异性,改变土壤水分的时间稳定性。     

极端干旱对草甸草原优势植物非结构性碳水化合物的影响

植物光合作用产生的非结构性碳水化合物(NSCs)水平可以反映植物和生态系统对环境变化的响应程度。近年来, 草原极端干旱事件的发生频率和持续时间增加趋势明显, 对生态系统结构和功能产生深远影响。该研究以内蒙古呼伦贝尔草甸草原为研究对象, 通过连续4年减少66%生长季降水量的控制实验来模拟极端干旱事件, 分析草原6种优势物种和植物功能群NSCs各组分对极端干旱的响应规律与机制。结果显示, 由于植物生物学、光合特性以及生理生态等特性的差异, 不同物种对干旱胁迫的响应具有明显差异。这表明草地植物NSCs组分及其利用策略对干旱胁迫的响应具有物种特异性, 从而导致其生物量的不同响应。将6种植物分为禾草和非禾草两类, 发现干旱显著增加了禾草的淀粉含量, 但对其可溶性糖含量无显著影响; 相反, 干旱显著增加了非禾草功能群的可溶性糖含量, 对其淀粉含量无显著影响, 表明不同功能群采取了不同的干旱应对策略。禾草选择将光合作用固定的能量进行储存以应对干旱胁迫, 其生物量对干旱响应不敏感; 而非禾草选择将能量以可溶性糖的形式直接供植物生长利用以及抵御干旱胁迫, 其生物量对干旱响应较为敏感。这一发现可为预测在全球气候变化背景下草甸草原生态系统结构与功能对极端干旱的响应提供科学参考。     

氮和水分添加对内蒙古荒漠草原放牧生态系统土壤呼吸的影响

土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分, 同时也是评价生态系统健康状况的重要指标, 对于评估退化草地恢复过程中生态系统功能具有重要意义。该研究在内蒙古四子王旗短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原长期放牧实验平台上进行, 该平台设置对照(CK)、轻度(LG)、中度(MG)和重度(HG) 4个放牧强度。通过在4个放牧处理区设置氮、水添加实验处理, 探讨不同放牧强度背景下, 氮、水补充对荒漠草原土壤呼吸过程的影响。结果表明: (1)历史放牧强度除2015年对土壤呼吸无显著影响, 2016和2017年都有显著影响, 放牧区3年平均土壤呼吸速率基本都高于对照区。此外, 氮和水分添加显著增加了MG区土壤呼吸速率, HG区氮、水同时添加对土壤呼吸速率有显著增加作用; (2)无论是历史放牧强度, 还是氮、水添加处理, 都没有改变荒漠草原生长季土壤呼吸速率的季节动态变化趋势, 土壤呼吸速率基本表现为单峰曲线模式, 峰值出现在水热同期的7月份; (3)不同年份生长季土壤呼吸速率对氮、水处理的响应并不相同, 氮添加至第3年产生显著影响。水分添加在平水年份(2015和2017年)对土壤呼吸产生显著影响, 但在丰水年份(2016年)无显著影响。氮、水共同添加分别在CK、LG和HG区3年平均土壤呼吸速率显著高于单独加水处理, 说明氮添加的有效性依赖于水分条件, 两者表现为协同作用; (4)不同处理下荒漠草原土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)值介于1.13-2.41之间, 平均值为1.71。在无氮、水添加时, 放牧区的Q₁₀值都小于CK区, 总体表现为CK 大于 MG 大于 LG 大于 HG; 加水和氮水共同添加处理后, Q₁₀值都有明显增加, 其中NW处理下Q₁₀值都增加到2.0以上。上述结果说明在过去受不同放牧强度影响的荒漠草原在停止放牧后的恢复过程中, 土壤水分仍是影响土壤呼吸的主导环境因子, 外源氮添加只有在满足一定水分供给的基础上才起作用, 尤其是过去的重度放牧区土壤呼吸速率对氮、水补充的响应最为强烈。该研究结果可以为评估荒漠草原恢复过程中土壤呼吸速率受养分和水分影响提供基础资料和依据。     

宁夏东部荒漠草原灌丛引入对土壤水分动态及亏缺的影响

全球气候变化背景下,荒漠草原人工灌丛引入加速其灌丛化进程,对草原土壤水分产生重要影响。为了解宁夏东部荒漠草原灌丛引入过程中土壤水分动态及亏缺现状,选取了封育草地、放牧草地、不同年限(3a、12a、22a)和间距(40 m、6 m、2 m)灌丛柠条(Caragana korshinskii)地进行土壤水分测定,并利用土壤水分相对亏缺指数(compared soil water deficit index,CSWDI)、样地土壤水分相对亏缺指数(plot compared soil water deficit index,PCSWDI)对土壤水分亏缺进行定量分析。结果表明:灌丛引入过程中不同年限、间距灌丛地0—200 cm土层土壤含水量均显著低于封育草地与放牧地(P0.05);各样地季节动态均表现为春季返潮、夏季消耗、秋季蓄积的季节规律,但不同年限、间距灌丛地表现为春季返潮微弱,土壤含水量仅为7.80%—10.90%,显著低于封育草地和放牧地(11.90%—16.09%);灌丛引入过程中各灌丛地0—100 cm有效储水量(-16.98—18.69 mm)均低于封育草地(34.67 mm),虽在种植22a灌丛地和2 m间距灌丛地略有升高,仍不足20.00 mm。土壤水分相对亏缺量(除封育草地外)为6.69—97.16mm;灌丛引入过程中各样地不同土层CSWDI值呈波动变化,除封育草地各土层无显著的亏缺外,其他样地均存在亏缺,亏缺值为0.03—12.10,PCSWDI值均随着灌丛引入年限和密度的增加呈增大趋势。荒漠草原灌丛引入过程产生土壤水分过度利用,使得土壤水分亏缺,并加剧其深层土壤水分的消耗。     

