Recent developments in mesophyll conductance in C3, C4, and crassulacean acid metabolism plants

The conductance of carbon dioxide (CO₂) from the substomatal cavities to the initial sites of CO₂ fixation (g_m) can significantly reduce the availability of CO₂ for photosynthesis. There have been many recent reviews on: (i) the importance of g_m for accurately modelling net rates of CO₂ assimilation, (ii) on how leaf biochemical and anatomical factors influence g_m, (iii) the technical limitation of estimating g_m, which cannot be directly measured, and (iv) how g_m responds to long‐ and short‐term changes in growth and measurement environmental conditions. Therefore, this review will highlight these previous publications but will attempt not to repeat what has already been published. We will instead initially focus on the recent developments on the two‐resistance model of g_m that describe the potential of photorespiratory and respiratory CO₂ released within the mitochondria to diffuse directly into both the chloroplast and the cytosol. Subsequently, we summarize recent developments in the three‐dimensional (3‐D) reaction‐diffusion models and 3‐D image analysis that are providing new insights into how the complex structure and organization of the leaf influences g_m. Finally, because most of the reviews and literature on g_m have traditionally focused on C₃ plants we review in the final sections some of the recent developments, current understanding and measurement techniques of g_m in C₄ and crassulacean acid metabolism (CAM) plants. These plants have both specialized leaf anatomy and either a spatially or temporally separated CO₂ concentrating mechanisms (C₄ and CAM, respectively) that influence how we interpret and estimate g_m compared with a C₃ plants.     

The complex response of free and bound amino acids to water stress during the seed setting stage in Arabidopsis

Free amino acids (FAAs) and protein‐bound amino acids (PBAAs) in seeds play an important role in seed desiccation, longevity, and germination. However, the effect that water stress has on these two functional pools, especially when imposed during the crucial seed setting stage is unclear. To better understand these effects, we exposed Arabidopsis plants at the seed setting stage to a range of water limitation and water deprivation conditions and then evaluated physiological, metabolic, and proteomic parameters, with special focus on FAAs and PBAAs. We found that in response to severe water limitation, seed yield decreased, while seed weight, FAA, and PBAA content per seed increased. Nevertheless, the composition of FAAs and PBAAs remained unaltered. In response to severe water deprivation, however, both seed yield and weight were reduced. In addition, major alterations were observed in both FAA and proteome compositions, which indicated that both osmotic adjustment and proteomic reprogramming occurred in these naturally desiccation‐tolerant organs. However, despite the major proteomic alteration, the PBAA composition did not change, suggesting that the proteomic reprogramming was followed by a proteomic rebalancing. Proteomic rebalancing has not been observed previously in response to stress, but its occurrence under stress strongly suggests its natural function. Together, our data show that the dry seed PBAA composition plays a key role in seed fitness and therefore is rigorously maintained even under severe water stress, while the FAA composition is more plastic and adaptable to changing environments, and that both functional pools are distinctly regulated.     

中国特有属藤山柳属(猕猴桃科)植物的叶表皮形态及其分类学意义

由于形态特征变异和地理分布区域存在重叠,中国特有属藤山柳属(猕猴桃科)的物种划分问题长期以来存在争议,曾被分为20种或修订为含1种4个亚种的单型属。该研究选取了在形态和地理分布上有代表性的29个居群的184份标本,利用光学显微镜和扫描电镜观察了叶表皮形态和微形态特征,以探讨它们的分类学意义。结果表明:(1)藤山柳属植物叶表皮毛被的形态和微形态特征有3类,即光滑-短柱状毛、刚毛-长柱状毛/长刺毛、绒毛-单列多细胞毛,且这些特征在居群间差异明显,并各具明显的地理分布格局,支持把藤山柳属分为3类,即光滑类、刚毛类和绒毛类。(2)3类藤山柳植物在个别居群表现出部分同域分布现象,在峨眉山不同海拔高度的3个居群存在垂直地带性分布特点。(3)藤山柳属植物叶表皮的其他形态特征,如不规则型表皮细胞、6类气孔器、叶表皮初级蜡质纹饰以网状隆起为主,伴随着2～4类次级纹饰,在居群间变化多样等均没有明显的分类学意义。(4)由于具有相同的叶表皮形态特征和地理分布,建议把繁花藤山柳合并到绒毛藤山柳,故支持藤山柳属是1个正处于分化进程中的单型属,包括1个种3个亚种。     

