植物低氧胁迫伤害与适应机理的研究进展

不良的通气条件导致了正常生长发育的植物生理性缺氧,低氧胁迫是高等植物主要的非生物胁迫因素之一。本文综述了低氧胁迫对植物生长、植株形态的影响,低氧胁迫对植物内部水分、养分吸收的变化,呼吸代谢途径的变化、激素代谢的变化,氧化系统的变化的影响,以及低氧胁迫过程中植物体内信号的传导、基因的表达、蛋白质的合成等,在不同层面分析了低氧胁迫对植物的伤害及植物对低氧逆境适应机理的最新研究成果。     

低氧环境对细胞培养基内氧浓度的影响

目的:测定不同氧环境下细胞培养基内的实际氧浓度,并探讨在细胞培养过程中,影响培养基内氧含量的因素。方法:利用光纤氧传感探头,对不同氧环境下、不同细胞培养容器中,以及常氧或低氧环境下换液前后RPMI1640培养基内的氧含量进行测定。结果:培养基中的氧含量可以随着外界氧环境的变化而改变;低氧环境下24孔板和35 mm皿中的氧含量要比25 cm2培养瓶稳定;常氧环境下换液使得培养基内的氧含量明显升高,而在低氧环境下换液则对培养基内的氧含量无明显影响。结论:在不同氧浓度下的细胞培养模型研究中,严格控制外界环境中的氧浓度,选用合适的细胞培养容器,并且在换液过程中尽量避免或减少培养基与常氧环境的接触,是维持培养基内氧含量稳定的重要因素。     

湿地植物根系泌氧及其在自然基质中的扩散效应研究进展

湿地植物根系径向泌氧(ROL)是构造根际氧化-还原异质微生态系统的核心要素,其扩散层为好氧、厌氧微生物提供了良好生境并促进其代谢活动,使湿地植物根际成为有机物降解、物质循环及生命活动最为强烈的场所,已有成果证明湿地植物根系ROL的强弱与污染物的去除效果密切相关。因此,开展湿地植物根系ROL及其在自然基质中的扩散效应研究,对于了解湿地植物根系ROL机理及其根际氧环境特征,进而发挥湿地植物的污染去除功能具有十分重要的意义。基于此,首先归纳了湿地植物根系ROL特征及其受影响机制的研究现状,而后从种属差异、时空分布及对微生物的影响等方面对根系ROL在自然基质中的扩散效应国内外研究成果进行了总结,最终根据研究现状与不足对今后的研究方向进行了简要展望。创新之处在于:1)提出影响根系氧供给及氧输送释放通道的环境、生物等因素,阐述了其对根系ROL的影响机制;2)着重阐述了目前研究较少提及的根系ROL扩散效应测定方法。     

植物根际微生物群落构建的研究进展

植物根际是指植物根系与土壤的交界面,是根系自身生命活动和代谢对土壤影响最直接、最强烈的区域,其物理、化学和生物性质不同于土体土壤。在这个区域里,与植物发生相互作用的大量微生物,被称为根际微生物。根际微生物在植物的生长发育和植物病虫害的生物防治等方面都具有十分重要的意义。本文总结了根际微生物群落构建的研究现状,介绍了根际微生物的经典和最新的研究方法,包括根箱法、同位素技术以及高通量测序、菌群定量分析、高通量分离培养等方法在根际微生物研究中的应用,讨论了植物根系分泌物(碳水化物、氨基酸、黄酮类、酚类、激素及其信号物质)和土壤物理化学性质对根际微生物群落的影响,概述了根际微生物-植物的互作机制,以及根际微生物群落对植物的促生作用、提高植物抗逆性和抑制作用,并对根际微生物群落研究中存在的问题和未来发展方向进行了展望。     

低氧信号传导途径与鱼类低氧适应

低氧信号传导途径是从线虫到哺乳动物都十分保守的一个细胞信号传导途径系统,它对于维持后生动物的氧稳态至关重要.低氧诱导因子是该信号传导系统中最为关键的因子.对低氧诱导因子的调控是对低氧信号途径网络进行有效调控的主要方式.由于鱼类生存的水环境溶氧量的变化很大,在长期进化过程中,鱼类演化出适应不同浓度溶氧水环境的物种,并发展出千差万别的低氧适应策略.对鱼类低氧适应策略及其低氧适应机制的研究,对于认识鱼类物种形成的动因和培育耐低氧鱼类新品种具有十分重要的意义.本文在总结低氧信号传导及其调控机制研究进展的基础上,综述了鱼类低氧信号途径、低氧适应策略、低氧信号途径网络调控等方面研究的慨况.     