围封对天山高寒草原4种植物叶片和土壤化学计量学特征的影响

以中国科学院巴音布鲁克草原生态系统研究站长期围栏内外的羊茅(Festuca ovina)、天山赖草(Leymus tiansecalinus)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)和鹅绒委陵菜(Potentilla anserine)4种植物叶片和土壤为研究对象,分析了放牧与围封对植物叶片和土壤C、N、P的化学计量特征的影响。结果表明,围封样地土壤养分浓度整体高于放牧样地(P0.05),全氮(TN)浓度除外。围封显著增加羊茅叶片C、N浓度(P0.05),对P浓度影响不显著;围封显著增加鹅绒委陵菜叶片的C浓度,但是显著降低叶片的N和P浓度(P0.05),围封对天山赖草和二裂委陵菜养分含量影响不显著。围封显著增加鹅绒委陵菜C∶N和C∶P(P0.05);围封显著降低羊茅C∶N、C∶P和增加N∶P(P0.05);围封显著降低二裂委陵菜C∶N(P0.05),对天山赖草的化学计量特征影响不显著。不同植物对围封的响应不同,意味着长期围封可能会改变天山高寒草原生态系统的结构。围封降低优势种(羊茅)的固碳能力,增加退化期出现的代表性植物(鹅绒委陵菜)的固碳能力,表明在长期围封下植物凋落物中的杂类草(鹅绒委陵菜)可能更多的为土壤提供碳来源,也能促进优势禾本科物种的氮含量和碳含量的增加。     

长白山白桦山杨次生林细根形态特征和解剖结构对氮沉降的响应

根系作为植物与土壤物质交换和养分循环的桥梁,长期以来一直是生态学研究的热点。于2017年7月植物生长季,对长白山模拟11年氮(N)沉降控制试验样地的白桦(Betula platyphylla)山杨(Populus davidiana)天然次生林进行了根系采样,并利用根序法研究了根系形态特征和解剖结构对不同梯度N添加处理的响应,旨在探求两物种根系之间潜在生态联系。本试验共设置了三个N添加梯度,分别为对照(CK,0 g N m~(-2 )a~(-1))、低N处理(T_L,2.5 g N m~(-2 )a~(-1))和高N处理(T_H,5.0 g N m~(-2 )a~(-1))。研究结果如下:1)T_L显著抑制白桦和山杨前三级细根皮层厚度的生长。白桦通过增加皮层细胞直径(一级根增加了72.77%,二级根增加了53.22%,三级根增加了39.96%)但减少皮层层数来降低皮层厚度,而山杨主要通过皮层细胞直径的减少(一级根下降了40.80%,二级根下降了28.17%)来降低其皮层厚度。2)T_H显著抑制山杨前三级细根生长。主要通过增加皮层厚度(一级根增加了68.78%,二级根增加了50.81%,三级根增加了88.53%)以及降低导管横截面积来抑制吸收养分,从而达到影响生长的目的。3)白桦T_H相比于T_L细根直径呈抑制生长状态。其主要通过抑制中柱直径(一级根下降了17.61%,二级根下降了16.89%,三级根下降了20.62%)的生长来实现。以上结果表明,在同一立地条件下,白桦和山杨的细根对不同浓度N沉降的响应方式不同。     

生境梯度影响下的天然红松种群空间格局与种内关联

为理清生境梯度下天然红松种群空间分布规律,以黑龙江省凉水国家级自然保护区内自坡底至坡顶的四种生境(生境Ⅰ,谷地平坡潮湿生境;生境Ⅱ,坡下缓坡潮湿生境;生境Ⅲ,坡上斜坡半湿润生境;生境Ⅳ,坡顶陡坡半干旱生境)类型中建群种红松种群为研究对象。分析不同林层(主林层、亚林层、演替层、更新层)红松种群的数量特征,并基于O-ring函数,在重复采样条件下评价了红松种群空间分布格局。结果表明:(1)下坡位生境(生境Ⅰ、Ⅱ)红松更新层种群数量显著大于上坡位(生境Ⅲ、Ⅳ)(P0.05),演替层中差异不显著;自坡底至坡顶的生境梯度上,主林层和亚林层中红松株数比例增加,红松种群年龄结构结构由倒J型向J型转变。(2)下坡位原始红松林更新层和演替层中红松种群聚集规模与聚集强度均高于上坡位,坡顶(生境Ⅳ)原始红松林更新层中红松种群聚集规模与聚集强度高于坡上(生境Ⅲ)。(3)四类生境的原始红松林中主林层与更新层中红松种群总体表现为空间独立,在个别尺度上表现出微弱的空间正关联或负关联;在0—5 m尺度上,下坡位红松林原始林内演替层与主林层红松种群表现为空间负关联,而上坡位生境林分对应林层间空间关系则为空间正关联;四类生境中,亚林层与主林层中红松种群在全部研究尺度上均表现为空间独立。可以认为,造成上坡位生境的原始红松林中幼树、幼苗聚集规模与强度弱于下坡位的原因是上坡位更新与演替层中种群数量较少;而随坡位上升,更现层、演替层与主林层中红松种群间的空间关系由空间负关联向空间正关联转变是生物与非生物因子共同作用的结果。研究结果为阔叶红松林的经营管理与生态修复提供了理论依据。