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。     

基于稳定氧同位素确定植物水分来源不同方法的比较

利用稳定同位素技术确定植物水分来源,对提高生态水文过程的认识和对干旱半干旱区的生态管理至关重要。目前基于稳定同位素技术确定植物水分来源的方法众多,但不同方法之间对比的研究较少。本研究基于原位样品采集,室内实验测试,利用直接对比法、多元线性混合模型(IsoSource)、贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)和吸水深度模型分析植物水分来源,并对比各方法的优缺点。结果表明:相对于多元线性混合模型(IsoSource)而言,贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)具有更好的水源区分性能,但对数据要求较高,且植物木质部水和潜在水源同位素组成的标准差越小,模型运行结果的可信度更高。本研究中贝叶斯混合模型(MixSIR)为最优解。在利用稳定氢氧同位素技术确定植物水分来源时,可先通过直接对比法定性判断植物可能利用的潜在水源,然后再用多元线性混合模型(IsoSource)、贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)计算出各潜在水源对植物的贡献率和贡献范围,必要时可评估模型性能,选择出最优模型,定量分析植物的水分来源。若植物主要吸收利用不同土层深度的土壤水,可结合吸水深度模型计算出植物吸收土壤水的平均深度。本研究为干旱半干旱地区利用同位素技术确定植物水分来源方法的选择提供了理论依据。     

浙江水源地河流浮游动物多样性与环境因子的通径分析

为探明水源地河流浮游动物多样性及与水环境因子的关系, 利用浮游动物多样性参数监测水质, 2010-2014年间, 我们于每年的冬季(1月)、春季(4月)、夏季(7月)和秋季(10月), 对浙江2个水源地河流采样站(H1站和H2站)展开浮游动物种类组成、丰度和多样性指数的季节性调查, 同时测定水环境因子。结果表明, H1站和H2站浮游动物平均丰度分别为1,387.4 ind./L和873.0 ind./L, 小型浮游动物(轮虫 + 桡足类无节幼体)丰度分别占92.8% (H1站)和91.5% (H2站)。两采样站轮虫、枝角类和桡足类的优势种均为针簇多肢轮虫(Polyarthra trigla)、短尾秀体溞(Diaphanosoma brachyurum)和温剑水蚤(Thermocyclops sp.)。多元逐步回归与通径分析结果表明: 冬季氮磷比是轮虫类Shannon-Wiener多样性指数(H′)波动的限制因子, 主要通过总磷含量对轮虫类H′指数产生较大的间接正向作用; 春季氮磷比是轮虫类H′指数发展的决策因子; 秋季氮磷比可通过总氮含量对轮虫类H′指数产生较大的间接正向作用。冬季氨氮、总氮含量分别是甲壳动物体积多样性指数(Hs)的决策因子和限制因子。夏季溶解氧含量是总浮游动物物种丰富度(d)波动的限制因子, 主要通过pH值对d指数产生较大的间接正向作用, 作用机制表现为轮虫类H′指数随着夏季溶解氧含量的升高呈极显著上升(P < 0.01), 而甲壳动物Hs指数则显著下降(P < 0.05)。水源地河流环境因子与浮游动物多样性之间的相互关系为浙江水源地生态学监测提供了可能性。     

基于综合评价法的洞庭湖区绿地生态网络构建

绿地生态网络对于改善区域生态空间破碎化、生物多样性降低、生态系统服务供需不平衡及保障区域生态安全具有重要意义。本研究以洞庭湖区为例,在3S技术支持下,从生态系统服务功能、潜在生物多样性、形态空间格局的角度综合评价和识别生态源地及计算栅格单元的基本生态阻力;利用夜间灯光指数修正基本生态阻力;运用最小累积阻力模型识别生态廊道;构建加权评价模型,对源地的聚合度、离散度及廊道的生态连接贡献度进行评价;利用结构特征指数对综合网络、“源-汇”潜在网络及规划网络进行对比分析和评价。结果表明: 源地空间分布不均衡,林地、灌丛与水域三者面积之和占源地总面积的95.9%,位于研究区中部的洞庭湖湿地生态风险较高;源地离生态网络系统中心位置越近及到其他源地的平均最小累积阻力越小,聚合及离散的优势越强;高生态质量源地周围的中、高生态质量源地分布越密集,其聚合度、离散度越高;廊道离高生态质量的源地越近,表现为生态连接贡献度越大;林地、灌丛,尤其是河道在自然生态系统与人类社会系统之间起着非常重要的生态连接作用;“源-汇”规划绿道对“源-汇”潜在生态廊道形成了良好补充,与“源-汇”潜在网络相比,综合网络的α、β、γ、ρ指数分别提高123.1%、25.8%、26.2%、74.6%;与“源-汇”规划网络相比,α、β、γ、ρ指数分别提高了190.0%、31.1%、32.5%、114.6%。本研究结果能为洞庭湖区绿地生态网络构建、国土空间规划提供参考。     