外源钙对根际低氧胁迫下黄瓜幼苗ADH、LDH活性和同工酶的影响

以‘新泰密刺’黄瓜为材料,采用营养液栽培,外源使用Ca2+、钙离子通道抑制剂La3+与钙调素拮抗剂三氟拉嗪(TFP),研究了钙对根际低氧胁迫下黄瓜幼苗根系ADH、LDH活性和同工酶的影响。结果表明,低氧胁迫诱导产生了新的ADH和LDH同工酶条带。低氧胁迫下,ADH、LDH同工酶丰度和活性显著高于对照;外源增施Ca2+有利于Ca2+信号的形成和逆境信号的传递,营养液添加CaCl2缓解了低氧胁迫对黄瓜植株的伤害,ADH、LDH同工酶丰度和活性接近对照水平;La3+抑制Ca2+的吸收和体内运输,营养液添加LaCl3显著抑制了ADH和LDH同工酶丰度和酶活性,黄瓜幼苗植株生长受到抑制,生物量显著低于低氧处理,表明La3+加重了低氧胁迫对黄瓜幼苗植株的伤害;TFP抑制了低氧逆境胁迫信号的传递,营养液添加TFP抑制了ADH和LDH同工酶丰度和酶活性,ADH和LDH同工酶丰度和酶活性显著低于低氧处理,黄瓜幼苗植株生长受到抑制,黄瓜植株的低氧耐性降低。暗示外源Ca2+参与了低氧胁迫下黄瓜根系无氧呼吸代谢的调节,增强了Ca2+向植物体内的运输,缓解了低氧胁迫对黄瓜幼苗植株的伤害,增强了植物对低氧的耐性。     

根际微生物促进水稻氮利用的机制

根际微生物影响植物的生长及环境适应性。不同种属、不同种群的植物影响其环境微生物群落;反之,根际微生物也影响宿主植物生长发育与生态适应性。植物与根际微生物的互作现象及其机制,是生命科学研究关注的热点,也是农业微生物利用的关键问题。近期,中国科学家在该领域取得了突破性进展。通过对不同籼稻(Oryza sativa subsp. indica)和粳稻(O. sativa subsp. japonica)品种的根际微生物组进行研究,发现籼稻根际比粳稻根际富集更多参与氮代谢的微生物群落,且该现象与硝酸盐转运蛋白基因NRT1.1B在籼粳之间的自然变异相关联。通过对籼稻接种籼稻根际特异富集的微生物群体可以提高前者对有机氮的利用,促进其生长。该研究揭示了籼稻和粳稻根际微生物分化的分子基础,展示了利用根际微生物提高水稻营养高效吸收的应用前景。     

昆虫对环境低氧的适应:生理和分子机制研究进展

氧是机体进行新陈代谢和维持生存的必要因素。低氧环境在自然界普遍存在,也是许多重大疾病(如癌症)发生过程中基本的病理生理特征。生物包括昆虫在其生存和发育过程中经常面对低氧的挑战,它们发展出了各自的适应策略以求得生存和繁荣壮大。昆虫对于低氧环境适应包括在气管系统通气量、气体交换模式、体型大小和发育时间等生理机制上的改变。为揭示昆虫低氧适应机制,研究人员针对不同昆虫采用了来自人工选择或者自然选择的品系(种群),使用了基因芯片表达和转录组测序、基因组重测序技术和基因操作等技术。基于这些方法研究发现,在分子机制方面,昆虫可以通过抑制能量代谢、提高氧气利用率来适应低氧环境;还可以通过胰岛素通路、低氧诱导因子(HIF)信号通路等来调节自身代谢活动从而适应环境低氧;除此之外,昆虫的气管系统可以在基因调控下通过代偿性生理和形态变化来适应低氧环境。昆虫低氧适应机制的研究为探求昆虫数亿年进化过程中体形改变、物种形成、种群动态等提供提供新的视野,也增进对动物应对低氧或缺氧机理的深入理解,特别是为研究人类重大疾病的发生提供重要启示。     

缺氧信号转导通路的研究进展

人体组织和细胞在环境氧浓度改变的条件下,通过氧感受器和信号转导通路特异地调节某些基因或蛋白的表达来适应低氧.同时在缺氧情况下,缺氧反应导致多种细胞信号通路的激活参与调节呼吸、代谢、细胞生存等.在哺乳动物体内,HIFs是主要的低氧应激转录因子,其α亚基受到多种因素的影响,如PHDs、FIH1、线粒体、CHIP,本文将在常氧和缺氧状态下,对HIF稳定性调节机制及缺氧所介导相关信号转导通路进行综述.     

根际微生物促进水稻氮利用的机制

根际微生物影响植物的生长及环境适应性。不同种属、不同种群的植物影响其环境微生物群落; 反之, 根际微生物也影响宿主植物生长发育与生态适应性。植物与根际微生物的互作现象及其机制, 是生命科学研究关注的热点, 也是农业微生物利用的关键问题。近期, 中国科学家在该领域取得了突破性进展。通过对不同籼稻(Oryza sativa subsp. indica)和粳稻(O. sativa subsp. japonica)品种的根际微生物组进行研究, 发现籼稻根际比粳稻根际富集更多参与氮代谢的微生物群落, 且该现象与硝酸盐转运蛋白基因NRT1.1B在籼粳之间的自然变异相关联。通过对籼稻接种籼稻根际特异富集的微生物群体可以提高前者对有机氮的利用, 促进其生长。该研究揭示了籼稻和粳稻根际微生物分化的分子基础, 展示了利用根际微生物提高水稻营养高效吸收的应用前景。     

稻田水氮氧环境因子对水稻生长发育、光合作用和氮利用的调控研究进展

水分和氮素是影响水稻生长发育的两个重要环境因子。适宜的水氮耦合模式可通过“以水调氮、以水控氧”调控稻田根际氮形态和溶氧量等环境因子,促进良好根系形态构建,提高叶片光合速率和光合产物“源-库”分配平衡,提高水稻群体质量和产量形成。同时,稻田水氮氧环境因子驱动的微生物调控机制在水稻-土壤系统氮高效利用方面也发挥重要作用。本文重点阐述了水氮耦合下水分、氮形态和溶氧量对水稻生长发育、光合作用、碳氮代谢、稻田氮转化过程及其微生物调控机制等方面的研究进展,展望并提出了未来亟待加强的研究方向:1)开展水氮耦合下水稻根际溶氧量时空动态分布特征及氧环境调控关键因子研究;2)明确不同基因型水稻根源信号增氧响应特征及其对水稻生长发育的影响调控机制;3)阐明根际氧环境驱动的关键微生物过程对稻田氮转化和氮素利用的影响。     

甘肃鼢鼠低氧适应后心功能的变化

甘肃鼢鼠Eospalax cansus是生活在我国黄土高原地区的地下鼠,是一种缺氧耐受的模型鼠,具有多种机制来适应其特殊的生活环境。为了比较慢性间歇性低氧后与地面常氧状态下甘肃鼢鼠的心脏功能,将18只甘肃鼢鼠随机分为对照组(常氧)和实验组(慢性间歇性低氧)检测其心脏功能。结果表明,低氧适应后实验组的心率较对照组显著提高(P0.05);平均颈动脉压力、左心室收缩压较对照组极显著升高(P0.01);左心室内压最大上升速率和左心室内压最大下降速率与对照组差异无统计学意义。表明甘肃鼢鼠存在一定低氧适应机制,在低氧刺激下其心脏代偿功能得到发挥,从而减轻缺氧对其心脏的损伤。     

植物涝渍胁迫应激机制研究进展

涝渍胁迫使植物从有氧呼吸转变为无氧呼吸,为了适应水淹环境,植物会根据自身特点启动应激机制。从植物形态、植物生理代谢、植物应激反应以及植物根际土壤微生物的变化阐述了植物对涝渍胁迫的应激机制,并对微生物生态响应机制与涝渍胁迫的关系方面的研究提出了展望,以期为植物抗性应激机制研究提供参考。     