沙漠腹地天然绿洲胡杨和柽柳叶片δ13C值对不同地下水埋深的响应

干旱区植物的水分利用效率对植物的分布及水分利用状况具有重要意义。基于不同地下水埋深条件下沙漠腹地绿洲优势种胡杨和柽柳叶片δ¹³C值,分析了胡杨和柽柳的水分利用效率对不同地下水埋深的响应。结果表明: 随着地下水埋深由2.1 m增加到4.3 m,柽柳叶片的δ¹³C值先略有增加后处于较为稳定状态,柽柳采取较为稳定的水分利用效率适应干旱环境;胡杨叶片的δ¹³C值呈现先略有减小后增加的趋势,胡杨通过提高水分利用效率的策略适应干旱胁迫。同一地下水埋深条件下柽柳叶片的δ¹³C值高于胡杨叶片,表明柽柳的水分利用效率高于胡杨。     

西南旱地油菜田土壤水分和作物光合特征对覆盖材料和垄沟比的响应

为了应对西南地区频发的季节性干旱,提高旱作农田水分利用效率和作物光能利用效率,设置大田试验,研究不同覆盖材料(普通白膜、普通黑膜、生物降解膜和不覆膜)和不同垄沟比(40 cm∶40 cm和40 cm∶80 cm)对土壤贮水量和油菜光合特性、荧光参数、叶绿素相对含量(SPAD)的影响。结果表明: 油菜生育期不同覆盖材料下的土壤贮水量为:普通黑膜垄作(BR)≈普通白膜垄作(WR)≈生物降解膜垄作(BDR)＞不覆膜垄作(NR)＞平作(FP);在同一覆盖材料下,垄沟比对土壤贮水量无显著影响。与平作相比,垄沟集雨处理的净光合速率、气孔导度、最大荧光、可变荧光、PSⅡ最大光化学量子产量、PSⅡ潜在活性、光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数均有所提高;与平作相比,WR、BR、BDR和NR处理的SPAD值分别提高6.1%、8.6%、8.5%和3.6%,瞬时水分利用效率分别提高18.3%、11.4%、16.3%和10.4%。相比于平作,BR、WR和BDR处理可显著增加油菜产量,NR处理增产不显著,普通黑膜垄作+垄沟比40 cm∶40 cm处理的经济效益最高。可见,垄沟集雨种植可以改善西南旱地油菜田土壤水分,增强油菜叶片光合能力,提高油菜产量,增加农民收入。     

亚热带不同树种凋落叶分解对氮添加的响应

为探究不同质量凋落物对氮(N)沉降的响应, 该研究采用尼龙网袋分解法, 在亚热带福建三明格氏栲(Castanopsis kawakamii)自然保护区的米槠(Castanopsis carlesii)天然林, 选取4种本区常见的具有不同初始化学性质的树种凋落叶进行模拟N沉降(N添加)分解实验(施N水平为对照0和50 kg·hm ^-2·a ^-1)。研究结果表明: 在2年的分解期内, 对照处理的各树种凋落叶的分解速率依次为观光木(Michelia odora, 0.557 a ^-1)、米槠(0.440 a ^-1)、台湾相思(Acacia confusa, 0.357 a ^-1)、杉木(Cunninghamia lanceolata, 0.354 a ^-1); N添加处理凋落叶分解速率依次为观光木(0.447 a ^-1)、米槠(0.354 a ^-1)、杉木(0.291 a ^-1)、台湾相思(0.230 a ^-1), 除杉木凋落叶外, N添加显著降低了其他3种凋落叶分解速率。N添加不仅使4种树木凋落叶分解过程中的N释放减慢, 同时还抑制凋落叶化学组成中木质素和纤维素的降解; N添加在凋落叶分解过程中总体上提高β-葡萄糖苷酶(βG)和酸性磷酸酶活性, 对纤维素水解酶的活性影响不一致, 而降低β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性和酚氧化酶活性。凋落叶分解速率与凋落叶中的碳获取酶(βG)活性以及其化学组分中的可萃取物含量极显著正相关, 与初始碳浓度、纤维素和木质素含量极显著负相关, 与初始N含量没有显著相关性。凋落物类型和N添加的交互作用虽未影响干质量损失速率, 但对木质素和纤维素的降解具有显著效应。综上所述, 化学组分比初始N含量能更好地预测凋落叶分解速率, 而N添加主要通过抑制分解木质素的氧化酶(如PHO)来降低凋落叶分解速率。