Ca2+对根际低氧胁迫下黄瓜幼苗生长和叶片荧光特性的影响

采用营养液栽培,以根际低氧耐性不同的2个黄瓜品种为试验材料,研究了Ca2 对根际低氧胁迫下黄瓜幼苗生长和叶片荧光特性的影响。结果表明:(1)根际低氧胁迫下,黄瓜植株根长、根表面积和根尖数减少,但根径有所增大;叶片干重、鲜重和叶面积显著减小,提高营养液钙浓度可使植株叶片干、鲜重和叶面积得到部分恢复。(2)根际低氧胁迫下,叶片光合色素含量降低,提高营养液钙浓度对色素含量无明显影响。(3)根际低氧胁迫下,常钙和高钙处理黄瓜叶片Fv/Fm与通气常钙(CK)无显著差异,但低氧缺钙处理的Fv/Fm显著降低;与通气常钙相比,根际低氧胁迫处理的光化学猝灭(qP)减小、非光化学猝灭(qN)增大、光合功能相对限制值(L(PFD))升高,提高营养液钙浓度可使qP和qN恢复至近对照水平,而使L(PFD)低于对照,且‘绿霸春四号’黄瓜品种表现得更为突出;根际低氧胁迫下,光化学速率(Prate)减小,天线热耗散速率(Drate)都随钙浓度升高而降低。总之,根际低氧胁迫下黄瓜幼苗生长被显著抑制,PSⅡ反应中心受到一定程度的破坏,提高钙浓度可使PSII反应中心恢复至接近甚至高于通气对照的水平,从而有效缓解根际低氧胁迫对黄瓜幼苗造成的伤害。     

植物与低磷环境研究进展——诱导、适应与对策

自从20世纪70年代人们发现适应低磷土壤的作物根际磷的有效性明显增加的现象之后。植物与低磷环境的研究便引起了人们的重视。植物如何适应低磷环境和如何有效利用土壤磷素资源的问题已成为国内外当前的研究热点之一。研究表明,低磷条件下,植物根系形态结构会发生适应性变化,根冠间的物质分配会向根部倾斜使根冠比增加;植物根际酸度变化、有机酸分泌和磷酸酶释放有利于活化和利用土壤中的磷素资源;不同种类或品种的植物具有不同的磷营养效率基因型,具有不同亲和力的磷转运体,也具有不同的磷活化机制。人类对植物适应低磷机制的研究还将继续,揭示植物对低磷环境的响应对策和发掘植物有效利用磷素资源的潜力,在经济上和环保上均有非常现实的意义。     

植物根系对根际微环境扰动机制研究进展

根际微环境是构建植物与土壤交流沟通的桥梁,也是植物遭受胁迫时优先作出响应的区域。植物根系作为根际的主要调控者,根构型和根系分泌物种类、数量的改变均可对根际微生物和土壤动物种群分布及其结构造成影响。然而,土壤动物的扰动、微生物的分解作用也可改善根际土壤特性,提高植物抗逆性及养分利用效率,从而促进植物根系生长。可见,植物根系-根际动物-根际微生物之间存在复杂的互作关系。本文从根际内、外微环境出发,分析了根际外植物根系对微环境的物理和化学扰动、根际内植物根系与微生物的互作扰动、根际内植物根系和土壤动物的物理扰动、以植物根系分泌物为介质的化学扰动等方面研究进展,在此基础上,论述了根际微环境主要影响因子之间的互作机制,并对该领域的研究方向进行了展望。     

根际微生物组组装与植物健康

土壤微生物拥有高度多样化的群落结构,其通过与植物发生复杂的相互作用影响植物健康,也被称为植物的第二基因组。最近研究表明植物能通过改变根际分泌物的组成影响根际微生物群落的组装,反之,根际微生物群落组成的改变能够通过影响植物营养吸收和抵御生物及非生物胁迫的能力影响植物健康。除此之外,农艺管理也是影响土壤微生物群落组装方式的重要因素。但到目前为止,根际微生物与宿主植物及土壤微生物之间互作机制的研究尚不清楚。本文将从农艺管理和宿主植物对微生物群落组装的影响及根际微生物组对植物健康的影响进行总结,为增加作物产量提供机会。     

三种不同泌氧能力的红树植物对铅、锌、铜的耐性研究

红树林是分布于热带、亚热带潮间带的典型滨海生态系统。近年来,随着城市化和工业化的发展,滨海生态系统受重金属(例如铅、锌、铜等)的污染越来越严重,我国南方一些红树林底泥中的重金属浓度已达到甚或超过重度污染标准。由于沉积作用,红树林底泥被认为是一个能积累由潮水和河流淡水携带来的重金属的"库"。然而,红树植物具有很强的耐性生长于重度污染的底泥, 但其中的机理目前尚不清楚。由于长期被水淹没,红树林底泥是一个具氧化还原势低,还原性毒性物质(如Fe²⁺、Mn²⁺、H₂S、CH₄等)积累多,营养物质缺乏等特征的厌氧环境。为了适应这种生境,红树植物也进化出了一套与其他湿地植物类似的适应机制,植物能通过通气组织将地上部分的氧气输送到地下,一部分满足根的呼吸作用需要,一部分则通过根释放到根际,这被称为根的泌氧。根的泌氧可以氧化根际环境并且氧化还原性的毒性物质,以保证红树植物根免受毒害而延长生长。因此,根际泌氧是红树植物能适应生境的一个重要机理。本研究试图揭示红树植物在长期适应生境的过程中已经进化和发展出一系列形态解剖和生理生化特征是否在耐浸水的土壤条件,解除Fe²⁺、Mn²⁺等元素的毒性同时,是否也能解除其他重金属(铅、锌、铜)的毒性。通过对木榄、桐花和白骨壤三种不同泌氧能力的植物进行8周室内砂培试验发现:(1)三种植物的生长都被铅、锌、铜所抑制;(2)三种植物对铅、锌、铜都具有一定的耐性,然而,泌氧能力较弱的木榄比泌氧能力较强的桐花和白骨壤对铅、锌、铜的耐性高。     

宁夏荒漠草原蒙古冰草功能性状和根际效应对土壤性状的响应

植物功能性状组合的权衡是植物适应土壤环境的重要机制,它也通过对根际效应的调控进而影响着根际过程和生态系统功能。以位于宁夏盐池县的典型荒漠草原为研究区域,通过对灰钙土、黑垆土和风沙土中蒙古冰草功能性状和根际效应的对比分析,探究不同土壤对蒙古冰草功能性状和根际效应的影响以及它们之间的关系。结果表明：(1)不同土壤中蒙古冰草根际和非根际土壤理化性质存在显著差异,根际土壤理化性质的变化与非根际土壤性质有关。(2)不同土壤中的根际效应大小存在差异,不同因子的根际效应大小因土壤而异,总体表现为风沙土最大,灰钙土最小;土壤理化性质是影响蒙古冰草根际效应的主要因素,可解释根际效应变异的69.5%。(3)土壤理化性质与蒙古冰草功能性状密切相关,其对根长和根冠比的影响最大;蒙古冰草功能性状与根际效应大小密切相关,根长和根冠比是影响根际效应的主要因子。研究表明蒙古冰草通过根际效应改善了土壤性质,进而提高土壤质量,这种作用受土壤理化性质和植物功能性状等因子的共同影响。     

低氧预适应增强大鼠海马神经元的耐缺氧能力

本研究对整体大鼠进行了模拟不同海拔高度（3000、5000m）的低氧预适应,然后观察了急性致死性缺氧对这些大鼠海马脑片诱发群锋电位的影响。结果显示,经低氧预适应的大鼠其海马脑片在给予急性缺氧后,CA1区缺氧损伤电位（hypoxic injury potential,HIP）出现时间以及突触前排放（presynaptic volley,PV）消失时间均明显延迟;其中5000m预适应组的延迟程度比3000m组明显。复氧后,PV的恢复率在3000m和5000m低氧预适应组均明显高于对照组。本研究结果提示,整体动物的低氧预适应可以增强离体海马脑片神经元的耐缺氧能力。